发酵工艺课程设计

课程设计发酵工程
学生姓名：
学院：生命科学学院
系别：生物工程系
班级：
学号：
指导教师：
日期：2012年6月
目录
1 前言 (4)
1.1液体深层发酵 (4)
1.1.2分批补料发酵 (4)
1.1.3 连续发酵法 (4)
1.2 连续培养 (4)
1.2.1 恒浊连续培养 (4)
1.2.2 恒化连续培养 (4)
2 发酵工艺流程 (5)
3 菌种 (5)
3.1菌种名称 (5)
3.2 菌种简介 (5)
3.2.1 菌种形态 (13)
3.2.2 功能特性........................... 错误！未定义书签。

3.2.3 作用机理 (5)
3.2.4 菌种用途........................... 错误！未定义书签。

3.3 菌种培养参数的选择 (6)
3.3.1 最佳生长时间选择 (6)
3.3.2 最佳接种量的选择................... 错误！未定义书签。

3.3.3最佳装液系数的选择................. 错误！未定义书签。

3.3.4 工艺流程简图 8
4设计依据 (9)
4.1总体生产规模 (9)
4.2基本发酵工艺流程 (9)
4.3发酵工艺设计理论参数 (9)
4.4菌种的活化 (9)
4.5种子液制备 (15)
4.6种子培养 (9)
4.6.1一级培养 (9)
4.6.2 二级培养 (9)
4.6.3三级培养 (18)
5发酵工艺流程与设备流程设计 (19)
5.1主发酵罐选定 (19)
5.2种子罐选定............................... 错误！未定义书签。

5.2.1 二级种子罐........................... 错误！未定义书签。

5.2.2一级种子--摇瓶数量型号选择.......... 错误！未定义书签。

0
6 空气压缩机的选择 (11)
7 锅炉的选择 (11)
8 实际确定的发酵设备选择推算结果参数汇总 (12)
9 主发酵罐详细尺寸设计 (12)
9.1 机械搅拌通风发酵罐 (12)
9.1.1 通用型发酵的几何尺寸比例 (12)
9.1.2 罐体 (12)
9.1.3搅拌器和挡板 (12)
9.1.4轴封 (13)
9.2 发酵罐 (13)
9.2.1 发酵罐的选型 (13)
9.2.2主要尺寸的计算 (13)
9.2.3冷却面积的计算 (14)
9.2.4 搅拌器计算 (14)
9.2.5 搅拌器功率计算 (15)
9.2.6 设备结构的工艺计算 (16)
9.2.7设备材料的选择 (17)
9.2.8发酵管壁厚的计算 (18)
9.2.9接管设计 (18)
9.2.10支座选择 (19)
10设备流程简图........................... 错误！未定义书签。

9 11 参考文献. (20)
1、前言
1.1液体深层发酵
深层液体培养法也叫液体深层发酵法，它是目前发酵工业上常用的一种发酵方法。

根据操作方法的差异，液体深层发酵法又可以分为分批发酵法、分批补料发酵法和连续发酵法.连续培养装置的一个主要参数是稀释率(D)，它的定义为：D = F/V = 流动速率/容积。

1.1.1 分批发酵法。

此法是指一次性地向发酵罐中投入培养液，发酵完毕后，又一次性地放出原料的发酵方法。

放料后再重复投料、灭菌、接种、发酵等过程。

在这一过程中，菌种的生长可分为调整期、对数期、稳定期和衰亡期四个时期。

1.1.2 分批补料发酵法。

此法是指在分批发酵中，间歇或连续补加新鲜培养基的发酵方法。

所补的原料可以是全料，也可以是氮源、碳源等，目的是延长代谢产物的合成时间等。

用这种方法生产青霉素，使生产效率提高了20%。

1.1.3 连续发酵法。

此法是指向发酵罐连续加入培养液的同时，连续放出老培养液的发酵方法。

其优点是设备利用率高、产品质量稳定，便于自动控制等，缺点是容易污染杂菌。

这种技术已用于生产酵母菌菌体、乙醇、乳酸、丙酮 丁
醇，以及石油脱蜡、污水处理等.
1.2连续培养
将微生物置于一定容积的培养基中，经过培养生长，最后一次收获，此称分批培养(Batch culture)。

