青霉素設(shè)計說明書

PAGE1PAGE1內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計說明書題目：年產(chǎn)580噸青霉素發(fā)酵工段工藝設(shè)計學(xué)生姓名：李寧學(xué)號：1068121222專業(yè)：生物工程班級：10-2班指導(dǎo)教師：趙宏宇副教授內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書PAGE1PAGE62年產(chǎn)580噸青霉素發(fā)酵工段工藝設(shè)計摘要本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是年產(chǎn)580噸青素發(fā)酵工段工藝設(shè)計。青霉素是由發(fā)酵法生產(chǎn)，主要用于人與動物的醫(yī)治的使用。設(shè)計首先根據(jù)參考資料確定青霉素的發(fā)酵工藝流程，通過物料衡算確定需要100立方米發(fā)酵罐8臺、25立方米的二級種子罐3臺以及5立方米一級種子罐6臺，在此基礎(chǔ)上得出各種發(fā)酵原料量，通過能連衡算確定水，無菌空生氣和蒸汽等的消耗量。然后對主要設(shè)備進行計算和選型，得出發(fā)酵罐、種子罐及通用設(shè)備、非標準設(shè)備等的結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻裝置、傳動裝置，根據(jù)工藝要求確定罐的附屬設(shè)備和輔助設(shè)備以及發(fā)酵過程中的優(yōu)化控制。最后設(shè)計了發(fā)酵工廠的車間布局，提出了相應(yīng)的公用工程、安全衛(wèi)生與環(huán)境保護等輔助工藝。根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計了六張圖紙，分別為發(fā)酵罐裝配圖、種子罐裝配圖、工藝管道及儀表流程圖、廠房車間布置圖、物料流程圖和設(shè)備一覽表。關(guān)鍵詞：青霉素；發(fā)酵；工藝設(shè)計Theprocessdesignofthefermertationsectionwiththecapacityof580tonsannuallyAbstractThisisaprocessdesignaboutthefermentationsectionofpenicillin,and580tonspenicillincanbeproducedbythisdesignannually.Penicillin,producedbybiosynthesisismainlyusedforthetreatmentforhumanandanimal.Firstly,accordingtothetechnicaldata,thetechnologicalflowofthepenicillinfermentationisselected.Thenthenumberof100m3fermentor,25m3twoseedpotand5m3aseedtankseedpotis8,3and6isfiguredoutaccordingtomaterialbalance.Besides,thequantitiesofallkindsofrawmaterialsarealsoworkedout.Theamountofwater,asepticair,streamiscalculatedbythelawofmassconservation.Secondly,calculatedandselectedthemainprofessionalequipmentandequipmenttype,containingthestructuresizes,coolingequipment,gearingequipmentandsoon.Accordingtothedesignrequirement,otherequipmentswhichareusedinthefermentativeequipment,andoptimizedcontrolinfermentativeproductionarealsoconfirmed.Finally,thefermentativeplantworkshoplayout,thecorrespondingpublicworks,security,hygieneandenvironmentalprotectiontechnologyandotheraidsarecompleted.Accordingtotheresults,allofthesixdrawingsarefinished,includingthecutawayviewoffermentor,thecutawayviewofseedpot,Keywords:penicillin；Ferment；ProcessDesign目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IAbstract II第一章總論 11.1設(shè)計依據(jù) 11.2指導(dǎo)思想 11.3設(shè)計要求 11.4生產(chǎn)規(guī)模 1第二章綜述 22.1青霉素概述 22.1.1青霉素的發(fā)現(xiàn) 22.1.2青霉素的簡介 22.1.3研究價值與發(fā)展前景 32.2青霉素生產(chǎn)方法 42.2.1產(chǎn)黃青霉 42.2.2天然青霉素生產(chǎn)方法 42.2.3青霉素的生產(chǎn)工藝流程 42.2.4發(fā)酵過程應(yīng)注意的一些問題 52.2.5青霉素的提煉工藝過程 62.3主要設(shè)計指標 6第三章工藝計算 73.1發(fā)酵罐容積的確定 73.1.1每天放罐發(fā)酵液體積 73.1.2發(fā)酵罐公稱體積 73.1.3發(fā)酵工段所需的發(fā)酵罐臺數(shù) 73.1.4每罐發(fā)酵液體積: 83.1.5發(fā)酵罐物料衡算: 83.2二級種子罐容積的確定 103.2.1二級種子罐的公稱體積 113.2.2二級種子罐的臺數(shù) 113.3一級種子罐容積的確定 123.3.1一級種子罐的公稱體積 123.3.2一級種子罐的臺數(shù) 133.4熱量計算 143.5水的用量 143.5.1自來水 143.5.2冷卻用水 