发酵罐设计

1 前言
生物反应工程与设备课程设计是生物工程专业一个重要的、综合性的实践教学环节，要求综合运用所学知识如生化反应工程与生物工程设备课程来解决生化工程实际问题，对培养我们全面的理论知识与工程素养，健全合理的知识结构具有重要作用。

发酵罐是发酵设备中最重要、应用最广的设备，是发酵工业的心脏，是连接原料和产物的桥梁。

随着工业技术的发展，市面上出现了种类繁多、功能更加完备的新型发酵罐。

如何选择或者设计一种合适的发酵罐将会成为一个研究热点。

本文旨在通过相应的参数计算和设备计算完成年产20吨庆大霉素的机械通风发酵罐初步设计。

2 常见的发酵罐
2.1机械搅拌通风发酵罐
机械搅拌发酵罐是利用机械搅拌器的作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供给微生物生长繁殖、发酵所需的氧气,又称通用式发酵罐。

可用于啤酒发酵、白酒发酵、柠檬酸发酵、生物发酵等。

图1 机械通风发酵罐
2.2气升式发酵罐
气升式发酵罐把无菌空气通过喷嘴喷射进发酵液中，通过气液混合物的湍流作用而使空气泡打碎，同时由于形成的气液混合物密度降低故向上运动，而含气率小的发酵液下沉，形成循环流动，实现混合与溶氧传质。

其结构简单、不易染菌、溶氧效率高和耗能低，主要类型有气升环流式、鼓泡式、空气喷射式等。

图2 气升式发酵罐原理图
2.3自吸式发酵罐
自吸式发酵罐是一种不需要空气压缩机，而在搅拌过程中自吸入空气的发酵罐。

叶轮旋转时叶片不断排开周围的液体使其背侧形成真空，由导气管吸入罐外空气。

吸入的空气与发酵液充分混合后在叶轮末端排出，并立即通过导轮向罐壁分散，经挡板折流涌向液面，均匀分布。

与机械发酵罐相比，有一个特殊的搅拌器，但没有通气管。

罐为负压，易染菌，当转速较大时，会打碎丝状菌。

图3 自吸式发酵罐
3 已知工艺条件
（1）年产量：G=20 t （庆大霉素） （2）年工作日：M=300天 （3）发酵周期：t=6天
（4）发酵平均单位：μm =1400单位/毫升
（5）成品效价：μp =580单位/毫克 （6）提炼总效率：ηp =87%
（7）每年按300天计算，每天24小时连续运行。

（8）装料系数：Φ=75%
4 工艺计算
4.1 由年产量决定每天放罐发酵液体积
d V η
μμp
m
p d M G
V 1000=
%
871400300580
201000⨯⨯⨯⨯=
75.31=d m 3
4.2 发酵罐公称容积0V 和台数的确定 φ⋅=
d d
n V V 0=75
.0175.31⨯=42.43m 按照国内发酵罐系列取3050m V =
d n ：每天放罐系数，取d n =1罐；
φ：发酵罐装料系数，φ=75%； 发酵罐总台数n=d n ⨯发酵周期 n=1⨯6=6(台）
发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间 辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移种时间+放罐压料时间+清洗检修时间 4.3 发酵罐实际产量 年吨58.23204
.4250
=⨯ 年，台千克6.78300
1000
58.23=⨯
4.4 每吨产品需要的发酵液量 10.4770786
.075
.050=⨯t m /3
4.5 机械通风发酵罐的高度和直径
322.1275.12.1—时，—时，一般使用==D H D D H D
确定发酵罐的高度和直径：
设发酵罐的圆筒体积为筒V ，封底体积为底V 0V =筒V +底V 0V =
3
224
24
D H D ππ
+
取H=1.95D 即5024214.395.1414.333=⨯+⨯D D m
D=3.1m H=6.0m
其中，D 为发酵罐公称直径，H 是发酵罐圆筒高。

4.6机械发酵罐壁厚的计算
4.6.1计算法确定发酵罐的壁厚1S
）（】【cm C P
2PD
S 1+-=
ϕσ
式中，
P —设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4Mpa
D —发酵罐内径，D=310cm 【σ】—A3钢的许用应力，【σ】=127Mpa φ焊缝系数，取φ=0.7 C —壁厚附加量321C C C C ++=
1C —钢板负偏差，取m m 8.0C 1= 2C —为腐蚀欲量，取2C =2mm
3C —加工减薄量，取3C =0，代入上式得 mm 28.0028.0C C C C 321=++=++=
cm
98.028.04.07.01272310
4.0S 1=+-⨯⨯⨯=
4.6.2封头壁厚计算
b h -椭圆封头的直边高度m ，
取b h =0.05m a h -椭圆封头短半轴长度，
a h =77.04
1
=D
标准椭圆封头的厚度计算公式如下：
）（】【cm C P 2PD
S 2+-=ϕσ
式中，P=0.4Mpa ，D=310cm ，【σ】=127Mpa
1C =0.08cm ，2C =0.2cm ，3C =0.1cm
38.0C C C C 321=++=cm ，ϕ=0.7
代入上式，得 :
cm 07.138.04.07.01272310
4.0S 2=+-⨯⨯⨯=
查钢材手册圆整为2S =12mm 。