通过对细菌纯培养生长曲线的分析可知，在分批培养中，培养料一次加入，不予补充和更换。

随着微生物的活跃生长，培养基中营养物质逐渐消耗，有害代谢产物不断积累，故细菌的对数期不可能长时间维持。

如果在培养器中不断补充新鲜营养物质，并及时不断地以同样速度排出培养物(包括菌体及代谢产物)，从理论上讲，对数生长期就可无限延长。

只要培养液的流动量能使分裂繁殖增加的新菌数相当于流出的老菌数，就可保证培养器中总菌量基本不变,此种方法就叫连续培养法。

连续培养方法的出现，不仅可随时为微生物的研究工作提供一定生理状态的实验材料，而且可提高发酵工业的生产效益。

最简单的连续发酵装置包括：培养室、无菌培养基容器以及可自动调节流速(培养基流入，培养物流出)的控制系统，必要时还装有通气、搅拌设备。

连续培养装置的一个主要参数是稀释率(D)，它的定义为：D = F/V = 流动速率/ 容积
1.2.1 恒浊连续培养
不断调节流速而使细菌培养液浊度保持恒定的连续培养方法叫恒浊连续培养。

在恒浊连续培养中装有浊度计，借光电池检测培养室中的浊度(即菌液浓度)，并根据光电效应产生的电信号的强弱变化，自动调节新鲜培养基流入和培养物流出培养室的流速。

当培养室中浊度超过预期数值时，流速加快，浊度降低；反之，流速减慢，浊度增加，以此来维持培养物的某一恒定浊度。

如果所用培养基中有过
量的必需营养物，就可使菌体维持最高的生长速率。

恒浊连续培养中，细菌生长速率不仅受流速的控制，也与菌种种类、培养基成分以及培养条件有关。

恒浊连续培养，可以不断提供具有一定生理状态的细胞,得到以最高生长速率进行生长的培养物。

在微生物工作中，为了获得大量菌体以及与菌体相平行的代谢产物时，使用此法具有较好的经济效益。

1.2.2 恒化连续培养
控制恒定的流速，使由于细菌生长而耗去的营养及时得到补充，培养室中营养物浓度基本恒定，从而保持细菌的恒定生长速率，故称恒化连续培养，又叫恒组成连续培养。

已知营养物浓度对生长有影响，但营养物浓度高时并不影响微生物的生长速率，只有在营养物浓度低时才影响生长速率，而且在一定的范围内，生长速率与营养物的浓度成正相关，营养物浓度愈高，则生长速率也高。

恒化连续培养的培养基成分中，必须将某种必需的营养物质控制在较低的浓度，以作为限制因子，而其他营养物均为过量，这样，细菌的生长速率将取决于限制性因子的浓度随着细菌的生长，限制因子的浓度降低，致使细菌生长速率受到限制，但同时通过自动控制系统来保持限制因子的恒定流速，不断予以补充，就能使细菌保持恒定的生长速率。

用不同浓度的限制性营养物进行恒化连续培养，可以得到不同生长速率的培养物。

2.发酵工艺流程
保藏枯草芽孢杆菌的菌种→平板划线培养→挑取单菌落→菌种摇瓶培养→种子扩大培养→主发酵→半成品
3菌种简介
3.1菌种名称
菌种名称：枯草芽孢杆菌
拉丁学名：Bacillus subtilis (Ehrenberg) Cohn
3.2菌种简介
3.2.1菌体形态
枯草芽孢杆菌，是芽孢杆菌属的一种。