153.5.3實消過程冷卻水用量 163.6蒸汽耗量計算 173.7壓縮空氣耗量 193.8用電量的計算 19第四章典型設(shè)備計算 214.1發(fā)酵罐 214.1.1尺寸計算 214.1.2發(fā)酵罐攪拌裝置及軸功率計算 224.1.3發(fā)酵罐的換熱設(shè)備 254.1.4發(fā)酵罐壁厚計算 274.1.5接管設(shè)計 294.1.6支座選擇 304.2二級種子罐 304.2.1二級種子罐尺寸計算 304.2.2攪拌裝置及軸功率 314.2.3二級種子罐的換熱設(shè)備 334.2.4二級種子罐壁厚計算 354.2.5接管設(shè)計 364.2.6支座選擇 384.3一級種子罐 384.3.1一級種子罐尺寸計算 384.3.2攪拌裝置及軸功率 384.3.3一級種子罐的換熱設(shè)備 414.3.4一級種子罐壁厚計算 414.3.5接管設(shè)計 424.3.6支座選擇 434.4空氣過濾器 434.4.1空氣過濾器的選因 434.4.2空氣過濾除菌原理 434.4.3空氣過濾除菌流程的要求 444.4.4空氣過濾器的計算及設(shè)計 444.4.5發(fā)酵罐空氣分過濾器系統(tǒng)設(shè)備的計算 444.4.6二級種子罐空氣分過濾器系統(tǒng)設(shè)備的計算 464.4.7一級種子罐空氣分過濾器系統(tǒng)設(shè)備的計算 47第五章通用設(shè)備的設(shè)計與選型 495.1液體輸送設(shè)備選型 495.1.1泵的分類和特點 495.2氣體輸送設(shè)備選型 515.2.1確定生產(chǎn)能力 515.2.2壓頭 51第六章非標準設(shè)備的設(shè)計 536.1補料罐 536.1.1設(shè)備容量的確定 536.1.2基本尺寸的計算 536.1.3攪拌裝置及軸功率 536.1.4電動機功率的確定 546.1.5補料罐壁厚計算 546.1.6支座的選取 546.2氨水罐 546.2.1設(shè)備容量的確定 546.2.2基本尺寸的計算 546.2.3支座的選取 556.3泡敵罐 556.3.1設(shè)備容量的確定 556.3.2基本尺寸的計算 556.3.3泡敵罐壁厚的計算 556.3.4支座的選取 556.4植物油罐 556.4.1設(shè)備容量的確定 556.4.2基本尺寸的計算 556.4.3植物油罐壁厚的計算 566.4.4支座的選取 56第七章輔助工藝 577.1車間布置 577.1.1車間布置原則 577.1.2車間布置說明 577.2生產(chǎn)制度 577.3設(shè)備 587.3.1車間設(shè)備概況 587.3.2設(shè)備材料選擇原則 587.4儀表控制方案 587.4.1儀表控制的目的 587.4.2儀表控制方案 597.4.3工藝參數(shù)控制要求 597.5供電工程及給排水 597.5.1供電工程 597.5.2生產(chǎn)用水概況 597.6.環(huán)境保護 597.6.1廢水、廢氣、廢渣的排放情況 597.6.2控制噪聲的方法 597.7節(jié)能 607.7.1耗能分析 607.7.2節(jié)能措施 607.8安全生產(chǎn)措施 60參考文獻 61致謝 62總論設(shè)計依據(jù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)數(shù)理與生物工程學(xué)院下達的《內(nèi)蒙古科技大學(xué)（本科生）畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書》。指導(dǎo)思想生物技術(shù)成熟的理論體系，使得生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化得以實現(xiàn)。其裝置由若干個單元設(shè)備以系統(tǒng)的、合理的方式組合起來。其過程設(shè)計依據(jù)生物工藝條件，選擇合理的原料、確定最經(jīng)濟和最安全的途徑。使之生產(chǎn)出符合一定質(zhì)量的生物產(chǎn)品。設(shè)計要求生產(chǎn)工程設(shè)備必須滿足下列要求：（1）滿足生物技術(shù)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量指標；（2）保證整套系統(tǒng)能適應(yīng)和抑制外部擾動的影響，達到整套系統(tǒng)的可控性；（3）保證整套系統(tǒng)不僅可常規(guī)操作，而且也能滿足開停車等非常規(guī)操作；（4）必須進行生物工藝流程優(yōu)化和參數(shù)優(yōu)化，達到資金、原料、設(shè)施和人員的合理最佳使用；（5）對壓力容器、易燃、易爆、有毒藥品，以及基因工程菌等要有合理的臨控機制和應(yīng)急措施，以充分保證生產(chǎn)人員的安全[1]。生產(chǎn)規(guī)模根據(jù)設(shè)計任務(wù)書，本設(shè)計的生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)580噸的青霉素。綜述2.1青霉素概述青霉素的發(fā)現(xiàn)青霉素是抗生素種族里的一種，也是最重要的一種。在沒有特別說明的情況下，所指的青霉素為芐青霉素，也就是青霉素G。在20世紀40年代初，世界范圍內(nèi)流行著許多嚴重的傳染病。例如腦膜炎、猩紅熱、白喉、淋病等威脅著人類的生命。為了克服這些病癥科學(xué)家們進行了長期的研究與探索。然而取得突破性進展卻來自一名科學(xué)家的偶然發(fā)現(xiàn)。在1928年夏弗萊明偶然間發(fā)現(xiàn)一個與空氣接觸過的金黃色葡萄球菌培養(yǎng)基中長出的一簇青色霉菌，令人驚奇的是在此霉菌周圍的金黃色葡萄球菌的菌落被溶解。這意味著次霉菌的分泌物能抑制該菌的生長。經(jīng)鑒定表明，此菌即為青霉素。從此青霉素在世界范圍內(nèi)被廣泛使用，直到今天仍發(fā)揮著重要作用[1]。青霉素的簡介青霉素是6-氨基青霉烷酸（6-aminopenicillamic,6-APA）苯乙酰衍生物。帶有不同的側(cè)鏈形成不同種類的青霉素。青霉素的分子通式為：RC9O4H11N2S[2]青霉素分子結(jié)構(gòu)通式見圖2-1。圖2-1青霉素結(jié)構(gòu)通式到目前為止青霉素大致可以分為三類。