（一）直接加热蒸汽耗量
直接加热蒸汽耗量可用以下公式计算：
D1?GC(t2?t1)i?Ct2(1??)
式中，i —蒸汽的热焓，Kcal/Kg G—培养基质量，Kg
C—培养基比热容，KJ/(Kg·℃) η —热损失，5%~10% t1—加热结束时的料液温度，℃ t2—加热开始时的料液温度，℃
已知:i取650Kcal/Kg，C取4.18 KJ/(Kg·℃)，η取8%，t2=120℃，t1=30℃ 发酵罐培养基密度ρ=1100kg/m3 发酵罐培养基质量G1=50×0.75×1100=41250kg
D1?GC（t2?t1）41250?4.18?（120?30）（1??）?（1?8%）?7565.1kg
i?Ct2650?4.18?4.18?120取种子罐培养基密度为ρ′=1030kg/m3 种子罐培养基质量G1’=10×0.75×1030=7725kg
'G1C（t2?t1）7725?4.18?（120?30）D2?（1??）?（1?8%）?1416.7kgi?Ct2650?4.18?4.18?120
取补料罐培养基密度为ρ?=1150kg/m3 补料罐培养基质量G2?=10×0.75×1150=8625kg
D3???C（t2?t1）G28625?4.18?（120?30）（1??）?（1?8%）?1581.8kg
i?Ct2650?4.18?4.18?120（二）灭菌保温时的蒸汽耗量
本设计取保温时耗蒸汽量为加热时耗蒸汽量的40%，则 发酵罐：D1′=D1×0.4=7565.1×0.4=3026.04kg 种子罐：D2′=D2×0.4=1416.7×0.4=566.68kg 补料罐：D3′=D3×0.4=1581.8×0.4=632.7kg （三）总蒸汽耗量
发酵罐：D发=D1+D1′=7565.1+3026.04=10591.14kg 种子罐：D种=D2+D2′=1416.7+566.68=1983.38kg 补料罐：D补=D3+D3′=1581.8+632.7=2214.52kg
总蒸汽年用量为：（10591.14 ×18+1983.38×3+2214.52×3）×188=3.82万t/a
第六节 设备的设计和计算
一、 发酵罐的设计
机械搅拌通风发酵罐在生物工程工厂中得到广泛使用，具不完全统计，它占了发酵罐总数的70～80%，故又常称之为通用式发酵罐。这种发酵罐大多用于通风发酵，靠通入的压缩空气和搅拌叶轮实现发酵液的混合、溶氧传质，同时强化热量传递。
发酵罐灭菌压力一般不超过0.25MPa，属于一类压力容器范围。因此，需按GB150-89《钢制压力容器》有关规定进行设计。本设计选用50m3发酵罐，因其使用周期长，故采用不锈钢（0Cr19Ni9）制造。采用整体组焊结构，除设人孔外，还设有直梯。人孔尺寸设计时除考虑到便于人员进出外，尚应考虑罐内最大部件的搬进搬出。
罐体由圆柱体及椭圆形封头焊接而成。材料为碳钢或不锈钢。对于大型发酵罐可用衬不锈钢或复合不锈钢制成。衬里用的不锈钢厚度为2～3mm。为了满足工艺要求，罐需要承受一定的压力，通常灭菌压力不超过0.25MPa（绝对大气压）。
本设计采用50m3具有溶氧速率高、混合效果好的机械搅拌通风发酵罐。 （一） 发酵罐直径的计算
高径比：H/D=1.7～3.5，取H/D=2.4
?由4D2H?V3.14?D2?2.4D?50m3，即4，得D=2.983m，取D=3000mm
H---发酵罐的罐身高度 D---发酵罐的直径 V---发酵罐的圆筒体积 （二） 发酵罐主要尺寸确定
H/D=1.7～2.5，取H/D=2.4，则H=3000 × 2.4 = 7200mm B/D=1/8～1/12，取B/D=1/10，则B=3000 ÷ 10 = 300mm Di/D=1/2～1/3，取Di/D=1/3，则Di=3000 ÷ 3 = 1000mm S/Di=2～5，取S/Di=3，则S=1000 × 3 = 3000mm C/Di=0.8～1.0，取C/Di=0.9，则C=1000 × 0.9 = 900mm H0/D=2，则H0=3000 × 2 = 6000mm B---挡板宽度 Di---搅拌叶轮直径 S---相邻搅拌叶轮间距 C---下搅拌叶轮与罐底距离 H0---罐高
（三） 发酵罐容积的确定
发酵罐是由圆柱型桶体和上下两个椭圆形封头组成的。 椭圆形封头的容积：
V1??D?3.143.0???3D2?hb????3.02??0.025???3.709m46?46???
