1、課程設計說明書學 院： 專業班級： 課程名稱：發酵工程課程設計題 目：生產3000噸飼料級金霉素發酵罐 學生姓名：學 號：指導老師： 2016年6月-9月課 程 設 計 任 務 書一設計目的學習本課程的目的是使學生在學完生物工程專業的有關課程后，尤其是在學完發酵工程和生物工程設備這門課程后，綜合運用3年所學的全部知識，進行工廠的初步設計。通過專業課程設計使學生掌握應具備的基本設計技能。待學生走上工作崗位后既能擔負起工廠技術改造的任務，又能進行車間或全廠的工藝設計。二 設計資料(一)設計題目: 年產3000噸金霉素發酵罐設計(二)設計內容及相關數據1) 設計年產量M=3000t/a 2) 年工作

2、日：m=330 d 3) 年平均發酵水平：=30000單位/毫升4) 提煉總收率：=95%5） 成品效價=1100 u/mg  課 程 設 計 任 務 書三設計內容和要求（一）設計內容1) 工藝計算：發酵罐尺寸計算，熱量衡算，物料衡算，熱量。2) 發酵設備的選型計算：包括設備的容量、數量、主要的外形尺寸。 并選擇其中某一重點設備進行單體設備的詳細化工計算與設計。（二）設計要求 1) 根據以上設計內容，撰寫設計說明書。 2) 完成2 張CAD平面設計圖紙：全廠工藝流程圖，發酵罐。四主要參考文獻1 吳石金，林春錦，徐明仙.飼料添加劑M，北京：化學工業出版社，20042

3、 莫棣華.飼料金霉素添加劑的推廣應用前景J,廣東畜牧獸醫科技， 1993,1:48-503 沈自法，唐孝宜.發酵工廠工藝設計M，上海：華東理工大學出版社，19944 吳思方.生物工程工廠設計概論M，北京：中國輕工業出版,19945 陳志平.攪拌與混合設備設計選用手冊M，北京：化學工業出版社，20036 俞俊棠，唐孝宜.新編生物工藝學M，北京：中國輕工業出版社，20027 何德員.新型發酵罐的結構設計J,化工設計雜志，1999,36(2):8-10五課程設計進度安排本課程設計時間： 2016年6月26日2016年9月6日6月26日7月10日選題，下達任務書；擬定初步設計方案7月11日8月20日

4、課程設計說明書的撰寫；圖紙的繪制8月21日8月31日 提交電子版給指導老師初審；反饋修改9月1日 9月5日 打印、裝訂9月6日 9月8日提交成績審核表；匯總上報課程成績。目 錄摘 要11 概 述21.1 產品簡介 21.2 生產方法 21.3 產品生產金霉素工藝流程21.4 發酵車間工藝參數控制點32 工藝計算42.1 發酵罐計算42.1.1 基礎數據42.1.2 根據年產量計算每日發酵液量42.1.3 發酵罐臺數42.1.4 發酵物料計算42.1.5 發酵罐物料消耗計算52.1.6 補料罐物料消耗計算62.2 二級種子罐62.2.1 二級種子罐物料衡算72.2.2 二級種

5、子罐個數計算72.2.3 二級種子罐物料消耗計算 82.3 一級種子罐82.3.1 一級種子罐物料衡算82.3.2 一級種子罐個數計算92.3.3 一級種子罐物料消耗計算92.4 熱量計算92.4.1發酵罐熱量計算 102.4.2二級種子罐熱量計算 102.4.3一級種子罐熱量計算 112.5 用電量計算112.5.1發酵罐用電量112.5.2二級種子罐用電量112.5.3一級種子罐用電量112.5.4補料罐用電量122.5.5泵的用電量122.5.6鼓風機用電122.5.7照明、監控及其它用電122.5.8年總用電量123 典型設備計算133.1 發酵

