【正文】 令底道槳葉徑：中、上道槳葉徑 =1： ， 底道槳設(shè)置八彎葉渦輪槳 ， 中、上道槳設(shè)置六彎葉渦輪槳。選用渦輪式攪拌器為理想 ，第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 27 其特點(diǎn)是直徑小 ， 轉(zhuǎn)速快 ， 攪拌效率高 ， 功率消耗低 ， 其最大特點(diǎn)是攪拌時(shí)使料液產(chǎn)生徑向流 ， 可以延滯空氣在發(fā)酵液中的停留時(shí)間 ， 有利于氧在料液中溶解。從節(jié)能考慮 ， 完全可減小中、上道槳葉之葉徑。所以空氣在罐底底道槳處 位 液中的停留時(shí)間久 ， 同時(shí)氣體集中在罐心位 ， 若在罐底上方安裝強(qiáng)有力的底道 槳 ， 對(duì)氣泡的分散打碎 ， 延長(zhǎng)小氣泡在液中的停留時(shí)間會(huì)起到舉足輕重的作用 。 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 23 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 主要設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 發(fā)酵罐 (1) 選型 [6]： 圖 41 發(fā)酵罐示意圖 根據(jù)生物工程設(shè)備常見(jiàn)的機(jī)械攪拌通風(fēng)種子罐的幾何尺寸比例 H/D =～ 取 H/D=3 Di/D =1/2～ 1/3 取 Di = HO/D =2 HO =2D h= C/Di=～ 取 C = 根據(jù)封頭形狀、直徑查閱化工容器設(shè)計(jì)手冊(cè)得公式： 公稱(chēng)容積 2 3 30 . 1 3 ( 0 . 1 3 ) 2 0 044CD HV o V V H D D DD??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? H= D= 圓整 H=13000mm D=4500mm 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 則公稱(chēng)容積 33( 3 0 . 1 3 ) ( ) 2 2 6 . 4 543 HV o m?? ? ? ? ? 全容積 330 .1 3 2 3 8 .3 0V V o D m? ? ? 查表 [7]得： 封頭內(nèi)表面積 F= ㎡，容積 V= 3m 人孔取 ? 800mm，視鏡 D視 200mm，查表 [8]選取 Ds=4500mm 的支腿式支座，并根據(jù)工廠實(shí)際情 況做適當(dāng)?shù)母淖儭? ② 配料用水： 培養(yǎng)基原料大多為固體 ? 配料用水量≈消后培養(yǎng)基體積 W發(fā) 酵 配 = ?二級(jí)配W mW ?一級(jí)配 ③ 自來(lái)水用量： 取安全系數(shù) ，則自來(lái)水總用量： W總 = （ W發(fā) 酵 洗 2+W二 級(jí) 洗 +W一 級(jí) 洗 +W發(fā) 酵 配 2+W二 級(jí) 配 +W一 級(jí) 配 ） = （ 2+++ 2++） = 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 21 蒸汽 （ 121℃ ， 發(fā) 酵溫 度 =27 ℃ ， ? =， 焓 i =， 汽化 熱） (1) 發(fā)酵罐、二級(jí)種子罐空消所用蒸汽：（按 5 倍罐全容積計(jì)算） 5SSV ?? ? ?全 kg2 6 6 9 951 .7 2 9 9 6 ??大S ????中S (2) 一級(jí)種子罐、補(bǔ)料罐實(shí)消所用蒸汽：（以直接加熱之后保溫計(jì)算，料液比熱 Cs 均取 1kcal/kg℃，冷卻水進(jìn)口溫度 20℃，冷卻水出口溫度 25℃，取冷卻時(shí)間 ，計(jì)算可得所需冷卻水量 W冷 3000kg/hr? 則冷卻水高峰用量： hrtW /6 4 1 236 4 0 9m a x ??? (3) 低溫冷卻水（ 水溫 9～ 14℃，△ t=5℃， ，夏季使用） 低溫水用量（ c=水的 比熱容 ℃）： QcW t??大大 = hrkg /3 9 0 4 75 10 5 ?? QcW t??中中 = hrkg /71 4 5 ???? QcW t??