年產(chǎn)6000噸植酸酶發(fā)酵工廠設(shè)計

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1、山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 山東科技大學(xué) 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目：年產(chǎn)6000噸植酸酶發(fā)酵工廠設(shè)計 學(xué)生姓名：李桂鼎 學(xué) 號：0901111212 專 業(yè)：生物工程 班 級：09—2班 指導(dǎo)教師：韓秋霞 山東科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 年產(chǎn)6000噸植酸酶制劑生產(chǎn)工藝段設(shè)計 摘要 本次畢業(yè)設(shè)計的任務(wù)是年產(chǎn)6000噸植酸酶制劑生產(chǎn)工廠設(shè)計。 在現(xiàn)代食品工業(yè)中, 酶的應(yīng)用幾乎涉及到食品加工的各個領(lǐng)域。隨著酶制劑日益廣泛的應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。植酸酶是一類催化植酸（肌醇六磷酸酯）及植酸鹽水解成無機(jī)磷和肌醇的酶的總稱。植酸酶

2、不但可以使單胃動物利用有機(jī)磷，還可減少磷的排出，減輕環(huán)境污染，所以植酸酶引起眾多科研工作者的廣泛關(guān)注，植酸酶生產(chǎn)的具體工藝流程，通過物料衡算確定需要----立方米發(fā)酵罐----臺和----立方米種子罐----臺，在此基礎(chǔ)上得出發(fā)酵工段所需要的各種原料量，通過能量衡算確定水、無菌空氣和蒸汽等的消耗量。然后對主要設(shè)備進(jìn)行計算和選型，得出發(fā)酵罐、種子罐及通用設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等的結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻裝置、傳動裝置，根據(jù)工藝要求確定罐的附屬設(shè)備和輔助設(shè)備以及發(fā)酵過程中的優(yōu)化控制，然后進(jìn)行植酸酶制劑活性測定。最后設(shè)計了發(fā)酵工廠的車間布局，提出了相應(yīng)的公用工程、安全衛(wèi)生與環(huán)境保護(hù)等輔助工藝。根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)計了六

3、張圖紙，分別為發(fā)酵罐裝配圖、種子罐裝配圖、工藝管道及儀表流程圖、廠房車間布置圖、物料流程圖和設(shè)備一覽表。 關(guān)鍵詞：堿性蛋白酶；發(fā)酵；工藝設(shè)計 The graduation project's mission is to make a production plant design, whose annual output is 6,000 tons of phytase preparation. Abstract In modern food industry, enzymes are used involving almost all areas of food processing

4、. With the increasingly widespread application of enzymes, it has significant economic benefits. Phytase is a class of enzyme that can catalyze phytate (inositol hexaphosphate) and phytic acid salt hydrolyzing into inorganic phosphorus and inositol. Phytase not only make monogastric animals can use

5、of organic phosphorus, but also can reduce the discharge of phosphorus and the environmental pollution, so phytase caused widespread concern of many researchers. Specific phytase production process, by material balance determine demand ---- an m3 of fermenters ---- one---- and---- an m3 of seed tan

6、k----one, deriving all the required material of fermentation section based on that. Determined through the energy balance of water, sterile air and steam consumption. Then calculate and select the main device, obtaining the structure,the size, the cooling device and transmission device of the fermen

7、ter ,seed tank, general equipment and non-standard equipment. According to the technical requirements to determine tanks’ ancillary equipment, auxiliary equipment and optimized control in the fermentation process, then make preparations phytase activity assay. Finally the fermentation factory floor

8、layout is designed, putting forward the corresponding public works, health and safety and environmental protection and other auxiliary craft. According to the results of the calculation, six drawings are disigned, respectively fermenter assembly drawings, seed pots assembly drawings, process piping

9、and instrumentation diagrams, factory workshop layout, material flow and equipment list. Keywords: alkaline protease; fermentation; process design 第一章 總論 1.1設(shè)計依據(jù)： 山東科技大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計書。 1.2指導(dǎo)思想： 生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化裝置是由若干個單元設(shè)備以系統(tǒng)的、合理的方式組織起來的整體。過程設(shè)計依據(jù)生物工藝條件，選擇合理的原料，確定最經(jīng)濟(jì)和安全的途徑，使之生產(chǎn)出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的生物產(chǎn)品。 1

10、.3設(shè)計要求： （1）生物產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量指標(biāo)。 （2）必須進(jìn)行工藝流程化和參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)地使用資金、原材料公共設(shè)備和人員。 （3）必須充分考慮各種明顯的和潛在的危險，保證生產(chǎn)人員的健康和安全，如生物反應(yīng)器的壓力容器，易燃易爆揮發(fā)性溶劑的管理以及微生物的擴(kuò)散等。 (4）符合國家和地方的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，按照工業(yè)生態(tài)學(xué)減少原料和能量的使用，物料的多層多級綜合利用使用和廢棄物資源化循環(huán)利用的“3R”原則，達(dá)到清潔生產(chǎn)。 (5）保證整套系統(tǒng)不僅可以正常操作，而且也能滿足開停車等非常規(guī)操作。 (6) 保證系統(tǒng)能夠適應(yīng)和抑制外部擾動的影響，達(dá)到整套系統(tǒng)的可控性。 1.4

