200立方米机产洁霉素机械搅拌生物反应器设计课程设计报告.docx

生物与化学工程学院
课程设计报告

题目： 200M3产洁霉素机械搅拌生物反应器设计

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设计时间： 2013年5月24日

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学 院
生物与化学工程学院
专业班级

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所在组别
第二组
设计题目
200M3机产洁霉素机械搅拌生物反应器设计
完成时间
2013年5月26
设计
内容
及要求

工作
进度
及安排

指导教师

年 月 日

200M3机产洁霉素机械搅拌生物反应器设计

摘要 ： 洁霉素发酵生产是典型的微生物次级代谢过程，生物反应发酵机理复杂。林可霉素又称盐酸氯洁霉素、济民力克、洁霉素、丽可胜、林肯霉素、洛霉素、盐酸林肯霉素，常温下为白色结晶性粉末。本文对林可链霉菌生产洁霉素的主要反应设备作了设计和计算，包括发酵罐的容积及主要部件尺寸的确定，搅拌器的选型及功率计算，冷却设备的计算等。
关键词： 洁霉素 发酵罐 搅拌器　

目 录
1 概述………………………………………………………………………………………1
1.1发酵罐设计前景………………………………………………………………1
1.2微生物生物反应器的研究与应用概述………………………………………1
1.3微生物反应器的研究和应用进展……………………………………………2
1.4设计方案的拟定 ……………………………………………………………2
2 罐体几何尺寸的确定……………………………………………………………………4
2.1夹套反应釜的总体构…………………………………………………………4
2.2 几何尺寸的确定………………………………………………………………4
3 罐体主要部件尺寸的设计计算…………………………………………………………5
3.1 罐体……………………………………………………………………………5
3.2 罐体壁厚………………………………………………………………………5
3.3 封头壁厚计算…………………………………………………………………5
3.4 搅拌器…………………………………………………………………………5
3.5人孔和视镜……………………………………………………………………6
3.6接口管…………………………………………………………………………6
3.6.1 管道接口……………………………………………………………………6
3.6.2 仪表接口……………………………………………………………………7
4 冷却装置设计……………………………………………………………………………8
4.1 冷却方式………………………………………………………………………8
4.2 装液量…………………………………………………………………………8
4.3 冷却水耗量……………………………………………………………………8
4.4 冷却面积………………………………………………………………………8
5 搅拌器轴功率的计算……………………………………………………………………10
5.1不通气条件下的轴功率P0计算………………………………………………10
5.2通气搅拌功率Pg的计算………………………………………………………10
5.3电机及变速装置选用…………………………………………………………11
5.4主要符号说明…………………………………………………………………12
6 设计小结…………………………………………………………………………………13
7 参考文献…………………………………………………………………………………14

1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。
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。
1.4设计方案的拟定
我设计的是一台200M3机产洁霉素机械搅拌生物反应器
洁霉素（也称为林可霉素）‘作为抗生素的一个分支，它的生产在医药生产中有重要的地位。洁霉素的生产以豆饼粉、淀粉、葡萄糖等为原料，三级发酵而成。发酵是在接种和通气搅拌下进行的，特点是先在种化过程中进行孢子培养，将成熟的孢子制成悬浮液，接种到液体种子培养液中，在一、二级种子工程中扩大培养，繁殖到一定浓度和数量后接入发酵罐中进行发酵。沽霉素是微生物的次级代谢产物，发酵过程中培养基与有关设备必须进行严格灭菌，与培养基接触的罐体与管件必须密封，保证不被杂菌感染，培养过程中要适时补入糖、硫酸氨、氨水，以满足菌体生长对碳源、氮源等养料的需求

2 罐体几何尺寸的确定

表1 发酵罐主要设计条件

项目及代号
参数及结果
备注
发酵菌种
林可链霉菌
根据参考文献[1]选取
工作压力
0.4MPa
由工艺条件确定
设计压力
0.4MPa
由工艺条件确定
发酵温度（工作温度）
31℃
根据参考文献[1]选取
设计温度
150℃
由工艺条件确定
冷却方式
蛇管冷却
由工艺条件确定
发酵液密度

