化學工程與技術學院
班級： 生物工程0701班
姓名何衛
學號： 200722153017
設計小組：趙彩雲、鄧世林、陳來玉、
何衛、何藝
設計課題： 培養基連續滅菌系統設計
設計時間： 2010-9-30
指導教師： 楊忠華老師、周衛老師
目錄一、前言 1
1.1 設計任務 3
1.2 技術背景 3
二、計算過程 4
2.1塔式加熱器設計 4
2.1.1 匯入管徑計算 4
2.1.2 塔徑計算 5
2.1.3 蒸汽導管口設計 5
2.2 維持罐的設計 5
2.2.1 滅菌時間計算 5
2.2.2 附屬管道設計 6
2.2.3 維持罐主體設計 7
2.3 換熱器設計 8
2.3.1 能耗計算 8
2.3.2 板式換熱器 8
三、參考文獻及資料 9
四、結束語 10
發酵工程是指採用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生產有用的產品，或直接把微生物應用於工業生產過程的一種新技術。發酵工程的內容包括菌種的選育、培養基的配製、滅菌、擴大培養和接種、發酵過程和產品的分離提純等方面。
發酵工程由三部分組成：上游工程、中游工程和下游工程。其中上游工程包括優良種株的選育，最適發酵條件（ph、溫度、溶氧和營養組成）的確定，營養物的準備等。
中游工程主要指在最適發酵條件下，發酵罐中大量培養細胞和生產代謝產物的工藝技術。這裡要有嚴格的無菌生長環境，包括發酵開始前採用高溫高壓對發酵原料和發酵罐以及各種連線管道進行滅菌的技術；在發酵過程中不斷向發酵罐中通入乾燥無菌空氣的空氣過濾技術；在發酵過程中根據細胞生長要求控制加料速度的計算機控制技術；還有種子培養和生產培養的不同的工藝技術。
以發酵工程為核心內容的生物技術在不斷發展，當前，借助微生物培養進行產品生產已涉及醫藥、化工、輕工、能源、環保等領域，隨著發酵工程趨向裝置大型化、高效和自動化，對規模化的生產工藝操作和裝備設計提出了更高的要求。發酵過程技術性強， 對裝置的要求較高。 然而，「染菌」，即在微生物純種培養過程中，除目的菌以外還有其他微生物存在的現象時有發生，由此給企業造成較大的經濟損失。
生產實踐表明，在造成發酵染菌的原因中， 除了人為操作因素，裝置造成的發酵染菌佔了很大比例。
培養基連續滅菌系統是發酵工藝中顯而易見的至關重要一環。所謂連續滅菌就是將配製好的培養基向發酵罐等培養裝置輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻等滅菌操作過程。
連續滅菌時，培養基能在短時間內加熱到保溫溫度，並能很快被冷卻。因此可比在分批滅菌更高的溫度下滅菌，而保溫時間則很短，這樣就有利於減少營養物質的破壞，提高發酵產率。相較間歇滅菌而言，連續滅菌系統具有很多優點，包括營養質量保留較多，易於放大，易於自動控制，糖損較小，滅菌週期縮短，發酵罐利用率高、腐蝕較小，蒸汽負荷均勻。
但是連續滅菌系統的裝置比較複雜，投資較大，適用於大型發酵罐、大規模發酵生產的液體培養基的滅菌，因此企業投資規劃時需要衡量生產效益的實際情況。
培養基連續滅菌系統。
培養基的滅菌方法一般有實消和連消兩種方法，連消即將培養基在發酵罐外，通過專用消毒裝置，連續不斷的加熱維持保溫和冷卻，然後進入發酵罐的滅菌方法。 目前應用最廣泛的是低壓蒸汽噴射器的連消工藝，該工藝既可以提高培養基的滅菌效果， 又可以節約大量的蒸汽和冷凝水。
連續滅菌工藝有很多優點：1、採用高溫、快速滅菌，物料受熱時間短、營養成分破壞少，消後物料***。2、滅菌時間短，發酵罐的利用率高。
3、蒸汽負荷均衡，鍋爐利用率高。4、適宜採用自動控制減低勞動強度。5、培養基連續滅菌系統裝置。
培養基連續滅菌系統裝置由配料罐(池)、送料幫浦、預熱罐、連消幫浦、加熱器、維持罐和冷卻器7個關鍵裝置組成。 連續滅菌的工藝流程為： 配料預熱——連消幫浦——連消塔——維持罐——冷卻器——發酵罐。