11、設(shè)計范圍： 本設(shè)計主要針對植酸酶制劑生產(chǎn)工廠設(shè)計，主要包括：發(fā)酵罐設(shè)計、種子罐設(shè)計、補料罐設(shè)計、空氣過濾器以及氨水儲罐設(shè)計。設(shè)計過程中，要進(jìn)行必要的物料衡算和能量衡算。通過衡算的結(jié)果對主要設(shè)備進(jìn)行選型，研究各個因素對發(fā)酵產(chǎn)量的影響，以及發(fā)酵生產(chǎn)中節(jié)能減排高產(chǎn)的實現(xiàn)。 1.5設(shè)計目標(biāo)： 合理的車間產(chǎn)房布局，獲得能源，產(chǎn)量和環(huán)保均為最優(yōu)的堿性蛋白酶生產(chǎn)車間設(shè)計。 要求根據(jù)選定的堿性蛋白酶發(fā)酵工藝，得出物料衡算和能量衡算的結(jié)果。由結(jié)果設(shè)計六張圖紙，分別為：種子罐裝配圖，發(fā)酵罐裝配圖，工藝管道及儀表流程圖，廠房車間布置圖，物料流程圖，設(shè)備一覽表以及人員配備。

12、 第二章 產(chǎn)品介紹 2.1 植酸酶制劑概述 植酸酶作為一種由微生物發(fā)酵生產(chǎn)的酶制劑，經(jīng)深層發(fā)酵、提取及精制而成的一種酶制劑，是一類催化植 酸（肌醇六磷酸酯）及植酸鹽水解成無機(jī)磷和肌醇的酶的總稱。生產(chǎn)工藝是采用微濾超濾膜分離、噴霧干燥或真空冷凍干燥等先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于飼料，可以提高飼料中植酸磷的利用率，減少磷的排放量，降 低環(huán)境中磷的污 染，并能解除植酸抗?fàn)I養(yǎng)作用，從而提高飼料消化利用率。如果植 酸 磷能夠被充分利用，則日糧中的磷含量已基本可滿足畜禽營養(yǎng)需要，可較少甚至不用再額外添加無機(jī)磷。 2.2 植酸酶的性質(zhì) 植酸酶屬于磷酸單酯水解酶，是磷酶的一種

13、特殊類型。植酸酶廣泛分布于自然界，存 在于微生物、植物和動物的組織中；〔1〕植酸酶在這些有機(jī)體中的作用不同，植物 中的植酸 酶在發(fā)芽過程中被誘導(dǎo)，為生長的幼苗提供磷和肌醇，后者是重要的生長因子；〔2〕微生物 中的植酸酶在有機(jī)體磷饑餓時被誘導(dǎo)表達(dá)，促使周圍植物來源的植酸釋放磷供給有機(jī)體利用。 2.3 植酸酶酶的使用條件 底物濃度10—25%，溫度50—60（40—60）℃，pH值9—11（7—10），反應(yīng)時間3—6小時（根據(jù)要求可長可短），添加酶0.03—0.06%（以水解溶液重量計）。 2.4 植酸酶酶的保存 5℃保藏，保質(zhì)期一年；25℃儲存，酶活保存期至少3個月以上。 2.5

14、植酸酶在動物生產(chǎn)中的應(yīng)用 由于反芻動物瘤胃內(nèi)微生物能合成包括植酸酶在內(nèi)的多種消化酶，所以植酸酶多數(shù)情況下在非反芻動物飼料中使用。 1、在家禽生產(chǎn)中的應(yīng)用 由于單胃動物自身不能分泌分解植酸鹽的植酸酶，故其不能利用植酸鹽中的 磷，在飼糧中添加植酸酶可以有效地分解飼料中的植酸，釋放無機(jī)磷，提高飼料 中植酸磷的利用率。 在加成年公雞日糧中添加植酸酶， 結(jié)果顯示， 與對照組相比， 磷真消化率分別提高 3.03%、0.12%、16.90%、37.71%和 28.14%（P<0.05） ，蛋 白質(zhì)表觀消化率提高 0.24%~4.00%；賴氨酸表觀消化率提高 1.01%~4.82%，且磷 真消化

15、率、表觀代謝能、蛋白質(zhì)和賴氨酸表觀消化率分別與日糧的植酸含量呈負(fù) 線性關(guān)系。 在 30 周齡海蘭白蛋雞日糧中添加不同水平的植酸酶及磷酸氫鈣，結(jié)果表明， 同時添加植酸酶和磷酸氫鈣的試驗組比對照組產(chǎn)蛋率、蛋重、蛋殼強度及飼料轉(zhuǎn) 化率均有提高，且試驗組產(chǎn)蛋率與對照組相比差異顯著（P<0.05） 。 在肉鴨基礎(chǔ)日糧（玉米-豆粕型）中添加植酸酶 400 U?kg-1，結(jié)果表明，添加 植酸酶可改善鴨生長性能，提高脛骨中灰分、鈣磷的沉積，提高鈣、總磷和植酸 磷的利用率，并減少糞磷的排出，同時使血鈣、血磷濃度和堿性磷酸酶的活性維 持在正常水平。[6] 在低有效磷日糧中添加不同水平的植酸酶對肉鴨脛骨、血清、肝臟

16、、排泄物 中礦物元素的沉積和利用的影響， 指出低有效磷日糧中添加植酸酶可以提高肉鴨 對植酸磷、 總磷、 鈣的利用率， 減少排泄物中植酸磷、 總磷和鈣的含量 （P<0.05） ， 提高了 提高肉鴨脛骨中灰分、灰分中鈣、磷及血清中無機(jī)磷的含量（P<0.05） 肉鴨對錳、鋅的利用率，降低銅、鐵的利用率（P<0.05） ，且植酸酶促進(jìn)了肉鴨 肝臟中錳、鋅的沉積，降低了銅、鐵在肝臟中的沉積（P<0.05）。 2、在豬生產(chǎn)中的應(yīng)用 許多研究證明，豬只能利用玉米中磷的 10%~20%，豆餅中磷的 25%~35%， 表明在豬生長和肥育過程中只有少量的磷被利用， 而在飼料中添加植酸酶則可以 顯著改善這一狀況。