单个细胞0.7～0.8×2～3微米，着色均匀。

无荚膜，周生鞭毛，能运动。

革兰氏阳性菌，芽孢0.6～0.9×1.0～1.5微米，椭圆到柱状，位于菌体中央或稍偏，芽孢形成后菌体不膨大。

菌落表面粗糙不透明，污白色或微黄色，在液体培养基中生长时，常形成皱醭。

需氧菌。

可利用蛋白质、多种糖及淀粉，分解色氨酸形成吲哚。

在遗传学研究中应用广泛，对此菌的嘌呤核苷酸的合成途径与其调节机制研究较清楚。

广泛分布在土壤及腐败的有机物中，易在枯草浸汁中繁殖，故名。

3.2.2功能特性
1、能调节动物肠道菌群平衡 ,改善肠道微生态环境 ,促进动物生长和提高抗病力。

2、在不利环境条件下能以孢子形式存在 ,在饲料制粒、贮存及胃酸环境中仍能保持高活性。

3、能刺激动物免疫器官的生长发育 ,激活淋巴细胞 ,提高免疫球蛋白和抗体
水平 ,增强细胞免疫和体液免疫功能 ,提高机体免疫力。

4、能自身合成消化性酶类 ,如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶和纤维素酶等 ,与内源消化酶共同发挥作用 ,促进养分的消化吸收。

文章以一株枯草芽孢杆菌为研究对象 ,对其摇瓶发酵培养基及发酵条件进行优化 ,为其规模化发酵提供依据。

3.2.3作用机理
1、枯草芽孢杆菌菌体生长过程中产生的枯草菌素、多粘菌素、制霉菌素、短杆菌肽等活性物质，这些活性物质对致病菌或内源性感染的条件致病菌有明显的抑制作用；
2、枯草芽孢杆菌迅速消耗环境中的游离氧，造成肠道低氧，促进有益厌氧菌生长，并产生乳酸等有机酸类，降低肠道PH值，间接抑制其它致病菌生长；
3、刺激动物免疫器官的生长发育，激活T、B淋巴细胞，提高免疫球蛋白和抗体水平，增强细胞免疫和体液免疫功能，提高群体免疫力；
4、枯草芽孢杆菌菌体自身合成α-淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶等酶类，在消化道中与动物体内的消化酶类一同发挥作用；
5、能合成维生素B1、B2、B
6、烟酸等多种B族维生素，提高动物体内干扰素和巨噬细胞的活性。

3.2.4菌种用途
1、该菌种对特殊菌体进行促芽孢和微胶囊包被处理，在孢子状态下稳定性好，能耐氧化；耐挤压；耐高温，能长期耐60°C高温，在120°C温度下能存活20分钟；耐酸碱，在酸性胃环境中能保持活性，可以耐唾液和胆汁的攻击，是饲料微生物中可100%直达大小肠的活菌。

2、枯草芽孢杆菌以孢子状态进入消化道后，迅速由休眠状态复活，在短期内繁殖成高含菌量的优势种群，消耗掉肠道内大量氧气，并能产生过氧化氢、细菌素，建立微生态平衡，促进有益厌氧微生物的繁殖，抑制有害细菌（大肠杆菌、沙门氏杆菌）的生长，从而预防腹泻、下痢等肠胃道疾病。

3、在快速繁殖过程中，产生大量多种维生素、有机酸、氨基酸、蛋白酶（特别是碱性蛋白酶）、糖化酶、脂肪酶、淀粉酶，能降解植物性饲料中复杂的有机物，从而促进消化吸收，提高饲料利用率，防止动物消化不良，出现“饲料便”等状况发生。

4、该菌种安全高效，无药残，无毒副作用，能减少抗生素药物的使用，增强免疫力。

同时缓解动物不进食，生长缓慢等不良应激反应状态，恢复由于用药造成的动物体质下降，提高疫苗抗体水平等综合抗病力。

5、除臭驱蝇，减少污染，控制细菌性疾病，能减少粪便中氮、磷、钙的排泄量，减少粪便臭味及有害气体排放，表现为动物粪便臭味逐步减轻，减少饲料蛋白质分解为氨气浪费，从而减少环境污染。

