1、生物與化學工程學院課程設計報告題 目：100m3林可霉素生產發酵罐學生姓名：鄒洋洋專業班級： 2010010501 學號：指導教師：羅建成王瑩設計時間： 20130524 生物反應工程與設備課程設計任務書學院生化學院專業班級10生物1班姓名鄒洋洋所在組別3設計題目機械攪拌生物反應器設計完成時間設計內容及要求根據選定的方案和規定的任務進行物料衡算，熱量衡算，主體設備工藝尺寸計算和簡單的機械設計計算，匯總工藝計算結果。主要包括：(1) 設計方案選擇：對給定或選定的設計方案進行簡要論述。(2) 設計工藝流程論證：按確定的設計方案設計出合理可行的工藝流程路線，對該工藝流程進行闡述論證，確定工藝過程的重

2、要參數。 (3) 工藝計算：應完成工藝流程各過程的物料衡算、能量衡算、主要設備的工藝條件、工藝參數計算。(4) 主要設備設計：在滿足工藝條件的前提下，進行主要設備的機械設計，包括強度設計、剛度計算、穩定性計算和結構設計。(5) 典型輔助設備設計選型：包括典型設備主要結構尺寸計算和設備型號規格的選定。(6) 工藝流程圖繪制：按工藝流程圖繪制要求完成有一定控制點的流程詳圖，包括設備、物料管線、主要管件、控制儀表等內容。 (7) 主體設備結構詳圖繪制：按化工設備結構圖的要求繪制完成。(8) 典型輔助設備工藝條件圖或小樣圖繪制：包括設備的主要工藝尺寸和主要特點要求。工作進度及安排1查閱資料1天2工藝計

3、算2天3結構圖和工藝圖設計、繪制1天4編寫說明書1天 指導教師羅建成2013年5月24日摘要當前來看，隨著醫學推移，抗生素的生產使用對于醫藥業是一個喜訊和跨越常見的林可霉素的生產工藝也已趨近成熟，能否高效率地生產出高質量的林可霉素重。要在于生產過程中所使用的發酵罐是否合理，我們根據發酵工程設備的理論知識并結合實際生產要求進行了林可霉素生產發酵罐的一系列設計。The current view, along with changing medicine, antibiotic use for pharmaceutical production is a good news, and across.

4、 common lincomycin production technology is mature, also can efficiently produce high quality of the clindamycin is important production process used in the fermentation tank is reasonable, we according to the theoretical knowledge of fermentation engineering equipment and connecting with the actual

5、 production requirements of the fermentation tank of lincomycin production a series of design.目錄1、設計方案的分析和擬定11.1林可霉素的生產現狀 11.2林可霉素的生產工藝1 1.3設計基礎條件22、工藝設計32.1設備結構及主要尺寸的確定32.2封頭規格3罐體高度 42.3罐體壁厚52.4封頭厚度封52.5人孔和視鏡52.6接管管道接口 52.6.2儀表接口 63、攪拌器及攪拌軸的設計7 3.1攪拌器軸功率的計算 73,1.1不通氣條件下的軸功率7通氣攪拌功率Pg的計算83.2攪拌

6、軸的設計83.3傳動電機設計選型94、冷卻裝置設計104.1 冷卻方式104.2 裝液量 104.3冷卻水耗量 114.4 冷卻面積 114.5密封裝置的選型設計124.5.1軸封裝置的選擇 12管法蘭的選擇 135、參考文獻146、設計總結141、設計方案的分析和擬定1.1林可霉素的生產現狀 鹽酸林可霉素（潔霉素）窄譜抗生素，作用與紅霉素相似，對革蘭陽性球菌有較好作用，特別對厭氣菌、金葡菌及肺炎球菌有高效。目前我國各生產廠家所采用的林克霉素提煉生產工藝主要是丁醇萃取法。其核心內容是丁醇從發酵液中萃取林克霉素，經多次濃縮、脫色，最后結晶得到粗晶體。在萃取后利用鹽酸進行反萃取，再進行脫色，最后用

7、丙酮直接結晶，盡管丁醇法至今仍在廣泛應用，但此法存在著許多缺點。首先，它的工藝復雜、工序繁多，從而導致收率低，物耗、能耗高；其次，丁醇法對林可霉素與林可霉素S的分離基本沒有效果，粗品中林可霉素S的含量往往高達3%-6%.同時，由于丁醇水溶性大，因而該工藝還存在著丁醇消耗量大回收困難，以至于生產成本較高等問題。1.2林可霉素的生產工藝 從選菌到入庫需要進行一系列繁雜冗長的過程，簡潔的概括如下：選菌菌培養檢測發酵萃取抽提產品處理包裝入庫。 原料：淀粉（在配料池配好后泵入糖罐中，經糖化處理后成為糖化液，主要用于二級種子罐和發酵罐的補料）、葡萄糖（一級種子罐配料時直接添加，一級種子罐不補料，培養前一次