17、[9] 在生長育肥豬日糧中添加植酸酶替代 0.5%的磷酸氫鈣， 可以改善生長育肥豬 的生長性能及營養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率，并顯著降低了糞中氮、磷的排泄。 在仔豬飼糧中添加植酸酶 500 U?kg-1 能夠明顯提高仔豬生產(chǎn)性能，改善磷和蛋 白質(zhì)的利用率，且植酸酶的作用效果受飼糧磷和賴氨酸水平的影響，低磷飼糧加 酶的改善程度高于高磷飼糧。 在斷奶仔豬日糧中添加植酸酶，研究其對生長和營養(yǎng)物質(zhì)回腸表觀消化率的 影響，結(jié)果表明，玉米豆粕型日糧中添加植酸酶降低了斷奶仔豬的采食量，提高 了日糧中干物質(zhì)、能量、蛋白質(zhì)的消化率，改善了回腸營養(yǎng)物質(zhì)的表觀消化率。 降低了血清中的葡萄糖、血清尿素氮和血清堿性磷酸酶水平，

18、提高了血清 T3、 T4 和胰島素水平。[11] 還有學(xué)者研究了不同日糧條件下植酸酶對磷利用率的影響，結(jié)果表明，添加 植酸酶試驗組豬的骨骼折斷強度均好于不加酶組，但未表現(xiàn)出顯著差異 （P>0.05） ，添加植酸酶組能顯提高飼料磷表觀消化率（P<0.05） 。。 3、植酸酶在水產(chǎn)中的應(yīng)用 大量研究表明，在飼料中添加植酸酶，可以改善水產(chǎn)養(yǎng)殖動物對植物性飼料 中磷的利用，減少無機(jī)磷源添加量，利于以植物蛋白源部分替代魚粉，同時減少 了水體中磷的排放，有利于減輕對水體的污染。王愛民等（2007）報道，在異育 銀鯽飼料中添加不同濃度的植酸酶， 提高了異育銀鯽對蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)元素的利 用率，促進(jìn)魚體生長，

19、提高飼料利用率，減少磷排泄，并以日糧中添加 1 000 FTU/kg 的植酸酶效果顯著。 4、在其他動物方面的應(yīng)用 在獺兔、櫻桃谷鴨、鵪鶉的飼糧中添加不同水平的植酸磷均可以不同程度的 增加其對飼料的利用率，生產(chǎn)性能都有明顯的提高。 2.6 注意事項 1、使用植酸酶的注意事項 飼料種類及飼糧的組成成分 植酸酶只作用于植酸,飼料中有足量的植酸,添加植酸酶才有實際價值。 研究表 明,飼料中植酸磷含量在 0. 2%以上時使用植酸酶才有效。 餅粕類飼料中植酸磷含 量較高,應(yīng)用植酸酶可充分發(fā)揮其作用。玉米-豆粕型日糧中植酸磷含量雖不高, 但因玉米、豆粕自身植酸酶活性很低,添加植酸酶也有一定作用。家禽

20、日糧中缺 乏維生素 D 和鈣時植酸酶的利用率降低,添加維生素 D 和鈣可提高植酸酶的利用率。 2、動物種類及年齡 反芻動物瘤胃微生物能產(chǎn)生植酸酶,可以有效地水解植酸鹽,因此反芻動物不 用考慮植酸酶的添加問題。 單胃動物腸道黏膜中的內(nèi)源性植酸酶及腸道微生物產(chǎn) 生的植酸酶活性很差,一般認(rèn)為成年單胃動物腸道中植酸酶活性高于幼齡動物,豬 高于雞。 因為豬的消化道比禽類長,豬進(jìn)食后需要 18~24 h 才開始排出糞便,約 12 h 才能排完。相比之下,禽類則要快得多,如雞進(jìn)食后需要 2~4 h 開始排出糞便,禽消 化道比較短,飼料利用率低,故酶的添加比例或酶活性要求高一些。 3、酶的來源、含量、 酶

21、的來源、含量、活性和穩(wěn)定性 酶具有高度的專一性和特異性。不同動物品種和不同生長階段要求植酸酶的 種類和數(shù)量不同。一般消化道前段的酸性環(huán)境適合來自于真菌的植酸酶,消化道 中段的偏酸性環(huán)境到中性環(huán)境適合來自于細(xì)菌的植酸酶。 植酸酶生產(chǎn)所用的菌種 及生產(chǎn)工藝對酶活性及穩(wěn)定性有很大影響,因此在選擇使用產(chǎn)品時應(yīng)對廠家的生 產(chǎn)條件有所了解。在一定范圍內(nèi),植酸酶含量升高酶催化反應(yīng)的速度也隨之加快, 但當(dāng)其超過臨界濃度時,植酸酶的活性可被抑制。。 2.7 植酸酶研究趨勢 隨著現(xiàn)代分子生物學(xué)的飛速發(fā)展,采用基因工程技術(shù)手段構(gòu)建植酸酶基因工程菌,提高酶產(chǎn)量,是植酸酶研究的新熱點。當(dāng)前國外使用的植酸酶基因工程菌

22、均是以 NRRL3135 菌株作為出發(fā)菌株,如丹麥NOVO 公司生產(chǎn)的植酸酶就是用該生產(chǎn)菌的基因工程菌生產(chǎn)的;1991 年荷蘭的麥斯特·布羅卜德有限公司在中國申請了專利;微生物植酸酶基因的克隆與表達(dá),也是以該NRRL3135菌株的基因克隆,并在黑曲霉中表達(dá)的基因工程菌。到目前,共有 10 余個植酸酶編碼基因得到了分離克隆。Van Gorcomd 等構(gòu)建了 3組重組 A. niger 菌株,植酸酶產(chǎn)量分別達(dá)到 1. 1xl05U/ml ,0. 5xl05U/ ml , 2. 8xl05U/ ml ,與天然植酸酶產(chǎn)生菌株不到100U/ ml 相比有大幅度的提高。目前這一菌株已用來工業(yè)化生產(chǎn)。我國姚

