年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计

年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计 目:年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计 课程名称: 发酵工厂工艺设计概论 学 院: 班 级: 学 号: 指导老师: 姓 名: 四川理工学院 二零 12 年 9 月13日 1 目录 1.前 言..……………………………………………….................................……………3 2.设计任务 书..………………………………………………............................…… 5 3.工艺设计说明 3.1项目背景和开发意 向.……………………………………………….....6 3.2生产菌种及发酵基本原 理.……………………………………………6 3.3基础数 据..………………………………………………...........................7 3.4参考数 据..………………………………………………..........................8 4.工艺流程及的说明论 证…………………………….........................9 4.1发酵工 艺……………………………………………….........................9 4.2链霉素发酵条件及中间控 2 制…………………………………….10 4.3提取工 艺……………………………………………….........................11 4.4工艺流程简 图……………………………………………..................12 5.物料衡算及能量恒 算..……………… ………….......................……..…14 5.1物料衡 算..………………………………………………........................14 5.2热量衡 算..………………………………………………........................15 5.3水用量的计 算..………………………………………………................17 6.发酵车间设备的选型计算 ..……………………………...........…………19 6.1发酵罐的设 计..………………………………………………................19 6.1.1发酵罐的选型及尺 寸.…………………………………………..19 6.2设备结构的工艺设 计..……………………………….……...…..………20 6.2.1 空气分布 器..……………………………………….………...........20 3 6.2.2 挡板..……………………………………………….........…..…....…... 20 6.2.3电机设计及轴功率的计 算..………………………………..20 6.2.4搅拌器设计..……………………………………………….............22 6.2.5冷却面积的计算与冷却管的设计..………………………..22 6.2.6 PH测定..………………………………………........………...............…..25 6.2.7消泡..………………………………………………......................……… 25 6.2.7消泡..…………………………………………….............................25 6.2.8观察窗 口..…………………………………………….............…..........25 6.2.9液面高度显示安 装..………………………………….....................25 6.2.10封头连接方 式..………………………………………………...........25 6.2.11密封方 式..………………………………………………...................25 7.对本设计的评 4 述..………………………………………......……….......................26 8.