6、罐133.1.1 發酵罐尺寸的計算133.1.2 發酵罐攪拌裝置選擇和軸功率計算133.1.3 發酵罐的換熱設備144 非標準設備174.1 補料罐174.2 氨水罐174.3 泡敵罐174.4 植物油（豆油）罐174.5 車間設備一覽表17致 謝18參 考 文 獻19摘 要本次課程設計的任務是年產3000噸飼料級金霉素發酵罐發酵工段工藝設計。在家禽的飼養中飼料是現代養殖業的主要飼養原料，所以飼料的優化成為提高肉類質量及產量的主要突破口。金霉素可以抑制敏感微生物的蛋白質合成從而起到抗菌作用，并且生產較廉價具有安全性故成為現在飼料的主要添加劑。金霉素是由發酵法生產，主要應用于人和動物的使用。設計

7、首先依據參考資料確定金霉素發酵工藝流程，通過物料衡算確定需要100m3的發酵罐6臺、10m3的二級種子罐3臺以及1.8m3的一級種子罐3臺。在此基礎上得到各種發酵原料量，通過能量衡算確定水、無菌空氣和蒸汽等的消耗量。然后對主要設備進行計算和選型，得出發酵罐、二級和一級種子罐及通用設備、非標準設備等的結構尺寸、冷卻裝置、傳動裝置、接管設計。根據工藝要求確定罐的附屬設備和輔助設備以及發酵過程中的優化控制。根據計算結果設計并制圖紙，分別為發酵罐裝配圖、工藝管道及儀表流程圖圖紙、廠房車間布置圖、物料流程圖和設備一覽表。關鍵詞：發酵；金霉素；工藝1 概 述1.1 產品簡介 四環素類（Tetra

8、cyc1ines）以并四苯母核的化學結構而得名，而金霉素（Chlortetracyc1ine)，又稱氯四環素，屬四環素類中衍生物的一種，其他衍生物還包括：金霉素、甲烯金霉素、多西環素、二甲胺四環素等。 金霉素抗菌譜廣，對陽性菌、陰性菌、螺旋體、立克次氏體、支原體、衣原體、某些原蟲等均可產生抑制作用。分子式：金霉素結構式見下圖1-1：圖1-1 金霉素結構1.2 生產方法 飼料級金霉素是經過上游發酵以及下游鈣化等步驟相結合進行生產的1。飼料級金霉素是利用金色鏈霉菌在玉米淀粉及豆質糊精和無機鹽等組成的發酵培養基中產生的次級代謝產物。發酵培養采用實罐滅菌法，在整個發酵培養過程中嚴格

9、控制無菌狀態和保持適宜的罐溫、罐壓并通入無菌空氣并不斷攪拌。按照發酵代謝過程中pH變化、糖量的變化，采用相應的通氨、補料工藝措施以保證一定的營養成分以及酸堿度2。發酵液經過下的游鈣化、過濾濃縮和干燥、粉碎以及過篩、混合等下游過程得到成品。1.3 產品生產金霉素工藝流程砂土管孢子母斜面孢子挑孢子子斜面孢子種子培養液發酵液提煉混合包裝成品1.4 發酵車間工藝參數控制點（1）pH值控制：金色鏈霉菌生長的最適pH值范圍在6.0-6.8，在其生物合成金霉素的最適pH值為5.9左右，所以通過在不同階段加入相應量的葡萄糖或氨水等方法來控制pH值在5.9左右。（2）溫度控制：根據發酵罐菌絲生長的特性分階段培養

10、，前期高與后期。其菌株30以下合成金霉素的能力較強，如果提高溫度，則產生四環素的比例增大，在35時將只產生四環素。一般情況下，發酵溫度采用31.5。（3）消泡控制：由于通氣和攪拌過程，必使發酵液或培養液產生大量的氣泡或泡沫，泡沫的產生會占用發酵體積和產生染菌甚至逃液現象。因此，必須及時加入消泡劑以減少泡沫。常用的消泡劑為植物油。 （4）補料控制：在發酵生產過程中，伴隨著培養基的消耗，營養條件的變化直接影響產量的變化。故需要補充一定數量的營養劑以達到產量的最大化。 2 工藝計算2.1 發酵罐計算2.1.1 基礎數據設計年產量M=3000t/a年工作日：m=330 d  年平均

