《课程设计说明书样本.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《课程设计说明书样本.doc（16页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、课程设计 课 程 名 称: 生物工程设备设计课程设计 设 计 题 目: 乳酸发酵车间工艺设备设计 学院(直属系) : 生物工程学院 年级 、专业: 09级生物工程专业 学 生 姓 名: 余 松 学 号: 1203 指 导 教 师: 张 良 开 始 时 间: 年 月 日完 成 时 间: 年 月 日目 录一、前言31 、概述31.1.1产品概述31.1.2 乳酸理化性质31.1.3乳酸的用途及功能41.1.4国内外生产情况51.2.、设计概述71.2.1技术条件71.2.2设计范围7二、原材料及产品的主要技术规格72.1菌种选择72.2发酵原料选择72.2.1种子培养基72.2.2发酵培养基8三、
2、生产流程简述8四、工艺计算94.1发酵设备选择及各部分部件尺寸94.1.1发酵罐总容积94.1.2发酵罐个体104.2发酵罐直径、罐体高度、壁厚计算104.2.1直径高度计算104.2.2 壁厚计算114.3.搅拌器设计、类型选择及各参数确定124.3.1搅拌器设计及类型选择124.3.2搅拌器参数计算124.3.3.多只涡轮搅拌器不通风是的搅拌功率计算134.4.搅拌轴直径计算134.4.1.轴的强度计算134.4.2.轴的刚度计算144.5.冷却面积计算14五、致谢15六、.参考文献15引 言前言1.1.1产品概述产品为92%聚合级乳酸，其中含有8%左右的杂志，成分为菌体碎片、蛋白质、淀粉
3、以及少量的有机酸副产物（醋酸、丁二酸、酒石酸和柠檬酸）等。1.1.2乳酸理化性质乳酸(Lactic Acid)，学名为-羟基丙酸(-Hydroxy-Propanoic-Acid)，分子式为C3H6O3，结构式为CH3CHOHCOOH，相对分子质量90.08，是一种常见的天然有机酸。乳酸分子内含有一个不对称碳原子，具有光学异构现象，有D型和L型两种构型1，其中L-乳酸为右旋，D-乳酸为左旋，其结构式见图1。当L-乳酸和D-乳酸等比例混合时，即成为外消旋的DL-乳酸。不同分子构型的乳酸有不同的理化性质，如表1所示2。纯净的无水乳酸是白色结晶体，熔点为16.8，沸点为122(2kPa)，相对密度为1
4、.249。乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物，为无色透明或浅黄色糖浆状的粘稠液，几乎无臭或微带有脂肪酸臭，味酸，易与水、乙醇、乙醚、丙二醇、甘油混溶，几乎不溶于氯仿、石油醚、二硫化碳和苯3。浓度达到60以上的乳酸具有很强的吸湿性。一般工业用乳酸含量为50-80，食品及医药工业用L-乳酸的含量为80-90。乳酸分子内含有羟基和羧基，可以参与氧化、还原、缩合、酯化等反应4，同时乳酸具有自动酯化能力，脱水能聚合成聚L-乳酸。D(-)-乳酸 L(+)-乳酸 图一：乳酸结构式表1 乳酸的理化性质 构型熔点/比旋光度D20解离常数（25）熔化热/（KJ/mol）L25-263.31.3710-416.87D
5、25-263.31.3710-416.87LD1801.3710-411.351.1.3乳酸用途及功能 乳酸及其衍生物广泛应用于食品、医药、化工、皮革、纺织等领域2,8。（1）食品行业：主要用于糖果，饮料(如啤酒、葡萄酒及乳酸类饮料)等食品加工业中，作为酸味剂及口味调节剂，被称为安全的食品添加剂。另外还可用于清凉饮料、蔬菜的加工和保藏；（2）医药行业：在医药方面广泛用作防腐剂、载体剂、助溶剂、药物制剂、pH调节剂等。L-乳酸是一种重要的医药中间体，可用作生产L-乳酸钙、L-乳酸钠、L-乳酸锌、L-乳酸亚铁等药物，还可用作手术室、病房、实验室等场所的消毒剂；（3）化妆品行业：可用作滋润剂、保湿剂