4.7 发酵罐搅拌装置计算和轴功率计算 4.7.1 搅拌装置
发酵罐的搅拌器一般都采用圆盘的涡轮搅拌器，搅拌叶的形式有平叶、弯叶、箭叶三种，其外形见下图：
图4 三种常用涡轮搅拌器 搅拌叶形式的选择是发酵罐设计中的一个关键。

本次设计，由于庆大霉素发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D 有一定比例关系，现将主要尺寸列出： 搅拌器叶径d i =D/3=3.1/3=1.03m 取d i =1.m
挡板宽 B=0.1 d i =0.1×1=0.1m
底距 C=d i =1.0m 搅拌叶间距 S=D=3.1m 弯叶板厚 δ=12mm
4.7.2 搅拌轴功率的计算
4.7.2.1 不通风情况的搅拌轴功率 不通风情况的搅拌轴功率随着液体的性质、搅拌器的形式、罐的结构尺寸的不同而不同。

经过大量实验可得功率准数（p N ）和搅拌雷诺指数（e R ）之间的函数关系：
p N =)(e R f =
5
3i D n p
ρ -------------① P=53i p D n N ρ
其中：p ：搅拌功率（公斤⋅秒米）（1千瓦=102公斤⋅米） n ：搅拌器转速（秒转）
i D ：搅拌器直径（米）
ρ：液体密度（公斤/3m ）
由化工原理可知：e R 410≥ 湍流 e R 10≤ 滞流
101010≤≤e R 过渡流
图5 曲线e p R N -
上式公式①只适用于湍流和滞留，过渡流时p N 不是一个常数，必须从
e p R N ∝曲线查询。

当e R 410 ，属于湍流区。

此时的流体（见图5）称为牛顿型流体，由上图实验得出的曲线来看，该区p N 不随e R 的增加而增加，基本上趋于水平线，也就是说p N 为一常数。

六平叶涡轮浆 p N =6.0 六弯叶涡轮浆 p N =4.7 六箭叶涡轮浆 p N =3.7
工作状态时，通常发酵罐内发酵液都需要处于湍流状态，因此使用e p R N -曲线图，线图计算无通气时的搅拌率比较方便，算出e R ，并查的p N 值，则搅拌功率即可由下式计算（生物工厂设计）
1
,1.03,35
3====⋅⋅⋅=i i i p D B D W D D D H D N N p 上式是根据ρ 若不符合上述条件，可用下面公式校正：
P D H D D P i ⋅⨯=
3
3)
)(i （实
功率计算：
已知n=170转/分 （工厂提供数据）
3
131-21/,03.1i ，本设计取一般米==D D D i 4
2/10781.91050米秒公斤⋅===g r ρ（305.1米吨=r ，工厂测定数据）
p N =4.7 由公式
kW s kgm P 5.110/52.1326003.160
1701077.45
33
==⨯⨯⨯= 校正得：
kW P 3.1545
.1103
3)
03.16(03.11.3=⨯⨯=
）（实
根据一般搅拌器之间的距离S=1.5-2.5i D 搅拌器个数=搅拌器间距
发酵罐筒体高度
=
03
.126
⨯
=2.9个 取3个 一般，三个搅拌器为单个搅拌器的2倍：
6
.30823.154=⨯=实P kW 4.7.2 通风条件下的搅拌功率 ①由风速估计
通风情况下的搅拌功率将下降，当风速大于30米/小时，通风功率仅为不通风的40-50%
则实P =kW 9.138%456.308=⨯。

②由经验公式估计
密氏公式（生物工厂设计）
45
.056.032)(Q
nD P K P i g = 其中K=0.156
=45
.056
.032))2.175.050(03.11706.308(156.0⨯⨯⨯⨯ =109.1kW
设机械传动效率为0.8
则 kW P g 4.1368
.02
.109==
从上面可以看出，基本功率约为137kW 。

