【正文】 法工藝較復(fù)雜，已不符合現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求?，F(xiàn)在主要的生產(chǎn)方法是直接發(fā)酵法。主要發(fā)酵過程包括：斜面培養(yǎng)活化→一級(jí)種子培養(yǎng)→二級(jí)種子培養(yǎng)→發(fā)酵罐。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)賴氨酸發(fā)酵過程中的二級(jí)種子罐。 種子的擴(kuò)大培養(yǎng)有著重要的意義，就目前而言，工業(yè)規(guī)?；a(chǎn)上所用的發(fā)酵罐容積已達(dá)到幾十立方米甚至幾百立方米。如果按10%左右的接種量計(jì)算，就要投入幾立方米或幾十立方米的種子。所以菌種擴(kuò)大培養(yǎng)的目的就是為每次發(fā)酵罐的投料提供相當(dāng)數(shù)量的代謝旺盛的種子。要從保藏在試管中的微生物菌種逐級(jí)擴(kuò)大為生產(chǎn)用種子是一個(gè)有實(shí)驗(yàn)室制備到車間的龐大過程。種子罐是這個(gè)過程中的重要一環(huán)。實(shí)驗(yàn)室制備的孢子或液體種子移種至種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)，種子罐的作用主要是使孢子發(fā)芽，生長(zhǎng)繁殖成菌（絲）體，接入發(fā)酵罐能迅速生長(zhǎng)，達(dá)到一定的菌體量，以利于產(chǎn)物的合成。種子罐級(jí)數(shù)是指制備種子需逐級(jí)擴(kuò)大培養(yǎng)的次數(shù)。二級(jí)種子罐是在一級(jí)種子培養(yǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)而擴(kuò)大到種子罐的二級(jí)種子培養(yǎng)，從而獲得發(fā)酵所需要的足夠量的菌種群體。第二章 賴氨酸發(fā)酵過程賴氨酸發(fā)酵的原理是利用微生物的某些營(yíng)養(yǎng)缺陷性菌株，通過代謝控制發(fā)酵，人為的改變和控制微生物的代謝途徑來實(shí)現(xiàn)賴氨酸的生產(chǎn)。主要的生產(chǎn)過程為：斜面菌種→搖瓶菌株→種子罐淀粉水解糖或蜜糖→配料→滅菌→發(fā)酵→提取→精制→干燥→成品 ↑壓縮空氣→油水分離→總過濾器→分過濾器第三章 種子罐釜體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算本節(jié)內(nèi)容將主要設(shè)計(jì)種子罐的釜體結(jié)構(gòu)。種子罐釜體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算是種子罐其他部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提，在本部分設(shè)計(jì)中包括種子罐罐體，夾套，換熱部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、種子罐支座形式的選擇、人孔、視鏡的選擇及開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算。最后對(duì)種子罐上各個(gè)接管、法蘭進(jìn)行選型。 工藝條件 發(fā)酵液物性參數(shù)密度：粘度：導(dǎo)熱系數(shù)：比熱：高峰期發(fā)酵熱：標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)量： 操作參數(shù)操作溫度：罐內(nèi)130℃、夾套100℃設(shè)計(jì)溫度：罐內(nèi)150℃、夾套104℃操作壓力：、設(shè)計(jì)壓力：、容積換熱面積罐溫：℃攪拌器轉(zhuǎn)速減速比輸入轉(zhuǎn)速 罐體結(jié)構(gòu)形式的選擇種子罐是由罐體和換熱部件兩大部分構(gòu)成。