6、改善肉蛋奶品质，生产“绿色肉”、“农家蛋”、“无抗奶”，本品通过增强消化吸收功能，充分吸收利用饲料中营养成份及原料的天然色素，无需添加化学色素苏丹红、加丽素红造成对人体的有害物质及影响畜禽产品天然食用风味，可媲美家养畜禽肉。

能天然增加动物产品着色度和食用风味，猪只皮肤红润，毛色发亮；肉鸡肉鸭颜色加深；改善蛋壳的质量和颜色，蛋清厚稠，蛋黄鲜红；水产动物颜色更加健康，无斑点。

3.3菌种培养参数的选择
3.3.1最佳生长时间的选择
由下图可知,发酵培养0～2 h 为枯草芽孢杆菌的生长停滞期 ,细菌数量极少;自 2 h 以后进入对数生长期 ,菌体数量急剧增多;在 12 h 达到生长高峰期 , 8～12 h为枯草芽孢杆菌生长的稳定期 ,菌体生长缓慢。

自12 h后细菌数量开始减少 ,枯草芽孢杆菌进入生长衰亡期。

因此 ,采用 8～12 h 时的菌液作为菌种较合适 ,此时枯草芽孢杆菌为对数生长末期 ,既可保持高的细胞活力 ,又可获得尽可能多的细胞数。

3.3.2最佳接种量的选择
分别选取 1 %、 3 %、 5 %、 7 %和 9 %5 个接种量 ,在摇瓶发酵培养条件下培养12 h ,用稀释平板计数法测其活菌数。

由下图可知 ,枯草芽孢杆菌生长的最适接种量为3% ,在1 %～9 %范围内时 ,接种量对枯草芽孢杆菌活菌数的影响差异很小。

3.3.3最佳装液系数的选择
选取20、 40、 60、 80和100 mL 5个装液量分别测定不同装液量对发酵液活菌数的影响 ,在摇瓶发酵培养条件下培养12 h ,用稀释平板计数法测其活菌数。

3.3.4工艺流程简图
4 设计依据
4.1总体生产规模
单批次液体深层发酵0.5吨枯草芽孢杆菌的发酵
4.2 基本发酵工艺流程
保藏枯草芽孢杆菌的菌种→平板划线培养→挑取单菌落→菌种摇瓶培养→种子扩大培养→主发酵→半成品
4.3 发酵工艺设计理论参数、
发酵培养类型理论接种比
例
理想接种比
例
理论装液系
数
理想装液系
数
三角瓶1-10% 1-3% 8-20% 8%
发酵罐1-10% 1-3% 60-85% 60-70%
发酵级别理论接
种比例
理想接
种比例
发酵液
总量
实际接种
比例
生产发酵1%-10% 3% 500L 3%
二级种子1%-10% 3% 15L 3%
一级种子1%-10% 3% 450mL 3%
4.4 菌种的活化
将冷冻保藏管中的菌种在斜面中活化（37℃ 24h），并在平板中进行纯化（37℃24h）。

4.5 种子液制备
取一环纯化后的的菌种，放入液体培养基中，，置于180r/min中摇床中培养(37℃ 18h)。

4.6种子培养
4.6.1一级培养
将20mL的种子液接入装有500mL液体培养基三角瓶中，37℃, 180r/min培养12h。

4.6.2二级培养
将450mL的一级培养的种子液接入装有20L培养基的30L种子罐中，37℃, 180r/min培养12h。

4.6.3三级培养
将15L的二级培养种子液接入装有500L发酵液的800L发酵罐中，180r/min 培养12h。

五、发酵工艺流程与设备流程设计
五、5.1主发酵罐的选定
我所设计的是单批次500L，故根据500L的生产产量，以及发酵罐的理论装液系数的范围在60%-70%进行生产发酵罐容积的计算，接种量按3%计算。

