Дипломный проект на тему "Модернизация ферментатора LiFlus SP для производства биологических культур"

Белорусский государственный технологических университет
Кафедра машин и аппаратов химических и силикатных производств
Дипломный проект на тему: "Модернизация ферментатора LiFlus SP для производства биологических культур"
Минск 2021

Объектом модернизации является ферментатор фирмы Biotron марки LiFlus SP. Модернизация заключается в изменении положении привода перемешивающего устройства (в базовом варианте положение нижнее, с использованием двойного торцевого уплотнения, в предлагаемом - верхнее, где необходимость в дорогом уплотнении отсутствует).
Исходные данные в рамках проекта следующие:
Максимальное избыточное давление в корпусе сосуда – 3 атм. или около 0,3 МПа;
Максимальное избыточное давление в рубашке сосуда – 3,5 атм или около 0,35 МПа;
Номинальный объём ферментатора – 120 литров;
Диаметр обечайки внутренний – 492 мм;
Материал сосуда и рубашки – Сталь AISI 316 L (аналог 03Х17Н14М3);
Коэффициент прочности сварного шва – 0,8;
Испытательная среда – вода;
Допускаемое напряжение – 156 МПа;
Величина прибавки к расчётной толщине стенки с учётом эрозии – 1 мм;
Рабочая частота вращения перемешивающего устройства – не более 130 об/мин.
Дипломный проект содержит обоснование целесообразности модернизации ферментатора фирмы Biotron марки LiFlus SP на «Государственном научном учреждении «Институт микробиологии Национальной академии наук Беларуси» путём изменения положения привода мешалки из эллиптического днища аппарата в его плоскую крышку. При этом рассматривается производство фермента «Глюкозооксидаза PFC» как одного из самых ресурсоёмких при производстве препаратов.
В первую очередь дано подробное описание технологии производства, основного и вспомогательного оборудования. Произведены технологический и прочностной расчёты. Рассмотрены неисправности, наиболее изнашиваемые узлы, детали оборудования, а также способы их восстановления. Разработана схема автоматизации ферментатора с подбором необходимых контрольно-измерительных приборов. Описаны мероприятия по охране труда и безопасности жизнедеятельности, которые обеспечивают безвредность и безотходность производства.
Расчёты показали, что новая конструкция привода перемешивающего устройства имеет положительный экономический эффект. Это достигается за счёт уменьшения времени обслуживания аппарата между циклами, во время технического обслуживания и ремонтов. Замена двойного торцевого уплотнения на более дешёвое и менее требовательное термическое торцевое так же уменьшает затраты на содержание ферментатора.
Производительность аппарата возрастает с 49 до 51 циклов в год. И даже такое небольшое увеличение даёт срок окупаемости не более 4 месяцев. Это достигается за счёт малых затрат на модернизацию, что, в свою очередь, обеспечивается применением того же привода, что и раньше, и, как было сказано ранее, заменой уплотнений более дешёвым вариантом.