一類是可作用于革蘭氏陰性及陽性菌的天然青霉素，如青霉素G。第二類是作用于大腸桿菌、沙門菌屬和流感桿菌的青霉素母核－6－氨基青霉烷酸（6－APA）。第三類青霉素是母核帶有與青霉素相同的β－內(nèi)酰胺環(huán)，但其沒有有四氫噻唑環(huán)。其對于某些銅綠假單胞菌有抗菌作用。國際上最早為青霉素規(guī)定的單位是50ml肉湯基中正好能抑制金黃色葡萄球菌生長的青霉素量是一個青霉素單位。在之后的發(fā)展中規(guī)定青霉素的質(zhì)量單位相當于0.6ug青霉素鈉并一直沿用至今。青霉素的藥理作用是通過干擾其他細菌的細胞壁的形成來完成。在長期的研究和觀察發(fā)現(xiàn)青霉素對于鏈球菌屬以及不產(chǎn)生青霉素霉的葡萄球菌有較佳的抗菌作用。對流感嗜血桿菌也具有一些抗菌活性。由于青霉素是通過調(diào)控細菌細胞壁四肽側(cè)鏈和五肽交連橋的結(jié)合來阻礙細胞壁合成而發(fā)揮殺菌作用。因此對革蘭陽性菌具有效果，然而革蘭陰性菌缺乏五肽交連橋而對其作用不大[3]。對于一些耐藥菌株產(chǎn)生的酶青霉素容易被其破壞。霉類抗生素其本身的毒性很小，并且人類的的細胞中只有細胞膜沒有細胞壁，所以對于人類的影響很小。但是青霉素類抗生素仍會引起一些副作用比如過敏，據(jù)研究表明其發(fā)生率可達到5%～10％。因此在使用之前必須做皮試。研究價值與發(fā)展前景中國第一批次青霉素的生產(chǎn)是在1953年的5月，其代表著國產(chǎn)青霉素生產(chǎn)歷史就此展開。通過幾十年的發(fā)展到1996年全世界青霉素原料藥的產(chǎn)銷量已達到4萬噸，而中國的份額已占其30%，并且出口量猛增。然而青霉素的快速發(fā)展也給人們帶來諸多問題，抗生素的濫用使得出現(xiàn)了越來越多的耐藥致病菌株，過去以消滅的疾病也有復(fù)發(fā)的趨勢。這些問題的出現(xiàn)是人類不得不對其進行更深入的探索。如今人們通過對青霉素的結(jié)構(gòu)改造合成諸多半合成青霉素，是抗生素類藥物再一次蓬勃發(fā)展。青霉素雖然具有高效低毒的特點，但β-內(nèi)酰胺環(huán)具有很高的不確定性，在酸、堿條件下一旦β-內(nèi)酰胺環(huán)被破壞，青霉素會立即失去活性[4]。通過合成耐酸、堿的半合成青霉素，問題基本得到解決，即使這樣過敏反應(yīng)及耐藥問題仍然存在。。青霉素結(jié)構(gòu)雖然仍存在局限性，但發(fā)展的前途還是非常廣的。值得注意的是近年來也報道了一些對真菌及腫瘤有效的衍生物，這讓我們對其前景充滿了期待。青霉素生產(chǎn)方法產(chǎn)黃青霉目前青霉素的生產(chǎn)主要來自于一種無性型真菌既產(chǎn)黃青霉，其屬從梗孢科青霉屬的真菌。在土壤、空氣及腐敗的有機材料等基物中都有分布。最適生長溫度在20-30°C之間，是重要的工業(yè)用真菌。天然青霉素生產(chǎn)方法青霉素的生產(chǎn)可通過菌種發(fā)酵以及提取精制兩個步驟來完成。菌種發(fā)酵：在25℃固體培養(yǎng)基上將產(chǎn)黃青霉菌培養(yǎng)7～10天，可得到青霉菌孢子。用滅菌后的水將孢子接種到已滅菌的種子罐培養(yǎng)基中，之后再通入無菌空氣并且加以攪拌，在27℃下培養(yǎng)144小時（包括一級種子罐和二級種子罐），然后將種子培養(yǎng)液接種到已滅菌發(fā)酵罐已培養(yǎng)基中，同樣加入通入無菌空氣并攪拌，在27℃下培養(yǎng)168小時。②提取精制：將青霉素發(fā)酵液冷卻之后過濾。濾液在PH2～2.5的條件下進行多級逆流萃取，從而得到丁酯萃取液，再轉(zhuǎn)入PH7.0～7.2的緩沖液中，然后經(jīng)活性炭脫色，加入成鹽劑，經(jīng)共沸蒸餾即可得青霉素G[5]。青霉素的生產(chǎn)工藝流程根據(jù)實際生產(chǎn)要求，其過程分為三級發(fā)酵工藝流程：冷凍管（25℃，孢子培養(yǎng)7至10天）斜面母瓶（25℃，孢子培養(yǎng)6至8天）一級種子罐（27℃，種子培養(yǎng)96h，1：1.3vvm）二級種子罐（27℃，種子培養(yǎng)48h，1：:1.3vvm）發(fā)酵罐（27℃，培養(yǎng)168h，1:0.6vvm）。從菌種到發(fā)酵屬于“生物合成”，此方法是利用一定的微生物在一定條件下使之生長繁殖，在代謝中分泌出抗生素[6]。然后選用一定的化學(xué)方法將抗生素從發(fā)酵產(chǎn)品中分離出來，并提取和精制，最后獲得抗生素產(chǎn)品。具體如下圖2.2所示產(chǎn)黃青霉斜面孢子產(chǎn)黃青霉斜面孢子米孢子種子罐發(fā)酵罐發(fā)酵液發(fā)酵濾液BA萃取液一次水提液脫色液結(jié)晶混懸液干燥晶體在25-26°C，培養(yǎng)7-10d將孢子制成懸浮液，接入到培養(yǎng)基上，25°C，，生長6-8d。通入無菌空氣，攪拌，在溫度（27±0.5）°C下培養(yǎng)144h。通入充足空氣，充分攪拌150-200r/min,在27°C，培養(yǎng)168h。用鼓式真空過濾機過濾，除菌絲體和大部分蛋白。用10%硫胺調(diào)節(jié)pH4.5-5.0,加入0.07%溴代十五烷吡啶，再通過板樞式過濾機。調(diào)pH至中性，加2.5倍體積無水丁醇，在16-26°C，0.67-1.3Kpa下蒸餾發(fā)酵過程應(yīng)注意的一些問題（1）菌種的保藏菌種在用冷凍干燥法制備后，以超低溫，即在液氮冰箱（-190℃-196℃）內(nèi)真空保存。一般生產(chǎn)用菌株必須經(jīng)常進行菌種選育和純化從而提高其生產(chǎn)能力[7]。（2）孢子的制備生產(chǎn)用的菌株須經(jīng)過檢驗，將處于休眠狀態(tài)的孢子，通過嚴格的無菌手續(xù)，將其接種到經(jīng)滅菌過的固體斜面培養(yǎng)基上，在一定溫度下培養(yǎng)5到7日。（3）種子制備種子制備可采取搖瓶培養(yǎng)后再接入種子罐進逐級擴大培養(yǎng)的方法[8]。擴大培養(yǎng)級數(shù)通常為二級。青霉素的提煉工藝過程過濾萃取脫色萃取(一般通過結(jié)晶提純)主要設(shè)計指標本設(shè)計采用的主要設(shè)計指標：發(fā)酵單位為60000U/ml，發(fā)酵罐臺數(shù)為8臺，提取總水平為80%，發(fā)酵周期為180小時（其中，培養(yǎng)時間為168小時，輔助時間為12小時），放罐體積為發(fā)酵液70.322m3，年產(chǎn)量為580t，發(fā)酵熱為19000kJ/(m3.h)，發(fā)酵液密度為1000kg/m3，初始裝料系數(shù)為73%。