200立方米谷氨酸发酵罐设计(2)

生物工程设备课程设计———发酵罐

第1章 概述

1.1 发酵罐设计前景

生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。

生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。①微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。②细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。③转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。

1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述

微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。

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微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段 ：①实验室阶段 —— 微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 ～ 3L 反应器中进行 ；②中试阶段 ——5 ～ 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；③工厂化规模生产 ——实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。

1.3 微生物反应器的研究和应用进展

膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。

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第2章 设计依据

2.1 本次设计内容

设计200m3谷氨酸机械搅拌通风反应器 2.2 基本参数 2.2.1 发酵罐的型式

机械搅拌通风发酵罐 ①高径比：H/D=1.7-4.0

②搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器,Di:di:L:B=20:15:5:4 ③搅拌器直径：Di=D/3

④搅拌器间距：S=（0.95-1.05）D

⑤最下一组搅拌器与罐底的距离：C=（0.8-1.0）D

⑥挡板宽度：B=0.1D，当采用列管式冷却时，可用列管冷却代替挡板 2.2.2 发酵罐的用途

用于谷氨酸生产的发酵罐，有关设计参数如下： ①装料系数：种子罐0.50-0.65

发酵罐0.65-0.8

②发酵液物性参数：密度1080kg/m3

粘度2.0×10-3N.s/m2 导热系数0.621W/m.℃ 比热4.174kJ/kg.℃

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③高峰期发酵热3-3.5×104kJ/h.m3

④溶氧系数：种子罐5-7×10-6molO2/ml.min.atm

发酵罐6-9×10-6molO2/ml.min.atm

⑤标准空气通风量：种子罐0.4-0.6vvm

发酵罐0.2-0.4vvm

2.2.3 冷却水及冷却装置

冷却水：地下水18-20℃ 冷却水出口温度：23-26℃ 发酵温度：32-33℃

冷却装置：种子罐用夹套式冷却，发酵罐用列管冷却。

2.2.4 设计压力

罐内0.4MPa；夹套0.25 MPa

发酵罐主要由罐体和冷却列管，以及搅拌装置，传动装置,轴封装置，人孔和其它的一些附件组成。这次设计就是要对200M3通风发酵罐的几何尺寸进行计算；考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料，确定罐体外形、罐体和封头的壁厚；根据发酵微生物产生的发酵热、发酵罐的装液量、冷却方式等进行冷却装置的设计、计算；根据上面的一系列计算选择适合的搅拌装置，传动装置，和人孔等一些附件的确定,完成整个装备图，完成这次设计。

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第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸

3.1 通用发酵罐的系列尺寸

表1 发酵罐系列尺寸

公称容积 50L 100L 200L 500L 1.0m 5.0m 10m 20m 50m 100m 200m

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罐内径 320mm 400mm 500mm 700mm 900mm 1500mm 1800mm 2300mm 3100mm 4000mm 5000mm

圆柱高 640mm 800mm 1000mm 1400mm 1800mm 3000mm 3600mm 4600mm 6200mm 8000mm 10000mm

封头高 105mm 125mm 150mm 200mm 250mm 400mm 475mm 615mm 815mm 1040mm 1300mm

罐体总高 850mm 1050mm 1300mm 1800mm 2300mm 3800mm 4550mm 5830mm 7830mm 10080mm 12600mm

封头容积 6.3L 11.5L 21.3L 54.5L 0.112m 0.487m 0.826m 1.76m 4.2m 9.02m 16.4m

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圆柱部分容积

52L 100L 197L 540L 1.14m 5.3m 9.15m 19.1m 46.8m 100m 197m

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表2 发酵罐相关参数

不计上封头的容积 58.3L 112L 218L 595L 1.25m 5.79m 9.98m 20.86m 51m 109m 213m

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全容积 搅拌桨直径 搅拌转数 64.6L 123L 239L 649L 1.36m 6.27m 10.8m 22.6m 55.2m 118m 230m

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电动机功率 搅拌轴直径 0.4kW 0.4kW 0.6kW 1.1kW 1.5kW 5.5kW 13kW 23kW 55kW

25mm 25mm 25mm 35mm 35mm 50mm 65mm 80mm 110mm

冷却方式 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 夹套 列管 列管 列管 列管

112mm 135mm 168mm 245mm 315mm 525mm 630mm 770mm 1050mm 1350mm 1700mm

470r/min 400r/min 360r/min 265r/min 220r/min 160r/min 145r/min 125r/min 110r/min

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