6、、皮肤更新剂、pH调节剂、去粉刺剂、去齿垢剂；（4）农药行业：L-乳酸具有很高的生物活性，对农作物和土壤无毒无害，可用作生产新型环保农药，在日、美等发达国家已得到大力的推广；（5）纺织、皮革、烟草行业：乳酸可用来处理纤维，可使之易着色，增加光泽和触感柔软；可使皮革柔软细腻，从而提高皮革的品质；适量加入L-乳酸，可提高烟草的品质，并保持烟草的湿度；除上述用途外，L-乳酸最主要的用途是聚合生成聚乳酸，它具有良好的相容性和可生物降解性，已广泛应用于包装业、医药行业和纺织业。聚乳酸(Polylactic Acid)，简称(PLA)，在人体内降解成L-乳酸；在自然界中，可在微生物作用下，最终变成C02和
7、水，有利于环保。聚乳酸具有与聚苯乙烯相似的光泽度和加工性能，还具有优良的生物相容性和生物分解吸收功能，因此广泛用于生产生物降解塑料、绿色包装材料(例如购物袋、保鲜膜、餐盒、桌布、餐巾)、农用薄膜、抗癌药物、缓释胶囊制剂、手术缝合线等。聚乳酸纤维强度高，延伸度较大，可用分散染料常压染色，制成的织物光泽柔和亮丽，抗皱防缩性能好，有吸湿排汗和抗紫外线功能，是近年来研究开发的纺织服装新材料。由于人和动物体内只有代谢L-乳酸的酶，因此若过量摄入D-乳酸或DL-乳酸，会导致D-乳酸在血液中积聚，引起疲劳、代谢紊乱甚至酸中毒。因此，世界卫生组织规定人体每天摄入的D-乳酸量不能超过100mgkg体重，且禁止在
8、3个月以下婴儿食品中添加D-乳酸或DL-乳酸，而对L-乳酸则不加限制。于是近年来L-乳酸的研究与开发引起了人们的广泛兴趣。特别是在当今重视环保的绿色浪潮中，用L-乳酸生产的聚乳酸，具有良好的加工性能和可生物降解性，是理想的生态循环使用的新型高分子材料，用于生产生物降解塑料和纤维制品，具有广阔的市场日前景。1.1.4国内外生产情况（1）发酵法微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而得到具有专一性的L-乳酸。发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸，因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛，生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点。按照发酵
9、微生物的种类可分为细菌发酵和根霉发酵。（2）化学合成法化学合成法生产乳酸可通过多种途径进行，其中具有现实意义的是乳腈法6。该法是乙醛与氢氰酸经碱性催化剂作用生成乳腈，这是一个液相反应，在常压下进行，粗乳腈通过蒸馏回收纯化并用浓盐酸或硫酸水解为乳酸，还产生相应的氨基酸副产物，粗乳酸用甲醇酯化得乳酸甲酯，精馏后再水解为乳酸。乳酸的其它一些可行的化学合成法还包括醋酸乙酯羰基化法、乙醛羰基化法、糖的碱性催化水解、丙烯乙二醇氧化、乙二醇的硝酸氧化等8。（3）酶法酶法生成乳酸主要有2-氯丙酸酶法转化和丙酮酸酶法转化两种9,14。日本东京大学的本崎等人研究了用酶法生产乳酸，他分别从恶臭假单孢菌(Pseudo
10、monas putida)和假单孢菌113细胞中抽提纯化出L-2-卤代酸脱卤酶(简称为L-酶)和DL-卤代酸脱卤酶(简称为DL-酶)，使之作用于底物DL-2-氯丙酸，就可制得L-乳酸或D-乳酸。Hummel等从D-乳酸脱氢酶活力最高的混乱乳杆菌(Lac-Confusus) DSM20196菌体中得到D-乳酸脱氢酶，以无旋光性的丙酮酸作底物制得D-乳酸。化学合成法的缺点是产品为外消旋乳酸即DL-乳酸15。另外，由于合成法所用的原料是乙醛和剧毒物氢氰酸，尽管美国食品和药物管理局(FDA)已将合成法生产的乳酸列为安全品，但许多人还是对其安全性表示担心，加之其生产成本较高，因而合成法生产乳酸大大受到限