工藝計算發(fā)酵罐容積的確定每天放罐發(fā)酵液體積[10](3-1)式中，M—年產(chǎn)量，t/aUP—成品效價，u/mgUL—年平均發(fā)酵水平，u/mlm—年工作日，d/aη—提取總水平，﹪由設(shè)計要求：M=580（t/a）UP=1750u/mg，m=310d/a,UL=60000u/ml,η=80﹪代入公式(5-1)，得==70.322（m3/d）發(fā)酵罐公稱體積(3-2)式中，Vd—每天所需發(fā)酵液體積，m3nd—每天放罐罐數(shù)，罐/天L—裝料系數(shù)，%由生產(chǎn)情況和設(shè)計要求?。篤d=70.322m3/d，nd=1罐/天，L=73%，得V0=90.322（m3）參考資料[9]，調(diào)整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐容積系列，則V0=100m3發(fā)酵工段所需的發(fā)酵罐臺數(shù)(3-3)式中，nd—每天放罐罐數(shù)，罐/天T—發(fā)酵周期，h青霉素發(fā)酵周期為180h，其中發(fā)酵時間為168h,輔助時間為12h[6]。輔助時間=出料時間+滅菌時間+移種時間+放罐壓料時間+清洗檢修時間由生產(chǎn)情況和設(shè)計要求?。簄d=1罐/天，T=180hn=1=7.5故選擇8臺發(fā)酵罐可滿足生產(chǎn)。每罐發(fā)酵液體積:校核：L=100%=70.322%，則發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為73%，符合要求。發(fā)酵罐物料衡算:物料流入=基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）+種子液量+補料量+氨水用量物料流出=成品液+損失掉的料液量（損失掉的料液量=尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣）發(fā)酵罐物料衡算關(guān)系可表示為圖3.1：損失量15%培養(yǎng)基發(fā)酵罐成品液85%消后50%種子液量補料量氨水消前50%15%30%5%圖3.1發(fā)酵罐物料衡算示意圖如圖5.1所示，且已知Vd1=70.322m3所以，出料量=87.903m3則損失量=87.903-70.322=17.581m3培養(yǎng)基消前50%V1=87.90350%=41.314m3消后53%V1′=87.90350%=43.952m3種子液量15%V2=87.90315%=13.185m3補料量30%V3=87.90330%=26.371m3氨水5%V4=87.9035%=4.395m3所以，可表示為圖3.2。損失量17.581m3培養(yǎng)基發(fā)酵罐成品液消后43.952m3種子液量補料量氨水消前41.314m313.185m326.371m34.395m374.718m3圖3.2發(fā)酵罐物料衡算示意圖（1）發(fā)酵培養(yǎng)基消耗量已知V1=41.314m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則實際用量為=41.418m3即每批發(fā)酵罐需要41.418m3的培養(yǎng)基，其中物料組成見表3.3表3.3發(fā)酵培養(yǎng)基原料消耗表原材料名稱配比（kg/m3）消耗量(kg/d)年消耗量（kg/a）玉米淀粉玉米漿（干重）磷酸二氫鉀硫酸鈉碳酸鈣硫酸亞鐵硫酸錳泡敵植物油苯乙酰胺80455.25.20.600.020.150.33.033201867.5215.8215.824.90.856.22512.45124.52.52102920057892566898.066898.07719257.31929.753859.538595.0806.4（2）補料液中各物料的消耗量已知所需補料液V3=26.371m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則實際用量為=26.40m3的培養(yǎng)基，其中物料組成見表3.4。表3.4補料消耗表原材料名稱配比（kg/m3）消耗量(kg/d)年消耗量（kg/a）玉米淀粉玉米漿（干重）磷酸二氫鉀硫酸鈉碳酸鈣硫酸錳泡敵植物油140452.02.00.50.10.33.036961188838313.22.647.9279.2114576036828025730257304092818.42455.224552二級種子罐容積的確定物料流入=接種量+基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）物料流出=種子液+損失量（尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣）二級種子罐物料衡算關(guān)系可表示為圖3.5損失量2.5%培養(yǎng)基二級種子罐成品液97%消后85%接種量消前80%15%圖3.5二級種子罐物料衡算示意圖已知所需的種子液為13.185m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則需二級種子罐提供的種子液量為=13.218m3,則出料量==13.627m3。損失量=13.627-13.185=0.442m3培養(yǎng)基消后85%V1=13.62785%=11.583m3消前80%V1′=13.62780%=10.902m3接種量15%V2=13.62715%=2.044m3二級種子罐的公稱體積(3-4)式中：Vd′—每罐所需的種子液體積，m3—種子罐裝料系數(shù)，%Vd′=13.185m3，=65%，所以（m3）調(diào)整到國內(nèi)常用種子罐容積系列，則25m3。校核，==81.138%符合設(shè)計要求。所以，圖3.6可表示為損失量0.442m3培養(yǎng)基二級種子罐成品液消后11.583m3接種量消前10.902m32.044m313.219m圖3.6二級種子罐物料衡算示意圖二級種子罐的臺數(shù)(3-5)—二級種子罐的發(fā)酵周期，h由生產(chǎn)情況和設(shè)計要求取=48h，(其中，培養(yǎng)時間為36h，輔助時間為12h)。