8、配好）、玉米漿、豆餅粉、硫酸銨、碳酸鈣、硝酸鈉、磷酸二氫鉀、氯化鈣、消泡劑、有機硅。發酵工藝簡要流程: 配料培養基制備 一級發酵罐搖床搖瓶接種 二級發酵罐 三級發酵罐 提煉工藝簡要流程： 發酵液 酸化 板框壓濾 濾液堿化固體留在板內進一步處理 萃取 發萃取 加碳脫色過濾后的活性碳處理回收利用 碳壓過濾 結晶液儲罐 結晶 離心 雙錐式干燥器干燥 檢驗包裝成品1.3設計基礎條件（1）生產時，裝料系數70%，（2）發酵溫度為31，（3）保壓為0.15Mpa（表壓），設計壓力：罐內0.4MPa；夾套0.25 MPa（4）罐內氣體相對濕度為100%；（5）進氣壓力為0.4MPa（表壓）、溫度為25，相對

9、濕度為70%；蛇管總傳熱系數K=3000KJ/(m2·h·)，（6）冷卻水進口溫度為20，出口溫度為26。（7）主酵階段最大耗糖速度每小時為發酵液量的0.7%，糖分消耗中發酵占80%，呼吸占20%，1kg糖發酵時產生的呼吸熱為15660KJ 。 （8）罐內滅菌時蒸汽壓力為0.4Mpa（表壓）。（9）培養基制備工藝流程采用水解設備流程（參見發酵設備P55）。以淀粉為原料，采用分批式操作，分兩批在8小時內裝完一個發酵罐。每一批操作中，調漿操作耗時30分鐘，調漿后，粉漿密度為1084kg/m3，粉漿比熱容為3.6KJ/(kg·k)，水解壓力為0.250.26Mpa（表壓

10、），溫度為95，水解維持時間約30min，水解液經過濾后用列管式冷卻器（進水溫度20，出水溫度40）最終冷卻到70后，送入一次中和罐，中和與脫色操作耗時30分鐘。中和后的糖液溫度為65，再用板框式壓濾機在60分鐘內完成壓濾，再送入二次中和罐，二次中和耗時30分鐘,中和后的糖液溫度為60。然后用列管冷卻裝置（進水溫度10，出水溫度40）冷卻到30后，送入發酵罐，列管冷卻操作在60分鐘內完成。水解工藝流程如下：淀粉+水+鹽酸®（水解）®冷卻®一次中和®脫色®壓濾®二次中和®列管冷卻®葡萄糖汁®送去發酵（10）

11、無菌空氣由JLS型或JPF型空氣過濾系統提供。（11）某廠在100L機械攪拌通風發酵罐中發酵生產林可霉素生產試驗，獲得良好效果，此發酵液為非牛頓型流體，粘度m=60×10-3Pa·S，密度=1020kg/m3。 2、工藝設計2.1設備結構及主要尺寸的確定（D，H，H0，V，V0，Di等）根據工藝參數和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比H/D=2.2，則H=2.2D初步設計：設計條件給出的是發酵罐的公稱體積（100m3） 公稱體積V罐的筒身（圓柱）體積和底封頭體積之和全 體 積V0公稱體積和上封頭體積之和封頭體積則公稱體積（近似公式）假設，根據設計條件發酵罐的公稱體積為100m3

12、由公稱體積的近似公式可以計算出 罐體直徑D=3762.8066，取整為3800。罐體總高度H=2.2D=2.2×3762.8066=7625.4336，取整為7700。查閱文獻鋼制壓力容器用封頭（JB/T 4746-2002）標準，當公稱直徑D=3800mm時，標準橢圓封頭的曲面高度h=940mm，直邊高度 hb=50mm，總深度為ha=990mm，內表面積Af=16.1303m²，容積Vf=7.6364m³可得罐筒身高圓整到7.5m則此時H0/D=7500mm/3800mm=1.97，與前面的假設相近，故可認為D=3800mm是合適的。發酵罐的全體積 V=/4D

