【正文】 ，如何讓微生物、酶、細胞充分與外界接觸并完成生化過程，達到足夠高的反應(yīng)效率，在工藝上都會有許多新的困難。反應(yīng)器類型的多樣性和工藝的復(fù)雜性一方面提高了反應(yīng)器研究和應(yīng)用的難度 ，另一方面也給生物反應(yīng)器的研究和發(fā)展帶來了巨大的空間。例如，近年來，膜生物反應(yīng)器在污水處理中的研究和應(yīng)用不斷發(fā)展。 微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展 膜生物反應(yīng)器在污染處理中的應(yīng)用是近年來微生物反應(yīng)器的研究和應(yīng)用進展的代表性技術(shù)之一。除此之外，結(jié)合數(shù)學(xué)、動力學(xué)、化工工程原理、計算機等技術(shù)研究微生物反應(yīng)器和酶反應(yīng)器中的生化過程，使其過程控制的工藝更為合理，而固液分離技術(shù)（離心分離、過濾分離、沉淀分離等工藝）、細胞破壁技術(shù)（超聲、高壓剪切、滲透壓、表面活性劑和溶壁酶等）、蛋白質(zhì)純化技術(shù)（沉淀法、色譜分離法 和超濾法等）等下游技術(shù)的發(fā)展促進了生物反應(yīng)器設(shè)計水平的提高。另一方面，近年來基因工程技術(shù)等的發(fā)展推動了微生物反應(yīng)器研究的快速進步。例如，乙酸氧化脫硫單胞菌（ Geobacter sulfurreducens）、泥土桿菌科（ Geobacteraceae）的電極還原微生物等細菌的發(fā)現(xiàn)和改造與質(zhì)子交換膜（ PEM）的技術(shù)進步，共同推動了微生物燃料電池（ MFC）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。 設(shè)計方案的擬定 我設(shè)計的是一臺 200M3機產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器 潔霉素（也稱為林可霉素）‘作為抗生素的一個分支， 它的生產(chǎn)在醫(yī)藥生產(chǎn)中有重要的地位。潔霉素的生產(chǎn)以豆餅粉、淀粉、葡萄糖等為原料，三級發(fā)酵而成。發(fā)酵是在接種和通氣攪拌下進行的，特點是先在種化過程中進行孢子培養(yǎng)，將成熟的孢子制成懸浮液，接種到液體種子培養(yǎng)液中，在一、二級種子工程中擴大培養(yǎng)，繁殖到一定濃度和數(shù)量后接入發(fā)酵罐中進行發(fā)酵。沽霉素是微生物的次級代謝產(chǎn)物，發(fā)酵過程中培養(yǎng)基與有關(guān)設(shè)備必須進行嚴格滅菌，與培養(yǎng)基接觸的罐體與管件必須密封，保證不被雜菌感染，培養(yǎng)過程中要適時補入糖、硫酸氨、氨水，以滿足菌體生長對碳源、氮源等養(yǎng)料的需求 200M3產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計 3 2 罐體 幾何尺寸的確定 表 1 發(fā)酵罐主要設(shè)計條件 項目及代號 參數(shù)及結(jié)果 備注 發(fā)酵菌種 林可鏈霉菌 根據(jù)參考文獻 [1]選取 工作壓力 由工藝條件確定 設(shè)計壓力 由工藝條件確定 發(fā)酵溫度（工作溫度） 31℃ 根據(jù)參考文獻 [1]選取 設(shè)計溫度 150℃ 由工藝條件確定 冷卻方式 蛇管冷卻 由工藝條件確定 發(fā)酵液密度 31020 /kg m? ? 由工藝條件確定 發(fā)酵液黏度 23 /1060 mSN ???? 由工藝條件確定 夾套反應(yīng)釜的總體結(jié)構(gòu) 夾套反應(yīng)釜主要由攪拌容器，攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，支座，人孔，工藝接管和一些附件組成。攪拌容器分罐體和夾套兩部分，主要由封頭和筒體組成，多為中、低壓壓力容器；攪拌裝置由攪拌器和攪拌軸組成，其形式通常由工藝設(shè)計而定；傳動裝置是為為帶動攪拌裝置設(shè)置的，主要由電機，減速器，聯(lián)軸器和傳動軸等組成；軸封裝置為動密封，一般采用機械密封或填料密封；它們與支座，人孔，工藝接管等附件一起，構(gòu)成完整的夾套反應(yīng)釜。 幾何尺寸的確定 根據(jù)工藝參數(shù)和高徑比確定各部幾何尺寸；高徑比 H/D=，則 H= 初步設(shè)計：設(shè)計條件給出的是發(fā)酵罐的公稱體積（3200m） 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 ? ? 2 14 h )6bV D D???封 （ ? ? 2304 0. 15V D H D??? （近似公式） 假設(shè) 0 ? ，根據(jù)設(shè)計條件發(fā)酵罐的公稱體積為3200m 由公稱體積的近似公式 ? ? 2304 0. 15V D H D???可以計算出 200M3產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計 4 罐體直徑mmD ?