由工艺条件确定
发酵液黏度

由工艺条件确定

2.1夹套反应釜的总体结构
夹套反应釜主要由搅拌容器，搅拌装置，传动装置，轴封装置，支座，人孔，工艺接管和一些附件组成。搅拌容器分罐体和夹套两部分，主要由封头和筒体组成，多为中、低压压力容器；搅拌装置由搅拌器和搅拌轴组成，其形式通常由工艺设计而定；传动装置是为为带动搅拌装置设置的，主要由电机，减速器，联轴器和传动轴等组成；轴封装置为动密封，一般采用机械密封或填料密封；它们与支座，人孔，工艺接管等附件一起，构成完整的夹套反应釜。

2.2 几何尺寸的确定
根据工艺参数和高径比确定各部几何尺寸；高径比H/D=2.9，则H=2.9D
初步设计：设计条件给出的是发酵罐的公称体积（）
公称体积V－－罐的筒身（圆柱）体积和底封头体积之和
全体积V0－－公称体积和上封头体积之和
封头体积
（近似公式）
假设，根据设计条件发酵罐的公称体积为
由公称体积的近似公式可以计算出
罐体直径，
罐体总高度
，
取整为14150。

查阅文献【2】 ，当公称直径时，标准椭圆封头的曲面高度，直边高度，总深度，内表面积，容积
可得罐桶身高

则此时与前面的假设接近，
故可认为是合适的
发酵罐的全体积

表2大中型发酵罐技术参数

公称容量
筒体高度
H(mm)
筒体直径
mm
换热面积

转速
r/min
电机功率
kw
10
3200
1800
12
150
7.5
21
4700
2200
21
154
30
30
6600
2400
34
180
45
50
7000
2800-3000
38-60
160
55
60
8000
3000-3200
65
160
65
75
8000
3200
84
165
100
100
9400
3600
114
170
130
200
11500
4600
221
142
215

表3 200m3发酵罐的几何尺寸

项目及代号
参数及结果
备注
公称体积
200
设计条件
全体积
215
计算
罐体直径
4900
计算
发酵罐总高
14150
计算
发酵罐筒体高度
11620
计算

3 罐体主要部件尺寸的设计计算
3.1 罐体
考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。因为发酵液有微腐蚀性，罐体和封头都使用16MnR钢为材料，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

3.2 罐体壁厚
，取11mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强 (取0.4MPa)
φ － 焊缝系数，双面焊取0.8
[σ ]－设计温度下的许用应力（kgf/c）（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）
C －腐蚀裕度，当δ －C<10mm时，C＝3mm

3.3 封头壁厚计算
，取20mm。
D－罐体直径（mm） p－耐受压强 (取0.4MPa)
y－开孔系数，取2.3 φ － 焊缝系数，双面焊取0.8
[σ ] －设计温度下的许用应力（16MnR钢焊接压力容器许用应力为150℃，170MPa）

3.4 搅拌器
采用涡轮式搅拌器，选择搅拌器种类
和搅拌器层数，根据d确定h和b的值
尺寸：六平叶涡轮式搅拌器已标准化，
称为标准型搅拌器；搅动液体的循环
量大，搅拌功率消耗也大；根据

搅拌器叶径为

叶宽B为

盘径为

叶弧长L为

底距C

3.5人孔和视镜
人孔的设置是为了安装、拆卸、清洗和检修设备内部的装置。
本次设计只设置了1个人孔，标准号为： 人孔RFⅡ（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公称直径450，开在顶封头上，位于左边轴线离中心轴750mm处
视镜用于观察发酵罐内部的情况。本次设计只设置了2视镜，直径为DN80，开在顶头上，位于前后轴线离中心轴750mm处，标记为视镜Ⅱ PN1.0 DN80 HGJ501-86-17

3.6接口管
封进料口为例计算，
设发酵醪液流速为，5h 排尽。发酵罐装料液体积：V1 =161.25
物料体积流量，
则排料管截面积，
又，得d=0.106m，取无缝钢管，查阅资料，平焊钢管法兰HG20593-97，取公称直径100，。其他管道也是如此计算。
3.6.1 管道接口 （采用法兰接口）
进料口：直径，开在封头上，
排料口：，开在罐底；
进气口：，开在封头上；
排气口：，开在封头上；
冷却水进、出口：，开在罐身；
补料口：，开在封头上；
取样口：，开在封头上；