13、²H0+2Vf=102.56 m³2.2封頭規格查鋼制壓力容器用封頭（JB/T 4746-2002）標準，由發酵罐工程內徑可得封頭規格如下： 公稱直徑 曲面直度 直邊高度 內表面積 容積 3.8m 0.94m0.05m 16.137.636m³2.21罐體高度H 筒體高度 H=H0+2ha=7.5+2×0.99=9.48 m 忽略攪拌器的體積，假設發酵液最高不超過筒體上端，則發酵罐內溶液體積滿足： 式h中為筒體部分發酵液的高度，h取0.70 則帶入數據算的h=6.11m<H0=7.5 m ，說明假設成立。 發酵液高度 Hf=h+ha=6.11+0.

14、99=7.10m考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材料，封頭結構、與罐體連接方式。罐體和封頭都使用16MnR鋼為材料，封頭設計為標準橢圓封頭，因D>500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。 攪拌葉直徑：Di=D/3=3800÷3=1266.7 ，取整為1300 攪拌葉間距：S=（0.95-1.05）D（自選）取S=1×D=3800 最下一組攪拌器與罐底的距離：C=（0.8-1.0）D（自選）取底攪拌葉至底封頭高度C=D=1330。 擋板寬度：B=0.1D=380，當采用列管式冷卻時，可用列管冷卻代替擋板 攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器,Di:di:L:B=

15、20:15:5:4 可得：L=475 ，d1 = 1425 ，D1 = 1900100m3發酵罐的幾何尺寸項目及代號參數及結果備注公稱體積100設計條件全體積102.56計算罐體直徑3800計算發酵罐總高9480計算發酵罐筒體高度7500計算攪拌葉直徑1300設計條件橢圓封頭短半軸長940計算橢圓封頭直邊高度50計算底攪拌葉至封頭高度1300計算攪拌葉間距3800計算擋板寬度mm380計算2.3罐體壁厚計算厚度計算式: ，其中取8mmD罐體直徑（mm）p耐受壓強 (取0.3MPa) 焊縫系數，雙面焊取0.8 設計溫度下的許用應力（kgf/c）（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150，170M

16、Pa）C 腐蝕裕度，當 C<10mm時，C3mm2.4封頭厚度封，取13mm。D罐體直徑（mm） p耐受壓強 (取0.3MPa)y開孔系數，取2.3 焊縫系數，雙面焊取0.8 設計溫度下的許用應力（16MnR鋼焊接壓力容器許用應力為150，170MP2.5人孔和視鏡 人孔的設置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設備內部的裝置。本次設計只設置了1個人孔，標準號為：人孔RF（R·G）450-0.6 HG21522-1995，公稱直徑450，開在頂封頭上，位于左邊軸線離中心軸750mm處。 視鏡用于觀察發酵罐內部的情況。本次設計只設置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂封頭上，位于前后軸線離中

17、心軸750mm處，標記為視鏡 PN1.0 DN80 HGJ501-86-17 。2.6接管口以進料口為例計算，設發酵醪液流速v=1m/s，2h 排盡。發酵罐料液體積：V1=102.56*0.7=71.8m³，物料體積流量Q=71.8/（3600×2）=0.010m³/s，則排料管截面積F=Q/v=0.010m2，又F=0.785d2，得d=0.113m。取無縫鋼管，查GB/8163-87,選取規格為133×4.0mm管道接口（采用平焊法蘭連接）進料口：133×4.0mm，開在上封頭上；排料口：133×4.0mm，開在罐底；進氣口：13

18、3×4.0mm，開在下封頭上；排氣口：133×4.0mm，開在上封頭上；冷卻水進、出口：開在罐身；取樣口：開在罐身儀表接口溫度計：裝配式熱電阻溫度傳感器Pt100 型，D=100mm，開在罐身上；壓力表：彈簧管壓力表，d1=20mm，精度1.6，型號Y-250，開在封頭上（參考杭州富陽華博儀表有限公司生產標準）液位計：采用標準：HG5-1368，型號：R-16，直徑：160×14mm，開在罐身上；溶氧探頭：SE-N-DO-F；pH 探頭：PHS-2 型；發酵罐主要部件尺寸的設計計算結果項目及代號參數及結果備注罐體材料16MnR鋼由工藝條件確定焊接方式雙面縫焊接由工