罐體在規(guī)定的操作溫度和操作壓力下，為菌種的繁殖提供了一定的空間。罐體一般是立式圓筒形容器，由筒體和封頭組成，通過支座安裝在基座或平臺(tái)上。由于設(shè)計(jì)的種子罐要承受一定的壓力，故選擇橢圓形封頭。已知條件：操作容積對(duì)于一般的種子罐或發(fā)酵罐，高徑比，取直筒部分高徑比,封頭直邊高度取。 則有效容積 解得： 由壓力容器公稱直徑標(biāo)準(zhǔn)（HG/T90192001）圓整到公稱直徑。根據(jù)筒體內(nèi)徑選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，查表，選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形形封頭，具體尺寸如下：表1 橢圓形封頭尺寸公稱直徑/曲面高度/直邊高度/內(nèi)表面積/容積/質(zhì)量/200050040 則== 解得：，取 則直筒部分高徑比，與假設(shè)相近，故合適。 筒體的總高度 則高徑比，合適。 容器內(nèi)徑和高度確定后，容器的有效容積為 種子罐的全容積 發(fā)酵車間物料衡算賴氨酸發(fā)酵一般采用二級(jí)或三級(jí)種子發(fā)酵，對(duì)于本設(shè)計(jì)，因?yàn)槟戤a(chǎn)量較大，所以采用三級(jí)種子發(fā)酵。一般二級(jí)種子液體積為發(fā)酵液量的10%，三級(jí)種子液量為二級(jí)種子液量的2%。首先對(duì)種子罐進(jìn)行物料衡算。 賴氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)表2賴氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a80000生產(chǎn)方法直接發(fā)酵法年生產(chǎn)天數(shù)d/a300日產(chǎn)量t/d267產(chǎn)品質(zhì)量純度%99%倒罐率%發(fā)酵初糖170糖酸轉(zhuǎn)化率%賴氨酸提取率%80發(fā)酵液量 式中：170—發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（） %—糖酸轉(zhuǎn)化率 80%—賴氨酸提取率 99%—產(chǎn)品質(zhì)量（純度）三級(jí)種子液量 二級(jí)種子液量 種子罐個(gè)數(shù)的確定 對(duì)于反應(yīng)釜，通常取=，應(yīng)取低值，=，取大值，=。本設(shè)計(jì)中，反應(yīng)溫度較低，發(fā)酵過程平穩(wěn)，所以去大值，取=。所以需要二級(jí)種子罐的個(gè)數(shù)為一個(gè)。 種子罐罐體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，種子罐內(nèi)的發(fā)酵是一個(gè)放熱反應(yīng)，℃，所以要采用冷卻裝置，而一般的夾套冷卻對(duì)溫度的調(diào)控不精確且不及時(shí)，所以本設(shè)計(jì)中采用半圓形外盤管冷卻。外盤管冷卻具有較高的傳熱系數(shù)，而且外盤管使罐體剛度大大增加，所以筒體一般不會(huì)產(chǎn)生外壓失穩(wěn)。因此，在設(shè)計(jì)中只需通過內(nèi)壓來設(shè)計(jì)跟校核就能滿足強(qiáng)度要求。 工藝條件 種子罐內(nèi)操作溫度 操作壓力； 外盤管操作溫度 操作壓力； 設(shè)備材料選?。涸O(shè)備在消毒滅菌期間，會(huì)有較強(qiáng)的腐蝕性，所以種子罐筒體和封頭都選取防腐性能好的不銹鋼00Cr19Ni10。 