小小 = hrkg /1 1 6 5 ???? 以工作狀態(tài) 6 個(gè)發(fā)酵罐， 3 個(gè)二級(jí)種子罐， 2 個(gè)一級(jí)種子罐計(jì)，并取安全系數(shù) ，則循環(huán)冷卻水總量為： W總 = （ 39047 6+7143 3+1162 2） 10 3 = = 考慮到一級(jí)種子罐 實(shí) 消所需冷卻水：取夾套傳熱系數(shù) K=400 kcal/㎡ h 一級(jí)種子罐 小Q =550065%=10 4 kJ/m3 （ 中n 即二級(jí)發(fā)酵罐， 小n 即一級(jí)發(fā)酵罐） 取二級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為 25 小時(shí)，取一級(jí)發(fā)酵罐輔助時(shí)間為 30 小時(shí) 1? ? ?? 發(fā) 酵 罐 計(jì) 量 體 積 接 種 比 （ 流 體 損 失 率 ）種 子 罐 容 積 種 子 罐 裝 料 系 數(shù) （流體損失率取 10%） 二級(jí)種子罐體積 2 0 0 8 0 % 1 5 % (1 1 0 % )70%? ? ? ?? = 取 38m3，計(jì) 算得公稱(chēng)容積 ，全容積 一級(jí)種子罐體積 3 8 7 0 % 1 5 % (1 1 0 % )65%? ? ? ?? ? m3 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 17 取 ，計(jì)算得公稱(chēng)容積 ，全容積 (3) 物料計(jì)算： 進(jìn)料 =基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后） +種子液 +補(bǔ)料 出料 =發(fā)酵液 +逃液與蒸發(fā)損失 ① 發(fā)酵罐 發(fā)酵液 = 90%= m3 損失 =發(fā)酵液體積 3%= 3%= （損失率取 =3%） 種子 液 =發(fā)酵液體積 接種比 =15%= 補(bǔ)氨 = 48110 3= m3 補(bǔ)油 = 20110 3= m3 泡敵 = 20110 3= m3 補(bǔ) 料 = 320110 3= ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 補(bǔ)氨 補(bǔ)油 泡敵 補(bǔ)料=+= ② 二級(jí)種子罐 出料 =發(fā)酵罐種子 = 損失 = 3%= m3 （損失率取 =3%） 種子 =15%= m3 ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 =+= ③ 一級(jí)種子罐 出料 =二級(jí)種子罐種子 = m3 損失 = 3%= m3 （損失率取 =3%） 種子 =15%= m3 ∴消后培養(yǎng)基 =出料 +損失 種子 =+= 各階段物料添加量及損失，見(jiàn)圖 31. 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 31 物料流程 圖 表 31 原料消耗表 原料名稱(chēng) 規(guī)格 批次 用量（噸） 年用量（噸） 黃豆 餅粉 含蛋白質(zhì) 45% 968 7741 葡萄糖 含量 99%以上 118 938 碳酸鈣 工業(yè)用含量 99%以上 4 29 KH2PO4 含量 99%以上 35 279 苯乙酰胺 工業(yè)用含量 99%以上 12 96 氨水 工業(yè)用含量 28% 28 220 油酸甘油酯 工業(yè)用含量 99%以上 81 645 豆油 工業(yè)用含量 95%以上 185 1480 硅油 工業(yè)用含量 99%以上 8 59 玉米油 工業(yè)用含量 85%以上 17 133 泡敵 工業(yè)用含量 89%以上 4 26 硝酸鉀 工業(yè)用含量 99%以上 4 29 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 19 能 耗計(jì) 算 水 (1) 發(fā)酵熱效應(yīng) [5] Q=QF 公V 發(fā)酵罐 大Q =5500 80%= 10 5 kJ/m3 (2) 種子罐公稱(chēng)容積及臺(tái)數(shù)： 種子罐臺(tái)數(shù) ?? 