，元整取2罐，但考慮到種子罐染菌，故選擇3臺二級種子罐可滿足生產(chǎn)。種子培養(yǎng)基各物料的消耗量：二級種子罐所需培養(yǎng)基為10.902m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則實際需要量為：m3。二級種子培養(yǎng)基見表3.7表3.7二級種子培養(yǎng)基原料消耗表原材料名稱配比（kg/m3）消耗量(kg/d)年消耗量（kg/a）玉米淀粉玉米漿（干重）硫酸銨碳酸鈣磷酸二氫鉀植物油泡敵45255.55.50.23.00.5490.5272.559.9559.952.1832.75.45152055.084475.010584.510584.5675.8101371689.5一級種子罐容積的確定物料流入=接種量+基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）物料流出=種子液+損失量（尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣）一級種子罐物料衡算關(guān)系可表示為圖5.5損失量2.5%培養(yǎng)基一級種子罐成品液97%消后85%接種量消前80%15%圖3.7一級種子罐物料衡算示意圖已知所需的種子液為2.044m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則需種子罐提供的種子液量為m3,則出料量=m3。損失量=2.113-2.049=0.064m3培養(yǎng)基消前80%V1=2.11380%=1.690m3消后85%V1′=2.11385%=1.796m3接種量15%V2=2.11315%=0.317m3一級種子罐的公稱體積(3-6)式中：Vd′′—每臺二級種子罐所需的種子液體積m3—一級種子罐裝料系數(shù)%Vd′′=2.049m3，=65%，所以m3參閱資料[5]，調(diào)整到國內(nèi)常用種子罐容積系列，則3m3。校核，=63.04%所以，可表示為圖3.8。損失量1.064m3培養(yǎng)基種子罐成品液2.050消后1.796m3接種量消前1.690m30.317m3圖3.8一級種子罐物料衡算示意圖一級種子罐的臺數(shù)(3-7)—級種子罐的發(fā)酵周期，hN—二級種子罐個數(shù)，臺—二級種子罐發(fā)酵周期，h由生產(chǎn)情況和設(shè)計要求取=96h，(其中，培養(yǎng)時間為84h，輔助時間為12h)。，圓整為5臺，但考慮到種子罐染菌，故選擇6臺一級種子罐可滿足生產(chǎn)。一級種子培養(yǎng)基各物料的消耗量：一級種子罐所需培養(yǎng)基為1.690m3，假設(shè)運輸過程中損失0.25%，則實際需要量為：m3。具體值見表3.9表3.9一級種子培養(yǎng)基原料消耗表原材料名稱配比（kg/m3）消耗量(kg/d)年消耗量（kg/a）玉米淀粉玉米漿（干重）硫酸銨碳酸鈣磷酸二氫鉀植物油泡敵45255.55.50.23.00.576.542.59.359.350.345.10.8523715.0131752898.52898.5105.41581.0263.5熱量計算發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)計算(3-8)式中，Q—發(fā)酵罐的發(fā)酵熱效應(yīng)，kJ/hQV—單位體積，發(fā)酵液所產(chǎn)生的熱量，也稱發(fā)酵熱，kJ/hVL—發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的體積，m3青霉素發(fā)酵過程中發(fā)酵熱為16000~21000kJ/(m3·h)。本設(shè)計?。篞V=19000kJ/(m3·h)發(fā)酵罐發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)：Q=1900070.322=1336118kJ/h二級種子罐發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)：Q′=1900010.902=207138kJ/h一級種子罐發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)：Q′′=190001.690=32110kJ/h水的用量自來水(1)配料用水（約為消前培養(yǎng)基體積）每批次配料用水量：V發(fā)=41.314m3，V種2=10.902m3，V種1=1.690m3，V補=26.371m3每天配料用水量：V配=V發(fā)+V種2+V種1+V補=41.314+10.902+1.690+26.371=80.277m3(2)洗罐用水（從人孔直接沖洗，用水量取罐體積的10%）補料每天消耗料液量為26.371m3，取公稱容積為30m3的補料罐，根據(jù)工藝可知每天放一罐。洗罐用水的用水量取罐體積的15%每批次洗罐用水量：V發(fā)′=10015%=15m3，V種2′=2515%=3.75m3，V種1′=315%=0.45m3V補′=3015%=4.5m3每天洗罐用水量：V洗=V發(fā)′+V種2′+V種1′+V補′=15+3.75+0.45+4.5=23.7m3(3)自來水總用量考慮日常用水、種子室用水及清洗車間用水，取裕量系數(shù)1.2。則每天自來水總用量為V總=1.2（V配+V洗）=1.2（80.277+23.7）=124.772m3冷卻用水W=(3-9)式中，Q冷—待冷卻熱量，kJ/hC—水的比熱容，kJ/(kg·℃)t1—冷卻水進口溫度，℃t2—冷卻水出口溫度，℃取裕量系數(shù)1.2，則W=(3-10)（1）夏季冷卻水用量取t1=8℃，t2=22℃，已知C=4.18kJ/(kg·℃)發(fā)酵罐用水：Q =1336118kJ/hW=（kg/h）二級種子罐用水：Q′=207138kJ/hW′=（kg/h）一級種子罐用水：Q′′=32110kJ/hW′′=（kg/h）總用水量：W總=W+W′+W′′=27398.182+4247.532+658.442=32304.156（kg/h），取W總=33t/h（2）冬季冷卻水用量取t1=3℃，t2=18℃，已知C=4.18kJ/(kg·℃)發(fā)酵罐用水：Q =1336118kJ/h（kg/h）二級種子罐用水：Q′=207138kJ/h（kg/h）一級種子罐用水：Q′′=32110kJ/h（kg/h）總用水量：W總=W+W′+W′′=25571.636+3964.364+614.545=30150.545（kg/h），取W總=31t/h實消過程冷卻水用量A==(3-11)W=(3-12)式中：W—冷卻水的用量，kJ/hA—冷卻水的流量C—冷卻水的比熱容，kJ/(kg·℃)F—傳熱面積，m2K—平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2?h?