厂房平面 图....................................................................................28 9.参考文 献..………………………………………………..............................….. .......29 1前 言 硫酸链霉素(Streptomycin Sulfate)的主要成分是链霉素，链霉素 5 [ 硫酸链霉素化学结构式] (Streptomycin)是瓦克斯曼〔Waksman S.A.)于 1944 年从灰色链霉菌(Streptomyces,griseus)培养液中分离出来的一种碱性抗生素。链霉素是一种 相当强的有机碱，也是一种多糖类化合物。其分子结构是由链霉肌、链霉糖和 N-甲基-L-葡萄糖胺三部分以苷键相联结而成的。链霉素碱稳定性特别差，工业产品主要是其硫酸盐形式， 即硫酸链霉素。 链霉素对结核杆菌有强大抗菌作用，其最低抑菌浓度(MIC)一般为 0.5 mg/L。它对许多革兰氏阴性菌(G-)如大肠杆菌、肺炎杆菌、肠杆菌属、沙门菌属、布鲁菌属等也具抗菌作用。链霉素对革兰氏阳性菌(G+)抗菌活性较差。链霉素游离碱为白色粉末。大多数盐类也是白色粉末或结晶，无嗅，味微苦。链霉素在中性溶液中能以三价阳离子形式存在，所以可用离子交换法进行提取。其水溶液比较稳定，但其稳定性受PH值和温度的影响较大。其硫酸盐的水溶液在 PH=4--7，室温下放置数星期， 仍很稳定，如在冰箱中保存三个月内活性无变化。 目前抗生素的生产主要是利用微生物发酵来进行，少数采用化学合成的，当然也有的采用化学法或生化法半合成。对于链霉素可由灰色链霉菌发酵生产。双氢链霉素可由湿链霉菌产生，但通常以半合成方法生产。 一般认为链霉素是治疗结核杆菌感染的首选药物，除此以外，还用于治疗革 兰氏阴性菌所引起的泌尿道感染、结核性脑膜炎，鼠疫，肠道感染，肺炎，败血症，百日咳等。链毒素的缺点是容易产生耐药性;长期使用对第八对脑神经有毒害除了医用外，也有报道将链 6 霉素用于农牧业的。例我国新疆某生产建设兵团的农场自 1985 年起应用链霉素治疗菜类瓜类和粮食等作物的病害， 取得较好效果; 链霉素还可用于猪肺炎， 雏鸡白痢疾、 以及鸡， 鸭， 鹅的巴氏杆菌感染等的治疗。 国内有些厂家将生产的链霉素作为农用出口，效益较好。 2设计任务书 四 川 理 工 学 院 7 制药工程课程设计任务书 学院 专业 班级 学生姓名 学号: 指导教师: (签名) 系主任 (签名) 院长 (签名) 设计时间: 一、设计任务 1. 题目: 年产300吨硫酸链霉素工业盐发酵车间的工艺设计 2. 条件: 年产量为300吨。一年按300个工作日算。 二、设计内容 (一)、设计说明书，内容包括: 1、目录 2、题目及条件(任务书) 3、工艺设计说明书 4、工艺流程及方案的选择 5、物料衡算及能量衡算 6发酵车间设备的选型计算 7、设计评述 8、参考文献 (二)、绘图 绘制带控制点工艺流程图或车间平面布置图或主体设备图 3工艺设计说明 3.1硫酸链霉素生产背景和开发意向 8 《生产硫酸链霉素项目可行性研究报告》通过对项目科学深入的市场需求和供给分析、未来价格预测、资源供应、建设规模、工艺路线、设备选型、环境影响、节能减排、投资估算、资金筹措、盈利能力等方面的 科学研究，从市场、技术、经济、工程等角度对项目进行调查研究和分析比较，并对项目建成以后可能取得的财务、经济效益及社会环境影响进行科学预测，为项目决策提供了公正的、可靠的、科学性的投资咨询意见。 3.2生产菌种及发酵基本原理 3.2.1 硫酸链霉素生产简介 在链霉素发酵中，我们采用国内比较常用的灰色链霉菌及其变种。该菌除了分泌链霉素外，还产生别的抗生素如放线菌酮对酵母和真菌的杀菌作用强，因毒性大不能用于临床。灰色链霉素的孢子柄直而短，不呈螺旋。孢子量多，呈椭圆球形。气生菌丝和孢子都呈白色，单菌落生长丰满，呈梅花形或馒头形，直径3-4mm。基质菌丝透明，在斜面背后产生淡棕色色素。菌种采用沙土管或冷冻干燥保藏。 链霉素是由链霉胍、链霉糖和N(甲基(L一葡萄糖胺组成的三糖苷，属于氨基糖苷类抗生素。链霉胍是在1，3-位置上带有2个孤基的l，3去氧青蟹肌醇，去掉2个脒基后称为链霉胺。链霉糖是带有支链的5’，脱氧五碳糖，在第3碳上有1个醛基。N-甲基-L-葡萄糖胺是在第2碳上的-NH2被甲基化(-cH3NH)的L一葡萄糖 ,胺。这三糖连接的糖苷键都是型的糖苷键。 