Содержание
Введение 8
1 Технология и оборудование производства препарата «Глюкозооксидаза PFC» 10
1.1 Технология производства препарата «Глюкозооксидаза PFC» 10
1.2 Основное оборудование производства препарата «Глюкозооксидаза PFC» 19 1.3 Вспомогательное оборудование производства 20
2 Объект модернизации 23
2.1 Крышка ферментатора 24
2.2 Днище ферментатора 25
2.3 Рубашка ферментатора 27
2.4 Мешалка ферментатора 28
2.5 Барботажная трубка ферментатора 28
2.6 Описание цикла работы ферментатора 29
2.7 Аналитический обзор 30
2.7.1 Конструкции ферментаторов 30
2.7.2 Конструкции перемешивающих устройств 39
2.8 Патентный обзор 47
2.8.1 Эрлифтный биореактор 48
2.8.2 Кожухотрубный струйно-инжекционный ферментатора 49
2.8.3 Ферментатор с ярусно укреплёнными на валу тремя
мешалками 51
2.8.4 Ферментатор газгольдер 53
2.8.5 Биореактор для культивирования клеток на магнитных
носителях 54
2.8.6 Ферментатор с импульсной мешалкой 57
2.9 Предложение по модернизации ферментатора 59
2.9.1 Изменение конструкции перемешивающего органа 59
2.9.2 Изменение места расположения мешалки 60
2.9.3 Установка механических пеногасительных устройств 61
2.9.4 Обоснование цели дипломного проекта и основных технических
решений 63
3 Расчёт и конструирование ферментатора 65
3.1 Технологический расчёт ферментатора 65
3.1.1 Расчёт мощности электродвигателя мешалки и его подбор 65
3.1.2 Определение диаметра вала мотора-редуктора 67
3.1.3 Определение конструкции и основных размеров привода мешалки 68
3.1.4 Материальный баланс процесса культивирования препарата «Глюкозооксидаза PFC» 69
3.2 Прочностной расчёт ферментатора 72
3.2.1 Расчёт толщины стенки цилиндрического корпуса от действия внутреннего давления 72
3.2.2 Расчёт обечайки ферментатора от действия наружного давления (давления в рубашке) 73
3.2.3 Расчёт толщины стенки сферического днища от действия внутреннего давления 74
3.2.4 Расчёт толщины стенки плоской крышки от действия внутреннего давления 74
3.2.5 Определение относительных размеров лопастей мешалки ферментатора 75
3.2.6 Расчёт вертикального вала перемешивающего устройства. Проверка условия виброустойчивости вала 76
4 Эксплуатация и ремонт ферментатора 81
4.1 Описание конструкции по ремонтным узлам 81
4.2 Перечень работ, выполняемых при техническом обслуживании,
текущем и капитальном ремонтах 81
4.3 Контрольно-регулировочные работы 82
4.4 Составление графика ППР 82
4.5 Составление сетевого графика капитального ремонта 85
4.6 Перечень наиболее изнашиваемых деталей и способов их восстановления 86
4.7 Разработка схемы и карты смазки 87
4.8 Возможные неисправности и способы их устранения 89
5 Автоматизация работы ферментатора 91
5.1 Автоматизация процесса культивирования 91
5.2 P&ID схема ферментатора 96
5.3 Функциональная схема автоматизации объекта 99
5.3.1 Выбор технических средств автоматизации 99
5.3.2 Выбор первичных и вторичных приборов измерения 100
5.3.3 Методика разработки функциональной схемы автоматизации ферментатора 102
6 Мероприятия по охране труда и безопасности жизнедеятельности 104
6.1 Мероприятия по охране труда 105
6.2 Анализ опасных и вредных производственных факторов 107
6.2.1 Краткая характеристика площадки, физико-географических и климатических условий района строительства 107
6.2.2 Охрана атмосферного воздуха от загрязнений 108
6.2.3 Инженерные мероприятия по обеспечению безопасности технологических процессов 110
6.2.4 Инженерные решения по обеспечению санитарно-гигиенических условий труда 111
6.2.5 Технические решения, обеспечивающие взрыво- и пожаробезопасность помещения 112
6.3 Надлежащая производственная практика (GMP) 114
7 Экономическое обоснование модернизации ферментатора 116
7.1 Определение затрат на модернизацию ферментатора 116
7.1.1 Определение стоимости изготовления новых узлов и деталей 116
7.1.2 Определение затрат на доставку 117
7.1.3 Определение затрат на демонтаж 117
7.1.4 Определение затрат на монтаж 119
7.1.5 Определение производственной мощности ферментатора 120
7.1.6 Сводная смета на модернизацию ферментатора 121
7.2 Определение затрат на эксплуатацию ферментатор 122
7.2.1 Расчёт энергетических затрат 122
7.2.2 Расчёт численности производственных рабочих и фонда заработной платы 122
7.2.3 Расчёт отчислений в бюджет и внебюджетные фонды от средств на оплату труда 124
7.2.4 Расчёт амортизационных отчислений 124
7.2.5 Расчёт затрат на содержание и ремонт оборудования 124
7.2.6 Расчёт затрат на содержание и ремонт здания 125
7.2.7 Расчёт других общепроизводственных расходов 125
7.2.8 Итоговая смета эксплуатационных расходов 125
7.2.9 Расчёт эксплуатационных расходов на один цикл 126
7.3 Расчёт показателей экономической эффективности модернизации 126
7.4 Экономические показатели 127
Заключение 128
Перечень графического материала 129
Список использованных источников 130