【正文】 裝備圖，完成這次設(shè)計(jì)。表 發(fā)酵罐主要設(shè)計(jì)條件步驟 項(xiàng)目及代號 參數(shù)及結(jié)果 備注1 發(fā)酵菌種 高滲假絲酵母 RHUVL4F9 由工藝條件確定桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XXXIX2 工作壓力 0— 由工藝條件確定3 設(shè)計(jì)壓力 — 由工藝條件確定4 發(fā)酵溫度 30 Co由工藝條件確定5 設(shè)計(jì)溫度 100~140 由工藝條件確定6 冷卻方式 蛇管冷卻 由工藝條件確定 設(shè)計(jì)工程中發(fā)酵罐的罐體尺寸設(shè)計(jì)根據(jù) TDH、L、 TW、 D量值不變進(jìn)行計(jì)算，最終確定生產(chǎn)罐的尺寸大小。根據(jù)比擬放大法核算出生產(chǎn)罐的功率大小。發(fā)酵罐的附屬設(shè)備設(shè)計(jì)中采用相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定生產(chǎn)罐的冷卻蛇管，以及攪拌裝置，傳動裝置，軸封裝置，人孔和其它的一些附件組成。 主體罐設(shè)計(jì)罐體有灌頂、圓柱體與錐底 3 部分組成，其中：灌頂：為圓拱形，中央開孔用于可拆卸大直徑法蘭，以安裝 CO2 與 CIP 管道及其連接件，灌頂還裝有真空閥，安全閥與壓力傳感器。圓柱體：為發(fā)酵罐主體，發(fā)酵罐的高度主要決定于圓柱體的直徑與徑高比，由于大直徑的光耐壓低，考慮到使用鋼板的厚度，一般直徑＜。圓錐底：它的夾角多為 60~90176。，也有 90~120176。，但這多用于大直徑的罐及大容量的罐；如夾角過小會使椎體部分很高。圓錐底的外壁一般安裝冷卻夾套、閥門與視鏡、取樣管閥、測溫、測壓的傳感元件或溫度計(jì)，CO2 洗滌裝置等。發(fā)酵罐尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)試驗(yàn)罐的相應(yīng)參數(shù)，采用幾何相似進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要計(jì)算罐的直徑 DT、高度 H、攪拌器渦輪直徑 D。桑黃菌絲發(fā)酵是好氧發(fā)酵，因此，在發(fā)酵過程中通氣和攪拌是十分重要的影響因素。好氧發(fā)酵需要通入充沛的空氣，以滿足微生物需氧要求，因而空氣量通入量越大，微生物獲得氧有可能越多。其次培養(yǎng)液層高度越大，空氣在培養(yǎng)基停留時間就有可能增加，有益于微生物利用空氣中的氧。但是空氣中氧是通過培養(yǎng)基傳遞給微生物，傳遞速率很大程度上取決氣液相的傳質(zhì)面積，也就是說取決氣泡大小和氣泡的停留時間，氣泡越小和越分散就使微生物可以越充沛獲桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XL得氧氣，但是強(qiáng)化氣泡的粉碎單靠氣體分布器的形式和結(jié)構(gòu)是不夠的，或者說效果是不明顯的，只有通過發(fā)酵罐內(nèi)的葉輪轉(zhuǎn)動將氣泡粉碎，才可獲得最佳的發(fā)酵供氧條件。通過攪拌器的攪拌作用，使培養(yǎng)基在發(fā)酵罐內(nèi)得到充分宏觀混和，盡可能使微生物在罐內(nèi)每一處均能得到充足氧氣和培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，此外良好的攪拌有利于微生物發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻管和發(fā)酵罐的冷卻內(nèi)表面。這就是具有通氣和攪拌的標(biāo)準(zhǔn)式發(fā)酵罐普遍使用在生化工程的原因。通氣裝置是指將無菌空氣導(dǎo)入培養(yǎng)基中的裝置，最簡單的裝置是一單孔管，單孔管的出口位于罐的中央，開口向下，以免培養(yǎng)基中的固體物質(zhì)在開口處堆積和罐底固形物沉淀。