3.2.2 硫酸链霉素合成示意图 由D-葡萄糖和NH3合成链霉素的大致途径如图1 9 3.3基础数据 生产规模:300吨/年 产品规格:成品效价为800单位/mg 生产天数:300天/年 接种量:15% 10 倒罐率:1% 发酵周期:8天 每天放罐:2罐 发酵装料系数:70% 发酵液收率:95% 提炼总收率:70% 平均发酵水平:25000单位/ml 种子培养基配比(g/L): 牛肉膏 6%，葡萄糖 4%，KHPO1%，MgSO1% 24 4 生产培养基配比(g/L): 葡萄糖4%，黄豆饼粉0.8%，玉米浆1.5%，(NH)SO0.5%，豆油0.2%，KHPO424 24 0.01%，CaCO0.04% 3 3.4参考数据 罐体的高径比H/D:1,3 搅拌桨直径与罐体直径之比Di/D: 1/3,1/2 挡板宽度与罐体直径之比Wb/D :1/8,1/12(4块挡板) 最下层搅拌桨高度与罐体直径之比:0.8,1.0 相邻两层搅拌桨距离与搅拌桨直径之比:1,2.5 ?，pH7.2(400L发酵罐) 发酵条件:转数350r/min ,温度28 冷却水进出口温度分别为25?、30? 黏度:38cP 11 4工艺流程及方案的说明论证 4.1发酵工艺 4.1.1斜面孢子培养 将砂土管(或冷冻管)菌种接种到斜面培养基，经培养后即得原始斜面。原始斜面质量要求一般为:菌落分布均匀，密度适中，颜色洁白，但菌落丰满，。再从原始斜面的丰满单菌落接种至斜面上，长成后即得生产斜面，斜面上的菌落应为白色丰满的梅花形和馒头形，背面为淡棕色色素，排除各种杂型菌落。经两次传代，可达到纯化的目的，排出变异的菌株。其质量还应通过摇瓶实验来进行控制。合格的孢子面存在低温冷库(0~4?)内备用。 4.1.2 摇瓶种子培养 生产斜面的菌落接种到摇瓶种子培养中，经过培养基即得摇瓶种子。链霉素发酵经常使用摇瓶种子来接种种子罐。种子质量以菌丝阶段、发酵单位、菌丝粘度或浓度、糖氮代谢、种子液色泽和无菌检查为指标。摇瓶种子可以直接接种子罐，也可以在扩大培养，用培养所得的子瓶来接种。药瓶培养的培养基成分为黄豆饼粉、葡萄糖、硫酸铵、碳酸钙等。黄豆饼粉的质量和葡萄糖的用量对种子质量都有影响。 4.1.3 种子罐扩大培养 种子罐培养是用来扩大种子量的。种子罐培养可为2~3级，根据发酵罐体积大小和接种量来确定。第一级种子罐一般采用摇瓶种子接种，2~3级种子罐则是逐级转移，接种量一般都为10%左右。种子质量对后期发酵的影响甚大，种子必须符合各项质量要求(糖氮代谢、菌浓和菌丝阶段、效价和无菌要求)，方能转罐。因此在培养过程中，必须严格控制好罐温、通气搅拌和泡沫，以保证菌丝 12 生长良好，得到合乎要求的种子。 4.2 链霉素发酵条件及中间控制 4.2.1溶氧的影响及控制 链霉素产生菌一灰色链霉菌是一种高度需氧菌。它在整个代谢过程中以葡萄糖做为主要碳源，只有以氧做为最终电子受体时方能获得大量能量，来满足菌体生长、繁殖和合成链霉素的需要.物质代谢与能量代谢是相辅相成的。据文献记[19]载，空气中，氧在培养液中的饱和浓度(1 a tm, 25? })大约只有0.2毫克分子(O)/升，而链霉素发酵液中菌体的摄氧率在10~50毫克分子(O)/升小时。因此向22 [11]发酵液中迅速地补充溶解氧.是链霉素发酵中的重要问题 。 对溶氧水平有较大影响的因素主要有: a、菌体代谢是否旺盛。 b、培养液的粘度:过高的粘度会影响氧的传递，即影响氧由气相溶解于液相之中。 c、补料:补糖后糖代谢加快，补入10秒钟后溶氧即明显下降，但经30~40分钟后又逐渐恢复到补前水平。这种变化当补糖量超过1.0%时较明显。当补无 机氮源使氨基氮增加l0mg/100ml以上时，亦有这种变化。 d、罐压:实验证明罐压对溶氧的影响较空气流量对溶氧的影响更为明显。在菌体生长前期，空气流量在一定范围内的增减对溶氧几乎没有什么影响，而罐 2压变化则溶氧变化明显。在培养前期，一般罐压每升高或降低0.lkg/cm溶氧浓 2度就升高或降低4%左右;在培养中、后期，罐压每升高或降低0.lkg/cm溶氧浓度就升高或降低3%左右。但罐压不能控制过高，超过一定限度对菌体的生长、代谢就要产生不良影响。 e、空气流量:体积氧传递系数中Vs为空气在罐中的直线速率，它与空气流量是等效的。从提高KLa的角度看，应尽量增大Vs,但超过一定限度后溶氧浓度不再上升，反而会造成泡沫上升，发酵中间产物未被利用即被带出而造成不良后果，甚至使搅拌器周围充满气泡从而使搅拌失去作用，造成溶氧下降。