11、制。酶法生产乳酸虽可以专一性地得到旋光乳酸，但工艺比较复杂，应用到工业上还有待于进一步研究17。微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一性的D-乳酸或L-乳酸或是两种异构体以一定比例混合的消旋体，以满足生产聚乳酸的需要。另外发酵法生产乳酸除能以葡萄糖、乳糖等单糖为原料外，还能以淀粉、纤维素为原料发酵生产乳酸。因此，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高、安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法18,20。我国乳酸工业始建于20世纪40年代，起步发展于20世纪80年代中期至90年代初期，目前，我国正常生产的乳酸生产厂家有20余家，总生产能力约为2
12、万吨，实际产量约为1.5万吨。我国乳酸生产与国外先进水平仍有较大差距，乳酸生产规模较小，发酵罐仅30吨/台-60吨/台，产酸率较低；产品品种仍以DL-乳酸为主，占80，产品色度质量不高21：另外在后提取方面更有较大差距，总体上生产成本较商。某些规划中要上的L-乳酸项目基本徘徊在年产30005000吨的规模，规模效应远不如国外。我国乳酸的最大消费领域是香料和香精行业，其用量约占乳酸总消费量的40，主要用于生产乳酸乙酯用于调制各种酒类22。在啤酒工业中，调节麦芽汁pH，目前全国约有25的啤酒生产厂在使用乳酸，年消费量约为3000t。我国的L-乳酸只占乳酸产量的2-5，且每年需要进口数万吨优质的L-
13、乳酸，据专家预测，PLA在未来10年中，可达10亿磅年的市场规模，可见其对L-乳酸消费增长和市场成长将具有极大推动作用。正因为L-乳酸有着广泛的用途和良好的市场前景，所以自L-乳酸问世以来，就在国际市场上颇受追捧，需求增长迅速，其市场价格为维持在2万吨左右。作为一种重要的食用有机酸，L-乳酸的需求量仅次于柠檬酸，其市场需求正以每年超过10的速度在增长。目前，国内市场需求量在5万吨以上，国际市场需求量约在30万吨，而我国虽然是有机酸出口的大国，但高品质的L-乳酸的生产和供应却很少，目前我国L-乳酸的年产量不足3万吨，可见该产品的市场发展前景广阔，颇具开发潜力22,23。我国生产的乳酸产品除满足国
14、内需求外，每年都有一定量的出口，出口国家和地区主要是日本、韩国以及其它一些东南亚国家和地区。1.2、设计概述本设计是关于30000吨/年乳酸发酵车间的工艺设计，包括确定工艺流程和工艺参数，物料衡算和能量衡算，确定各种设备的体积、数目和规格等参数，带控制点的工艺流程图、主要设备图，撰写设计说明书1.2.1技术条件生产规模: 30000吨/年; 产品规格:92%聚合级乳酸; 产酸水平:18%(g/ml)糖酸转化率:92%; 发酵周期:72h; 发酵罐接种量:10%(V);提取总收率:90%; 发酵罐装料系数:85%; 全年生产天数:300天1.2.2设计范围（1）工艺流程设计（2）物料衡算（3）设
15、备衡算及选型（4）发酵罐冷却装置二、原材料及产品的主要技术规格2.1菌种的选择毕氏酵母、米根霉菌此处对转化率要求较高产酸水平要求一般对比之下选择米根霉菌更加满足条件2.2发酵原料的选择2.2.1种子培养基淀粉 硫酸铵 KH2PO4 MgSO47H2O FeSO47H2O CaCO3 (碳酸钙分开灭菌，CaCO3受热要分解失去作用)。2.2.2发酵培养基淀粉 硫酸铵 KH2PO4 MgSO47H2O FeSO47H2O CaCO3 (碳酸钙分开灭菌，CaCO3受热要分解失去作用)。三、生产流程简述本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液 图2体深层发酵，钙盐法提取，最后
