【2019年整理】苏氨酸发酵设计.docx

一、设计方案天然存在的L-苏氨酸为无色或微黄色晶体，无臭、微甜，可溶于水，20C时溶解度 为9g/100mL,难溶于乙醇、乙酰、氯仿等有机溶剂，熔点为 253〜257CL-苏氨酸的 解离常数为 pKCOOH=2.15, pKNH2=9.12，等电点 pl (25C) =5.64目前，L-苏氨酸的制备方法主要有生物合成法、 化学合成法和蛋白质水解法三种 然而，在工业化生产中，化学合成法和蛋白质水解法由于存在一些缺陷已经基本不被使 用生物合成法则因生产成本低、资源节约、环境污染小等优点逐渐成为工业化生产 L- 苏氨酸的主要方式生物合成法包括直接发酵法和酶转化法两种 微生物发酵法生产苏氨酸是目前生产苏氨酸的主要方法 采用基因工程菌进行发酵法生产， 产酸可达100g/L 以上目前国内外已经利用微生物发酵法批量生产苏氨酸1.1设计条件(1) 650L苏氨酸发酵罐，分批发酵；(2) 主发酵罐的尺寸及附件的设计；1.2发酵工艺发酵法生产L-苏氨酸，通常采用短杆菌届细菌的 仿氨基-&羟基戊酸(AHV)和S-(2- 氨基乙基)-L-半胱氨酸(AEC)双重抗性变异1.3.发酵罐尺寸及整体设计罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和产生泡沫， 因此罐中实际装料量V不能过大，一般取装料系数为0.6〜0.75。

取装料系数%为0.6 ,则发酵罐需装料体积为：VV 0 =650 0.6 =390L发酵罐尺寸确定发酵罐体部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为 1.7〜4倍左右1.3.1确定发酵罐直径和高度标准式发酵罐的筒体高度和直径比： H/D约为1.7~4发酵罐的容量一般指圆筒体的体积加椭圆形底的体积V0 = Vc +2 VbVc=( i/4) D2 HoVb =( *4)D2(hb+2/3ha)Q 1.5D3式中：Vo—发酵罐全容量，m3;Vc一圆柱部分体积，m3;Vb—椭圆底体积，m3;Ho一圆柱部分高度，m.因此： Vo = Vc + Vb= ( V4) D2[H o+2(hb+1/6D)]取 Ho/D = 2Vo = (7*12)D3 +(2H4)D2hb可知：D=0.69m, 椭圆短半轴长度：ha=0.25D=0.25>0.69=0.1725可知：D=0.69m则有：Ho=2D=1.38 m Di=1/3D=0.23 m S=3Di=3>0.23=0.69m C=Di=0.23 mB=0.1D=0.1 >0.69=0.069 m ha=0.25D=0.25 >0.69=0.173 m不同设备的厚度不同，hb可取30 mm、40 mm、50 mm。

根据我们的发酵设备取 hb=64mmh=ha + hb =0.173+0.64=0.237 m贝U罐体高H=1.854m1.3.2发酵罐圆筒壁厚的计算P D罐壁厚：Si= rrq一 C2 n - PP——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4MPaD一发酵罐内径，D=69cm[汀A3钢的许用应力，[b ]=170IMFa4焊缝系数，双面焊对接接头：100%无损检测：4 =1.00局部检测：4 =0.85单面焊对接接头：：100%无损检测：4 =0.9局部检测：4 =0.8对丁受压缩应力的原件：4 =1.0在此设计中，取4 =0.8C=3mm得 S1=13.16mm1.3.3封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下 ：c PDy cS2 = C2（ ["P式中，y——开孔系数，取2.3得 &=26.37mm圆筒壁厚：Si=27mm椭圆封头壁厚:S2=14mm许用压力：[P]=170MPa1.4手孔的设计手孔的设计，参考《中华人民共和国机械行业标准锅炉手孔装置》 ，选择实际的尺寸，手孔选择为 D 80 >94— 85 JB/T 2191二、计算2.1通风量计算 通风管的管径计算：该罐实装液量 0.39m3,设0.1h内排空，则物料体积流量0.39Q 0.001083600 0.1发酵液流速取V=1m/s则排料管截面积为F物 F物=Q = 0.00108 = 0.00108mV 12 / F物 (0.00108 八…F物=0.785d2，则管径 d = J = J = 0.037 mV 0.785 \ 0.785若按通风管计算，压缩空气在 0.4MPa下，支气管气速为20m/s通风比0.2vvm200C , 0.1MPa下，Q=0.39X0.2=0.078m3/min = 0.0013m3/s计算到0.4MPa, 370C状态下，Q =0.0013 01 273― 0.0003439 m3/s0.4 273 20取风速v=20m/s,则风管截面积Ff为：0.000343920=0.00001719m2Ff =0.785d2 ,则气管直径d气为:0.00001719d 气=J ——-=0.00468mX 0.785因通风管也是排料管，故取两者的大值，取排料管径排料时间复核：物料流量 Q=0.00108m3/s，流速v=1m/s,管道截面积 F=0.785 0.037 2=0.001075m2在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果小，则相应流速比为P=A= 0.00108 =1.0047倍,FV 0.001075 X1 排料时间 t=0.1 1.0047=0.10047、 2.2传热量的计算发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管、外盘管。