3.6.2 仪表接口
pH探头：型；
表4  发酵罐主要部件尺寸的设计计算结果

项目及代号
参数及结果
备注
罐体材料
16MnR钢
由工艺条件确定
焊接方式
双面缝焊接
由工艺条件确定
罐体筒壁厚

计算
封头壁厚

计算
搅拌器类型
六弯叶涡轮式搅拌器
根据参考文献[3]选取
搅拌叶直径

计算
搅拌器层数
2
由工艺条件确定
人孔
1个，标准号HG21522-1995
根据参考文献[3]选取
视镜
2个，标准号HGJ501-86-17
根据参考文献[3]选取
进、排料口直径

根据参考文献[3]选取
进、出气口直径

根据参考文献[3]选取
冷却水进、出口直径

由工艺条件确定
补料口直径

根据参考文献[3]选取
取样口直径

由工艺条件确定
温度计
装配式热电阻温度传感器Pt100型，D＝100mm

压力表

液位计

溶氧探头

pH探头
型

4 冷却装置设计
4.1 冷却方式
发酵罐容量大，罐体的比表面积小。夹套不能满足冷却要求，使用蛇管冷却，综合比较列管的冷却效果好，在使用水作冷却介质时，选用列管。

4.2 装液量
设计发酵罐装料系数：取75%
发酵罐装料液体积：

不计算下封头时的装液体积：

装液高度：
单位时间传热量＝发酵热×装料量
即：

4.3 冷却水耗量
由实际情况选用进出口水温为20℃ 、27℃，则

Q－单位时间传热量
Cp－冷却水的平均比热，取4.186 kJ/ (kg · ℃)
t2-t1－冷却水进出口温度差

4.4 冷却面积
发酵液温度31℃，冷却水进口温度20℃，出口温度27℃，则平均温度差为：

根据实际取200 m2
△tm －对数平均温度差
K－传热总系数，取3 kJ/(m2 ·h·℃)
冷却面积() A=πdL
冷却蛇管总长度(m)

d－蛇管内径，d＝外径－壁厚 取110mm
（径取50－80mm，壁厚取3.5－5mm ）
每圈蛇管长度

D－蛇管圈直径，4.2m
hp －蛇管圈之间的距离，取0.1m
每组蛇管圈数

蛇管总高度

表5  200发酵罐冷却装置设计计算结果

项目及代号
参数及结果
备注
装料系数
75%
由工艺条件确定
装料体积

计算
装料高度

计算
总发酵热

计算
冷却水耗量

计算
冷却面积

计算
冷却蛇管总长度

计算
冷却蛇管总高度

计算
蛇管组数
10组
由工艺条件确定
每组蛇管圈数
5圈
计算

5搅拌器轴功率的计算
5.1不通气条件下的轴功率P0
取发酵醪液黏度，密度，搅拌转速
则雷诺准数

因为Re≥，所以发酵系统充分湍流状态，即有效功率系数=4.7
鲁士顿(Rushton J. H.)公式：

P0－无通气搅拌输入的功率（W）；
－功率准数，是搅拌雷诺数ReM的函数；圆盘六弯叶涡轮 NP≈4.7
ω－涡轮转速（r/min）；
－液体密度（kg/m3）因发酵液不同而不同，一般取800－1650 kg/m3 ；
－涡轮直径（m）；

对于多层搅拌器的轴功率可按下式估算：

m-------搅拌器层数。

5.2通气搅拌功率Pg的计算
因为是非牛顿流体，所以用以下公式计算

C－系数， 时，取0.157
－多层搅拌输入的功率（kW）
ω－涡轮转速（r/min），取142r/min
－涡轮直径（m），1.63m
Q－通气量（/min），
计算