16、结晶、干燥得到L-乳酸。本次生产工艺的基本过程是：在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，用CaCO3中和处理；再经过过滤洗涤，得到L-乳酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CaSO4及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿L-乳酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品L-乳酸，如图2四、工艺计算技术条件：已知年操作日300天，生产规模3000
17、0吨/年，即100吨/天已知发酵周期72h，即可以生产100个周期，已知三天为一周期，即一个周期内要完成300吨的生产量才能满足条件以下是以一个周期为例计算需要的辅料、其他物质、发酵罐数量等等的需求4.1发酵设备选择及各部件尺寸因为乳酸发酵是属于厌氧发酵，所以选择机械搅拌发酵罐，目前比较常用的发酵罐体积有25、50、75、100、125、150（单位-立方米），4.1.1发酵罐总容积计算发酵罐总容积，决定于年工作日、每天生产乳酸量、发酵产酸水平、乳酸发酵周期、乳酸提取率、乳酸精致等。1）平均每天产量=30000300=100 吨/天2）平均每天发酵液装量=平均每天产量聚合乳酸含量产酸水平糖酸转
18、化率提取总收率平均每天发酵液装量=10092%18%92%90%8=938 m33）每次发酵液装量=平均每天发酵液装量发酵周期24h/天 每次发酵液装量=9387224=2188 m34.1.2发酵罐个体确定为了节约成本，提高产率选取最大体积150立方米的发酵罐1）单罐有效容积的计算 =公称体积*发酵罐系数 =150*85%=127 2）发酵罐数n=每次发酵液装量 n=2188/127=18个4.2.1发酵罐直径、罐体高度、壁厚计算A：直径高度计算：根据发酵罐的公称容积，确定发酵罐的尺寸。已知发酵罐直径D，筒体部分高，发酵罐总高H。通用式机械搅拌生物反应器，其主要结构标准如下： 高径比：H/D
19、=1.74.0； 搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器，DidilB = 201554； 搅拌器直径：Di = D/3； 搅拌器间距：S = (0.951.05)D = 3(0.951.05)Di； 最下一组搅拌器与罐底的距离：C = (0.81.0)Di；挡板宽度：B = 0.1D，当采用列管冷却时，可用列管冷却代替挡板取H/D=2.0，采用标准椭圆形封头。已知罐公称容积为150m3 通常，对一个发酵罐的大小用“公称体积”表示。所谓“公称体积”， 是指罐的通身（圆柱）体积和底封头体积之和。其中底封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。标准椭圆形封头体积为： 式中：椭圆封头的直边高度，
20、椭圆短半轴长度，标准椭圆。故发酵罐全体积为： 近似计算式为： 发酵罐公称体积： 其中H/D=2取发酵罐直径D=4.5m 故发酵罐高=2D=9 m取封头直角边，一般取值范围为5055mm，此处取封头直边为50mm. 发酵罐公称容积=(H+) =4.52(9+0.05+4.5)=156m3发酵罐总高度=+2(+)=9+2(0.05+4.54)=11.35m封头体积：发酵罐全容积V=+=156+14=170m3 与查表得公称体积一致。B：壁厚计算：使用不锈钢0Cr19Ni9，其中钢板许用应力P设计压力，取最大工作压力的1.1倍，灭菌压力即最大工作压力；焊缝系数，双面焊缝取=0.85（局部无损探伤）；