℃)t1—培養(yǎng)基冷卻過程在某時刻的溫度，℃t2—對應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度時冷卻水出口溫度，℃t2s—冷卻水進口溫度，℃蛇管和外盤管的傳熱系數(shù)為1260-1680kJ/(m2?h?℃)。這里均采用后者計算，取1500kJ/(m2?h?℃)。已知，t1=72℃,t2=22℃,t2s=8℃,C=4.18kJ/(kg·℃)得=發(fā)酵罐用水：F1==3.1448=100.48m2=145342.334(kg/h)一級種子罐用水：F==3.14×1.5×3=14.13m2=20438.766(kg/h)二級種子罐用水：F==3.142.44.8=36.173m2=52323.530(kg/h)補料罐用水：F4==3.142.65.2=42.453m2=61407.425(kg/h)蒸汽耗量計算發(fā)酵蒸汽消毒有實消和連消兩種，實罐消毒蒸汽比連消用量大，蒸汽直接進入罐內(nèi)與溶液混合加熱使罐溫快速升高至一定溫度后再進行保溫滅菌，蒸汽消耗量根據(jù)操作不同而有差別[10]。我們在設(shè)計時通常采用實罐消毒。在計算過程中，我們首先計算直接蒸汽混合加熱用氣量，然后保溫時間內(nèi)的蒸汽耗用量按升溫用氣量的30-50%進行計算。（1）直接加熱蒸汽耗量(3-13)式中，—蒸汽的熱焓，kJ/kgG—培養(yǎng)基質(zhì)量，kgC—培養(yǎng)基比熱容，kJ/(kg·℃)—熱損失，5%~10%—加熱結(jié)束時的料液溫度，℃—加熱開始時的料液溫度，℃已知：在0.4MPa時為2738.5kJ/kg，C取4.18kJ/(kg·℃)，取10%，t2=120℃,t1=30℃發(fā)酵罐:V培=41.314m3，ρ=1000kg/m3D1==6948.155kg二級種子罐：V培=10.902m3，ρ=1000kg/m3D1中′==1833.489kg一級種子罐：V培=1.690m3，ρ=1000kg/m3D1小′==284.223kg補料罐：V培=26.371m3，ρ=1000kg/m3D1′′==4435.053kg（2）滅菌保溫時間內(nèi)蒸汽用量實罐滅菌操作中，蒸汽就是從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出（進氣的閥門開的很大，排氣的閥門開的很?。ぷ魅藛T的操作習(xí)慣不同，因此蒸汽消耗量很難準確計算，可根據(jù)經(jīng)驗進行估算：D2=(30~50%)D1(3-14)本設(shè)計取50%發(fā)酵罐：D2=50%D1=3474.078kg二級種子罐：D2中′=50%D1中′=916.745kg一級種子罐：D2小′=50%D1小′=142.112kg補料罐：D2′′=50%D1′′=2217.527kg（3）蒸汽總用量發(fā)酵罐：D=D1+D2=6948.115+3474.078=10422.233kg種子罐：D′==(916.745+1833.489)+(284.223+142.112)=3176.569kg補料罐：D′′=D1′′+D2′′=4435.053+2217.527=6652.58kg壓縮空氣耗量通風(fēng)比計算法：已知：發(fā)酵罐為100m3，8臺，培養(yǎng)液體積70.322m3，裝料系數(shù)73%，取通風(fēng)比1:0.6，則壓縮空氣需要量：Qg=n∑(vvm)V(3-15)式中：∑(vvm)—單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)通入壓縮空氣V—培養(yǎng)液體積，m3n—發(fā)酵罐臺數(shù)Qg=80.670.3223=337.546（m3/min）二級種子罐：25m3，3臺，培養(yǎng)液體積8.895m3，裝料系數(shù)65%，取通風(fēng)比1:0.8，則壓縮空氣需要量：Qg′=30.88.895=21.348（m3/min）一級種子罐：5m3，6臺，培養(yǎng)液體積1.379m3，裝料系數(shù)65%，取通風(fēng)比1:1.5，則壓縮空氣需要量：Qg′′=61.51.379=12.411（m3/min）用電量的計算（1）發(fā)酵罐用電量發(fā)酵罐電機的額定功率為160kW，故發(fā)酵罐的批次用電量為16024=3584kW·d根據(jù)工藝可知，發(fā)酵罐每年發(fā)酵310批次，故發(fā)酵罐一年的用電量為3584310=1.11106kW·d（2）二級種子罐用電量二級種子罐電機的額定功率為30kW，故二級種子罐的批次用電量為3024=540kW·d根據(jù)工藝可知，二級種子罐每年發(fā)酵310批次，故二級種子罐一年的用電量為540310=1.67105kW·d（3）一級種子罐用電量一級種子罐電機的額定功率為2.2kW，故一級種子罐的批次用電量為2.224=46.2kW·d根據(jù)工藝可知，一級種子罐每年發(fā)酵320批次，故種子罐一年的用電量為46.2310=1.43104kW·h（4）補料罐用電量補料罐電機的額定功率為5.5kW，故補料罐的批次用電量為5.524=117.3kW·d根據(jù)工藝可知，補料罐每年發(fā)酵300批次，故補料罐一年的用電量為117.3310=3.63kW·d（5）泵的用電量根據(jù)補料泵、一級種子罐泵、二級種子罐泵、氨水泵、補油泵、泡敵泵選型中電機功率及軸功率計算用電量可得：（0.75+0.75+3.0+0.75+0.75+0.75）24320=5.18kW·d（6）照明、監(jiān)控室及其他（取每日用電量為20kW·d）一年工作日有300天，故照明、監(jiān)控室及其他年用電量為20×320=9600KkW·d（7）年總用電量（取裕量系數(shù)為1.1）1.1（1.11106+1.67105+1.43104+3.63+5.18+9600）=1.39106kW·d典型設(shè)備計算發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐幾何尺寸比例關(guān)系如下：=1.7~3.0，=~，=~,=0.8~1.0,=1~2.5式中：H—筒身高度，mD—罐徑，mW—擋板寬度，mC—下攪拌器距底間距，mS—兩攪拌器間距，mh—封頭高度，mHL—液位高度，m尺寸計算發(fā)酵罐的“公稱體積”是指罐的筒身體積Vc與底封頭體積Vb之和。