发酵罐设计原则

第二节：机械搅拌通风发酵罐设计设计好的发酵罐，在操作时应当是无杂菌的，即保证发酵过程不被污染。下面为发酵罐设计时的基本原则：(1)尽量减少法兰连接。因为设备震动和热膨胀，会引起法兰连接处移位，而导致污染。(2)尽可能采用全部焊接结构。所有焊接点必须切实磨光，消除蓄积耐热菌的固体物质的场所。(3)防止死角、裂缝，因为固体物质可在这些地方蓄积，为污染菌提供避开灭菌的绝热环境。一、设计基本原则(4)发酵系统的某些部分能单独灭菌。(5)与发酵罐相通的任何连接都应蒸汽密封，如采样口的阀门在不使用时，其出口处应有流动蒸汽通过。(6)所用阀门应易于清洗、维修和灭菌。(7)发酵罐应始终保持正压以排除渗漏。(8)几乎所有的发酵罐都由玻璃或不锈钢制成。玻璃只限用在小于20～30L的发酵罐。(9)多数发酵罐的底部和顶部都是碟形或椭圆形，小于500L的发酵罐也可用平顶，但必须符合压力标准的规定。过去丙酮丁醇发酵罐容积在400m3以上，40年代抗生素的发酵罐一般采用40～60m3的不锈钢发酵罐，目前常采用200m3或更大的发酵罐。(10)发酵罐的功率输入为：实验室小型罐为8～10W/L，中间工厂中型罐为3～5W／L，工厂大型罐为1～3W／L二、机械搅拌发酵罐的设计•机械搅拌发酵罐主要由搅拌装置、轴封和罐体三部分组成。三个组成部分各起如下的作用:–搅拌装置：由传动装置、搅拌轴、搅拌器组成,由电动机和皮带传动驱动搅拌轴使搅拌器按照一定的转速旋转,以实现搅拌的目的。–轴封：为搅拌罐和搅拌轴之间的动密封,以封住罐内的流体不致泄漏。–罐体：罐体、加热装置及附件。它是盛放反应物料和提供传热量的部件。（一）、设计内容和步骤：设备本体的设计：•罐体的设计筒体的设计、计算封头的设计、计算罐体压力试验时应力校核及容积验算•附件的设计选取接管尺寸的选择法兰的选取开孔及开孔补强人孔及其它传热部件的计算挡板、中间支承、扶梯的选取搅拌装置的设计：•传动装置的设计、•搅拌轴的设计、•联轴器的选取、•轴承的选取及其轴承寿命的核算、•密封装置的选取、•搅拌器的设计、•搅拌轴的临界转速。设备的强度及稳定性检验设备承受各种载荷的计算•设备重量载荷的计算•设备地震弯矩的计算•偏心载荷的计算塔体强度及稳定性检验裙座的强度计算及校核•裙座计算•地脚螺栓计算等裙座与筒体对接焊缝验算（二）、发酵罐的结构计算罐容积的计算•根据生产规模和发酵水平计算每日所需发酵液的量，再根据这一数据确定发酵罐的容积。•例如，一年产5万柠檬酸的发酵厂，发酵产酸水平平均为14%，提取总收率90%，年生产日期为300天，发酵周期为96小时。•每日的产量=50000/300=166.7t•每日所需发酵液的量=166.7/（0.14×0.9）=1322.8m3•假定发酵罐的装液系数为85%•则每日所需发酵罐容积=1322.8/0.85=1556m3•取发酵罐的公称容积为250米3•则每日需要6个发酵罐•发酵周期为4天，考虑放罐洗罐等辅助时间1天，整个周期为5天。•则所需发酵罐的总数=5×6+1=31个2、结构尺寸的计算•根据已确定的发酵罐公称容积，可由下式计算发酵罐圆柱体的直径。20411DHV•封头的容积的计算椭圆形封头的容积可查手册或按下式计算：罐的内径椭圆封头的直边高度准椭圆型封头椭圆短半轴长度，对标式中:::)(b4161b2426b242DhDhhDhDhDhDVaaa•罐的全容积)](2[261b024210DhHDVVV•发酵罐总高度)(2b0hhHHa•液柱高度：高度的比例：装料高度与圆柱部分式中b0hhHHaL（二）、附属结构的计算•挡板数量和尺寸计算•搅拌器的设计计算首先根据生产菌种和发酵类型选定搅拌器的类型，再从已计算出的发酵罐的直径计算搅拌器相应的结构尺寸。•发酵罐罐体的尺寸比例Di=1/3DHo=2DB=1/8--1/12DS=2—5DiC=0.8-1.0Di•H=1.7-3.5DDi-搅拌器叶轮直径D-罐径Ho-罐高B-挡板高C–下搅拌叶轮与罐底距S-相邻搅拌叶轮间距（三）、冷却面积的计算1、发酵过程的热量计算通常以一年中最热的半个月中每小时放出的热量作为设计冷却面积的根据。发酵过程中放出热量的计算方法有：•通过冷却水带走的热量进行计算；•通过发酵液的温度升高进行计算；•通过生物合成热进行计算；•通过燃烧热进行计算(1)通过冷却水带走的热量进行计算根据工艺设计的要求，选定同类型的发酵罐，于气温最热的季节，选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，测定冷却水进口的水温及冷却水出口的水温，并测定此时每小时冷却水的用量，按下式计算单位体积发酵液每小时传给冷却器的最大热量。•根据不同类型的发酵液测得每m3发酵液每小时传给冷却器最大的热量为：–对青霉素的发酵约为4.186×6000KJ／m3·h，–对链霉素的发酵约为4.186×4500KJ／米3·h，对四环素发酵约为4.186×5000KJ／m·h，–对肌苷发酵约为4.186×4200KJ／m3.h，–对谷氨酸发酵约为4.186×7500KJ／m3·h。(2)通过发酵液的温度升高进行计算于气温最热的季节选择主发酵期产生热量最快最大的时刻，通过罐温的自动控制，先使罐温达到恒定，关闭冷却水，观察罐内发酵液在半小时内上升的温度，再换算为一小时内上升的温度，则可按下式计算出单位体积发酵液每小时放出最大热量的近似值。•(3)通过燃烧热进行计算生物热•根据赫斯定律：热效应决定于系统的初态和终态，而与变化的途径无关。反应的热效应，等于产物的生成热的总和减去作用物的生成热的总和。Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q辐射•搅拌器所产生的热量可用下列近似公式计算:3600：机械能转变为热能的热功当量（kJ/kW.h））•汽化热Q3的计算：•2、冷却面积的计算根据经验：蛇管的K值为4.186×(300~450)KJ／m3·h·˚C.如管壁较薄，对冷却水进行强制循环时，根据查定，K值约为4.186×(800~1000)KJ／m3·h·˚C。•冷却排管的传热系数可按下式计算：计算题：一个年生产10万吨赖氨酸的发酵工厂，发酵产酸水平为15％，提取总收率为90％，年生产时间为300天，发酵周期为48小时，洗罐准备时间为24小时，设发酵罐的装罐系数为80％，发酵罐的容积为300m3。问：1、该工厂每日产量是多少？2、每日所需要的发酵液量是多少？3、每日所需要的发酵罐容积为多大？4、生产10万吨赖氨酸需要发酵罐的总数是多少？