生物工程设备课程设计
单批次发酵 60m3 谷氨酸
的发酵工艺设计
院系：生命科学学院 专业：生物工程 班级：122 学号：2012031202 姓名：陈志强 指导老师：张艳梅 日期：2015年6月28日
目录
第1章 概述………………………………………………………………………1
1.1发酵罐设计前景……………………………………………………………1
1.2微生物生物反应器的研究与应用概述……………………………………1 1.3微生物反应器的研究和应用进展………………………………………2
第2章 设计依据…………………………………………………………………3
2.1、本次设计内容………………………………………………………………3 2.2、 基本参数…………………………………………………………………3 2.2.1 发酵罐的型式………………………………………………………3 2.2.2 发酵罐的用途………………………………………………………3 2.2.3冷却水及冷却装置……………………………………………………4 2.2.4设计压力 ……………………………………………………………4
第3章 通用发酵罐的系列参考尺寸………………………………………5
3.1.通用发酵罐的系列尺寸……………………………………………………5 3.2 发酵罐主要设计条件………………………………………………………6
第4章 谷氨酸生产工艺流程简介……………………………………………7
4.1谷氨酸发酵工艺技术参数…………………………………………………7
4.2谷氨酸生产原料及处理……………………………………………………7 4.3谷氨酸生产工艺流程图……………………………………………………10
第5章 发酵罐选型及工艺计算………………………………………11
5.1 发酵罐的设计与选型……………………………………………………11 5.1.1 发酵罐的选型………………………………………………………11 5.1.2 生产容积的确定……………………………………………………11 5.2主要尺寸的计算…………………………………………………………11 5.3 冷却面积的确定………………………………………………………12 5.4 搅拌器设计……………………………………………………………13 5.5 、搅拌轴功率的确定………………………………………………………15 2.5.1 计算Rem ………………………………………………………………15 5.5.2不通气条件下的轴功率计算…………………………………………16 5.5.3 通气发酵轴功率计算………………………………………………16 5.5.4 求电机功率P电………………………………………………………17 5.6设备结构的工艺设计………………………………………………………17 5.7 竖直蛇管冷却装置设计…………………………………………………18 5.8备材料的选择……………………………………………………………21 5.9 发酵罐壁厚的计算………………………………………………………21 5.10 接管设计…………………………………………………………………23
第6章 设计结果与讨论………………………………………………25
6.1发酵罐参数设计汇总 …………………………………………………25 6.2 辅助设备有关参数 ………………………………………………………26 6.3 搅拌器有关参数 …………………………………………………………27 6.4主要符号说明 ……………………………………………………………27
第7章 发酵罐设计心得体会………………………………………………29 参考文献…………………………………………………………………………30 设计图………………………………………………………………………………31
第1章 概述
1.1 发酵罐设计前景
生物反应器是多学科交叉的生物技术领域，是21世纪生物工程发展的重要前沿之一。近年来，国内外利用动物、植物和微生物生物反应器生产蛋白药物与其它重要产品的研究取得了令人瞩目的进展，特别是功能基因的高效表达技术与方法研究有了许多新的突破，不少产品已进入研究开发和产业化阶段。
生物反应器（bioreactor）是利用酶或生物体（如微生物）所具有的生物功能，在体外进行生化反应的装置系统，其设计、放大是生化反应工程的中心内容。从反应过程上看，生物反应器根据培养对象的不同可分为以下几种。①微生物反应器和酶反应器。微生物反应器是生产中最基本也是最主要的设备，其作用就是按照发酵过程的工艺要求，保证和控制各种生化反应条件，如温度、压力、供氧量、密封防漏、防止染菌等，促进微生物的新陈代谢，使之能在低消耗下获得较高的产量。酶反应器可分游离酶及固定化酶反应器两大类。②细胞生物反应器。动物细胞或植物愈伤组织培养条件苛刻，培养周期长，杂菌污染的危害性大，因此动植物细胞反应器的设计远较微生物反应器复杂。③转基因动植物生物反应器。目前，动物生物反应器中研究与应用较多的是乳腺生物反应器，该类反应器基于转基因技术平台，使源基因导入动物基因组中并定位表达于动物乳腺，利用动物乳腺天然、高效合成并分泌蛋白质的能力，在动物的乳汁中生产一些具有重要价值的产品。植物生物反应器主要是指利用转基因植物来生产蛋白质和次生代谢产物等工程产品。
1.2 微生物生物反应器的研究与应用概述
微生物反应器和酶反应器发展至今，已经形成了多种类型：在操作方式上，间歇式、连续式和半间歇式均已得到研究和应用 ；在反应器结构特征上，目前已发展了釜 / 罐式、管式、塔式、膜式等类型 ；在能量的输入方式上，目前已发展了通过机械搅拌输入能量的机械搅拌式、利用气体喷射动能的气升式和利用泵对液体的喷射作用而使液体循环的生物反应器等 ；在生物催化剂在反应器中的分布方式上，目前已发展了生物团块反应器和生物膜反应器，其中生物团块反应器根据催化剂相态的不同又发展了填充床、流化床、生物转盘等多种型式的生物反应器 ；在反应器内的流动和混合状态上，目前生物反应器已发展至全混流型生物反应器和活塞流型生物反应器。
微生物反应器的研究和开发需要经历三个阶段 ：①实验室阶段 —— 微生物的筛选和培养基的研究，在摇瓶培养或1 ～ 3L 反应器中进行 ；②中试阶段 ——5 ～ 500L 规模小型反应器，环境因素最佳操作条件研究；③工厂化规模生产 ——实验生产至商业化生产，提供产品并获得经济效益。酶反应器和下述的细胞生物反应器研究也同样需要经历实验室阶段、中试阶段和规模生产阶段。在三个阶段中，尽管生物反应过程相同，但规模的不同使反应溶液的混合状态、传质与传热速率等不尽相同，如何让微生物、酶、细胞充分与外界接触并完成生化过程，达到足够高的反应效率，在工艺上都会有许多新的困难。反应器类型的多样性和工艺的复杂性一方面提高了反应器研究和应用的难度，另一方面也给生物反应器的研究和发展带来了巨大的空间。例如，近年来，膜生物反应器在污水处理中的研究和应用不断发展。
1.3 微生物反应器的研究和应用进展
膜生物反应器在污染处理中的应用是近年来微生物反应器的研究和应用进展的代表性技术之一。除此之外，结合数学、动力学、化工工程原理、计算机等技术研究微生物反应器和酶反应器中的生化过程，使其过程控制的工艺更为合理，而固液分离技术（离心分离、过滤分离、沉淀分离等工艺）、细胞破壁技术（超声、高压剪切、渗透压、表面活性剂和溶壁酶等）、蛋白质纯化技术（沉淀法、色谱分离法和超滤法等）等下游技术的发展促进了生物反应器设计水平的提高。另一方面，近年来基因工程技术等的发展推动了微生物反应器研究的快速进步。例如，乙酸氧化脱硫单胞菌（Geobacter sulfurreducens）、泥土杆菌科（Geobacteraceae）的电极还原微生物等细菌的发现和改造与质子交换膜（PEM）的技术进步，共同推动了微生物燃料电池（MFC）技术的发展和应用。