近年來由于發(fā)酵罐的容積的增大，為了保證攪拌系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在罐底設(shè)置了底軸承，因而占去了空氣管的位置，為了使空氣分布仍居中央，提出了將空氣管在罐內(nèi)分散成 34 個口，使其均勻分布在罐中央附近的設(shè)計(jì)方案。發(fā)酵罐內(nèi)安裝攪拌器首先用來分散氣泡以得到盡可能高的傳質(zhì)系數(shù) KLa 。此外還要使被攪拌的發(fā)酵液循環(huán)來增加氣泡的平均停留時間，并在整個系統(tǒng)中均勻分布，阻止其聚并。近來發(fā)酵罐的攪拌系統(tǒng)多采用在罐底部安裝一個用來分散空氣的渦輪攪拌器，其上再安裝一組軸流式攪拌器，用來循環(huán)培養(yǎng)介質(zhì)、均勻分布?xì)馀?、加?qiáng)熱量傳遞和消除罐內(nèi)上、下部之間含氧量梯度差。根據(jù)文獻(xiàn) ]，本設(shè)計(jì)所選擇的攪拌器為徑流渦輪/高效軸流攪拌器組合，其是 20 世紀(jì) 80 年代中期推出，其特點(diǎn)如下：A. 罐底部裝徑向渦輪攪拌器，上部裝軸向流攪拌器；B. 總體流形（flow pattern）較好，無死角，無分層現(xiàn)象C. 對“氣泛”和混合時間有改善。 將徑向流渦輪攪拌器與高效軸向流攪拌葉組合起來是較佳選擇。在分散氣體作業(yè)的罐內(nèi)，攪拌葉的數(shù)目取決于通氣的液面高度和罐直徑之比。攪拌器之間的距離一般為攪拌器直徑的 ～ 倍，而攪拌葉之間的距離不得小于最小攪拌葉的直徑。軸流式攪拌葉的直徑約為徑流式攪拌葉直徑的 倍。徑流式攪拌葉直徑為罐直徑的 ～ 倍，高效軸流攪拌葉直徑為罐直徑的 ～ 倍?？諝夥峙淦魑挥谧畹撞康臄嚢枞~之下。罐內(nèi)安裝 4～6桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLI塊擋板；擋板寬度取 12~8罐徑，一般以 10罐徑較普遍，擋板離罐壁的距離為 51擋板寬度，這樣可以減少死角。氣液反應(yīng)器的流動型式?jīng)Q定分散的均勻度，并且影響氣體的截留率(gas hold up) 、傳質(zhì)速率和局部溶氧濃度。第二章 發(fā)酵放大設(shè)計(jì)計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算條件 設(shè)計(jì)主要條件及技術(shù)參數(shù)（1）放大倍數(shù)：依次為 50 倍、20 倍、10 倍、2 倍。（2）放大次數(shù)：進(jìn)行四次逐級放大，并逐級優(yōu)化（3）設(shè)計(jì)罐容積：250L、5 3m、50 100 3（4）放大方法：以 akL（或 dK）為基準(zhǔn)的放大方法（5）試驗(yàn)罐參數(shù)：表 試驗(yàn)罐基礎(chǔ)參數(shù)項(xiàng)目 數(shù)值罐直徑（ DT） 145mm攪拌葉輪直徑（ D） 60mm高徑比 H：D T :1液深 HL 210mm裝液量 70%通氣強(qiáng)度 Q 試驗(yàn)罐參數(shù)轉(zhuǎn)速（ N） 800 min/r發(fā)酵液配比 葡萄糖 300g/L，酵母膏 5g/L，脲1g/L，MgSO47H2O 5g/L黏度 ?sPa???密度 ?/kg（6）生產(chǎn)罐設(shè)計(jì)參數(shù)：表 生產(chǎn)罐設(shè)計(jì)要求參數(shù)步驟 項(xiàng)目及代號 參數(shù)及結(jié)果 備注1 發(fā)酵菌種 高滲假絲酵母 RHUVL4F9 由工藝條件確定2 工作壓力 0~3MPa 由工藝條件確定桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLII3 設(shè)計(jì)壓力 0~3MPa 由工藝條件確定4 發(fā)酵溫度 32 Co由工藝條件確定5 設(shè)計(jì)溫度 100~140 由工藝條件確定6 冷卻方式 蛇管冷卻 由工藝條件確定 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表 生產(chǎn)發(fā)酵罐參數(shù)項(xiàng)目 數(shù)值總體積（L ） 3 5 7罐體工作體積（L） 2 3 5罐體尺寸（含冷凝器） 高度（mm） 580 580 680流量（SLPM） 0~5 0~10 0~10氣體分布器 r 環(huán)形氣體分布器（SUS316L）入口過濾器 m?