23、斌等通過基因工程的方法獲得了高效表達(dá)、生產(chǎn)植酸酶的基因工程酵母,其植酸酶的表達(dá)量較天然的植酸酶產(chǎn)生菌黑曲霉高3000倍以上,有望實現(xiàn)植酸酶的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。PenJ 等將帶有黑曲霉植酸酶的基因轉(zhuǎn)入煙草種子中得到轉(zhuǎn)基因種子,植酸酶占成熟種子可溶性蛋白的 1 %,可作為一種新型飼料添加劑,用以喂仔雞,生長速度加快,其效果和添加真菌植酸酶或無機(jī)磷相當(dāng)。Verwoerd等也做了類似的工作,在轉(zhuǎn)基因煙草中檢測到了植酸酶,其中在葉子中表達(dá)量最高,達(dá)到可溶性蛋白的 14.4 %。 第三章 堿性蛋白酶發(fā)酵工藝 3.1植酸酶生產(chǎn)流程簡介 堿性蛋白酶生產(chǎn)工藝分為： 一級液體培養(yǎng)

24、 二級液體培養(yǎng) 發(fā)酵罐發(fā)酵 接種 離心 菌種培養(yǎng) 分離純化 菌種的選育 堿性蛋白酶生產(chǎn)工藝分為：菌種的選育→菌種培養(yǎng)→接種→一級液體培養(yǎng)→二級液體培養(yǎng)→發(fā)酵罐發(fā)酵→離心→分離純化 3.2發(fā)酵工藝具體方法 3.2.1 產(chǎn)植酸酶菌種的選育 雖然有許多微生物可以分泌植酸酶，但只有那些產(chǎn)酶活力高的菌株受到關(guān)注。因為只有植酸酶產(chǎn)量高的菌株才可能在實際的工業(yè)生產(chǎn)得到應(yīng)用。目前提高菌株植酸酶產(chǎn)量的途徑主要有兩條，一是對菌株進(jìn)行改造，二是對菌體產(chǎn)酶的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。在本實驗中以黑曲曲霉（武漢工業(yè)學(xué)院微生物室保存）為生產(chǎn)菌種。 3.2.2一級液體培養(yǎng)： 將平板上單菌落接

25、入種子培養(yǎng)基，35℃搖床培養(yǎng)40小時，進(jìn)行一級液體培養(yǎng)?！　　　? 　　　　 3.2.3發(fā)酵罐發(fā)酵： 以8％的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基，35℃培養(yǎng)72小時，進(jìn)行液體深層發(fā)酵培養(yǎng)；在發(fā)酵過程中，采取調(diào)節(jié)pH的方法控制發(fā)酵，即：將種子接種于發(fā)酵培養(yǎng)基后，使發(fā)酵液初始pH為5.6—6.0；在發(fā)酵期間，當(dāng)發(fā)酵液酸性逐漸增加時，應(yīng)控制發(fā)酵液pH不高于6.0；隨后，當(dāng)發(fā)酵液堿性逐漸增加時，應(yīng)控制發(fā)酵液的pH不高于6.0?！　　　? 3.3 植酸酶的分離純化 工業(yè)中使用的基本都是植酸酶的粗制品，進(jìn)一步的分離純化有助于更好地確定酶的性質(zhì)及作用機(jī)制。 以菌株的發(fā)酵液為處理對象，首先離心除去菌體細(xì)胞及其它不溶

26、性物質(zhì)，對無細(xì)胞發(fā)酵液進(jìn)行沉淀，達(dá)到分離和濃縮的目的。再通過等電層析、親和層析等不同的色譜層析手段對植酸酶進(jìn)一步純化。 附：培養(yǎng)基　 表3.1培養(yǎng)基配比 斜面培養(yǎng)基：（PDA） 種子培養(yǎng)基 發(fā)酵培養(yǎng)基 麩皮 5g 2% 2% 馬鈴薯 200g 蔗糖 20g 葡萄糖 3% 3% 硫酸銨 0.15% 0.15% KCl 0.05% MgSO4.7H2O 0.05% CaCl2 0.2% MnSO4 0.03%

27、 PH 自然 5.5-6.0 5.5-6.0 水 1000ml 1000ml 1000ml 年產(chǎn)量：M=6000t 年工作日：m=330d 發(fā)酵周期T=84h 輔助時間12h發(fā)酵培養(yǎng)時間72h 產(chǎn)品效價：Vp=180單位/毫克 發(fā)酵平均水平：Vl=35000單位/毫升 裝料系數(shù)： =70% 收率：η=70% 參考文獻(xiàn)：1、米曲霉植酸酶液體發(fā)酵工藝研究，王亞林，嚴(yán)建芳 2、《化工工藝手冊》 江體乾主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 3、產(chǎn)植酸酶菌種的選育及發(fā)酵條件初步研究，覃擁靈，何海燕

28、 第四章 工藝計算 4.1發(fā)酵罐 4.1.1每天發(fā)酵罐放罐體積 (4-1) 式中：Vd--------發(fā)酵罐放罐體積 M--------年產(chǎn)量 Vp--------產(chǎn)品效價 m--------年工作日 Vl---------發(fā)酵平均水平 η---------收率 取每天放罐數(shù)nd=2時， 4.1.2發(fā)酵罐的體積 = （4-2）

29、 式中 ——發(fā)酵罐公稱體積 m3 ——裝料系數(shù) % 根據(jù)設(shè)計指標(biāo)=70%，==95.71 根據(jù)參考文獻(xiàn)，調(diào)整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐體積系列 則=100 m3 校核： 則發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為64.00% 符合要求 4.1.3發(fā)酵工段所需的發(fā)酵罐臺數(shù) （4-3） 式中 ——每天放罐數(shù) 罐/天 T ——發(fā)酵周期 小時