21、C= +对不锈钢当介质的腐蚀性极微时，取=0，查表14-7（生物工程设备）取 =0.6mm。许用应力（kg/cm2）取不锈钢板厚7mm4.3.搅拌器设计、类型选择及各参数确定4.3.1搅拌器设计及类型选择 搅拌器的类型、尺寸及转速，对搅拌功率在总体流动和湍流脉动之间的分配都有影响。一般说来，涡轮式搅拌器的功率分配对湍流脉动有利，而旋桨式搅拌器对总体流动有利。对于同一类型的搅拌器来说，在功率消耗相同的条件下，大直径、低转速的搅拌器，功率主要消耗于总体流动，有利于宏观混合。小直径、高转速的搅拌器，功率主要消耗于湍流脉动，有利于微观混合。此处选择六弯叶圆盘涡轮搅拌器。主要原因有：成本低，设计简单，搅
22、拌效果应力小对细胞伤害小，搅拌效果突出等等4.3.2搅拌器参数计算搅拌叶轮直径与罐径之比Di/D=1/21/3。搅拌叶轮类型的选择主要考虑功率准数，混合特性以及叶轮所产生的液流作用力的大小与种类等等。 取Di/D=1/3，即：Di=4.53=1.5m。由标准六弯叶涡轮搅拌器尺寸Di：d：L：B=20:15:5:4得： 涡轮直径d= Di 15/20=1.515/20=1.125m, 桨叶长L= Di 5/20=1.55/20 =0.375 m， 桨叶宽B= Di 4/20=1.54/20=0.3 m，4.3.3多只涡轮搅拌器不通风时的搅拌功率计算 设转速为n 转/min取KW，即：若是多档搅拌
23、器，两档间距S，非牛顿流体S取2D，牛顿流体S取2.5-3D；静液面至上档间距取0.5-2D, 下档搅拌器至罐底距离C取0.5-1D。符合以上条件，两档搅拌器输出的功率 就是单只涡轮搅拌器的2倍：式中： -不通气时的搅拌功率，单位kW。 -功率准数 -搅拌器直径（m） -搅拌转数（rps） -发酵液密度 设=1080 kg/m3则 r/min则选用130kw的电机。4.4搅拌轴直径计算4.4.1轴的强度计算 对搅拌轴而言，承受扭转和弯曲联合作用，其中以扭转作用为主，所以在工程应用中常用近似的方法进行强度计算。它假定轴只承受扭矩的作用，然后用增加安全系数以降低材料的许用应力来弥补由于忽略受弯曲作
24、用所引起的误差。轴受扭转时，其截面上产生剪应力。采用45号钢，则取=360=，取d=140mm.4.4.2轴的刚度计算=N.m, =根据搅拌设备设计计算,取B=10, 小于强度计算值，故轴径依强度计算为准。4.5冷却面积计算 按每立方米发酵液1m2冷却面积计算，即： d 取规格为653的管子做冷却管 所以，L= 大型发酵罐一般对称取8组冷却管，每组冷却管累积长度取7，每一排上下有2个冷却管。故冷却管子根数N=1156/(872)=10.32,取10根。冷却管体积：，取V=4 m3致 谢在这周的学习中，我学到了很多，也找到了自己身上的不足。这周中，在指导教师精心指导下我们小组分工合作、齐心协力，
25、查阅资料、小组讨论、对资料进行分析，并在这段时间里完成了发酵课程设计的撰写和流程图的绘制，使我们对 所学的知识有了更深入的理解和掌握，巩固了理论教学所学到的知识，扩展了学生的实践知识。总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！此次课程设计的制定、实施、完成到撰写都是在张良老师的精心指导下完成的。整个课程设计过程中张老师给我们提供方法，答疑解难，纠正错误。短短的一个星期，张老师给了我们很大帮助，值此课程设计完成之际我向老师表示深深的谢意。同时还要感谢课程设计中帮助过我的同
26、学们【参考文献】（1）梁世中、生物工程设备、北京、中国轻工业出版社、2004（2）徐清华、生物工程设备、北京、科学出版社、2006（3）陈国豪、生物工程设备、北京、化学工业出版社、2006（4）自编、发酵工程设备设计指导书、成都、西华大学出版社(5)徐忠，汪群慧，姜兆华.L-乳酸的制备及其应用的研究进展J.化学与粘合，2004(6)佟明友，方向晨，刘树臣等.L-乳酸和聚乳酸的研究进展J.石油化工，2003(7)王蓉，王元亮，陈国平等.米根霉发酵生产L-乳酸研究进展J.重庆大学报，2004(8)汪多仁.L-乳酸的开发与应用进展J.化工中间体，2004(9)赵鹏，黄霞.利用可再生资源及其有机废物发酵生产乳酸的研究进展J.食品与发酵工业