發(fā) 酵 罐 臺(tái) 數(shù) 種 子 罐 周 期發(fā) 酵 罐 周 期 37 24/)2556(6n ????中（臺(tái)） 故選擇 3 臺(tái) 二級(jí)種子罐可滿(mǎn)足生產(chǎn)。 h 提煉總系數(shù)： P? =85% 物料衡算 (1) 發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)的 確定： 由公式： 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 )/(10110 96 tmnUUVGppmmoo????? ??? 得：mmppUmV tGUn001000 ???? 7 0 0 0 0 02 8 0 71 6 6 71 2 0 01 0 0 0 ????? ???? ? (臺(tái)） 故選擇 6 臺(tái)發(fā)酵罐可滿(mǎn) 足生產(chǎn)。 補(bǔ)前體苯乙酰胺，使發(fā)酵液中苯乙 酰胺濃度為 %～ %，在發(fā)酵 過(guò)程分批 加入。 第四章 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型 15 蒸汽： 發(fā)酵車(chē)間用汽壓力 （ MPa） 。 低溫水： 9～ 14℃ (△ t=5℃ )， （ MPa），用于夏天空氣后級(jí)冷卻及發(fā)酵控溫冷卻 。 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 第三章 工藝計(jì)算 主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù) : (1) 接種量 一級(jí)種子罐至二級(jí)種子罐按 15%計(jì)算； 二級(jí)種子罐至發(fā)酵罐按 15%計(jì)算； (2) 培養(yǎng)基滅菌 一級(jí)種子罐及二級(jí)種子罐培養(yǎng)基采用空消滅菌； 發(fā)酵罐培養(yǎng)基采用實(shí)消滅菌； (3) 通氣量 一級(jí)種子罐： （ VVM），二級(jí)種子罐： (VVM)， 發(fā)酵罐： (VVM)； (4) 無(wú)菌空氣處理系統(tǒng) 空氣處理量：按設(shè)計(jì)要求 空壓機(jī)出口壓力 ： ~（ Mpa） 進(jìn)總過(guò)濾器的相對(duì)濕度： 60% 空氣潔凈度： 100 級(jí) (5) 發(fā)酵周期： 一級(jí)種子罐： 64 小時(shí)，二級(jí)種子罐： 56 小時(shí)，發(fā)酵罐： 136 小時(shí) (6) 裝料系數(shù) 一級(jí)種子罐： 65%，二級(jí)種子罐： 70%，發(fā)酵罐： 80% (7) 自控要求： 發(fā)酵系統(tǒng)：種子罐、發(fā)酵罐溫度自控， pH 控制，罐壓指示，溶氧指示，轉(zhuǎn)速顯示及變頻調(diào)速，液位報(bào)警； 連消系統(tǒng)：溫度、流量連鎖控制； 空氣系統(tǒng)：溫度自動(dòng)控制； 后處理系統(tǒng)：溫度現(xiàn)場(chǎng)顯示、手動(dòng)調(diào)節(jié)，流量現(xiàn)場(chǎng)顯示、手動(dòng)調(diào)節(jié)； (8) 水系統(tǒng) 自來(lái)水：常溫， （ MPa），用于配料、夏天實(shí)罐滅菌的前期冷卻、清洗設(shè)備等 。當(dāng)菌絲中空泡擴(kuò)大、增多及延伸 ， 并出現(xiàn)個(gè)別自溶細(xì)胞 ， 這表示菌絲趨向衰老 ， 青霉素分泌逐漸停止 ， 菌絲形態(tài)上即將進(jìn)入自溶期 ， 在此時(shí)期由于茵絲自溶 ， 游離氨釋放 ， pH 值上升 ， 導(dǎo)致青霉素產(chǎn)量下降 ， 使色素、溶解和膠狀雜質(zhì)增多 ， 并使發(fā)酵液變 粘 稠 ， 增加下一步提純時(shí)過(guò)濾的困難。 第二章 工藝設(shè)計(jì) 13 發(fā)酵液質(zhì)量控制 生產(chǎn)上按規(guī)定 時(shí)間從發(fā)酵罐中取樣 ， 用顯微鏡觀察菌絲形態(tài)變化來(lái)控制發(fā)酵。青霉素發(fā)酵的臨界菌體濃度隨菌株的呼吸強(qiáng)度 (取決于維持因數(shù)的大小 ， 維持因數(shù)越大 ， 呼吸強(qiáng)度越高 ) 、發(fā)酵通氣與攪拌能力及發(fā)酵的流變學(xué)性質(zhì)而異?？