30、則可得出：(臺) 取n=7(臺) 4.1.4發(fā)酵罐的物料衡算 物料流入=基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）+種子液量+補料量+氨水用量+鹽酸用量 物料流出=成品夜+損失掉的料液量 （損失掉的料液量=尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣） 發(fā)酵過程物料衡算圖： 泡敵 油 損失 種子罐 發(fā)酵罐 放罐

31、 初料 補料 氨 鹽酸 圖4.1 發(fā)酵罐物料衡算示意圖 放罐料液占總料液的90%，則 總發(fā)酵料液體積 初裝料液體積占總料液的40%，則 接種量為初裝料液的20%（占總發(fā)酵液的10%），則

32、 4.1.5發(fā)酵罐物料消耗計算 每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次 取N=94次 已知，假設(shè)運輸過程中損失0.5%，則實際用 即每臺發(fā)酵罐每批次需要29.78的培養(yǎng)基 公式 ： （5-4） 表4.2 各種培養(yǎng)基配比（單位：kg/m3） 物料名稱 發(fā)酵培養(yǎng)基 種子培養(yǎng)基 補料 麩皮 葡萄糖 硫酸銨 氯化鈣 硫酸鎂 硫酸錳 氯化鉀 50 30 1.5 2 0.5 0.3 0.5 50 30 1．5 —— —— —— —— 50 30 1.5 2

33、 0.5 0.3 0.5 每年7臺發(fā)酵罐麩皮的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐酵葡萄糖的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸銨的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐氯化鈣的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸鎂的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸錳的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐氯化鉀的消耗量 每臺消泡用植物油0.38，植物油密度為915-937.5,取油的密度 920 每年7臺發(fā)酵罐植物油的消耗量 每臺消泡用泡敵1.73，泡敵密度1000 每年7臺發(fā)酵罐泡敵的用量 表4.3 發(fā)酵罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg） 物料名稱 每罐每批次消耗量

34、 年消耗量 麩皮 葡萄糖 硫酸銨 氯化鈣 硫酸鎂 硫酸錳 氯化鉀 植物油 泡敵 1518.00 909.00 45.15 60.20 15.05 9.03 15.05 349.60 1730.00 998844.00 598122.00 29708.70 39611.60 9902.90 5941.74 9902.90 230036.80 1138340.00 4.1.6補料液中各物料的消耗量 每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次 N=94次 已知 ，假設(shè)運輸過程中損失0.5%，則實際用量為 即每臺發(fā)酵罐每批次需要補料液 公式： 補料罐料

35、液配比見表4-2 每年7臺發(fā)酵罐麩皮的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐葡萄糖的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸銨的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐氯化鈣的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸鎂的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐硫酸錳的消耗量 每年7臺發(fā)酵罐氯化鉀的消耗量 表4.4 補料罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg） 物料名稱 每罐每批次消耗量 年消耗量 麩皮 葡萄糖 硫酸銨 氯化鈣 硫酸鎂 硫酸錳 氯化鉀 1318.50 804.60 40.23 53.64 13.41 8.05 13.41 867573.00 529426.

36、80 26471.34 35295.12 8823.78 5294.27 8823.78 4.2種子罐 4.2.1種子罐物料衡算 在種子罐培養(yǎng)過程中，物料流入主要是接種，接種比為5%，而流出物料主要包括逃液、蒸發(fā)和取樣。逃液損失4%，則放罐時的種子液占總料液的96% 本設(shè)計采用一臺種子罐供應(yīng)一臺發(fā)酵罐,故要求種子罐每天放兩罐 種子罐放罐液量為 種子罐物料衡算圖： 損失 初料 種子

37、罐 放罐 初料 油 菌種 圖4.5 種子罐物料衡算圖 由圖5-2知 即 則 4.2.2種子罐公稱體積 種子罐培養(yǎng)過程中，裝料系數(shù)較低，一般為55%~65%，本設(shè)計取=60% （4-5） 調(diào)整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐 校核： 則種子罐的裝料系數(shù)為59.90% 符合要求。 種子罐臺數(shù)

38、 式中 ——每天放罐數(shù) 罐/天 T ——發(fā)酵周期 小時 發(fā)酵周期=輔助時間+發(fā)酵時間 輔助時間=出料時間+滅菌時間+移種時間+放罐時間+清洗檢修時間 根據(jù)文獻(xiàn)得知發(fā)酵時間為40小時，設(shè)輔助時間為8小時，發(fā)酵周期為48 小時 得出 取n=4臺 考慮到生產(chǎn)過程中種子罐因生產(chǎn)不良或染菌造成發(fā)酵罐停工待種，取5臺發(fā)酵罐，一臺備用 種子罐物料消耗計算 每臺種子罐年培養(yǎng)批次

39、 已知，假設(shè)運輸損失0.5%，則 實際用量為 則每批種子罐需要11.78m3培養(yǎng)基 公式： 由表4.1各種培養(yǎng)基配比計算 一批產(chǎn)品一臺發(fā)酵罐所需補入各物質(zhì)的質(zhì)量 每年4臺種子罐麩皮的消耗量 每年4臺種子罐葡萄糖的消耗量 每年4臺種子罐硫酸銨的消耗量 種子罐消泡用植物油0.13m3，植物油密度為920kg/m3 則 每年4臺種子罐植物油的消耗量 表4.6 種子罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg） 物料名稱 每罐每批次消耗量 年消耗量 麩皮 葡萄糖 硫酸銨 植物油 589.00 353