从价值工 13 程原理出发，应确定一个最适空气流量vs，即不使通气量过剩，又满足灰色链霉菌对氧的需求。 f、搅拌:搅拌对溶氧浓度影响最大。在培养过程中如停止搅拌、溶氧浓度迅速下降几乎到0，此时如果增加空气流量，增大罐压都无济于事。同时对于不同的搅拌桨形式以及速度对溶氧也会产生很大的影响。机械搅拌能损坏菌丝体，对发酵液过滤不利，采用空气搅拌器则克服了这一缺点，提高了罐的利用率。采用大直径小浆叶的搅拌器，在适当增加转速下，能得较高的吸氧率。另外将涡轮式改为多棒式搅拌器，可降低功率消耗近一半。 4.2.2 温度 灰色链霉菌对温度敏感。据报道，z-38菌株对温度高度敏感:250?时，发酵单位为1180毫克/升/118小时;27?时,，2041毫克/升/118小时;29?时，2194毫克升/104小时，而31 ?时则为414毫克/升/72小时。故认为链霉素生产适宜培养温度为28.5?左右。有些人认为不一定在24~31?的范围，应随菌株不同而适宜温度有所改变。 4.2.3 pH值 pH值直接影响到发酵过程中各种酶活动，影响菌体对基质代谢的速度，甚至改变菌体的代谢途径及细胞结构。菌体的发育生长和抗生素的合成有不同的适宜pH值。发酵过程中pH值必须予以控制，才能符合菌体生长和抗生素合成的需要。影响pH值的因素有生化反应过程特性，以及发酵过程的环境变量，如温度。另外，作为发酵过程氮源的(NH4)2S04和碳源的糖等补料加到发酵液中也会影响pH值。 适合链霉菌菌丝生长的pH约为6.5~7.0，适合于链霉素合成的pH约为6.8~7.3，pH低于6.0或高7.5，对链霉素的生物合成不利。pH对链霉素发酵影响很大，故很多国家为了准确控制pH值，使用pH自动控制装置。这样，可提高发酵单位，又可以减少培养基中碳酸钙的用量，在发酵液预处理时，还可减少中和用的酸量。 14 4.3 提取工艺 经四级或三级发酵生物合成链霉素。发酵液用水稀释，草酸酸化至pH3(0左右，加热至75,80"C，通过离心分离或板框过滤，除去大量不溶性菌丝体、酸性蛋白、钙镁离子、培养基残渣等杂质，冷却至15?以下，再用NaOH中和得到符合离子交换工艺要求的澄清链霉素原液。这一过程在生产上称为发酵液的预处理。 原液中的链霉素在水溶液中离解成三价阳离子，应用钠型弱酸性阳离子交 换树脂1×10树脂或大孔D一152树脂进行吸附，洗脱后成为链霉素洗脱液，在这 一步提取过程中使水溶液中的链霉素得到富集，含量由不到1,浓缩到20,， 同时，通过离子交换树脂的选择作用，除去绝大部分的无机离子、色素、蛋白 及可见的固形物等。链霉素提取液经大孔伯胺基吸附树脂D303树脂通过Schiff反应除去双氢链霉糖、链霉胍、链霉胺等不含醛基的链霉素同系物，再经强酸性阳离子交换树脂1×25树脂和弱碱性阴离子交换树脂703树脂组成的混合床脱盐中和得到提纯液。 提纯液先经药用活性炭脱色处理，吸附色素和细菌内毒素，经减压蒸发， 在45?以下浓缩，链霉素含量由10,左右浓缩到45,。最后为了进一步提高成 品色级和保证细菌内毒素及热原合格，加入一定量的药用活性炭脱色处理得到 符合质量要求的成品浓缩液。成品浓缩液经过石棉板除菌过滤，喷雾干燥得到白色或类白色的无菌粉末，分装出厂。 4.4硫酸链霉素生产工艺流程图 15 空气 原料 菌种 粗过滤 预处理 斜面孢子培养 空气压缩机 水解 两级冷却 摇瓶种子培养 过滤 气液分离 醪液 种子罐培养 灭菌 过滤除菌 稀释 发酵 阳离子交换 草酸酸化 发酵液 洗脱液 加热至75,80? 发酵液预处理 D303树脂Schiff反应 过滤 脱盐中和 滤液冷却至15?以下 初步纯化 链霉素提纯液 链霉素原液 药用活性炭脱色 精制 重 复2 次 减压蒸发浓缩 除菌过滤 成品分装出厂 喷雾干燥 图1 硫酸链霉素生产工艺流程图 16 5物料衡算及能量衡算 5.1物料衡算 首先计算生产1000kg成品链霉素所需耗用的原辅材料及其他物料量: 1.发酵液量: 3 V=1000×800?[25000×(1-1%)×95%×70%]=48.61m1 2.种子液量(接种量为15%): 3 V=V×15%=7.292m21 3.牛肉膏耗用量: 3 种子液用量:V×6%=7.292×10×6%=437.52kg 2 4.