4.8 发酵罐冷却水量和冷却面积计算 4.8.1 发酵热效应
1V Q Q P ⋅=热
其中热Q ：发酵热效应 KJ/h
p Q ：发酵热
3500kCal/h m 3
=14700KJ/h m 3
1V :发酵液体积 323m
h J Q /k 4704003214700=⨯=热
各种发酵液发酵热见下表：
4.8.2 冷却水量的计算
发酵过程，冷却水系统按季节气温的不同，采用冷却水系统也不同，为了保证发酵液生产，夏季必须使用冰水。

冬季：气温o C 17 时采用循环水进口17o C ，出口20o C .
夏季：气温o C 17 时采用循环水进口10o C ，出口20o C .
冬季冷却水循环水用量计算：
h t t C Q W /t 452.117-2018.4470400-2
.1)
(12=⨯=⨯=
-=
）（冷却水入口温度）比热（冷却水出口温度发酵热效应冷
夏季冷却水用量计算：
h t t C Q W /t 5.132.101-2018.4470400-2
.1)
(12=⨯=⨯=
-=
）（冷却水入口温度）比热（冷却水出口温度发酵热效应冷
取14吨/时。

4.8.3 冷却器面积计算
C h m C K h J Q t
k Q F o 2/al k 450-200:/k 470400:传热系数发酵热效应∆=
取K=300C h m kCal o 2/
2
)t -t t -t 出罐进罐（）（平均温差+=
=∆t 2
2.245
.1518.43004704005
.152
)
2034()1734(m t K Q F =⨯⨯=∆==-+-=
取252m
4.9 蒸汽消耗量计算
发酵罐蒸汽消毒有三种方法：实消、连消、空消。

庆大霉素常常采用实消方法。

实消蒸汽用量最大，蒸汽直接通入罐内与发酵液等一起加热，使罐温从80-90C o 迅速升温至120C o 以达到灭菌的效果。

保温时间内蒸汽用量按升温用汽量的30-50%进行计算。

4.9.1 直接蒸汽混合加热蒸汽消耗量的计算：
)1()()
(2121η+⋅⋅--=
C
t i t t GC D
1D ：蒸汽消耗量 kg
G ：被加热料液量 kg ，已知为323m
2t ：加热结束时的料液温度120C o
1t ：加热开始时的料液温度35C o I ：蒸汽焓KJ/kg ，0.4MPa 焓为650kCal/kg
η：热损失5-10%，取5%
()kg D 1.5658)
05.01(18
.412018.46503512018.433600=+⨯-⨯-⨯⨯=
4.9.2 灭菌保温时间内的蒸汽用量2D
2D =0.51D 05.28291.56585.0=⨯=kg 4.10 发酵罐发酵过程中需要压缩的空气量
4.10.1 通风比计算法
发酵工厂压缩空气量一般都是根据实际生产经验以通风比来决定，如庆大霉素工厂提供的通风比1:1.2--1.5
已知发酵罐503m 6台，装料系数75%，
取通风比为1:1.2，则压缩空气需要量：
m in /2702.175.06503m Q =⨯⨯⨯=
4.10.2 耗氧率的计算方法 各种微生物的耗氧率因种类的不同而不同，其范围大致为
25-100mgmol/l.h(庆大霉素生产取38mg-mol/l.h)，根据抗生素生产工艺学）P103(7-30)公式：耗氧率=单位时间内进口空气中氧的含量—单位时间内出口空气中氧的含量发酵液的体积
1
⨯
V
C C G 1
-(104.221603⨯⨯⨯⨯=）出进γ
γ：耗氧速率mg-mol/l.h
G ：空气流量min /3m
进G ：进口空气含量 21%
出G ：
出后空气含量 19.8%（工厂数据）
min
/266)198.021.0(10604.22675.05038)198.021.0(10604
.223
33m V r G =-⨯⨯⨯⨯⨯⨯=
-⨯⨯⨯=
计算结果和通风比计算结果非常接近，进一按通风比计算切合实际。

5 管道设计
5.1 接管设计
① 接管的长度h 设计
各接管的长度h 根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm ② 接管直径的确定
主要根据流体力学方程式计算。

已知物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出的直径再休整到相近的钢管尺寸即可。

③ 通风管的管径计算 该罐实装醪量323m
④ 设1h 内排空，则物料体积流量
s /m 0088.01
360032Q 3=⨯=
发酵醪流速取V=1m/s 则排料管截面积为物F
2m 0088.01
0088.0V Q F ===
物 2785.0F d =物
则管径m
11.0785.00088.0785.0===物F d 取无缝钢管Ф121x4适用。