， 罐體總高度 mmmmDH ????， 取整為 14150mm 。 查閱文獻【 2】 ，當(dāng)公稱直徑mmDN 4900?時， 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的曲面高度mmha 1225，直邊高 度 40bh mm? ，總深度f 1265?，內(nèi)表面積 mAf，容積 mV 可得罐桶身高 mmHHH f 11620226521415020 ?????? 則此時，??D與前面的假設(shè)接近， 故可認為mmD 4900?是合適的 發(fā)酵罐的全體積 mmVHDV f 11620226521415024/ 02 ?????? ? 表 2 大中型發(fā)酵罐技術(shù)參數(shù) 公稱容量3m 筒體高度 H(mm) 筒體直徑 mm 換熱面積 2m 轉(zhuǎn)速 r/min 電機功率 kw 10 3200 1800 12 150 21 4700 2200 21 154 30 30 6600 2400 34 180 45 50 7000 28003000 3860 160 55 60 8000 30003200 65 160 65 75 8000 3200 84 165 100 100 9400 3600 114 170 130 200 11500 4600 221 142 215 200M3產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計 5 表 3 200m3發(fā)酵罐的幾何尺寸 項目及代號 參數(shù)及結(jié)果 備注 公稱體積 3m 200 設(shè)計條件 全體積 3m 215 計算 罐體直徑 mm 4900 計算 發(fā)酵罐總高 mm 14150 計算 發(fā)酵罐筒體高度 mm 11620 計算 3 罐體主要部件尺寸的設(shè)計計算 罐體 考慮壓力，溫度，腐蝕因素，選擇罐體材料和封頭材 料，封頭結(jié)構(gòu)、與罐體連接方式。因為發(fā)酵液有微腐蝕性，罐體和封頭都使用 16MnR鋼為材料，封頭設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因 D500mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。 罐體壁厚 ? ? ? ? mmmmCPpD ????? ????? ???，取 11mm D－罐體直徑（ mm） p－耐受壓強 (取 ) φ － 焊縫系數(shù)，雙面焊取 [σ ]－設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（ kgf/c 2m ）（ 16MnR鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為 150℃， 170MPa） C －腐 蝕裕度，當(dāng)δ － C10mm時， C＝ 3mm 封頭壁厚計算 ? ? ? ? mmmmCpDy ???? ????? ???，取 20mm。 D－罐體直徑（ mm） p－耐受壓強 (取 ) y－開孔系數(shù)，取 φ － 焊縫系數(shù)，雙面焊取 [σ ] －設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力（ 16MnR 鋼焊接壓力容器許用應(yīng)力為 150℃，200M3產(chǎn)潔霉素機械攪拌生物反應(yīng)器設(shè)計 6 170MPa） 攪拌器 采用渦輪式攪拌器，選擇攪拌器種類 和攪拌器層數(shù)，根據(jù) d確定 h和 b的值 尺寸：六平葉渦輪式攪拌器已標(biāo)準(zhǔn)化， 稱為標(biāo)準(zhǔn)型攪 拌器；攪動液體的循環(huán) 量大，攪拌功率消耗也大；根據(jù) 4:5:15:20::: ?BLdD ii 攪拌器葉徑i為 mDi ??? 葉寬 B為 mDB i ??? 盤徑id為 mmDd ii ??? 葉弧長 L為 mmDL i ??? 底距 C mDC ?? 人孔和視鏡 人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。 本次設(shè)計只設(shè)置了 1個人孔，標(biāo)準(zhǔn)號為： 人孔 RFⅡ（ R G） HG215221995，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(fā)酵罐內(nèi)部的情況。本次設(shè)計只設(shè)置了 2視鏡，直徑為 DN80，開在頂頭上，位于前后軸線離中心軸 750mm處，標(biāo)記為視鏡Ⅱ DN80 HGJ5018617 接口管 封進料口為例計算， 設(shè)發(fā) 酵醪液流速為 1/v ms? ， 5h 排盡。發(fā)酵罐裝料液體積： V1 = 3m 物料體積流量? ? smhVQ /????， 則排料管截面積???， a r彎 =(1 /2) d r 箭= (1/ 4)d 10a= 38e : h : b :d1:d=3:3. 5 : 5 : 1 3 : 20h : b : d : d = 4 :5 .5