培養基在連消塔中加熱達到滅菌溫度後，自維持罐的底部進入維持罐，逐漸上公升，然後從罐上部側口處流出罐外。 這段培養液的停留時間為維持罐的保溫時間，即實際滅菌時間。連消時如果培養基流速太快， 在維持罐內停留時間太短，則會造成滅菌不徹底，而引起染菌，若培養基流速過慢，培養基成分破壞就增加，培養基質量就不能保證，因此，在連消中除溫度嚴格按規定控制外，流速也需穩定。
連續滅菌的成敗關鍵在於培養基在維持罐的溫度和時間是否符合滅菌的要求，這一點除了必須嚴格操作控制外，維持罐的設計合理是非常重要的。
培養液比熱計算
培養基料液中固形物含量，固形物比熱為,所以有
加熱蒸汽用量計算
蒸汽焓，蒸液焓，
因有，,
壁厚，，
連消塔的塔徑
取停留時間,則
取培養基進口管徑
在蒸汽導管口開孔，選取開孔的小孔孔徑為，開孔率，則計算可以得到開孔數
個滅菌前培養基料液中細菌密度
選定滅菌後細菌密度為
維持罐中的表壓，料液體積
那麼又有
所以，可以得到
軸向彼克列數，流體在管中呈活塞狀態；
流體呈全混合狀態；
流體呈目標流動狀態。
設，，則有
達姆科勒數
又有可以計算得到
滅菌流量為
管道管徑
選取管道為型號的無縫鋼管，則管道長度為
需要進行校核驗算，驗證是否成立，否則需要重新選型。
校核雷諾數
由，為軸向擴散係數
則有不符合要求，選型失敗。
該為選取流速，則
選取管道為型號的無縫鋼管，則管道長度為
則計算可以得到
雷諾數最終得到
符合要求。
故培養基的平均停留時間1.28min，選取型號的無縫鋼管，總長度為46.17m。
實際維持罐內停留時間
則維持罐體積
選取高徑比,，則計算得到
連消幫浦選用型號。
蒸汽用量計算
其中，，,則有
通過計算得到
冷卻水用量計算
板式換熱器冷卻階段
選取冷卻水進出口溫度為，則平均溫度為
薄板傳熱系數,
料液冷卻水
則逆流平均溫差。
選取薄板長為，則換熱面積為
板式換熱器預熱階段薄板換熱器每小時熱量
[1] 陳國豪編著.生物工程裝置.化學工業出版社.2007.10
[2] 劉守強.生物發酵連續消毒過程的改進.發酵科技通訊.2008/04[表示期刊期數,下同]
[3] 王樹民.對含有固體顆粒的發酵培養基連續滅菌器的整體設計分析.醫藥工程設計.1993/06
[4] 李繼澤.發酵培養基連續滅菌工藝的改進.發酵科技通訊.1992/04
[5] 楊欽湘.管式維持器的設計.醫藥工程設計.1985/06
[6] 高孔明.培養基的連續滅菌.發酵科技通訊.1979/03
[7] 曹震琴.培養基連續消毒和塔高的設計.化學世界.1966/05
[8] 田洪濤、高年發等編著.現代發酵工藝原理與技術.化學工業出版社.2007.01
結束語經過兩個星期的課程設計，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最後汗水背後的複雜心情，點點滴滴無不令我回味無長。
生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收穫。勞動是人類生存生活永恆不變的話題。通過這次設計，我才真正領略到「艱苦奮鬥」這一詞的真正含義。
在課程設計過程中的計算、謄寫，這其間的蚊蟲叮咬和焦慮煩躁，唯有我輩自知。不過在即將結束的時刻回味時，心裡還是懷有一些成就感的。
發酵工程這一門課程具有很強應用性要求，課程設計就是理論聯絡實際，應用課本知識進行實際應用模擬的過程。在課程設計的過程中，我們一方面對發酵工程的基礎理論有了更深的理解，逐漸開始融會貫通；另一方面，我們也對工廠裝置的設計有了一定的了解，在更深刻體會設計之艱難的同時，也消除了以前心中懷有的對於設計的那種神秘感。
通過課程設計我們初步掌握了發酵工程的基礎知識、設計原則和方法；學會了各種手冊的使用方法及物理性質、化學性質的查詢方法和技巧；掌握了各種結果的校核方法，能畫出工藝流程、發酵裝置結構等圖形。在設計過程中，不僅要考慮理論的可行性、還要考慮到生產上的安全性和經濟合理性。
課程設計說明書
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