19、藝條件確定罐體筒壁厚7.196mm計算封頭壁厚12.64mm計算攪拌器類型六彎葉渦輪式攪拌器根據參考文獻3選取攪拌葉直徑1300mm計算攪拌器層數2由工藝條件確定人孔1個，標準號HG21522-1995根據參考文獻3選取視鏡2個，標準號HGJ501-86-17根據參考文獻3選取進、排料口直徑133×4.0mm根據參考文獻3選取進、出氣口直徑133×4.0mm根據參考文獻3選取冷卻水進、出口直徑133×4.0mm由工藝條件確定補料口直徑133×4.0mm根據參考文獻3選取取樣口直徑133×4.0mm由工藝條件確定溫度計裝配式熱電阻溫度傳感器Pt1

20、00型，D100mm壓力表液位計溶氧探頭pH探頭型3、攪拌器及攪拌軸的設計3.1攪拌器軸功率的計算根據任務要求，攪拌器為后彎葉圓盤渦輪攪拌器。 后彎葉角度=45°； 槳葉數Z=6； 總直徑Dj=1/3D=1.3m； 槳葉寬度b=0.2Dj=0.26m；槳葉長度l=0.25Dj=0.325m； 槳葉厚度=0.02Dj=26mm；圓盤直徑rd=0.65Dj=0.845m；圓盤厚度d=0.02Dj=26mm；轉速n=130/rmp 攪拌葉輪個數m=23,1.1不通氣條件下的軸功率P0大中型發酵罐技術參數公稱體積筒體高度H(mm) 筒體直徑mm攪拌器直徑轉速r/min 電機功率kw10360

21、0 18006401801150 6000 31001050110557581503200800185901001000034009501501322001150046001100 142215由圖表知：公稱體積為100時，當攪拌葉直徑Di=950，攪拌轉速=150 r/min。已知攪拌葉直徑與轉速的關系為:所以可以計算得：此時的攪拌轉速=130 r/min取發酵醪液黏度m=60×10-3Pa·S，密度，攪拌轉速=130 r/min=2.17r/s，則雷諾準數Re= =4.796×，因為Re，所以發酵系統充分湍流狀態，即有效功率系數=4.7魯士頓(Rushton

22、J. H.)公式：P0 = =181.878kw P0無通氣攪拌輸入的功率（W）；功率準數，是攪拌雷諾數ReM的函數；圓盤六彎葉渦輪 NP4.7渦輪轉速（r/s）；液體密度（kg/m3）因發酵液不同而不同；渦輪直徑（m）對于多層攪拌器的軸功率可按下式估算： Pm=P*(0.4+0.6m)=291.005KW m=2-攪拌器層數。3.12通氣攪拌功率Pg的計算 因為是非牛頓流體，所以用以下公式計算C系數，時，取0.157多層攪拌輸入的功率（kW）渦輪轉速（r/min），取130 r/min渦輪直徑（m），0.7m Q通氣量（/min），取16 /min，取1.42/min 計算Pg=302.08

23、7kw3.2攪拌軸的設計攪拌軸的材料選擇45 號鋼，其力學性能如下表：技術條件界面尺寸mmbMPanMPas%kJ/cm2HBMPaAJB755-851005882941539162217304011810710058828415149217取A=118，攪拌軸的直徑d156.294mm上式中，P軸傳遞的額定功率，根據任務目標取302.087kWN軸的轉速，根據任務目標取130rpm，其中S=3考慮到軸上連有聯軸器有孔槽以及一定的腐蝕浴度和安全系數，取攪拌軸的直徑d=160mm。 扭轉切應力校核：，因此，設計符合要求。3.3傳動電機設計選型電機功率式中 Pm攪拌所需軸功率；PT為軸封摩擦損失功

24、率，按1%Pm計算;為傳動系統的效率，選擇三角皮帶傳送，皮帶傳動效率取0.96，軸承滾動效率取0.99，軸承滑動效率取0.99，則=0.96×0.99×0.99=0.94假設ReM<104，即發酵液處于湍流狀態，且D/d=3、Hf/d=3、B/d=1、擋板數為4 的情況下，此時對于六彎葉渦輪攪拌器K=4.8，攪拌軸功率式中，K 為功率特征數，為發酵液體密度。對于多層攪拌器Pm=291.005kw 。因此，電機功率P=（1+0.01)*291.005/0.94=312.676（KW）查相關資料，選用電機型號KTG11-4型，參數如下：型號額定功率額定電流*2變頻器容量*