葡萄糖耗用量: 3 种子液用量:V×4%=7.292×10×4%=291.68kg 23 发酵液用量:V×4%=48.61×10×4%=1944.4kg 1 葡萄糖总共耗用量:291.68+1944.4=2236.08kg 5.KHPO耗用量: 243 种子液用量:V×1%=7.292×10×1%=72.92kg 23 发酵液用量:V×0.01%=48.61×10×0.01%=4.861kg 1 KHPO总共耗用量:72.92+4.861=77.781kg 24 6.MgSO耗用量: 43 种子液用量:V×1%=7.292×10×1%=72.92kg 27.黄豆饼粉耗用量: 3 发酵液用量:V×0.8%=48.61×10×0.8%=388.88kg 18.玉米浆耗用量: 3 发酵液用量:V×1.5%=48.61×10×1.5%=729.15kg 19.(NH)SO耗用量: 4243 发酵液用量:V×0.5%=48.61×10×0.5%=243.05kg 110.豆油耗用量: 3 发酵液用量:V×0.2%=48.61×10×0.2%=97.22kg 111.CaCO耗用量: 33 发酵液用量:V×0.04%=48.61×10×0.04%=19.444kg 1 17 300吨/a，链霉素厂发酵车间的生物料衡算 物料名称 生产1000kg链霉素300t/a，链霉素生产的每日物料量 产品的物料量 物料量 314583 发酵液量(m) 48.61 48.61 32187.6 种子液量(m) 7.292 7.29 牛肉膏耗用量(kg) 437.52 131256 437.52 670824 葡萄糖耗用量(kg) 2236.08 2236.08 KHPO耗用量(kg) 77.781 23334.3 77.78 24 21876 MgSO耗用量(kg) 72.92 72.92 4 116664 黄豆饼粉耗用量(kg) 388.88 388.88 218745 玉米浆耗用量(kg) 729.15 729.15 72915 (NH)SO耗用量(kg) 243.05 243.05 424 豆油耗用量(kg) 97.22 29166 97.22 5833.2 CaCO耗用量(kg) 19.444 19.44 3 5.2热量衡算 1.对于生产1000kg硫酸链霉素产品，利用直接蒸汽混合加热，蒸汽消耗量为: Gc(t,t)21 D,(1，,)i,t,c2 式中:D——蒸汽消耗量,kg G——被加热料液量,kg c——料液的比热,kJ/(kg??) t——加热结束时料液的温度,?2 t——加热开始时料液的温度,?1 i——蒸汽的热焓,kJ/kg 18 η——加热过程中由于热损失而增加的蒸汽消耗量,η可取5%-10% 又料液的比热: c=0.37×4.18x+4.18×(1-x) x——固形物的质量百分比 根据重庆地区的地理位置及气候条件，取一年中的最低室温10?作为料液的初始温度t，η取10%，忽略种子液的加热 1 被加热料液量: G=48610+437.52+2236.08+77.781+72.92+388.88+729.15+243.05+97.22+19.444 =52912.045kg 固形物的质量百分比: x=3427.006/52912.045=6.47% 料液的比热: c=0.37×4.18×6.47%+4.18×(1-6.47%)=4.01kJ/(kg??) 故直接蒸汽混合加热，蒸汽的消耗量: D=Gc(t-t)?(1+η)?(i-t?c) 1212 =52912.045×4.01×(121-10) ×(1+10%)?(503.67-121×4.01) 6=1.40×10kg 2.发酵罐空罐灭菌时的蒸汽消耗量估算: D=5Vρ Fs 3式中: V——发酵罐全容积,mF 3 ρ——发酵罐灭菌时,罐压下蒸汽的密度,kg/ms 3 灭菌时的温度为121?，在该温度下水蒸汽的密度ρ=943.1kg/m s 3 发酵罐全容积V =48.61?70%=69.44 m F 5 故 D=5Vρ=5×69.44×943.1=3.27×10kg 2Fs 3.发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽消耗量估算 一般来讲，保温时间内的蒸汽消耗量可按发酵罐实罐灭菌直接蒸汽加热升温时的蒸汽消耗量的30%,50%来估算。 5 故 D=50%D=6.90×10kg 31 19 6 4.