生物反应器课程设计报告

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生物反应器设计（啤酒露天发酵罐设计）

XX：高金利

班级：生工2072

学号：3072106245

时间：2010年11月20日

第一章啤酒发酵罐结构与动力学特征

一、啤酒是以大麦喝水为主要原料，大米、酒花和其他谷物为辅料经制麦、糖化、发酵酿制而成的一种含有二氧化碳、酒精和多种营养成分的饮料酒。我国是世界上用谷物原料酿酒历史最悠久的国家之一，但我国的啤酒工业迄今只有100余年的历史。改革开放以来，我国啤酒工业得到了很大的发展，生产大幅度增长，发展到现在距世界第二位。由于啤酒工业的飞速发展，陈旧的技术，设备将受到严重的挑战。为了扩大生产，减少投资保证质量，满足消费等各方面的需要，国际上啤酒发酵技术子啊原有传统技术的基础上有很大进展。尤其是采用设计多种形式的大容量发酵和储酒容器。这些大容器，不依靠室温调节温度，而是通过自身冷却来控制温度，具有较完善的自控设施，可以做到产品的均一性，从而降低劳动强度，提高劳动生产率。

就发酵罐的外形来分，主要有圆柱锥形底罐、圆柱蝶形罐、圆柱加斜底的朝日罐和球形罐等。

二、啤酒发酵罐的特点

1、单位占地面积的啤酒产量大；而且可以节约土建费用；

2、可以方便地排放酵母及其他沉淀物（相对朝日罐、通用罐、贮就罐而言）；

3、发酵温度控制方便、有效，麦汁发酵时对流好，发酵速度快，可以缩短发酵周期（相对卧式罐、发酵槽而言）；

4、可以回收利用二氧化碳，并可有利于啤酒的口味稳定性与非生物稳定性（相对开口容器而言）；

5、可以一关多用，生产工艺比较灵活；简化生产过程与操作，而且酒损也现对减少；

6、制作相应要比其他发酵罐简单；

7、便于自动控制，如自动清洗和自动灭菌，节省人力与洗涤费用，卫生条件好。

三、露天圆锥发酵罐的结构

（一）罐体部分

露天圆锥发酵罐的罐体有灌顶、圆柱体与锥底3部分组成，其中：灌顶：为圆拱形，中央开孔用于可拆卸大直径法兰，以安装CO2与CIP管道及其连接件，灌顶还装有真空阀，安全阀与压力传感器。圆柱体：为发酵罐主体，发酵罐的高度主要决定于圆柱体的直径与径高比，由于大直径的光耐压低，考虑到使用钢板的厚度，一般直径＜6.0m。

圆锥底：它的夹角多为60—90°，也有90—120°，但这多用于大直径的罐及大容量的罐；如夹角过小会使椎体部分很高。露天圆锥发酵罐圆锥底的高度与夹角有关，大致占总高的1/4—1/3。圆锥底的外壁一般安装冷却夹套、阀门与视镜、取样管阀、测温、测压的传感元件或温度计，CO2洗涤装置等。

（二）温度控制部分

发酵罐的温度控制部分主要由冷却层、保温层、测温元器件、温度记录及温度控制装置等组成，其中：冷却层是调节发酵罐内液体温度的主要部分，按其结构可分为盘式和夹套式两种；

发酵罐的保温层一般使用聚氨酯泡沫塑料或脲醛泡沫塑料，也有使用聚苯乙烯泡沫塑料，在发泡保温时，为了未来的维修剥离及复原的方便，罐身与发泡塑料之间最好能用塑料薄膜隔离；发酵罐的测温元件有直接感应与遥控两种；发酵罐的温控装置实际起供、断冷却水的作用。

（三）操作附件部分

发酵罐的操作附件比较多，主要包括：进、出管道、阀门和视镜；CO2回收和CO2洗涤装置；真空/过压保护装置；取样阀；原位清洗装置（CIP）；换间板。

（四）仪器与仪表部分

发酵罐对一次仪表、二次仪表、记录装置、报警装置以及微机程序控制、自动控制的应用很广泛，这些仪器、仪表主要对发酵罐的物料数量（以容积或液位表示）、压力、温度三个参数进行显示、自动记录、自动控制及报警，还有测定浸出物含量与CO2含量的一次仪表，这样就可以进行真正的自动控制。

四、发酵罐发酵的动力学特征

发酵罐发酵的主要特点是采用较高的发酵温度和高凝性酵母、进一步提高发酵液浓度，保持茁盛的酵母层和缩短发酵时间进行可控发

酵，其主要动力学特征有：

1、由于采用凝聚性酵母，S3＞S1，使发酵速度3区＞1区；导

致B3＜B1浓度差，促进发酵液的对流；

2、由于3区发酵速度快，产生CO2多，加上液压，使P3＞P1

而形成压力差推动发酵液对流；

3、由于发酵时控制t3＞t1，形成温度差对流。

第二章 发酵罐设计计算步骤

第一部分：生物反应器设计化工计算

一、发酵罐的容积确定

设计需要选用V 有效=32m 3的发酵罐

则V 全=V 有效/φ=32m 3/80%=40m 3

二、基础参数选择

1．D ∶H ：选用D ∶H=1∶2

2．锥角：取锥角为70°

3．封头：选用标准椭圆形封头

4．冷却方式：选取槽钢盘绕罐体的三段间接冷却

5．罐体所承受的最大内压：2.5㎏/cm ³ 外压：0.3㎏/cm ³

6．锥形罐材质：A3钢材外加涂料，接管均用不锈钢

7．保温材料：硬质聚氨酯泡沫塑料，厚度200㎜

8．内壁涂料，环氧树脂

三、D 、H 确定

由D ∶H=1∶2，则锥体高度H 1=D/2tan35°=0.714D

封头高度 H 2=D/4=0.25D

圆柱部分高度 H 3=（2.0－0.714－0.25）=1.04D

又因为V 全=V 封＋V 锥＋V 柱

=323124

2443H D D H D ⨯⨯∏+⨯∏+⨯⨯∏

=0.187D ³＋0.131D ³＋0.87D ³=40m ³

得D=3.23m

查1154-74《椭圆形封头和尺寸》取发酵罐直径D=3400mm 再由V 全=40m ³ D=3.4m

得经高比 D ∶H=1:1.9

由D=3400mm 查表得

h 1=850mm h 0=50mm F=13.0㎡ V=5.60m ³

筒体几何尺寸为：

H=5940mm F=63.44㎡ V=32.43m ³

锥体封头几何尺寸为：

h 0=50mm V=9.83m ³ H=3115mm F=6.86㎡

则锥形罐体总高：H=850＋50＋5940＋50＋3115=10005mm 总体积：V 全=5.60＋32.43＋9.83=47.86m ³

实际充满系数ψ=83.6％

罐内液柱高：

H ′=[40-9.83/(3.14×3.42)/4]×102+(3115+50)=8434㎜

四、发酵罐的强度计算

（一）罐体为内压容器的壁厚计算

1．标准椭圆封头

设计压力为1.1×2.5=2.75㎏／㎝²

S=[]C P PDg

t +-ϕσ2

式中：P=2.75㎏／㎝²