40、.40 17.67 119.6 388740.00 233244.00 11662.2 78036.00 總物料消耗計算 由公式可得出年物料消耗總量 可得出每天物料的消耗量 表4.7物料總消耗量一覽表（單位：kg） 物料名稱 年消耗量 日消耗量 麩皮 葡萄糖 硫酸銨 氯化鈣 硫酸鎂 硫酸錳 氯化鉀 植物油 泡敵 2255157.00 1360792.80 67842.24 74906.72 18744.68 6471.01 18744.68 308972.80 1138340 6833.81 4123

41、.61 205.58 226.99 56.80 19.61 56.80 936.28 3449.52 4.3熱量計算 發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)計算 （4-6） 式中 --- 發(fā)酵罐的發(fā)酵熱效應(yīng) KJ/h --- 單位體積發(fā)酵液所產(chǎn)生的熱量，也稱發(fā)酵熱 KJ/(m3·h) ---- 發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的體積 m3 黑曲霉發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱為5500～10050 KJ/(m3·h) 本設(shè)計取=8000 KJ/(m3·h) 發(fā)酵罐的熱效應(yīng)：=8000×67.00 =5360

42、00( KJ/h) 種子罐的熱效應(yīng)：=8000×6.04=48320 (KJ/h) 由能量守恒得： (4-7) 式中 —— 待冷卻的熱量 KJ/h —— 向環(huán)境中散發(fā)的熱量 KJ/h —— 蒸汽耗熱量 KJ/h —— 發(fā)酵熱效應(yīng) KJ/h —— 攪拌產(chǎn)生的熱量KJ/h 其中 [14] (4-8) 式中 —— 設(shè)備總表面積 m2 —— 壁面對空氣

43、聯(lián)合絕熱系數(shù)， —— 壁面溫度 ℃ —— 環(huán)境溫度 ℃ (4-9) (4-10) 式中 —— 攪拌功率 Kw —— 功熱轉(zhuǎn)化率 92% 發(fā)酵罐： 得 種子罐 得

44、 4.4水的用量 4.4.1自來水 自來水消耗主要用于配料和洗罐 1、配料用水(約為消前培養(yǎng)基體積) 每批次配料用水量： 每天配料用水量： 2、洗罐水（從人孔直接沖洗用水量取罐體積的10%） 補料每天消耗料液為26.82 m3，取公稱容積為30 m3，每天放一罐， 每批次洗罐用水量 每天洗罐用水 3、自來水總用量 考慮到日常用水、種子室用水及清洗車間用水，取裕量系數(shù)為1.2

45、，則每天自來水總用量為 4.4.2冷卻用水 (4-11) 式中 —— 待冷卻熱量 KJ/h —— 水的比熱容 KJ/(Kg·℃) —— 冷卻水進(jìn)口溫度 ℃ —— 冷卻水出口溫度 ℃ 取裕量系數(shù)為1.2，則 夏季冷卻水用量 =20℃ =25℃ 已知c=4.2KJ/(kg·℃) 發(fā)酵罐用水：

46、 種子罐用水： 總水量： 冬季冷卻水用量 =3℃ =10℃ 已知c=4.2KJ/(kg·℃) 發(fā)酵罐用水： 種子罐用水： 總用水量： 4.4.3實消過程冷卻水用量 (4-12)

47、 (4-13) 式中：W—冷卻水的用量，KJ/h A—冷卻水的流量 C—冷卻水的比熱容，KJ/(Kg·℃) F—傳熱面積，m2 K—平均傳熱系數(shù)，KJ/( m2?h?℃) —培養(yǎng)基冷卻過程在某時刻的溫度，℃ —對應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度時冷卻水出口溫度，℃ —冷卻水進(jìn)口溫度，℃ 其中夾套的傳熱系數(shù)通常為630-1050 KJ/( m2?h?℃)，蛇管和外盤管的傳熱系數(shù)為1260-1680 KJ/( m2?h?℃)。這里采用后者，取1400 KJ/( m2?h?℃)。 已知，=80℃ =26℃ =18℃ C=4.18 KJ/(Kg·℃) 得 發(fā)酵罐用水

48、 種子罐用水 補料罐用水 4.5蒸汽耗量計算 發(fā)酵蒸汽消毒有實消和連消兩種，發(fā)酵過程中實罐消毒蒸汽用量較大，蒸汽直接進(jìn)入罐內(nèi)與溶液混合加熱使罐溫快速升高至一定溫度后再進(jìn)行保溫滅菌，滅菌操作不同，蒸汽消耗量差別很大。我們在設(shè)計時經(jīng)?？紤]采用實消。通過通入蒸汽使罐溫從預(yù)熱的75-85℃迅速上升到1202℃，然后在此溫度和0.100.05MPa上進(jìn)行保溫滅菌。在計算過程中，我們首先計算直接蒸汽混合加熱用氣量，然后保溫時間內(nèi)的蒸汽耗用量按升溫用氣量的30

49、-50%進(jìn)行計算。 4.5.1直接加熱蒸汽耗量 （4-14） 式中， —蒸汽的熱焓，KJ/kg G—培養(yǎng)基質(zhì)量，Kg C—培養(yǎng)基比熱容，KJ/(Kg·℃) —熱損失，5%~10% —加熱結(jié)束時的料液溫度，℃ —加熱開始時的料液溫度，℃ 已知：在0.5MPa時=2748KJ/kg，c=4.2KJ/(kg·℃)，η取7%，=121℃，=20℃ 發(fā)酵罐： 種子罐：

50、 補料罐： 4.5.2滅菌保溫時間內(nèi)蒸汽用量 實罐滅菌操作中，蒸汽就是從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出（進(jìn)氣的閥門開的很大，排氣的閥門開的很?。?，由于操作人員的操作習(xí)慣不一樣，因此蒸汽消耗量很難準(zhǔn)確計算，在此根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行估算： [14] （4-15） 本設(shè)計取 40% 則 發(fā)酵罐： 種子罐： 補料罐： 蒸汽總耗量 發(fā)酵罐： 種子罐： 補料罐：