生产1000kg硫酸链霉素产品，总蒸汽的耗用量为:D=D+D+D=2.417×10kg 123 300t/a链霉素车间总热量衡算表 名称 规格(MPa) 每吨产品消耗(kg) 每天消耗(kg) 年消耗量(kg) 668蒸汽 0.3(表压) 2.417×10 2.415×10 7.253×10 5.3耗水量的计算 3生产1000kg硫酸链霉素种子液用水量:7.292(m) 3生产1000kg硫酸链霉素发酵液用水量:48.61(m) 发酵冷却水用量:(只考虑全年平均负荷) W=Q?{c×(t,t)} 2kH 式中:W——冷却水消耗量，kg/h Q——物料的热效应,kJ/h c——冷却水的比热kJ/(kg×?)，通常水的比热为4.183kJ/(kg2 ×?) t——冷却水的出口温度? k t——冷却水的进口温度? H 在计算冷却水耗量时,其冷却水的进出口温差?t=t,t=30-25=5?(冷冻水或kH 冷盐水) 其中发酵罐发酵过程中的热效应计算: Q=Q×V LF 式中:Q——发酵罐的热效应,kJ/h 3 Q——单位体积发酵液所产生的热量,又称发发酵热,kJ/(m×h),对F 3于链霉素发酵,其值为18800kJ/(m×h) 3V——发酵罐内发酵液体积,m L 其中发酵罐内发酵液体积见发酵罐公称容积计算: 3V=50×70%=35(m) L 20 则W=Q?{c×(t,t)}=Q×V?{c×(t,t)} 2kHFL2kH =18800×35?{4.183×5} =31460.67 kg/h 300t/a链霉素车间用水量衡算表 名称 规格 每吨产品消耗定额每小时用量每天用量年耗量 (t/t) (kg/h) (t/d) (t/a) 冷水 自来水 566.29 23595.51 566.30 169887.8 21 6发酵车间设备的选型计算 6.1发酵罐的设计 6.1.1发酵罐的选型及尺寸 根据发酵物的发酵特性，选用机械涡轮搅拌通风发罐(通用式发酵罐)，选用此种发酵罐的原因主要是:历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。 6.1.1.1发酵罐容积的确定 公称容积的计算 66 V=300×1000×10×800?(25000×10×300×2×99%×95%×0 70%)?70% 33=34.72(m),取40(m) 3则选用公称容积40(m)的发酵罐。 6.1.1.2生产能力的计算 平均每罐发酵产品生产量: 6640×10×70%×99%×95%×70%×25000/(800×10)=576.06(kg) 6.1.1.3发酵罐个数 N=发酵周期×每天放罐数+1=8×2+1=17 个 6.1.1.4主要尺寸的计算 3公称容积:40m 1003发酵罐的H/D值取2，则D,,3.1m.H=6.2m. 3.14 3罐内径m 3.1 封头容积m 4.2 3圆柱高m 6.2 圆柱部分容积m 46.8 3封头高m 0.815 不计上封头的容积m 51 3罐体总高m 7.830 全容积m 55.2 22 6.2设备结构的工艺设计 设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，以供制造加工和采购时取得资料数据。本设计的主要辅助设备有以下几种。 6.2.1 空气分布器 对于好氧发酵罐,分布器主要有两种形式,即多孔(管)式和单管式,本设计的发酵流程通气量大,所以采用单管通风。由于其进风速高,又有涡轮板阻挡,叶轮打碎、溶氧是没有问题的。通气管贴着罐壁到发酵罐底部，在搅拌器正下方开口向下。 6.2.2 挡板 挡板的作用是加强搅拌强度。本设计中虽有竖式冷却蛇管，但为了消除液面漩涡，更好的提高搅拌功率，采用4块挡板，挡板的宽度W取罐径的1/10，为0.31m。挡板与罐壁之间应留有一定的间隙，避免培养液中的固体成分堆积在挡板背侧，其大小为0.1W，0.031m。 6.2.3电机设计及轴功率的计算 搅拌转速以小罐为比拟放大，其转数为N=350r/min，搅拌叶径D=0.19m，11按比拟放大: 2/32/3N=N(D/D)=350×(0.19/1)=116r/min 2112 参考设计数据与工厂实际，为保证发酵罐的溶氧系数，取N=120r/min。发2酵液体被搅动后流体的雷诺数可用下式计算: N=120/60=2r/s 2,DNRe, m, 2-3 =(120/60)×1×1088.5/(38×10) 44=5.73×10>10 视为湍流状态 此状态下，单一搅拌器的轴功率: 35P =NNDρ p 23 35=4.8×(120/60)×1×1088.5 =41.8kw 上两式中:N——功率系数,在圆盘弯叶涡轮式湍流情况下取值4.8 p N——搅拌转数,r/s D——搅拌器直径，m 33ρ——液体密度kg/m,热量衡算中己算出,1088.5kg/m 2μ——醪液黏度，N?s/m 在计算搅拌轴功率时,因H/D,D?