因为考虑到产品供应的市场的边际收益和成本问题，计算如下:
3%×500L=150L
500÷60%=833.3L
500L÷70%=714.3L
生产发酵罐的选择范围在714.3L-833.3L
根据发酵罐的规格，所以选择800L的发酵罐进行生产
500L÷800L=62.5%
此时实际装液率为62.5%
5.2种子罐的选定
5.2.1二级种子罐
根据枯草芽孢杆菌的接种量的理论范围1-10%，以及对理想接种量3%的考虑,同时考虑二级种子罐的规格大小
15L×3%=450mL
15L÷60%=25L
15L÷70%=21.4L
以及发酵罐的选择范围是21.4L-25L
根据种子罐的规格，选择25L的一级种子罐进行生产
15L÷25L=60%
此时实际装液率为60%
5.2.2一级种子——摇瓶数量型号的选择
根据枯草芽孢杆菌的接种量的理论范围1-10%，以及对理想接种量3%的考虑,同时考虑三角瓶的装液系数是8%-20%，理想装液系数是8%。

450mL×3%=0.135L=13.5mL
450mL÷8%=5600mL
450mL÷20%=2300mL
实际的装液量为450mL÷5000mL=9%
所以三角瓶的总体积在2300mL-5600mL之间我们选择5000mL
这样我们可以选择10个500mL的三角瓶进行培养
根据实际操作情况为了避免染杂菌，我们10+2=12个三角瓶进行培养。

六空气压缩机的选择
根据发酵罐每分钟需氧量来确定空气压缩机的型号。

根据转子流量计1:1的比值，按照最大的装液系数70%计算
主发酵罐500L每分钟需空气为800L×70%=560L
种子罐每分钟需空气的量为（25L+5L)×70%=21L
总共需要空气的量为560L+21L=581L
所以所选择的空气压缩机应能够供应581L/min的空气量
同时考虑空气压缩机本身的使用情况，不能全动力投入使用，需要留一定的额度，而保证其寿命及生产。

空压机的体积流量为0.58m3/min，所以我们选择0.60m3/min的空压机.又因回转式空压机结构简单易损件少，容易维护，操作，并且有安装灵活的特点。

其气量要求在0.85 m3/min-85 m3/min。

故可以采用60 m3/min的空压机。

七锅炉的选择
锅炉的种类有燃煤锅炉，燃油锅炉，燃气锅炉，根据地方管理的要求，及环境保护的原则和效益最大化我们选择燃气锅炉。

八实际确定的发酵设备选型推算结果参数汇总
发酵级别发酵液
总量
理论装
液系数
实际
装液
率
需要设
备容量
选用设
备规格
及数量
设备型号及厂家
一级种子450mL
8%-20%
9%
500mL
三角瓶
12
500ml三角瓶
上海鼎国生物技术有限公司
二级种子15L
60%-70%
60%
25L
发酵罐
1
25L发酵罐
上海联环生物工程设备有限公司
生产发酵500L
60%-70%
62.5%
800L
发酵罐
1
SDL系列不锈钢多联发酵系统
上海联环生物工程设备有限公司
附属设备
设备名称容积流量/蒸
发量
型号厂家备注
空气压缩机60m3/min SA-75A/W12.
3/0.8 上海复生喷油螺杆回
转式空压机
卧式1/2吨5000kg/h WNS1.0-WNS上海华征特使用煤气，天
燃油/气锅炉/蒸汽锅炉2.0-1 种锅炉制造
有限公司
然气
九主发酵罐详细尺寸计算
9.1 机械搅拌通风发酵罐
机械搅拌发酵是目前使用最多的一种发酵罐，使用性好、适应性好、放大容易，从小型直至大型的微生物培养过程都可以应用。

缺点：罐内的机械搅拌剪切力容易损伤娇嫩的细胞，造成某些细胞培养过程减产。

9.1.1 通用型发酵的几何尺寸比例
H/D＝2.5-4
公称体积：罐的圆柱体积和底封头体积的和。

9.1.2罐体
要求罐体设计的使用压力达到0.3MPa以上。

小型发酵罐罐顶和罐身用法兰连接，上设手孔用于清洗和配料。

9.1.3 搅拌器和挡板
搅拌器可以使被搅拌的液体产生轴向流动和径向流动，其作用为混合和传质，它使通入的空气分散成气泡并与发酵液充分混合，使气泡破碎以增大气－液界面，获得所需的溶氧速率，并使细胞悬浮分散于发酵体系中，以维持适当的气－液－固（细胞）三相的混合与质量传递，同时强化传热过程。