25、1制動任務率重量KTG11-4(KW)AKVA（%ED）KC315 585445沒有限制250發酵罐攪拌功率的設計計算結果項目及代號參數及結果備注轉速130r/min根據參考文獻3選取不通氣條件下的軸功率181.878KW計算多層攪拌器軸率291.005KW計算通氣量由工藝條件確定通氣攪拌功率302.087kw計算電機的功率312.676（KW）計算電機的選擇型號KTG11-4功率315kw根據參考文獻3選取軸徑根據參考文獻3選取傳動裝置三角皮帶根據參考文獻3選取三角皮帶型號和根數根據參考文獻3選取小皮帶輪直徑根據參考文獻3選取大皮帶輪直徑根據參考文獻3選取4、冷卻裝置設計4.1 冷卻方式發酵

26、罐容量大，罐體的比表面積小。夾套不能滿足冷卻要求，使用蛇管冷卻，綜合比較列管的冷卻效果好，在使用水作冷卻介質時，選用列管。4.2 裝液量各類發酵液的發酵熱發酵液發酵熱(kJ/·h)青霉素絲狀菌23000青霉素球狀菌13800鏈霉素16800四環素25100紅霉素26300谷氨酸29300賴氨酸33400檸檬酸11700酶制劑1470018800 設計發酵罐裝料系數：取 發酵罐裝料液體積：V1=V*= 71.80 不計算下封頭時的裝液體積：V柱= V1-Vf=71.80m³-7.636m³=64.164m³裝液高度：h1=V柱/(D2/4=5.66m 單位

27、時間傳熱量發酵熱×裝料量 即：Q=Q發*V1=16800×71.8=1206240j/h4.3冷卻水耗量 由實際情況選用進出口水溫為20 、26，則=48026.76kg/h Q單位時間傳熱量 Cp冷卻水的平均比熱，取4.186 kJ/ (kg ·) t2-t1冷卻水進出口溫度差 對數平均溫度差 ，由工藝條件知道=31，=7.605 t1冷卻水進口溫度t2冷卻水出口溫度 發酵溫度 4.4 冷卻面積=52.87 m2 根據實際取53 m2tm 對數平均溫度差K傳熱總系數，取3.0 kJ/(m2·h·)冷卻面積() A=dL 冷卻蛇管總長度(m)1

28、68.79m ,取整L=169m ，分為8組，每組長L0=21.125md蛇管內徑，d外徑壁厚 取110×5mm每圈蛇管長度D蛇管圈直徑，3mhp 蛇管圈之間的距離，取0.15m每組蛇管圈數圈，則總圈數為3×8=24圈蛇管總高度m發酵罐冷卻裝置設計計算結果項目及代號參數及結果備注裝料系數70%由工藝條件確定裝料體積71.80計算裝料高度 5.66m計算總發酵熱1206240j/h計算冷卻水耗量 48026.76kg/h計算冷卻面積52.87 m2 計算冷卻蛇管總長度168.79m計算冷卻蛇管總高度3.45m計算蛇管組數8組由工藝條件確定每組蛇管圈數3圈計算4.5密封裝置的選

29、型設計 軸封裝置的選擇根據攪拌軸直徑d=130mm，選用的202 型標準機械封頭標準如下：dDD1D2D3h1h2h3Hn-M13048544540328052610016012-2320管法蘭的選擇法蘭的材料選用16MnR,查GB/T9113.3-2000選用的法蘭參數如下表：公稱直徑DN100鋼管外徑A1108法蘭外徑D210法蘭內徑B1110螺紋中新棉直徑K170波口寬度b0螺紋直徑L18法蘭厚度C18螺紋數量n4法蘭質量kg141螺紋TbM155、參考文獻【1】閆邦椿.機械設計手冊（第5版）第1卷.機械工業出版社2010年1月【2】齊香君. 現代生物制藥工藝學M. 北京：化學工業出版社

30、，2003.9【3】吳思芳. 發酵工廠工藝設計概論M. 北京：中國輕工業出版社，2006.7【4】潘紅良 赫俊文. 過程設備機械設計M. 杭州：華東理工大學出版社，2006.4【5】鄭裕國 薛亞平 金利群等.生物加工過程與設備M. 北京：化學工業出版社，2004.7【6】陳英南, 劉玉蘭. 常用化工單元設備的設計M. 杭州：華東理工大學出版社，2005【7】賈士儒. 生物反應工程原理M. 北京：科學車版社，20036、設計總結有了一次化工原理的設計，我們已經累計了一些經驗，知道了設計需要的大致流程，所以當接到要設計的發酵罐要求后，我就到圖書館去借閱了相關的書籍并上網查閱了相關知識，經過一系列的認真學習和理解