/D值不符合尺寸范围,根据实际情进L 行校正,校正式为: **P=P[(D?/D)?(H/D)?(D?/D)?(H/D)] 校LL 1/2 =P[0.5×3.16?(1/3)?3] =52.6kw **式中:(d/D)和(H/D)为标准尺寸范围值,而(d/D)和(H/D)为实际值. LL H——液面静高,其值为圆柱部分液高4.083m+底封头高0.815m,L 共高4.898m D——搅拌器直径,1m 总轴功率可由下式计算: P=P[1+0.6?(m,1)] m校 本设计为3层搅拌器，则总轴功率: P=P[1+0.6×(3,1)] m校 =2.2P 校 =2.2×52.6 =115.72kw 根据轴功率P可得出所需电动机输出功率: m P=(P+P)/η 电mT =P(1+10%+2%)/η m =115.72×1.12/0.95 =136.43kw 式中:P——轴封摩擦损失之功率,kw,分为填料合轴封摩擦损失功率T 24 取10%P,端面轴封摩擦损失的功率取2%Pmm η——传动机构效率,皮带传动η为0.95 主要轴功率 电机转速(r/s) 2 总轴功率(kw) 115.72 单一轴功率(kw) 41.8 电机输出功率(kw) 136.43 校正轴功率(kw) 52.6 6.2.4搅拌器设计: 从消耗功率来看:平叶>弯叶>箭叶 从发酵液中气含率来看:平叶>弯叶>箭叶 从轴向混和效果来看:箭叶>弯叶>平叶 从上述条件综合考虑，再考查国内外的主要选型情况。本次设计选用六弯叶涡轮式搅拌器。常用六弯叶涡轮式搅拌器的尺寸比列为h:b:d:d=4:5:13:20，1r=0.5d，θ=38?由前得出d=3.1m,可推出h=0.2m，b=0.25m，d=0.65m，r=0.325m，11 θ=38?。采用3层搅拌器，取最下层搅拌浆与底部距离为0.8284m，根据静液面高H4.898m,选取相邻两层搅拌桨距离为2m。 L= 搅拌器尺寸 h(m) 0.2 底距(m) 0.8284 b(m) 0.25 搅拌桨个数(个) 3 d(m) 1 相邻搅拌桨距离(m) 2 r(m) 0.325 d(m) 0.65 1 6.2.5冷却面积的计算与冷却管的设计 发酵罐采用内部列管式蛇管换热,外部表面采用喷淋冷却方式。蛇管进水温 25 度为25?,出水温度为30?,醪液温度不超过36?。 冷却面积使用牛顿传热定律公式计算，即: Q总 F,K,tm 2式中:F——冷却面积,m Q——发酵罐的热效应,kJ/h总 K——竖式列管换热器传热系数,选用4.18× 3500kJ/(m?h??) ?t——对数平均温差,? m ,,,tt12,,其中平均温差 tm,t1ln,t2 =[(36-25),(36-30)]??(11/6) =8.2? Q总故冷却面积: F,K,tm =18800×35?(4.18×500×8.2) 2 =38.39m 3 硫酸链霉素发酵热取18800kJ/(m?h) 2又圆筒外表面积为:A=π?D?H=3.14?3.1?6.2=60.35m 00 因为外淋罐壁冷却效果相当于的列管冷却面积为圆筒的50%, 2相当于列管面积为60.35×50%=30.18m 2所以发酵罐内列管冷却面积为38.39,30.18=8.21m -33由冷却水用量衡处得冷却水体积流量为W=9.36×10m/s,冷却方式采用内 置竖直蛇管.取冷却水在竖直蛇管中流速v=1m/s,则根据流体力学方程式,冷却 管总截面积: -32S=W/v=9.36/1=9.36×10 m 总 1/2则进水总管直径d=(S/0.785)=0.109m 总总 (1)冷却管组数和管径: 2 设管径d.组数为n.由前得到的S=n?0.785d0总0 26 根据发罐的尺寸,选择8组竖直蛇管.则管径 1/2d=[S/(n?0.785)] 0总 -31/2 =[9.36×10/(8×0.785)] =0.38m 查金属材料表选取ø45×3.5无缝管,d=38mm=d，满足要求,取d=40mm。