諝饬髁窟^(guò)高會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵液的液面上升引起逃液和泡沫的增多。在發(fā)酵中后期 ， 發(fā)酵液里充滿(mǎn)了細(xì)小的流動(dòng)性氣泡。 (2) 攪拌速度： 攪拌速度大與小關(guān)系到氣泡破碎是否良好 ， 空氣是否分散溶入液相 ， 增加氣液接觸的有效界面?zhèn)鬟f面積 ， 以利于氧的溶解和空氣的利用。根據(jù)“亨利定律” 可用提高空氣進(jìn)罐壓力來(lái)提高氧在發(fā)酵液中的溶解度。補(bǔ)加消泡油的個(gè)別情況下，可以提高空氣流量來(lái)加速脂肪酸的氧化，以糾正由于油脂分解產(chǎn)生大量脂肪酸引起的 pH 降低。 將發(fā)酵培養(yǎng)基調(diào)節(jié)成不同的出發(fā) pH進(jìn)行發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中，定時(shí)測(cè)定和調(diào)節(jié) pH。在緩沖能力較弱的培養(yǎng)基中 ， pH 值的變化是葡萄糖流加速度高低的反映。 在較低的通氣條件下，由于氧的溶解度是隨溫度下降而升高的，因此降低發(fā)酵溫度對(duì)發(fā)酵是有利的，因?yàn)榈蜏乜梢蕴岣哐醯娜芙舛?、降低菌體生長(zhǎng)速率、減少氧的消耗，彌補(bǔ)通氣效果差的不足。溫度過(guò)高 將明顯降低發(fā)酵產(chǎn)率 ， 同時(shí)增加葡萄糖的維持消耗 ， 降低葡萄糖至青霉素的轉(zhuǎn)化率。一級(jí)種子罐體積小采用夾套換熱，二級(jí)種子罐采用內(nèi)蛇管，發(fā)酵罐用外盤(pán)管加內(nèi)蛇管換熱，內(nèi)蛇管也作為罐內(nèi)擋板，以加強(qiáng)罐內(nèi)料混合程度。主要補(bǔ)油、補(bǔ)糖、補(bǔ)氨水調(diào)解 pH。 工藝特點(diǎn) 本設(shè)計(jì)工藝為三級(jí)發(fā)酵 [3]，一級(jí)種子罐→二級(jí)種子罐→發(fā)酵罐。因 一次加入量不能大于 %，所以采用多次加入方式。一般在這個(gè)階段，發(fā)酵液中碳源、氮源和磷酸鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度必須控制在一定范圍內(nèi)，才有利于青霉素合成。 青霉素 合成階段 ，青霉素的生產(chǎn)速率達(dá)到最大 ， 菌體重量增加，碳源、氮源等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不斷消耗，青霉素不斷合成。與 連續(xù)發(fā)酵 相比， 流加發(fā)酵 不需要嚴(yán)格的 無(wú)菌 條件，也不會(huì)產(chǎn)生 菌種 老化 和 變異 等問(wèn)題，因此，其應(yīng)用范圍較廣。低基質(zhì) 濃度的優(yōu)點(diǎn)： ① 可以除去快速利用 碳源 的阻遏效應(yīng)，并維持適當(dāng)?shù)木w濃度，使不致于加劇供氧矛盾。 如今， 流加發(fā)酵 的應(yīng)用范圍已相當(dāng)廣泛，包括 單細(xì)胞蛋白 、 氨基酸 、 生長(zhǎng)激素 、抗生素 、 維生素 、 酶制劑 、 有機(jī)酸 等生產(chǎn)幾乎遍及整個(gè)發(fā)酵行業(yè)。 補(bǔ)料分批發(fā)酵 補(bǔ)料分批發(fā)酵又稱(chēng) 流加發(fā)酵， 半連續(xù)發(fā)酵，是介于分批發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵之間的一種發(fā)酵技術(shù)，是指在微生物分批發(fā)酵中，以某種方式向培養(yǎng)系統(tǒng)補(bǔ)加一定物料的培養(yǎng)技術(shù)。連續(xù)培養(yǎng)方法可用于面包酵母和飼料酵母的生產(chǎn)，以及有機(jī)廢水的活性污泥處理。 當(dāng)然，他也存在一些缺點(diǎn) : ①由于是開(kāi)放系統(tǒng)，加上發(fā)酵周期長(zhǎng)，容易造成雜菌污染；②在長(zhǎng)周期連續(xù)發(fā)酵中，微生物容易發(fā)生變異；③對(duì)設(shè)備、儀器及控制元器件的技術(shù)要求較高；④粘性絲狀菌菌體容易附著在器壁上生長(zhǎng)和在發(fā)酵