空氣過濾器空氣壓縮機(jī) 空氣壓力 2/通風(fēng)冷凝器 安裝在頂盤上的水冷冷凝器范圍 50~1200rpm攪拌槳 2 只圓盤六彎葉渦輪，1 個破泡漿傳感器 磁性霍耳傳感器驅(qū)動 頂部驅(qū)動 功率為 60W 電機(jī)（可選 100W）控制 基于 PID 微處理器攪拌顯示 以 10 為增量的數(shù)字顯示范圍 冷水溫度+3~80 Co（精度 o）控制 PID加熱器 200watt溫度傳感器 RTD（Pt100）設(shè)定范圍 ~控制 PIDpH電極 Mettler Tolede 或 Hamilton electrode電源 100V~240V/50~60Hz電源熔絲電流 DC 24V 6A尺寸 )(mHWD? )(7503420mHWD?重量 Kg5 Kg表 水的物性數(shù)據(jù)桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLIII比熱容（ 1??KkgJ）物質(zhì) 分子式 相對分子量20 Co40 Co水 H2O 表 不同型號單壁罐參數(shù)內(nèi)徑（mm）內(nèi)高（ mm）N 攪拌槳直徑（ mm）商品號總體積（工作體積） DT H電極長度（ mm）最小工作體積（L） PD/P（%）H：DTPF1G2SL02 （1L） 110 150 120 60 55 :1PF1G2SL03 3L（） 130 220 120 60 45 :1PF1G2SL05 5L（3L） 145 300 225 60 42 :1PF1G2SL07 7L（5L） 170 310 225 72 45 :1PF1G2SL10 10L（7L） 190 355 320 6 80 42 :1 初步放大設(shè)計(jì)計(jì)算發(fā)酵放大過程中必須遵循的前提是在大型發(fā)酵設(shè)備和小型設(shè)備中的菌體所處的整個環(huán)境條件，包括化學(xué)因素（基質(zhì)濃度、前體濃度等）和物理因素（溫度、黏度、pH 等）必須是完全相同的。放大倍數(shù)實(shí)際上就是發(fā)酵罐體積的增加倍數(shù)。 發(fā)酵液流形的確定發(fā)酵液的組成[9]為：葡萄糖 300g/L，酵母膏 5g/L，脲1g/L， MgSO47H2O 5g/L，pH5，32℃，搖床轉(zhuǎn)速 800r/min，接種量 10%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得該發(fā)酵液滿足牛頓粘性定律，屬于牛頓流體。其中懸浮固體與懸浮液總體積之比 ?為 。 發(fā)酵罐尺寸的計(jì)算根據(jù)幾何相似法計(jì)算發(fā)酵生產(chǎn)罐的尺寸：試驗(yàn)罐的幾何尺寸由表 11 得知：試驗(yàn)罐：桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLIV,4.??TLTTDHD 四塊垂直擋板： （ b為擋板寬度）按幾何相似原則確定 250L 罐主尺寸：取 ,4.??TLTTDHD有效容積 70%，若忽略封底的容積，計(jì)算： .?T?則 mLHmLLmLDT )2(,1.)0(,)0(,53.)20( ???? 通氣量的計(jì)算（1）試驗(yàn)罐的通氣量計(jì)算因?yàn)椋? LVQvm0?24TsD?60 10)(13.)27( ???????LtHgPtQ?式中： mkgMPaPCt mt o,H/, in/,L330發(fā) 酵 液 高 度發(fā) 酵 液 密 度工 作 壓 力發(fā) 酵 液 溫 度標(biāo) 準(zhǔn) 條 件 下 的 通 氣 量工 作 條 件 下 的 通 氣 量??因?yàn)樵囼?yàn)罐：vvm=根據(jù)上式可以求得： min/. 3101vVQL????桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLV 61 10)(10.)273(0. ???????Q min/4. min/?????