其中封頭體積可根據(jù)封頭形狀、直徑及壁厚從有關(guān)化工設(shè)計手冊中查得[11]。V0=Vc+Vb=D2H+Vb(4-1)Vb=D2hb+D2ha[7](4-2)式中：ha—封頭曲邊高度，mhb—封頭直邊高度，m對標準橢圓ha=,則發(fā)酵罐的公稱體積為V0=D2H+D2（hb+）(4-3)hb相對于D與H很小，可忽略不計，故V0=D2H+D3(4-4)已知V0=100m3，取H=2D,代入上式得100=D2×2D+D3得，D=3.889m參考資料，將直徑圓整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐系列，取D=4000mm。將直徑D=4000mm代入下式，可計算筒身高度：H=（4-5）查表知公稱直徑D=4000mm，ha=800mm，hb=50mm,Vb=Vb=D2hb+D2ha=9.001m3則H===7.3m校核：==1.825(符合：=1.7~3.0)即：發(fā)酵罐公稱體積為100m3，全容積為80.94m3，直徑為4.0m。罐體總高度：H0=H+2(ha+hb)=7.3+2(1+0.05)=9.4m圓筒部分裝液量：Vc′=V-Vb=70.322-9.001=61.321m3則圓筒部分液面高：HL′===4.962m發(fā)酵液體總高度：HL=HL’+ha+hb=4.962+1+0.05=6.012m發(fā)酵罐攪拌裝置及軸功率計算（1）攪拌裝置根據(jù)青霉素發(fā)酵工藝的需要，本設(shè)計采用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器，可以有利于粉碎氣泡，強化氧的傳遞，以達到最佳混合效果。（2）攪拌器尺寸設(shè)計本設(shè)計采用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各種尺寸與罐徑D存在一定的比例關(guān)系。將主要尺寸列舉如下：攪拌器直徑d=0.33D=1.32m葉寬b=0.2d=0.264m弧長r=0.375d=0.495m底距C=0.8D=1.3m盤徑Φ=0.75d=0.99m葉距S=2d=2.64m（3）攪拌軸功率計算A．不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學(xué)實驗和生產(chǎn)實踐總結(jié)功率準數(shù)和攪拌雷諾準數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系：Np=f(Re)=(4-6)則P=Np(4-7)式中：Np—攪拌功率特征數(shù)P—攪拌功率，Wn—攪拌器轉(zhuǎn)速，r/sd—攪拌器直徑，mρ—液體密度，kg/m3查資料[8]得，六平葉渦輪槳Np=6.2六彎葉渦輪槳Np=4.8六箭葉渦輪槳Np=3.9攪拌轉(zhuǎn)速n可根據(jù)100m3罐，攪拌器直徑1.2m，轉(zhuǎn)速N=150r/min，以等P0/V為基準放大求得：n=N()2/3=150×()2/3=140r/min已知：n=140r/min=2.3r/s，d=1.32m，ρ=1000kg/m3，Np=4.8∴P=Np=4.810002.331.325=129.07kW由于發(fā)酵反應(yīng)器的≠3，≠3，故實際反應(yīng)器的攪拌功率可用式(4-8)計算：P實=P(4-8)式中：、為實際值，、為理論值，且均為3?！郟實=(4-9)已知D=4.0m，d=1.32m,HL=6.012m，代入式中得攪拌器層數(shù)的計算：m=m==1.772，故取2個攪拌器。當發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時，軸功率可按下式估算：Pm=P實(0.4+0.6m)(4-10)式中：m—攪拌器層數(shù)則Pm=239.618×(0.4+0.62)=383.389kWB．通風(fēng)條件下的攪拌功率通風(fēng)條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗公式計算：Pg=k()0.45(4-11)已知Qg==42.193m3/min，n=140r/min，k隨攪拌器形式不同而不同，根據(jù)資料介紹[12]，對通用渦輪攪拌器k=0.157。則C．電動機功率的確定PN=[14](4-12)式中：PN—電動機功率，kWP′—攪拌器功率，kWPT—軸封裝置的摩擦損失功率，kWη—傳動裝置的機械效率一般端面軸封摩擦損失的功率取（1%~2%）Pm，本設(shè)計取1.5%Pm，齒輪減速傳動時η可取85%。則PN==136.652kW查資料[9,10]，選取電動機功率為160kW，其型號為Y315S2-2；減速機選用FJ系列，根據(jù)要求選FJB11I204發(fā)酵罐的換熱設(shè)備發(fā)酵罐的傳熱裝置有夾套、內(nèi)蛇管和外盤管，一般容積為5m3以下的罐可用夾套為傳熱裝置，大于10m3的用蛇管、外盤管。夾套的傳熱系數(shù)通常為630-1050kJ/(m2·h·℃)，蛇管、外盤管的傳熱系數(shù)通常為1260-1680kJ/(m2·h·℃)[5]。本設(shè)計采用蛇管、外盤管的傳熱系數(shù)為1500kJ/(m2·h·℃)對于生產(chǎn)菌種發(fā)酵熱較大的發(fā)酵罐，當安置外盤管傳熱面積仍不夠時，罐內(nèi)還要安置豎式蛇管來加大傳熱面積。這里采用這種方法。