搅拌叶轮大多采用涡轮式，涡轮式搅拌器的叶片有平叶片、弯叶片、箭叶式三种。

平叶式功率消耗较大，弯叶式较小，箭叶式又次之。

涡轮式搅拌器轴向混合较差，搅拌强度随搅拌轴距离增大而减弱。

此外还有其他新型搅拌器：Scaba 搅拌器其叶片的特殊形状消除了叶片后面的气穴，从而使通气功率下降较小，因此可将电机的设计功率几乎全部用于气-液分散及传质。

Prochem轴向流搅拌器，其通气功率下降较小。

Lightnin公司的A315轴向流桨，比较适合高粘度非牛顿物系。

Intermig搅拌器有较低功率准数，通气功率值较小，在黄原胶发酵中有较好的混合性能，但存在不稳定性问题。

挡板：防止液面中央形成漩涡流动，增强其湍流和溶氧传质。

挡板的高度自罐底起至设计的液面高度止。

全挡板条件：在搅拌发酵罐中增加挡板或其他附件时，搅拌功率不再增加，而旋涡基本消失。

9.1.4 轴封
作用：防止泄漏和染菌。

端面轴封的作用是靠弹性元件（弹簧、波纹管）的压力使垂直于轴线的动环和静环光滑表面紧密地相互贴合，并作相对转动而达到密封。

端面轴封的优点：清洁，密封可靠，使用时间长；无死角；摩擦功率耗损小；轴或套不受磨损；对轴的震动敏感性小。

测量系统：传感器系统，用以测量pH 、溶氧等，传感器要求能承受灭菌温度及保持长时间稳定。

附属系统：包括视镜、挡板等以观察发酵液的情况或强化发酵液体的混合。

9.2发酵罐 9.2.1发酵罐的选型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐
9.2.2主要尺寸的计算： 取高径比 H ：D=2：1[6]
V 总= =0.8 m 3
则有：
H=2D ；
解方程得：V 总=0.758×D 2
×2D =0.8
D=0.799
取D=0.8m H=2D=1.6m ；
9.2.3冷却面积的计算
为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗机制最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下设计冷却面积。

计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即：m
t K Q F ∆=
总
发酵过程的热量计算有许多种方法，但在工程计算时更可靠的方法仍然是实际侧得的每31m 发酵液在每h 1传给冷却器的最大热量。

枯草芽孢杆菌发酵，每31m 发酵液、每1h 传给冷却器的最大热量约为)/(600018.43h m kj ⋅⨯。

本罐采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18×500kj/(⋅⋅h m 2℃)
平均温差m t ∆：
2
12
1ln t t t t t m ∆∆∆-∆=
∆ 32℃ 32℃ 20℃ 26℃ 12 6
代入
C t t t t t m ︒==-=∆∆∆-∆=
∆7.8656.8612
ln 6
12ln
2
121 对公称容量0.8 m 3的发酵罐，换热面积
m
t K Q F ∆=
总
=（4.18×6000×0.8）/（4.18×500×8.7）=1.1 m 3
9.2.4搅拌器计算
选用六弯叶涡轮搅拌器[6]。

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D 有一定比例关系 搅拌器叶径
Di=D/3=0.8/3=0.27m
取d=0.3m
叶宽 ：
B=0.2d=0.2×0.3=0.06m
弧长：
l=0.375d=0.375×0.3=0.11m
底距：
C=0.5d=0.15m
盘踞 ：
di=0.75 d=0.75×0.3=0.225m
叶弦长：
L=0.25 d =0.25×0.3=0.075m
叶距 ：
Y=D=0.8m
弯叶板厚：
δ=12（mm ） 9.2.5搅拌轴功率的计算
枯草芽孢杆菌菌液，可视为牛顿流体。