一般容积较小的发酵罐采用夹套为 传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平■衡方程可如下表示：Q发酵=Q生物+ Q搅拌-Q空气-Q辐射Q总换热面积F = E发酵热效应：总=Q发酵xV液Q发酵一发酵热，3 x 104kJ/h.m3 (L-苏氨酸)V液一发酵液体积，m3则 Q 热=3 X04x(0.65 06)=1.17 104 kJ/h2.2.1冷却水量计算发酵过程，冷却水系统按季节气温不同，采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生 产，夏季必须使用冰水C一冷却水的比热容，4.18kJ/(kg.K)冬季：采用循环水进口水温15C ,出口水温20C；夏季：采用冰水进口水温10C ,出口水温20Co冬季冷却用循环水用量计算：(取裕量系数 1.2)Wi =C (t2-t1)比热乂(循环水出口温度=0.67吨/小时循环水入口温度)发热效应 1.2取1吨/小时吨/小时取传热系数K为850 kJ/(m2 h)夏季冷却用循环水用量计算： W2=0.336取0.5吨/小时2.2.2冷却器面积计算_ Q总F = ——K 」tmQ总一发酵热效应,kJ/h;夹套的传热系数通常为630~1050 kJ/(m2 h),△ tm一对数平■均温差：= 19.39 c(tr-t1)-(tr-12).•: tm = .tr-t1 lntr -t2F= 11700 = 0.71850 19.39三、设备选型3.1搅拌器的选择机械搅拌通风发酵管的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质以及菌体特 性选用。

本次试验选用六弯叶涡轮搅拌器六弯叶涡轮搅拌器：搅拌器叶径 Di =D/3=0.69/3=0.23m取转轴直径d=0.04m叶宽 B=0.2 D i=0.2 0.23=0.046m弧长 l=0.375d=0.375 成04=0.015m底距 C=Di=0.23m盘径 di =0.75 Dj =0.75 8.23=0.1725m叶弦长 L=0.25Di=0.25 0.23=0.0575m搅拌器叶距 S=D=0.69m弯叶板厚 a =12mm搅拌转速N2可根据50m3瞿，搅拌器直径1.05m,转速N1=110r/min,以等P0/VD_ 2 1 05 f为基准放大求得：N2 = N/d1 )3 =110乂(105) 3=303 (r/min)D2 0.23搅拌轴功率的计算通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求搅拌 轴功率，并由此选择电机3.1.1 计算 Rem_ d2n :R em= 11式中 D 一搅拌器直径，D=0.23mN---搅拌器转速，N=303r/min「醪液密度，F1080kg/m3M一醪液粘度，=2.0 fN.S/nf将数代入上式:Rem0.23 2 303 1080-3=8.66 107 > 1042.0 10视为湍流3.1.2计算不通气时的搅拌轴功率 Po:P。

NpN3D5p式中 Np—在湍流搅拌状态时其值为常数 4.7N 一搅拌转速,N=303r/minD=0.23m, p =1080g/m3代入上式，得：P0，= 4.7 5.053 0.235 1080 =0.42kW3.1.3计算通风时的轴功率Pg：3-3 ,PND 、0.39 Pg =2.25：＜10 X ( 0.08 ) (kW)Q式中， P0—不通风时轴功率(kW), P0=0.42kWQ一通风量(mL/min)，取通风比为0.2,则Q=0.2>390X06=7.8 X07 mL/min3PND3)0.39X23 ) 0.394.28Q0.08=4.28代入上式，得Pg = 2.25 10-3 (-3 0.422.25 X10 3 X(——=0.24kWPg3.3.4求电机功率P电：P 电= X1.01PgP 电=——刈.01明叩吓0.24采用三角带传动 却=0.92,滚动轴承贝=0.99,滚动轴承 m=0.98,端面密封 增加的功率为1%,代入公式得1.010.92 0.99 0.98=0.27kW查阅相关文献型号 HYGR/380-JBQ搅拌器符合要求3.2换热器的选择对丁容积小丁 5m3勺发酵罐，为了便丁活洗，多使用夹套为传热装置。

根据实际装料液体积高度1280mm，我们设计的夹套高度略高之 50-100mm,取高 度为 1330mm夹套厚度计算：查找相关文献可知，直径在 500-600mm之间的，在直径基础上加 50mm.此发酵罐直径230mm,小丁 500mm,所以取30,筒体直径为230mm时候夹套 的直径Dj为260mm选取硬质聚氨酯保温材料，它具有优异的物化性能，其中包括低的热导热、材质分 布均匀、高的抗压性能、防水性能好、绝热保冷性好等优点同时聚氨酯硬质材料能够 承受因温度、湿度变化而产生的巨大应力变化，起到好的保温效果其实际应用温度承 受最高温为120C,使用其为泡沫塑料或者喷涂料进行保温施工，罐外温度较低时可以 阻止罐内热能外失，罐外温度偏高时可以防止罐内温度升高，从而有利于反应罐内温度 的相对恒定四、附录及图纸附录1发酵罐罐体基本尺寸结果罐体高H1854mm罐体直径D690mm搅册叶径Di230mm椭圆短半轴ha173mm椭圆封头的直边hb64mm封头高度237mm封头壁厚27mm挡板宽度69mm气管直径837mm发酵罐壁厚14mm火套。