（1）冷卻面積計算用牛頓傳熱定律公式計算：F=(4-13)式中：Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量，kJ/hK—傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·℃)—兩流體傳熱時平均溫度差，℃由前面計算可知：Q=1336118kJ/h，K值取1500kJ/(m2·h·℃)，發(fā)酵溫度為26℃，冷卻水進出口溫度分別為8℃、22℃。則(℃)則F===95.697m2考慮到消毒后培養(yǎng)基冷卻等因素，乘以系數(shù)1.1[16]，得，F(xiàn)實=1.2F=1.2×95.697=105m2此時100m3發(fā)酵罐的可用傳熱外表面積F′為：F′==3.14×4×4.962=62.323m2由于F實>F′，則該罐采用外盤管不滿足工藝設(shè)計，需內(nèi)設(shè)蛇管。圓整后實際總傳熱面積為64m2，取外盤管的傳熱面積為40m2，擋板式蛇管的傳熱面積為24m2。（2）進水管總管直徑按用水量大的夏季通水量計算。冷卻水用量：W=27398.182kg/h=7.61kg/s冷卻水體積流量：ω==7.61×10-3m3/s取冷卻水在管中流速為v=0.8m/s。冷卻管總截面積：S總===9.513×10-3m2進水總管直徑：查表[6]，選取Ф121×5.5的無縫鋼管，符合要求。（3）外盤管設(shè)計經(jīng)查資料，此處取Ф121×5.5的半圓管，外盤管換熱面積F1=45m2，則：外盤管管長：L1===409.091m纏繞圈數(shù)：n1===32.571圈，取33圈。校核：外盤管外壁高度：H外總=450.11=4.95m<6.012m。符合要求?！嗤獗P管實際換熱面積：S實=n1DD1=453.1440.11=62.117m2>45m2，故符合要求。外盤管分為4組：每組分別為7圈、7圈、7圈、6圈、6圈。（4）內(nèi)擋板式蛇管設(shè)計①冷卻管組數(shù)和管徑S總=(4-14)式中：S總—冷卻管總截面積，m2n—豎式蛇管組數(shù)d0—豎式蛇管管徑，m豎式蛇管的組數(shù)n，根據(jù)罐的大小一般3、4、6、8、12……組。通常每組管圈數(shù)不超過6圈，增加組數(shù)可排下更多冷卻管；管與攪拌器的最小距離不應(yīng)小于250mm；每圈管子的中心距離為2.5D外-3.5D外，管兩端U型或V型彎管，可彎制或焊接。安裝時每組豎式蛇管用專用夾板加緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上。管子與罐壁的最小距離應(yīng)大于100mm，主要考慮便于安裝，清洗和良好的傳熱[12]?，F(xiàn)根據(jù)本罐情況，取n=6，由(4-14)得管徑d0===0.45m查表取Ф50×2.5的無縫鋼管，符合要求。d內(nèi)=55-2.52=50mmd均=47.456mm現(xiàn)在取豎式蛇管圓端部U型彎管，曲徑為250mm，則兩直管間距離為500mm。設(shè)兩端彎管總長度為l0，則：l0=d′=3.14×500=1570mm②冷卻管總長度計算已知擋板式蛇管的傳熱面積F2=65㎡。L2===411.978m每組管長：L0===68.663m可排豎式蛇管的高度設(shè)為靜液面高度，下部可深入封頭200mm，則豎式蛇管的高度等于圓柱部分液面高度加上可深入封頭以下的高度。筒體部分液深：HL′=4.962m豎式蛇管的高度：H′=4.962+0.2=5.162m兩彎管總長：l0=1.57m故豎式蛇管豎直部分長：h=H′-0.252=5.162-0.5=4.662m則一圈管長：l=2h+l0=24.662+1.57=10.894m故每組蛇管可繞圈數(shù)n0===6.002圈，取6圈。發(fā)酵罐壁厚計算對生物加工工業(yè)來說，發(fā)酵罐的制造材料可以選用碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。相對于其他工業(yè)來說，青霉素發(fā)酵液對鋼材的腐蝕性不大，溫度在25℃左右，壓力為低壓，故可以選用16Mn鋼材。材料在設(shè)計溫度下的許用壓力[]=175MPa[6]。（1）筒體壁厚計算取設(shè)計壓力等于最高工作壓力的1.1倍，即1.10.3=0.33MPa。判斷是否考慮液體靜壓力：已知發(fā)酵液密度ρ=1000kg/m3，筒身部分液面高度為4.962m。故筒體底部產(chǎn)生的靜壓力為：P1==10009.84.962=0.049MPa=0.0486MPa>0.33×5%=0.0165MPa,故須考慮在內(nèi)。即筒體的設(shè)計壓力P=0.33+0.0486=0.379MPa筒體的焊接采用帶墊板的單面對接焊縫，局部無損傷，則焊縫系數(shù)Φ=0.8。[16](4-15)式中：P—設(shè)計壓力，MPaD—罐內(nèi)徑，mm[]—材料在設(shè)計溫度下的許用壓力，MPaΦ—焊縫系數(shù)，取Φ=0.8C—壁厚附加量，C=C1+C2+C3C1—鋼板負偏差。視鋼板厚度查表確定，現(xiàn)取C1=0.5mm。C2—腐蝕余量，取C2=1mmC3—加工減薄兩，對冷加工C3=0，熱加工封頭C3=X0×10%即C=C1+C2+C3=0.5+1+0=1.5mm則==6.894mm圓整到標準規(guī)格取7mm。（4）上封頭壁厚計算上封頭為標準橢圓形封頭，其壁厚計算公式：mm，標準規(guī)格取X上==6.275mm有效壁厚：X上e=8─1.5=6.5mm校核：X上e≥0.15%D=6.00mm，故該橢圓形封頭的名義厚度取8mm合適。Ⅲ.下封頭壁厚計算P=10-6=0.389MPa則mm圓整到標準規(guī)格取X下=8mm接管設(shè)計（1）排料管（也是通風(fēng)管）管徑計算本罐實裝料液量為70.322m3，設(shè)2h內(nèi)排空。則物料流量Q==0.010m3/s由前設(shè)定發(fā)酵液流速v=1m/s，則排料管截面積F物為==0.01m2由推得管徑==0.094m=115mm取無縫鋼管Φ121×3,認為適用。（2）通風(fēng)管計算壓縮空氣在0.4MPa下，支管氣速為20-25m/s。每臺發(fā)酵罐工作條件下的通氣量Qg==42.193m3/min=0.703m3/s。利用氣態(tài)方程：==0.115m3/s取風(fēng)速v=20m/s，則通風(fēng)管截面積為㎡由推得氣管直徑m查表，取無縫鋼管Φ1084，可滿足工藝要求。排料時間復(fù)核：物料流量Q=0