5.3电机及变速装置选用
根据搅拌功率选用电动机时，应考虑传动装置的机械效率。

－搅拌轴功率
－轴封摩擦损失功率，一般为
η－传动机构效率
根据生产需要选择三角皮带电机。三角皮带的效率是 0.92，滚动轴承的效率是 0.99，滑动轴承的效率是0.98，端面轴封摩擦损失功率为搅拌轴功率的 1%，则电机的功率

搅拌轴直径，n为转速（单位为转/分），系数A可以取97-149，
取已知，根据文献选轴径为200mm。

表6  发酵罐搅拌功率的设计计算结果

项目及代号
参数及结果
备注
转速

根据参考文献[3]选取
不通气条件下的轴功率

计算
多层搅拌器轴率

通气量

由工艺条件确定
通气搅拌功率

计算
电机的功率

计算
电机的选择
型号Y315L2-8
功率
转速
根据参考文献[3]选取
轴径

根据参考文献[3]选取
传动装置
三角皮带
根据参考文献[3]选取

根据参考文献[3]选取

根据参考文献[3]选取

根据参考文献[3]选取

5.4 主要符号说明
表7 主要符号说明
符号
意义
单位

糖液体积

发酵罐总容积

发酵罐个数
个

直径

换热面积

叶宽

底距

叶弦长

叶距

雷诺数

转速
r/min 或 r/s

搅拌功率准数

轴功率

电机功率

冷却水比热容

冷却管总截积

冷却水体积流量

壁厚

压力

壁厚附加量

焊缝系数

6设计小结
在此次课程设计中，我设计了机械通风发酵罐，该反应器利用黑曲霉菌株菌种进行糖化酶的发酵生产，发酵温度为，反应器的材料为16MnR钢；采用涡轮六弯叶式L两层搅拌器，利用110kw电动机通过110mm的轴驱动；冷却方式为蛇管冷却，冷却蛇管总长为640m，分为10组。
通过这次设计，我学会怎么设计机械通风反应器，并学会一些基本的设计的步骤，以及认真的态度。这次我的设计是由最开始的计算到数据的整理在到画图，以及在后来的说明书的的拟订。虽然是困难重重，但终于完成了。总的感觉就的好累啊，可是深切体会到书到用时方恨少，真的不能临时抱佛脚。在这里要感谢的指导，同学的帮助。
搅拌通风发酵罐的设计需要综合各种参数，是有计划、有目的，由所需设计的发酵罐的体积，一步一步计算而来。需要根据要求设计的年产量及罐的容积填充系数，发酵周期计算所需罐数。
整个设计过程中，我们小组的成员们查了很多相关资料，力求我们的设计能满足工艺要求，对每一个数字的得出及圆整，我们都经过多次反复计算及资料核查。尽管如此，我想我们的设计中仍会不可避免地出项一些疏漏，限于所学知识及实践能力的缺乏，或许我们现在还无法觉察，所以相信老师在看了我们小组的设计之后，定会给我们一些建议，以便我们更加了解发酵罐的设计。很高兴能尽自己的微薄之力，同小组成员们一起完成这次设计，不仅巩固了设备设计方面的专业知识，还深刻感受到任何一个投入到生产中的设备的设计只靠所学的一点设计知识是远远不够的，我不仅需要扩展自己的视野，填充专业知识，还要好好利用学校组织的实践教学，尽量弥补实践方面的不足。

7 参考文献
[1] 齐香君. 现代生物制药工艺学[M]. 北京：化学工业出版社，2003.9
[2] 潘红良 赫俊文. 过程设备机械设计[M]. 杭州：华东理工大学出版社，2006.4
[3] 吴思芳. 发酵工厂工艺设计概论[M]. 北京：中国轻工业出版社，2006.7
[4] 郑裕国. 生物工程设备[M]. 北京：化学工业出版社，2007
[5] 郑裕国 薛亚平 金利群等.生物加工过程与设备[M]. 北京：化学工业出版社，2004.7
[6] 李功样, 陈兰英, 崔英德. 常用化工单元设备的设计[M]. 广州：华南理工大学出版社，2006
[7] 陈英南, 刘玉兰. 常用化工单元设备的设计[M]. 杭州：华东理工大学出版社，2005