筒體壁厚的計(jì)算筒體內(nèi)液柱靜壓力的計(jì)算液柱高度液柱靜壓力＞筒體的計(jì)算壓力 筒體的計(jì)算壓力為設(shè)計(jì)壓力與液柱靜壓力之和即焊接接頭系數(shù)的確定容器筒體的縱向焊接接頭和封頭的拼接接頭基本上都是采用雙面焊的全焊透的焊接接頭，根據(jù)下表可選焊接接頭系數(shù)=（局部無損探傷）表3 焊接接頭系數(shù)表序號(hào)焊接接頭結(jié)構(gòu)焊接接頭系數(shù)全部無損探傷局部無損探傷1雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接焊接接頭2單面焊的對(duì)接焊接接頭，在焊接過程中沿焊縫根部全長(zhǎng)有緊貼基本金屬的墊板筒體壁厚的計(jì)算筒體壁厚計(jì)算公式：式中：—筒體計(jì)算壓力 MPa —筒體內(nèi)徑 —設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力 帶入數(shù)據(jù)解得鋼板厚度附加量為鋼板厚度負(fù)偏差和鋼板腐蝕余量之和，取 則筒體設(shè)計(jì)厚度取筒體的名義厚度則筒體的有效厚度 封頭厚度計(jì)算 封頭壁厚計(jì)算公式：式中：K—形狀系數(shù)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)型橢圓形封頭K=1—筒體計(jì)算壓力 MPa —筒體內(nèi)徑 —設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力 帶入數(shù)據(jù)解得鋼板厚度附加量為鋼板厚度負(fù)偏差和鋼板腐蝕余量之和，取 則封頭設(shè)計(jì)厚度取封頭的名義厚度則封頭的有效厚度校核：GB150規(guī)定K≤%。＞所以封頭厚度設(shè)計(jì)滿足要求。 種子罐的水壓實(shí)驗(yàn)校核 計(jì)算罐體水壓試驗(yàn)壓力 水壓試驗(yàn)壓力式中p—壓力容器的設(shè)計(jì)壓力或壓力容器銘牌上規(guī)定的最大允許工作壓力，MPa； —水壓實(shí)驗(yàn)壓力；當(dāng)設(shè)計(jì)考慮液體靜壓力時(shí)，應(yīng)當(dāng)加上液柱靜壓力，MPa； —實(shí)驗(yàn)時(shí)器壁金屬溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa； —設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa 當(dāng)設(shè)計(jì)溫度小于200℃時(shí)，式中=1，因此，上式可簡(jiǎn)化為 所以 因?yàn)橐后w靜壓力大于5%的設(shè)計(jì)壓力，所以要考慮液體靜壓力，即 筒體薄膜應(yīng)力的計(jì)算 水壓試驗(yàn)時(shí)筒體的薄膜應(yīng)力按下式計(jì)算 代入數(shù)據(jù)解得 確定筒體在水壓試驗(yàn)下的最大應(yīng)力 筒體材料為00Cr19Ni10，查的該材料的屈服點(diǎn)。 ＜ ，所以強(qiáng)度滿足要求。 種子罐換熱部件計(jì)算 熱量衡算式 入=出＋損式中 入—輸入的熱量總和（kJ） 出—輸出的熱量總和（kJ） 損—損失的熱量總和（kJ） 通常，入=++ 出=+++ 損=式中 —物料帶入的熱量（kJ）； －由加熱劑（或冷卻劑）傳給設(shè)備和所處理的物料的熱量（kJ）；－過程的熱效應(yīng)，包括生物反應(yīng)熱、攪拌熱等（kJ）； －物料帶出的熱量（kJ）； －加熱設(shè)備所需熱量（kJ）；－加熱物料所需熱量（kJ）；－氣體或蒸汽帶出的熱量（kJ）。 即 具體的熱量計(jì)算 物料帶入熱量和帶出熱量按下式計(jì)算式中 －物料質(zhì)量。 －物料比熱容 。 t－物料進(jìn)入或離開設(shè)備的溫度（℃），分別為20℃和37℃則物料帶入熱量 物料帶出熱量 過程熱效應(yīng)，過程熱效應(yīng)主要包括生物合成熱和攪拌熱 即 種子罐的高峰發(fā)酵熱為，為了保證換熱過程穩(wěn)定，取高峰發(fā)酵熱等于。則發(fā)酵熱為 攪拌熱按計(jì)算，通常，則攪拌熱為 加熱設(shè)備耗熱量按下式計(jì)算 式中 G—設(shè)備總質(zhì)量（kg） kg，封頭質(zhì)量為， kg； —設(shè)備材料比熱容 ； 、—設(shè)備加熱前后的平均溫度 、 帶入數(shù)據(jù) 氣體或蒸汽帶出量的計(jì)算 為了保證進(jìn)入發(fā)酵車間空氣過濾系統(tǒng)不帶有水分，也不因?yàn)樗钟秃蟮娘柡涂諝庠诮?jīng)外管輸送過程中，受到室外冷空氣冷卻析出的微量水分的影響，一般在進(jìn)發(fā)酵車間空氣過濾系統(tǒng)前需要將空氣溫度升高10～20℃，以保證發(fā)酵車間的空氣系統(tǒng)干燥而不帶水的微粒。為減少溫差引起的熱量變化，本設(shè)計(jì)取空氣進(jìn)罐溫度為37℃，此時(shí) 設(shè)備向環(huán)境散熱按下式計(jì)算 式中 F－設(shè)備總面積（㎡），F(xiàn)筒，F(xiàn)封； －壁面對(duì)空氣的聯(lián)合給熱系數(shù) ； －壁面溫度（℃），37℃； －環(huán)境空氣溫度（℃），20℃； －操作時(shí)間(s)， 給熱系數(shù)的計(jì)算空氣作自然對(duì)流，空氣作強(qiáng)制對(duì)流，（空氣流速） 或（＞） 種子罐安裝在室內(nèi)，所以空氣做自然對(duì)流，即給熱系數(shù)為 設(shè)備向環(huán)境散熱為 加熱（或冷卻）介質(zhì)傳入（或帶出）的熱量 對(duì)于熱量平衡計(jì)算的設(shè)計(jì)任務(wù)，是待求量，也稱為有效熱負(fù)荷。若計(jì)算出的為正值，則過程需加熱；若為負(fù)值，則過程需從操作系統(tǒng)移出熱量，即需要冷卻。 即設(shè)備需要冷卻。 換熱裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算種子罐要求發(fā)酵液溫度恒定，波動(dòng)小。所以一般的夾套冷卻效果不好，而且滯后嚴(yán)重。所以本設(shè)計(jì)采用半圓形外盤管冷卻。半圓形外盤管具有較高的傳熱系數(shù)，而且外螺旋管使罐體剛度大大增加，使罐身用材相對(duì)減少。另外，為了更及時(shí)、準(zhǔn)確的維持種子罐內(nèi)溫度的穩(wěn)定，罐內(nèi)采用豎式蛇管冷卻。豎式蛇管可以代替擋板，冷卻水在罐內(nèi)流速高，傳熱系數(shù)高。半圓形外盤管采用的不銹鋼鋼管，外盤管分為三組，每組纏繞筒體五圈，半圓管間距。傳熱系數(shù)。冷卻水進(jìn)口溫度，出口溫度對(duì)數(shù)平均溫度差傳熱面積 則半圓形外盤管換熱量種子罐內(nèi)蛇管換熱量蛇管的傳熱系數(shù)冷卻水進(jìn)口溫度，出口溫度則對(duì)數(shù)平均溫度差也為蛇管換熱面積蛇管采用的不銹鋼鋼管，則所需蛇管總長(zhǎng)度為 設(shè)置蛇管直段長(zhǎng)度，彎管半徑，設(shè)兩組蛇管，每組3列。直管總長(zhǎng)：彎管總長(zhǎng)：蛇管總產(chǎn)度＞,所以換熱面積滿足需要。 半圓形外盤管如圖所示 圖1 半圓形外盤管 其中 ＜，＜，， 輔助參數(shù)（、）①、 接管與通道連接出的開孔強(qiáng)度降低系數(shù)若通道與通道上的進(jìn)出口接管采用同一規(guī)格、相同材料的管子制成，則系數(shù)按下式計(jì)算：式中 —半圓管的平均半徑（），； —通道的實(shí)際壁厚（），； —管道腐蝕余量（），； 代