51、 4.6壓縮空氣耗量 通風(fēng)比計算法： 已知：發(fā)酵罐為100m3，7臺，培養(yǎng)液體積67.00m3，裝料系數(shù)67.00%，取通風(fēng)比1:0.7，則壓縮空氣需要量： Qg=n∑(vvm)V (4-16) 式中：∑(vvm)—單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)通入壓縮空氣 V—培養(yǎng)液體積，m3 n—發(fā)酵罐臺數(shù) 種子罐：20m3，4臺，培養(yǎng)液體積12.08m3，裝料系數(shù)60%，取通風(fēng)比1:1.4，則壓縮空氣需要量： 4.7用電量的計算 1、發(fā)酵罐用電量 發(fā)酵罐電機(jī)的額定功率為55KW，

52、故發(fā)酵罐的單批次用電量為 55×72×7=27720(Kw·h) 年用電量 27720×94=2.61×106(Kw·h) 2、種子罐用電量 種子罐電機(jī)的額定功率為37KW，故種子罐的單批次用電量為 37×40×4=5290(Kw·h) 年用電量 5290×165= 3、補料罐用電量 補料罐電機(jī)的額定功率為110KW，故補料罐的單批次用電量為 110×72×1=7290(Kw·h) 年用電量 7290×94= 4、泵的用電量 根據(jù)補料泵、氨水泵、油泵、泡敵泵、

53、鹽酸泵選型中電機(jī)功率及軸功率計算用電量的 5、照明、監(jiān)控室及其他 取20Kw·h 則年用電量為 6、年總用電量（取裕量系數(shù)為1.1） 第五章 典型設(shè)備 5.1發(fā)酵罐 通用式發(fā)酵罐幾何尺寸比例關(guān)系如下： =1.7-3.0， =-，=-,=0.8-1.0, =1-2.5 式中： H—筒身高度，m D—罐徑，m W—擋板寬度，m C—下攪拌器距底間距，m S—兩攪拌器間距，m h—封頭高度，m HL—液位高度，m 5.1.

54、1尺寸計算 發(fā)酵罐的“公稱體積”是指罐的筒身體積Vc與下封頭體積Vb之和。其中封頭體積可根據(jù)封頭形狀、直徑及壁厚從有關(guān)化工設(shè)計手冊中查得。 (5-1) (5-2) 式中：ha—封頭曲邊高度，m hb—封頭直邊高度，m 對標(biāo)準(zhǔn)橢圓ha =,則發(fā)酵罐的公稱體積為 (5-3) hb相對于D與H很小，可忽略不計，故 (5-4) 已知V0=100m3，取H=2D,代入上式得 100=D2×2D+D

55、3 得，D=3.89m 參考資料（發(fā)酵工廠 吳思方），將直徑圓整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐系列，取D=4000mm。 將直徑D=4000mm代入下式，可計算筒身高度： （5-5） 查表知公稱直徑D=4000mm，ha =1000mm，hb =50mm，Vb=9.02 m3則 圓整后取H=7300mm. 校核： (符合：=1.7-3.0) 即：發(fā)酵罐公稱體積為101m3，全容積為110m3，直徑為4m。 罐體總高度： 圓筒部分裝液量： 則圓筒部分液面高： 發(fā)酵液體總高度： 5.1

56、.2發(fā)酵罐攪拌裝置及軸功率計算 1、 攪拌裝置 發(fā)酵罐上常用的攪拌器是推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器，這兩種攪拌器各有特色：推進(jìn)式攪拌器由于葉片的結(jié)構(gòu)，物料流向主要為軸向，出物料量大，整體混合程度好，所需功率小，但剪切力較小，對氣泡的細(xì)化和分散作用弱，在發(fā)酵中不利于氧的傳遞，因此渦輪式攪拌器被大量地應(yīng)用于發(fā)酵罐中；但渦輪式攪拌器的功率消耗大，在相同條件下，渦輪式攪拌器的功率消耗是推進(jìn)式攪拌器的5-6倍。根據(jù)堿性蛋白酶發(fā)酵工藝的需要，本設(shè)計采用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器，可以有利于粉碎氣泡，強化氧的傳遞，以達(dá)到最佳混合效果。 2、 攪拌器尺寸設(shè)計 本設(shè)計采用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各種尺寸與

57、罐徑D存在一定的比例關(guān)系。將主要尺寸列舉如下： 攪拌器直徑 葉寬b=0.2d=0.2×1333.33=266.66(mm) 葉弦長L=0.25d=0.25×1333.33=333.33(mm) 弧長r=0.375d=0.375×1333.33=500(mm) 底距C=0.8D=0.8×4000=3200(mm) 盤徑Φ=0.75d=0.75×1333.33=1000 (mm) 葉距S=1.5d=1.5×1333.3=(mm) 彎葉板厚度δ=12mm 3、攪拌軸功率計算 a) 不通氣條件下的攪拌功率 經(jīng)科學(xué)實驗和生產(chǎn)實踐總結(jié)功率準(zhǔn)數(shù)和攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系：

58、 （5-6） （5-7） 式中：Np—攪拌功率特征數(shù) P—攪拌功率，W n—攪拌器轉(zhuǎn)速，r/s d—攪拌器直徑，m ρ—液體密度，Kg/m3 查資料[13]得，六平葉渦輪槳 Np=6.2 六彎葉渦輪槳 Np=4.8 六箭葉渦輪槳 Np=3.9 攪拌轉(zhuǎn)速n可根據(jù)100m3罐，攪拌器直徑1.25m，轉(zhuǎn)速N=90r/min，以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得： 已知：n=86.35r/min=1.44 r/s，d=1.33m，ρ=1000Kg/m3，Np=4.8 ∴

