发酵罐设计

机械搅拌通风发酵罐的设计

生物反应器是生物加工过程的关键设备。

我们将通过一个实际设计的过程来考察同学们对本节的掌握情况。

发酵罐设计基本原则

（１）在发酵系统的已灭菌部分与未灭菌部分之间不应直接连通。 （２）尽量减少法兰连接。

（３）尽可能采用全部焊接结构

（４）防止死角，裂缝，因为固体物质可在这些地方蓄积，为污染菌提供避开菌的绝热环境。

（５）发酵系统的某些部分能单独灭菌。

（６）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。

（７）所用阀门应易于清洗，维修和灭菌。 （８）发酵罐始终保持正压以排除渗漏。

（９）几乎所有的发酵罐都有由玻璃或不钢制成。

（１０）多数发酵罐的底部和顶部都有是碟形或椭圆形。

（１１）由罐顶部进入的轴由于轴较长容易颤抖。因而往往采用底式搅拌轴，应很好地解决渗漏和污染问题。

（１２）发酵罐的功率输入为：实验室小型罐为8～10 W/L，中型罐3～5 W/L，大型罐1～3 W/L。

设计要求:

1. 几何尺寸的确定 2. 罐体壁厚（见P22) 3. 冷却面积计算

4. 搅拌轴功率的计算并确定轴径（略） 5. 选用电机及变速装置（估选）

生物工程：

高径比为2.5，南方某地，初始水温：18℃

1．应用基因工程菌株发酵生产赖氨酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。1-4号：3000L种子罐； 5-8号：50M3发酵罐

2．应用基因工程菌株发酵生产柠檬酸，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，二级发酵。9-12号：5000L 种子罐 13-16号 100 M3发酵罐

3．应用黑曲霉菌株发酵生产糖化酶，此产物是初级代谢产物。非牛顿型流体，三级发酵。17-20号：500L 种子罐 21-24号 20 M3发酵罐 25-27号：200 M3发酵罐

制药一；生技

高径比为2，南方某地，初始水温：20℃

1．应用基因工程菌株发酵生产庆大霉素产品，此产物是次级代谢产物。非牛顿型流体，三级发酵。1-4号：2000L种子罐； 5-8号：30M3发酵罐： 9-12号： 300 M3发酵罐

2．应用基因工程菌株发酵生产右旋葡萄糖苷，此产物是初级代谢产物。非牛顿型流体，三级发酵。13-16号：50L种子罐； 17-20号：3M3发酵罐： 21-25号： 40 M3发酵罐

制药二；

高径比为3，北方某地，初始水温：14℃

1．应用基因工程菌株发酵生产缬氨基酸原料（复方氨基酸注射液的单体），此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，三级发酵。1-4号：2000L种子罐； 5-8号：30M3发酵罐： 9-12号： 300 M3发酵罐

2．应用基因工程菌株发酵生产肌苷酸原料，此产物是初级代谢产物。牛顿型流体，三级发酵。13-16号：50L种子罐； 17-20号：3M3发酵罐： 21-25号： 40 M3发酵罐

附录1 小型发酵罐技术参数 公称容积 50L 200L 500L 800L 1000L 1200L 2000L 3000L 5000L

筒体高度 H(mm) 813 1110 1400 1600 1600 1800 2100 2200 3000 筒体直径 D1(mm) 夹套直径 D2(mm) 转速 r/min 电机功率 KW φ300 φ500 φ700 φ800 φ900 φ900 φ1100 φ1200 φ1400 φ400 φ600 φ800 φ900 φ1000 φ1000 φ1200 φ1300 φ1500 340 340 321 200 280 200 250 200 180 0.55 0.75 1.5 2.2 23 3 4 5.5 7.5 附录2 大中型发酵罐技术参数 公称容量 m3 10 21 30 50 60 75 100 200 筒体高度 H(mm) 3200 4700 6600 7000 8000 8000 9400 11500 1800 2200 2400 2800-3000 3000-3200 3200 3600 4600 12 21 34 38-60 65 84 114 221 150 154 180 160 160 165 170 142 7.5 30 45 55 65 100 130 215 筒体直径 mm 换热面积 m2 转速 r/min 电机功率 kw 附录3 冷却面积计算举例

某抗菌素厂需新建30M3种子罐，装料系数为60%，已计算出主发酵期生物合成热Q1=4.4×105kj/h，搅拌热Q2=7.2×104 kj/h，查有关资料可知汽化热Q3 =1×104 kj/h，醪液的比重为ρ=1.04×103 kg/M3，发酵温度为32℃，冷却水进口温度为16℃，出水温度为25℃，冷却水的平均比热Cp=4.186 kj/ (kg · ℃)， 罐内采用竖式蛇管冷却，蛇管为水煤管，其规格为 53/60 (mm)，壁厚3.5mm，其导热系数λ=188 kj/ (M · h · ℃)，根据生产经验数据可取传热系数α1和α2分别为2.7×103 kj/(M2 · h · ℃)和 1.45×103kj/(M2 · h · ℃)，另外管壁水垢层的热阻取 1/16750 M2 · h · ℃/kj，试求发酵罐冷却面积、竖式蛇管总长度和冷却水耗量。

做题时所用到的公式 发酵热

Q=Q1+Q2-Q3 Q=WCp(t2-t1) Q=KAΔtm 冷却面积 A=πdL AL? ?d

传热总系数K值

1 K?11S1???

?1?2??

对数平均温度差

(tF?t1)?(tF?t2)?t? mt?t2.303lgF1

tF?t2 解:

1.总的热量

Q=Q1+Q2-Q3

=4.4×105+7.2×104-1×104

=5.02×105(kJ/h) 2.冷却水耗量 5.02?105Q? W?4.186?(25?16)Cp(t2?t1)

=1.33×104 (kg/h)

3.对数平均温度差

(tF?t1)?(tF?t2)?t??10.9(oC) mtF?t12.303lg

tF?t2

4.K值的计算

11? K?11S1110.00351??????

?1?2??2700145018816750

= 1.931×103 kJ/(M2 ·h·℃)

5.冷却面积

5Q5.02?10 A???23.85(M2)K??tm1931?10.9

根据生产实际情况取整A=25M2

6.冷却蛇管总长度

A25 L???d3.14?0.0565

=140.17 (M)

根据生产实际情况取整L=145M，如果分为6组，则每组为24.17M，可将竖式冷却蛇管总长度修正为L=144M，则每组竖式冷却蛇管总长度为24M。 答:发酵罐冷却面积25M2，蛇管总长度144M和冷却水耗量13300 kg/h。

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