（2）放大罐的通氣量計(jì)算確定放大后通氣流量 Q：按幾何相似原則放大設(shè)備，放大倍數(shù)越高，單位容積液體具有的罐的橫截面積愈小，如果以 vvm 表示的通氣流量相等，則放大罐的 sv比原型罐的 sv要顯著增大。過大的 sv將造成太多的泡沫盒帶出液體。因此，在確定放大罐的通氣流量 Q 時，必須考慮這個因素。通氣量的放大過程中，有三種放大原則： 21vm? （1） s （2） 1aKL （3）本設(shè)計(jì)采用第三種放大原則， 21aKL?此時，選用公式 Vwd?? ，來關(guān)聯(lián) kL與其它量的關(guān)系時，則有：32321LgLgVHQ??又因?yàn)椋?TsgDv??，并且 TLTDH?,3，將此 3 式代入上式，得到：3122)(Tsv?及 12312)(pDvmT??將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入上式，可以計(jì)算出 2，因?yàn)樵O(shè)計(jì)壓力與試驗(yàn)壓力之比為，桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLVI所以： )(.22???vm 代入公式 LVQv0、2TsDv?、 60 10)5.(13.)27( ???????LtHgPtQ?計(jì)算的： min/302vmL ??? 62 10)(10.)273(1. ???????Q min/? min/???? 攪拌器功率、轉(zhuǎn)速的計(jì)算（1）試驗(yàn)罐的 dK值計(jì)算根據(jù)攪拌器類型相等進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。試驗(yàn)罐采用兩只圓盤六彎葉渦輪，因此設(shè)計(jì)罐同樣采用兩只圓盤六彎葉渦輪。通過試驗(yàn)，認(rèn)為此菌株是高耗氧速率菌，體系對剪切速率不敏感。故按等akL進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。因?yàn)椋?dLkH??所以應(yīng)用 aL和 dK是等量的。Rushton 關(guān)于單位傳質(zhì)面積上的傳質(zhì)速率的因次分析式[25]為： ?????)()(2NDdkL?Calderbank 關(guān)于通氣攪拌罐內(nèi)單位液體體積所具有的氣液兩相界面的實(shí)驗(yàn)桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLVII式[26]為：Richards 將兩式結(jié)合起來。在亞硫酸鈉水溶液中，液相的黏度 ?、密度 ?、表面張力 ?、氣體溶質(zhì)在液相中的擴(kuò)散度 d、氣泡最終上升速率 tv可視為常量。又根據(jù)實(shí)驗(yàn)求的 ??，得 Richards 關(guān)聯(lián)式[27] ：..4)(NvVPKaksgL?福田秀雄等人對上式進(jìn)行修正，用 60 組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得福田秀雄修正式： )(( ??????NvVPNksgid式中 dK——以氧分壓 2op為推動力的體積溶解氧系數(shù)，)](min/[2opatlo? gP——通氣時攪拌器軸功率， kW V——裝液體積， 3m N——攪拌轉(zhuǎn)速， in/r sv——空截面氣速， c i——渦輪只數(shù)試驗(yàn)罐裝有兩只圓盤六彎葉渦輪，轉(zhuǎn)速為 min/80rN?所以，試驗(yàn)罐的亞硫酸鹽氧化值法 dK值可求。 ??????NDM由圖 11 得 p=試驗(yàn)罐雙渦輪攪拌器功率： )(017.)(..)08(2535301 kWNDPp ??????桑黃菌絲液體培養(yǎng)及多糖提取工藝優(yōu)化研究報告XLVIII圖 幾種攪拌槳的 MpNRe?曲線本圖是 Rushton 原圖的簡化，原圖中共有 14 條曲線表 攪拌槳的 Mpe?曲線比例尺寸 擋板曲線號 攪拌槳型號 DTHLDdcTW數(shù)量 /只1 螺旋槳 ~