现取内0平均竖直蛇管圈端部U型弯管曲径为0.25m则直管距离为0.5m,两端弯管总长度为l: 0 则 l=πD=3.14×0.5=1.57m 0 (2)冷却管总长度L计算: 2由上知冷却管总面积F=8.21m,现取无缝钢管ø45×3.5,每米长冷却面积 2F=3.14×0.040×1=0.1256m 0 则 L=F/F=8.21/0.1256=65.37m 0 23冷却管占有体积V=0.785×0.05×65.37=0.13m (3)每组管长L和管组高度: 0 L=L/n=65.37/8=8.17m 0 另需接管2.4m(24弯处接管×0.1m)，则实际管长L=L+2.4=67.77m。 实 可排竖直蛇管的高度,设为静液面高度,下部可伸入封头0.25m。设发酵罐 3内附件占有体积0.2m,则发酵液总占有体积: 3V=V+V+V=35+0.13+0.2=35.33m 总液管附件 筒体部分液深为: 2(V-V)/S=(35.33-4.2)/(0.785×3.1)=4.13m 总封截 竖蛇管总高:H=4.13+0.25=4.38m 管 又两端弯管总长l=1.57m,两端弯管总高为0.5m 0 则直管部分高度:h=H-0.5=3.88m 管 一圈管长:l=2h+l=2×3.88+1.57=9.32m 0 (4)每组管子圈数: n=L/l=9.27/9.32=1圈 00 现取管间距为:2.5D=2.5×0.045=0.1125m 外 (5)管子与罐避最小距离0.15m。 27 冷却管与冷却面积 2冷却面积(m) 38.39 冷却管总长(m) 67.77 冷却管型号 ø45×3.5 冷却管高度(m) 8.17 冷却组数(组) 8 冷却管圈数(圈) 1 每组管长(m) 8.12 管间距(m) 0.1125 6.2.6 PH测定 电极测量，在装料液面中间部位开两个电极插入孔。 6.2.7消泡 因化学消泡容易造成染菌，因而选用耙式消泡器. 6.2.8观察窗口 装料液面部位装置观察窗。 6.2.9液面高度显示管安装 外置有机玻璃管。 6.2.10封头连接方式 上封头直接焊接于筒身上，但在顶上开有入孔，以便进行检修。 6.2.11密封方式 主要是指搅拌轴的密封问题，搅拌抽伸入罐内的方式主要有三种:从顶部伸入，从底部伸入和斜入法，斜入不是本设计的考虑范围。而对于顶部伸入和底部伸入法，小罐适合顶部伸入法，而大罐则采用从底部伸入，此法有很多优点，如转动噪声小，重心低，可以减少罐壁厚度，轴的长度缩短后，可使稳定性提高，罐底的空间可以充分安装机械消沫等自动控制部件。本设计由于发酵罐较大，故采用底部伸入法。但采用底部伸入法后，对轴封的要求就更为严格，因此本设计采用双端面机械轴封，并用无菌油类或水进行冷却和润滑。 28 设备表及技术要求 29 7对本设计的评述 两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，和同学相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，也是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程(”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义(我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础( 这次课程设计是通过去图书馆看书，上网找资料，查数据等努力完成的，其中主要包括对物料、水用量、热量衡算，以及发酵罐的设计与选型，和硫酸链霉素的工艺流程简图。 在这课程设计中我收集了大量工业生产工艺资料，同时熟悉了怎样查找技术文献资料。通过这次课程设计我更了解了链霉素的生产流程。 设计中我们比较详细的计算了有关发酵罐的尺寸、信息，运用表格形式使有关数据能一目了然，结构紧凑。最后还有总的平面设计图。 这次设计中对帮助过我的同学们，谢谢你们的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，我将非常感激。 30 8厂房平面图 31 9参考文献 1(《发酵工厂工艺设计概论》，吴思方 主编，中国轻工业出版社，1900年 2(《化学反应工程原理》，张濂 主编，华东理工大学出版社，2007年 3(《化工工艺设计手册》，周国庆、张红兵，化学工业出版社，1996年 4.《生物工程产品工艺学》，胡洪波、彭华松，高等教育出版社，2006年 5.《制药工程课程设计》，张洪斌，杜志刚主编，化学工业出版社，2007年 32