11、發酵水平：=30000單位/毫升 提煉總收率：=95%成品效價=1100 u/mg2.1.2 根據年產量計算每日發酵液量由設計要求年產量M=300020%=600 t/a (其中20%為金霉素純度)每天放罐發酵液體積：根據具體生產情況和設計要求取 （罐/天）；發酵罐公稱容積參考資料，根據國內常用通用式發酵罐的容積，取。校正：，符合要求。2.1.3 發酵罐臺數發酵臺數 ；取整為6臺。根據生產情況和設計要求取金霉素發酵周期為140h（發酵時間100h，輔助時間40h）。輔助時間為出料時間、滅菌時間、移種時間、放罐壓料時間和清洗檢修時間總和。2.1.4 發酵物料計算每罐發酵液體積 物料流入

12、量為基礎培養基（消毒后）、所需種子液量、補料量和氨水用量之和。物料流出量為成品液魚損失液量之和。損失液量為尾氣、逃液、蒸發和取樣量之和。 發酵罐物料組成如表2-1-1所示。表2-1-1 發酵罐物料組成原料組成配比（Kg/m3）消耗量（Kg/d）年消耗量（Kg/a）玉米淀粉86.413579.101181103.7豆質糊精34.281419.88468559.6玉米蛋白7.565313.34103402.95酵母粉16.23672.25221841.37玉米漿21.65896.74295925.19泡敵0.42317.525781.82淀粉酶0.2168.952952.42硫酸銨0.86435.

13、7911809.67氯化鈉4.31178.5258911.67碳酸鈣6.481268.4488586.196硫酸二氫鉀0.32513.464442.295硫酸鎂0.28811.933936.56植物油或豆油3.18131.7243466.15圖2-1-2 發酵罐物料衡算示意圖發酵罐物料關系可用圖2-2表所示（占總體積%），又知所以，出料量=；損失液量=78-70.2=7.8培養基 消毒前：V1=78×50%=39；消毒后：V1=78×53%=41.34種子液量：V2=78×9%=7.02補料量：V3=78×33%=25.74氨水量：V4=78×

14、5%=3.9校核：接種比=2.1.5 發酵罐物料消耗計算已知培養基消耗量V1'=41.34，設運輸過程中損失0.2%，那么實際量為：即每臺發酵罐每批次需培養基41.42。其物料衡算可以用圖2-1-3表示。圖2-1-3 發酵罐物料組成衡算示意圖2.1.6 補料罐物料消耗計算由2.1.4知補料量V3=78×33%=25.74，設運輸過程中損失0.2%，那么實際量為：即每臺發酵罐每批次需補料量為25.79，其物料組成如表2-1-4所示。表2-1-4 補料罐物料組成原料組成配比（Kg/m3）消耗量（Kg/d）年消耗量（Kg/a）玉米淀粉37.8974.862321704.46豆質糊精

15、5.4139.26645957.78玉米蛋白5.4139.26645957.78酵母粉4.32111.41336766.22玉米漿21.72560.159184852.4泡敵0.43211.1433676.62淀粉酶0.64816.715514.93硫酸銨8.64222.82673532.45氯化鈉2.769.63322978.89碳酸鈣5.4139.26645957.78硫酸二氫鉀6.48167.1355149.37硫酸鎂0.1945.001651.00植物油或豆油3.1882.0127064.032.2 二級種子罐2.2.1 二級種子罐物料衡算種子罐物料衡算如圖2-2-1所示。消毒后 87

16、%消毒前 82%圖2-2-1 二級種子物料衡算由2.1.4可知，需種子液量V2=78×9%=7.02，設運輸過程損失為0.2%，那么實際量為，即種子罐出料量為那么培養基：消毒后 7.17×87%=6.24 消毒前 7.17×82%=5.88損失量：7.17-7.03=0.14接種量：7.17×13%=0.93所以，可以用圖2-2-2表示。圖2-2-2 二級種子罐物料衡算示意圖2.2.2 二級種子罐個數計算種子罐培養過程裝料系數=70%，故二級種子罐公稱體積根據國內常用種子罐容積系列取V0=10m3。根據生產情況設計取種子發酵周期48h，其中發酵時間40h