若按通风管计算，压缩空气在
0.4Mpa 下，支气管气速为20m/s ，通风比 1:1.2。

20C 0，0.1Mpa 下：Q=32x1/1.2=25.8s /m 43.0min /m 33= 计算到0.4Mpa ，30C 0状态下：
s /m 11.020
273302734.01.043.0Q 3f =++⨯⨯
=取风速v=20m/s ，则风管截面积f F 为： 2f f m 0055.020
11.0v Q F ===
2
f d 785.0F 气
=，则气管直径气d 为： m 083.0785
.00055
.0d ==
气 取d=Ф95x4无缝管，则满足工艺要求。

由此可知：
则进料口： d=Ф121x4 封头 排料口： d=Ф121x4 罐底 进气口： d=Ф95x4 封头 排气口： d=Ф95x4 罐底
椭圆人孔： 300x400mm 封头 5.2 蛇管的计算 ①冷却管总面积
冬季最高峰时w=45t/h=12.5Kg/s ，冷却水体积流量为12.5Kg/s ，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s ，根据流体力学方程式，冷却管总截面积总S 为： v
w
=总S 式中：
W ：冷却水体积流量，w=12.5×103-m ³/s
V ：冷却水流速，v=1m/s 代入上式，总S =12.5×103-㎡ ②冷却管组数和管径 设管径为0d ，组数为n ，则
总S =n.0.785.d 20
根据本罐情况，取n=3，求管径，由上式得：
m
0728.0785
.03105.12n 785.0S d 3
0=⨯⨯==-总
查金属材料表选取不锈钢无缝钢管表，选取Ф83×4无缝管，内d =75mm ，
0d d >内，满足要求，平均平d =77mm 。

现取竖蛇管圈端部u 型弯管曲径为
250mm ，则两直管距离为500mm ，两端弯管总长度0l ）（m m 157050014.3D l 0=⨯==π ③冷却管总长度L 计算
有前知冷却管总面积F=25㎡ 现取无缝钢管Ф83×4，每米长冷却面积为20m 24.01077.014.3F =⨯⨯= 则m L 2.10424
.025
F F 0===
4+=L L 实际=104.2+4=108.2m 冷却管占有体积V=0.785×0.0732×104.2=0.44m ³
④每组管长0L 和管组高度
m 8.343
3.104n L L 0===
两端弯管总长0L =1570mm ，两端弯管总
高为500mm ，则直管部分高度：h=H-500=3400-500=2900（mm ），则一圈管长m m 7370157029002l 2h l 0=+⨯=+=
⑤每组管子圈数0n
圈537.78.34L L n 00===
现取管间距
m 19.0077.05.22.5D =⨯=外，竖直蛇
管与罐壁的最小距离为0.15m ，则可计算出与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm ）。

⑥校核布置后冷却管的实际传热面积
2m 272.108079.0L nd F =⨯⨯=⨯=π实平均实而前有F=25.7㎡，实F ＞F ，μ可满足要求。

5.3支座选择
发酵设备常用支座分为卧式支座和立式支座。

其中卧式支座又分为支腿，圈型支座，鞍型支座三种。

立式支座也分为三种即：悬挂支座，支撑式和裙式支座。

对于3m 75以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座。

本设计V=350m 选用支撑式支座。

6 参考文献
【1】郑裕国.生物工厂设备[M]北京.
化学工业出版社，2007
【2】吴思芳.发酵工厂工艺设计概论[M]北京.轻工业出版社，2006 【3】梁世忠.生物工程设备2009,7
【4】曲文海，朱有庭化工设备设计手
册[M].2005,6 【5】陈乙崇等搅拌设备设[M].1988,1
设计结果汇总
项目
工艺尺寸
项目 大小 发酵罐公称体积n
V 503
m 实际装液量 313m 罐径D 3100mm 罐压P 0.4MP 罐高H 6000mm 通气量Q
270min /3m 封头短半轴a h 770mm 通风时搅拌抽功率（g P ） 136.4kW 涡轮搅拌器直径D i 1030mm 不通气时轴功率（0P ） 138.9kW 发酵罐壁厚S 1 9.8mm 搅拌转速2N 170r/min 封头壁厚S 2 10.7mm
夏季冷却水用量W 45t/h 人孔 300X400mm 冬季冷却水用量W 14t/h 冷却管总长 1082000mm 冷却器面积F 252m
蛇管直管高度 2900mm
蛇管弯管高度 500mm 进/出料口 Ф121x4mm 进/出气口 Ф95x4mm 蛇管直径 Ф83×4mm 搅拌器挡板宽 100mm 搅拌器挡板长 200mm。