①计算Re m [
μ
ρ
N D m 2Re =
式中 D ——搅拌器直径，D=0.3m
N ——搅拌器转速，)
/(58.160
95s r N == ρ——醪液密度，ρ=1050 kg/m 3
μ——醪液粘度， μ=1.3×10-3N ·s/m 2 将数代入上式：
Re m =0.32×1.58×1050/（1.3×10-3）=1.1×105 ＞ 10 4
视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7 ②计算不通气时的搅拌轴功率P 0：
ρ530D N N P P =
式中 N p ——在湍流搅拌状态时其值为常数4.7 N ——搅拌转速，N=95r/min=1.58r/s D ——搅拌器直径，D=0.3m
ρ——菌液密度，ρ=1050kg/m 3
μ——菌液粘度， μ=1.3×10-3N ·s/m 2
代入上式：P=47.3KW
③计算通风时的轴功率Pg
()kW Q ND P P g 39
.008.03203
1025.2⎪
⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯=-
式中 P 0——不通风时搅拌轴功率（kW ），
N ——轴转速，N=95r/min D ——搅拌器直径（cm ），D 3=0.33×106=2.4×103 Q ——通风量（ml/min ），设通风比V/Vm=0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg 会小，为安全。

现取0.11；
则
Q = 79.1×0.11×106=8.7×106（ml/min ）
Q 0.08 = (8.7×106)0.08=3.57 ml/min
代入上式：
Pg=0.75KW
9.2.6设备结构的工艺计算
①空气分布器：本罐采用单管进风，风管直径φ108×4mm 。

②挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板
③密封方式：本罐采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。

④冷却管布置：采用竖式蛇管[7] Ⅰ 最高负荷下的耗水量W
()12t t c Q W P -=
总
式中 Q 总——每1m 3醪液在发酵最旺盛1h 的发热量与醪液总体积的乘积
Q 总=4.18×6000×42.96=1.08×106kJ/h
c p ——冷却水的比热容，4.18kJ/（kg ·K ） t 2——冷却水终温，t 2=26℃ t 1——冷却水初温，t 1=20℃
将各值代入上式
W=1.95×106/[4.18×(26-20)]=21.6kg/s
冷却水体积流量为21.6×10-2m 3/s ，取冷却水在竖直蛇管中的流速为1m/s ，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S 总为：
v W S =总
式中 W ——冷却水体积流量，W=21.6×10-2m 3
/s V ——冷却水流速，v=1m/s 代入上式：
S 总=0.0216/1=0.0216m 2
进水总管直径 ：
d 总2=S 总/0.785 d 总=0.166m
Ⅱ 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S 总，管径d 0，组数为n ，则：
取n=12，求管径。

由上式得：
d 02 = S 总/0.785n
d 0=0.045m
查金属材料表选取φ57×3.5mm 无缝管[9]，d 内=50mm g=4.62kg/m ，d 内＞d 0 ，认为可满足要求，d 平均=54mm 。

现取竖蛇管圈端部U 型弯管曲径为250mm ，则两直管距离为500mm ，两端弯管总长度为
l ：
()mm D l 1570
50014.30=⨯==π Ⅲ 冷却管总长度L 计算：由前知冷却管总面积
21.107m F =
现取无缝钢管φ57×3.5mm ，每米长冷却面积为
()
2017.01054.014.3m F =⨯⨯=
则:
m F F L 63017
.01
.1070===
冷却管占有体积：
326.1630057.0785.0m V =⨯⨯=
Ⅳ 每组管长L 0和管组高度：
m
n L L 5.5212
6300===
另需连接管8m ：
m 63886308=+=+=L L 实
可排竖式直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头250mm 。