17、，輔助時間8h。二級種子罐臺數罐，取整罐考慮到種子罐種子生長不良或染菌會造成發酵罐停工待種以及調整發酵罐接種時間，故取3罐，其中一罐備用。2.2.3 二級種子罐物料消耗計算 由前面知二級種子罐所需實際培養基為5.88m3，令運輸過程中損失為0.2%，那么實際消耗量為：。則種子培養基原料消耗具體情況如表2-2-3所示。表2-2-3 種子培養基原料具體消耗情況原料名稱配比（kg/m3）消耗量（kg/d）每年消耗量（kg/a）玉米淀粉54.26320.134105644.22豆質糊精36.32214.28870715.04酵母粉21.60127.44042055.20植物油6.48038.

18、23212616.56硫酸銨5.40231.87210517.69碳酸鈣5.40231.87210517.69氯化鈉3.24119.12196310.227磷酸二氫鉀0.21651.27735421.5255硫酸鎂0.271.593525.69泡敵0.452.655876.152.3 一級種子罐2.3.1 一級種子罐物料衡算一級種子罐物料衡算關系同二級種子罐相同，可用圖2-2-1表示。 已知所需的種子液為0.93m3，令運輸過程中損失0.2%，則需種子罐提供的種子液為：出料量：損失量=0.95-0.93=0.02培養基  消前V1=0.95×82%=0.

19、78；消后V1'=0.95×87%=0.83 接種量 V2=0.95×13%=0.12所以可用圖2-2-4表示圖2-2-4 一級種子罐物料衡算示意圖2.3.2 一級種子罐個數計算，根據國內常用種子罐容積系列取V0=1.8m3。3根據生產情況設計取種子發酵周期48h，其中發酵時間40h，輔助時間8h。二級種子罐臺數罐，取整罐考慮到種子罐種子生長不良或染菌會造成發酵罐停工待種以及調整發酵罐接種時間，故取3罐，其中一罐備用。2.3.3 一級種子罐物料消耗計算已知一級種子罐需培養基0.78m3，令運輸過程損失為0.2%，那么實際用量為： 

20、60;一級種子罐培養基原料消耗情況如表2-2-5所示。表2-2-5 種子培養基原料具體消耗情況原料名稱配比（kg/m3）消耗量（kg/d）每年消耗量（kg/a）玉米淀粉54.2642.32313966.59豆質糊精36.3228.3309348.9酵母粉21.6016.8485559.84植物油6.4805.3351760.55硫酸銨5.4024.2141390.62碳酸鈣5.4024.2141390.62氯化鈉3.2412.507827.31磷酸二氫鉀0.21650.16955.77硫酸鎂0.270.21169.63泡敵0.450.351115.832.4 熱量計算發酵罐在發酵過程中產生的熱

21、效應：Q=QV×QL 式中: Q-發酵熱效應， Qv-發酵熱，         QL-發酵液體積，m3在發酵過程中的金霉素發酵熱一般為16000-21000kJ/(m3h)，現取Qv=19000kJ/(m3h)，則每個發酵罐在發酵過程中產生的熱效應計算如下：Q=19000×70.20=1333800kJ/h二級種子罐為： Q'=19000×7.17=136230kJ/h 一級種子罐為： Q”=19000×0.95=18050kJ/h2.4

22、.1發酵罐熱量計算 根據能量守恒定律有：Q待冷卻+Q散+Q蒸汽耗熱=Q發酵熱+Q攪拌熱  式中：Q待冷卻待冷卻的熱量，kJ/h        Q散向環境中散發的熱量，kJ/h        Q蒸汽耗熱蒸汽耗熱量，kJ/h        Q發酵熱發酵熱效應，kJ/h    Q攪拌熱攪拌產生的熱量，kJ/h Q蒸

23、汽耗熱=åQ氣=0.2Q發酵熱Q攪拌熱=3600Ph式中：P攪拌軸的功率，kW       供熱轉化熱（取92%） 由于Q散遠比Q發酵熱小故可忽略，又知Q發酵熱=1333800kJ/h 所以：Q蒸汽耗熱=0.2×1333800=266760kJ/h 由3.1.2知Pg=63.97kW 所以Q攪拌熱=3600×63.97×92%=211868.64kJ/h 故每個發酵罐Q待冷卻=1333800+211868.64-266760=1278908.64