hb------椭圆型封头的直边高度（m），取0.025m 发酵罐全容积：
V0??4D2H?0.15D3?3.14?3.02?7.20?0.15?3.03?52.218m34
（四） 罐壁厚的确定
发酵罐在使用过程中，内部承受一定的压力，如灭菌时蒸汽压力，运转时的应力，搅拌时的震动及装液负荷等，同时考虑到各种接口的影响，罐体应有一定的强度，并且为了防止渗漏，在投入前应进行试验，以保证安全生产。
1. 内压圆筒壁厚度的计算：
?1?pD230?????p?C?0.275?3000?3?3.028mm230?130?1.0?0.275
P------耐受压力（一般为最高操作压力×1.1）（MPa表压），取0.275 D------发酵罐的内直径（mm）
[σ]------许用应力（MPa），采用0Cr19Ni9钢，取130MPa（t：20～700℃）
Ф------焊缝系数取1.0，无焊缝
C------腐蚀裕度，当δ﹣C＜10mm时,C = 3mm 2. 椭圆形封头厚度的计算：
发酵罐上封头要开入孔、轴孔等各种接口，削弱了封头的强度，封头在工作过程中受蒸汽压缩空气的冲压以及封头底有进风管吹入，载荷集中，采用如下公式：
?2?pDy0.275?3000?2.3?C??3?3.073mm200????200?130?1.0
y---开孔系数，对发酵罐可取2.3 [σ]---许用应力
综上，取壁厚为4mm。 参数汇总表：
发酵罐的圆筒体积V 发酵罐的直径D 发酵罐的罐身高度H
挡板宽度B 搅拌叶轮直径Di 相邻搅拌叶轮间距S 下搅拌叶轮与罐底距离C
罐高H0 椭圆形封头的容积V1 发酵罐全容积V0 内压圆筒壁厚度δ1 椭圆形封头厚度δ2 发酵罐壁厚δ
二、 冷却装置的确定 （一） 冷却管装置
有夹套式、竖式蛇管、竖式列管换热装置三种。夹套式一般用于容积较小的
50m3 3.0m 7.20m 0.30m 1.000m 3.000m 0.9m 6.0m 3.709m3 52.218 m3 3.028mm 3.073mm 4mm
发酵罐、种子罐，不适于本设计。后两种适用于容积较大的发酵罐的冷却，前者适用于气温较高，水源充足的地区，传热系数小，耗水量大，从多方面因素考虑，本设计采用外部盘管内部竖式蛇管换热装置[7]。 （二） 冷却面积的计算
色氨酸发酵过程中为保证微生物生长最旺盛时耗用基质多及气温最高时期的降温，一般以每年最热的三个月每小时放出的热量作为设计冷却面积时的依据，根据不同类型的发酵罐测得每小时供给冷却器最大面积为：4.186×4200kJ/mh。
1. 热负荷的计算：
q=4.186×4200kJ/m3h=4.186×4200×1000/3600=4883.7W/ m3 则总热负荷Q=q V0=4883.7×52.218×75%=1.91×10W 2. 传热温度的计算：
发酵液温度：因为色氨酸发酵为31.5℃下的恒温发酵，所以取均温-----31.5℃ 采用循环冷却水冷却，设冷却水进口温度t1=15℃；出口温度t2=25℃；则平均传热温度为：
?tm?53?T?t1???T?t2??10.74℃ ln??T?t1???T?t2?? 23. 传热面积的计算： 取总传热系数k=550w/mK
F=Q/kΔt=1.91×10/(550×10.74)=32.33 m 4. 管径选择：
d=[Vs/(πw/4)]=[2×10/(3.14×0.5/4)] =0.071m d------蛇管内径 m
Vs------体积流量，按体积流量为2×10 m计算 w------流体流速m/s，由盘管管程选流速0.5m/s
因此，由《压力容器与化工设备使用手册》选用内径为71mm，外径为75mm，壁厚为2mm的不锈钢钢管。
?331212m52?3