设发酵
罐内附件占有体积为0.5m 3，则：总占有体积为
V 总 =V 液+V 管+V 附件=77.6+1.6+0.5=80 m 3
则筒体部分液深为：
(V 总–V 封)/S=(44.36-4)/(0.785×33)=5.7m
竖式蛇管总高
H 管=5.7+0.25=6.0m
又两端弯管总长mm l 15700=，两端弯管总高为500 mm ， 则直管部分高度：
h= H 管-500=6000-500=5500 mm
则一圈管长：
l=2h+l 0=2×5500+1570=12570 mm
Ⅴ 每组管子圈数n 0：
n 0= L 0/l =42.8/12.6=4圈
现取管间距为()m D 14.0057.05.25.2=⨯=外，竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m ，则可计算出搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm ）。

Ⅵ.校核布置后冷却管的实际传热面积：
217.108638054.014.3m L d F =⨯⨯=⨯=实平均实π
而前有F=107.1m 2，F F >实，可满足要求。

9.2.7设备材料的选择
选用A 3钢制作，以降低设备费用。

9.2.8发酵罐壁厚的计算 ①计算法确定发酵罐的壁厚S
[]C P
PD
S +-=
ϕσ2 （cm ）
式中 P ——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D ——发酵罐直径，D=80 cm [σ]——A3钢的应用应力，〔σ〕=127MPa φ——焊接缝隙， φ=0.7 C ——壁厚附加量（cm ）
321C C C C ++=
式中 C 1——钢板负偏差，现取C 1=0.8mm C 2——为腐蚀余量，现取C 2=2mm C 3——加工减薄量，现取C 3=0
()()cm mm C 28.08.2028.0==++=
S=0.4×80/（2×127×0.7-0.4）+0.28=0.46cm
选用10mm 厚A 3钢板制作。

②封头壁厚计算：标准椭圆封头的厚度计算公式如下：
[]C P
PD
S +-=
ϕσ2 （cm ）
式中 P=0.4MPa D=80cm
[σ]=127MPa
C=0.08+0.2+0.1=0.38（cm ） φ=0.7
)cm (56.038.04.07.0127280
4.0=+-⨯⨯⨯=S
9.2.9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：
按排料管计算：该罐实装醪量0.56m 3，设2h 之内排空，则物料体积流量
Q=0.56/(3600×2)=7.78×10-5m 3 /s
发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F 物
F 物=Q/v=7.78×10-5/1 =7.78×10-5m 2
2785.0d F =物
管径：
d=10mm
取无缝管φ18×4mm ，认为合适。

9.2.10支座选择 选用裙式支座 10 设备流程简图
11 参考文献
[1]张克旭．氨基酸发酵工艺学，中国轻工业出版社，1992：279-280。

[2]张启先．我国发酵工业发展现伏与对策科技导报，1992（2）：44-45。

[3]高孔荣．发酵设备，中国轻工业出版社，1991：1-5。

[4]王旭禹郑超．味精发酵生产工艺及其主要设备，高等函授学报（自然科
学版），1995（4）：45-48。

[5]吴思方．发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版，1995。

[6]梁世中．生物工程设备，中国轻工业出版社，2002。

[7]黎润钟．发酵工厂设备，中国轻工业出版社，1991。

[8]姚玉英．化工原理，天津大学出版社，1999。

[9]国家医药管理局上海医药设计院，化工工艺设计手册，化学工业出版社，
1996。

[10]华南工学院，发酵工程与设备，北京轻工业出版社，1981。

[11]何铭新等．机械制图，高等教育出版社，1997。

[12]何铭新等．建筑制图高等教育出版社，1994。

[13]华东理工大学浙江大学，生物工程(技术)专业英语，化学工业出版社，1999。

[14]许赣荣．发酵生物技术专业英语，中国轻工业出版社，2004。

[15]英汉生物化学词典，科学出版社，1983。

[16]史仲平，潘丰．发酵过程解析、控制与检测技术．北京：化学工业出版社，2005
[17].叶勤，发酵过程原理．北京：化学工业出版社，2005
[18]孙彦．生物分离工程．北京：化学工业出版社，1998
[19]王福源．现代食品发酵技术．北京：轻工业出版社，1998
[20]顾国贤．酿造酒工艺学（第二版）．北京：中国轻工业出版社，1996
[21]桂祖发．酒类制造．北京：化学工业出版社，2001。