24、kJ/h 2.4.2二級種子罐熱量計算 同理知Q'發酵熱=136230 kJ/h 所以Q'蒸汽耗熱=0.2Q'發酵熱=27246kJ/h 由3.2.2知二級種子罐Pg=6.25 KW，取=85% 所以Q'攪拌熱=3600×6.25×85%=19125kJ/h 故每個二級種子罐Q'待冷卻=Q'發酵熱+Q'攪拌熱-Q'蒸汽耗熱=136230+19125-27246=128109kJ/h 2.4.3一級種子罐熱量計算 與發酵罐同

25、理。 已知Q”發酵熱= 18050(kJ/h)，取=80% 所以Q”蒸汽耗熱=0.2×18050=3610kJ/h。 由3.3.2知一級種子罐的攪拌軸功率為Pg=0.59kW則：Q”攪拌熱=3600×0.59×80=1699.2 (kJ/h)  故每個一級發酵罐Q”待冷卻=Q”發酵熱+Q”攪拌熱-Q”蒸汽耗熱=18050+1699.2-3610=14609.2 kJ/h2.5 用電量計算2.5.1發酵罐用電量由下章知每個發酵罐電機的額定功率為75kw，則每批次發酵罐用電量為：由于發酵罐每年發酵3

26、30批次，所以發酵罐年用電量為：2.5.2二級種子罐用電量由下章知二級種子罐電機額定功率為7.5kw，則每批次用電量為：每年330批次故二級種子罐年用電量為：2.5.3一級種子罐用電量由下章知一級種子罐電機額定功率為0.75kw，則每批次用電量為：故一級種子罐年用電量為：2.5.4補料罐用電量由第七章知補料罐電機的額定功率為4kw，則每批次用電量為：故年用電量為：2.5.5泵的用電量泵包括補料泵、一級，二級種子罐泵、氨泵、油泵、泡敵泵其電機額電功率分別為：0.75kw,0.55kw,0.75kw,0.8kw,5.5kw,5.5kw。（1）補料泵、氨泵、油泵、泡敵泵年總用電量設泵24h工作則年總

27、用電量為：（2）二級種子罐泵用電量已知每罐需0.45h排空，故二級種子罐年用電量為：（2）一級種子罐泵用電量已知一級種子罐0.49h排空，故年用電量為：2.5.6鼓風機用電已知鼓風機電機額定功率為250kw，2臺，令一天24h工作，則年用電量為：2.5.7照明、監控及其它用電取照明、監控以及其它每天用電量為25kw·h，那么則年用電量為：2.5.8年總用電量 年總用電量是各用電設備年用電量之和，若取裕量系數為1.1，則年總用電量為： 3 典型設備計算3.1 發酵罐3.1.1 發酵罐尺寸的計算發酵罐總體積為 由2.1.2知V0=100m3，取H=2D，則，解得D=3.88m參考資料4，

28、將罐徑調整到常用發酵罐系列，則D=4m查資料3得知公稱直徑D=4000mm時封頭ha=1000mm，hb=50mm則 ，取國內常用發酵罐系列H=8000mm所以發酵罐公稱體積為100m3，全容積為118m3，直徑為4m。罐體總高度：H0=H+2(ha+hb)=10.1m 圓筒部分裝液量為：Vc'=Vd+Vb=70.2-9.02=61.18m3 故圓筒部分液面高：所以發酵液總高度為：HL=HL+ha+hb=4.87+1.00+0.05=5.92m3.1.2 發酵罐攪拌裝置選擇和軸功率計算(1) 攪拌裝置本設計采用六彎葉圓盤渦輪式最合適。其主要尺寸如下： 攪拌

29、器直徑d=0.34D=0.34×4000=1360mm 葉寬b=0.2d=0.2×1360=272mm 葉弦長L=0.25d=0.25×1360=340mm 弧長r=0.375d=0.375×1360=510mm 底距C=0.8D=0.8×4000=3200mm 盤徑=0.75d=0.75×1360=1020mm 葉距S=d=1360mm 彎葉板厚度=12mm(2) 攪拌軸功率計算 不通氣條件下的攪拌功率根據資料5知，六彎葉渦輪漿雷諾特征數Np是4.8。攪拌轉速n可

30、按攪拌器直徑為1.05m，轉速為N=110r/min的50m3的罐，用P0/V為基準放大計算得到：又因為=1080kg/m3，故P=4.8×1080×1.543×1.365=88.1kw又已知D=4m,d=1.36m ,HL=5.92m所以：實=攪拌器層數，故取2層攪拌器。所以軸功率為Pm=P實（0.4+0.6m）=105.07×（0.4+0.6×2）=168.112kw 通風條件下的攪拌功率已知Qg=65.5m3/min, n=1.54×60=92.4r/min ,K隨攪拌器形式不同而不同，根據資料對通

31、用渦輪式攪拌器K取0.156所以通風條件的攪拌功率為：k則電動機功率參考資料5,6,選取電動機功率為50kw其型號為YJL12-10，采用YP系列皮帶減速機。3.1.3 發酵罐的換熱設備（1）冷卻面積計算發酵罐的傳熱裝置有夾套、內蛇管和外盤管，一般容積為5m3以下的用夾套換熱裝置，大于10m3的罐用蛇管和外盤管。 夾套的換熱系數通常為630-1050KJ/(m2h)，蛇管和外盤管為1260-1680KJ/(m2h)。在本設計中采用蛇管、外盤管傳熱系數為1500KJ/(m2h)，夾套為840KJ/(m2h)。已知Q=1278908.64KJ/h，K=1500KJ/(m2h)，發酵溫度為

32、32，冷卻水（按夏季）進出口溫度分別為13，27。冷卻面積，又因為，解得F=81.28m2若考慮到消毒后培養基冷卻等因素，則還應乘以系數1.17即：F實=1.1F=1.1×81.28=81.408m2對于100m3發酵罐的可用傳熱外表面積F'為： =¢因為F實>F，故選擇在罐內裝置豎式蛇管。（2）進水管總直徑若按用水量大的夏季用水量計算則有：w=6.89×10-3m3/s，流速v=1.0m/s則冷卻管總截面積S總=，進水管直徑。查表7,選取的無縫鋼管。（3）豎式蛇管設計取n=6，所以查表7，取的無縫鋼管，所以d內=45-3.5×2

33、=38mm現取豎式蛇管圓端部為U型彎管，曲徑為250mm，那么兩直管的間距離是500mm。設兩端彎管總長度為l0,則：l0=冷卻管總長度、組數確定那么每組蛇管長為：令每組蛇管需連接長度為1m則：若可排豎式蛇管的高度設為靜夜面高度，下部可深入封頭200mm，則豎式蛇管的高度由圓筒部分液面和深入封頭高度兩部分組成。故豎式蛇管高度為：所以蛇管的豎直部分高度為：及有一圈管長為，取整為11.00m。因此每組蛇管可繞圈數>6不符，所以外加外盤管。現取豎式蛇管換熱面積F2為47m2，則外盤管換熱面積F1=81.28-47=34.28m2 因此冷卻蛇管總長度為每組蛇管長為： ；所以<6圈符合，故取6圈。根據蛇管與攪拌器間最小間距為250mm，取管間距為2.5d=112.5mm，豎式蛇管與罐壁距離為100mm則：>0.250m符合條件在滿足各種指標下，排兩組蛇管所占長度、蛇管與兩邊罐的距離，兩面蛇管與攪拌器的距離及攪拌器葉徑之和小于罐徑8。故蛇管可放入，不會產生碰撞，不會對其他部分產生影響。（4）外盤管設計另此處取的半圓管，那么：外盤管管長：。纏繞圈數：圈（D為罐徑），取38圈。4 非標準設備4.1 補料罐已知每天需要消耗料液量是25.74m3，現取裝料系數70%，那么公稱體積是：取國內常用發酵罐公稱體積為50m3的罐。4.2 氨水罐已知每天消耗氨水量為3.9m3，現取公稱體積為