59、 此式根據(jù)，，，的條件求的，由于發(fā)酵反應(yīng)器的，故實際反應(yīng)器的攪拌功率可用式(5-8)計算： （5-8） 式中：、為實際值，、為理論值均為3。 ∴ （5-9） 已知D=4m，d=1.33m，HL=5.67m，代入式中得 攪拌器層數(shù)的計算： 取m=2 當(dāng)發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時，軸功率可按下式估算： Pm=P實(0.4+0.6m) （5-10

60、） 式中：m—攪拌器層數(shù) 則 Pm=71.20×(0.4+0.6×2)=113.92(Kw) b) 通風(fēng)條件下的攪拌功率 通風(fēng)條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗公式計算： （5-11） 式中 ——通風(fēng)時的攪拌功率 Kw ——不通風(fēng)時的攪拌功率 Kw —— 攪拌軸轉(zhuǎn)速 m/s —— 攪拌器直徑 m ——通風(fēng)量

61、 已知，n=86.35 r/min，K隨攪拌器形式不同而不同，對通用渦輪攪拌器K=0.157。 則 c) 電動機(jī)功率的確定 （5-12） 式中：PN—電動機(jī)功率 Kw P′—攪拌器功率 Kw PT—軸封裝置的摩擦損失功率 Kw η—傳動裝置的機(jī)械效率 一般端面軸封摩擦損失的功率?。?%~2%）Pm，本設(shè)計取2% Pm，圓柱齒輪減速傳動時η可取0.98-99.5%，本設(shè)計取98%。 則

62、查資料（化工工藝手冊 5-220），選取電動機(jī)功率為45Kw，其型號為Y280S-6 。減速機(jī)選用LPJ系列，根據(jù)要求選用LPJ600系列。 5.1.3發(fā)酵罐的換熱設(shè)備 發(fā)酵罐的傳熱裝置有夾套、內(nèi)蛇管和外盤管，一般容積為5m3以下的罐可用夾套為傳熱裝置，大于10m3的用蛇管、外盤管。 夾套的傳熱系數(shù)通常為630-1050KJ/(m2·h·℃)，蛇管，外盤管的傳熱系數(shù)通常為1260-1680 KJ/(m2·h·℃) [14]。 對于生產(chǎn)菌種發(fā)酵熱較大的發(fā)酵罐，當(dāng)安置外盤管傳熱面積仍不夠時，罐內(nèi)還要安置豎式蛇管來加大傳熱面積。本設(shè)計采用豎式蛇管的冷卻裝置。 1、 冷卻面積計算 用牛頓

63、傳熱定律公式計算： (5-13) 式中：Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量，KJ/h K—傳熱系數(shù)，KJ/(m2·h·℃) —兩流體傳熱時平均溫度差，℃ 由前面計算可知： Q=699897.93 KJ/h，K值取1400KJ/(m2·h·℃)，發(fā)酵溫度為35℃，冷卻水進(jìn)出口溫度分別為18℃、28℃。 則 則 考慮到消毒后培養(yǎng)基冷卻等因素，乘以系數(shù)1.1[18]，得： F實=1.1F=1.1×44.01=48.40(m2) 圓整為40 m2 此時100m3發(fā)酵罐的可用傳熱外表面積F′為：

64、，則可選擇內(nèi)部蛇管，能滿足本設(shè)計要求。 2、 進(jìn)水管總管直徑 按用水量大的夏季通水量計算。 冷卻水用量：W=39994.17Kg/h=11.11Kg/s 冷卻水體積流量： 取冷卻水在管中流速為v=1.6m/s 冷卻管總截面積： 進(jìn)水總管直徑： 查表（ 吳思方 ），選取Ф108×4的無縫鋼管，符合要求。 3、 豎式蛇管設(shè)計 （1）冷卻管組數(shù)和管徑 （5-14） 式中：S總—冷卻管總截面積，m2 n—豎式蛇管組數(shù) d0—豎式蛇管管徑，m 豎式蛇管的組數(shù)n，根據(jù)罐的大小一般3、4、6、8、12……組。通常每組

65、管圈數(shù)不超過6圈，增加組數(shù)可排下更多冷卻管；管與攪拌器的最小距離不應(yīng)小于250mm；每圈管子的中心距離為2.5D外-3.5D外，管兩端U型或V型彎管，可彎制或焊接。安裝時每組豎式蛇管用專用夾板加緊，懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上。管子與罐壁的最小距離應(yīng)大于100mm，主要考慮便于安裝，清洗和良好的傳熱。（發(fā)酵工廠設(shè)計 吳思方） 現(xiàn)根據(jù)本罐情況，取n=6，由(6-14)得管徑 查表取Ф45×3.5的無縫鋼管，符合要求。 現(xiàn)在取豎式蛇管圓端部U型彎管，曲徑為200mm，則兩直管間距離為400mm。設(shè)兩端彎管總長度為，則： （2） 冷卻管總長度計算 已知豎式蛇管的傳

66、熱面積F=40m2 每組蛇管需接管1m 則每組蛇管長= 可排豎式蛇管的高度設(shè)為靜液面高度，下部可深入封頭250mm，則豎式蛇管的高度等于圓柱部分液面高度加上可深入封頭以下高度。 筒體部分液深：HL′=4.62m 豎式蛇管高度：H′=4.62+0.25=4.87(m) 兩彎管總長：l0=1257mm 故豎式蛇管豎直部分長：h=H′-0.2×2=4.87-0.4=4.47(m) 則一圈管長：l=2h+l0=2×4.47+1.275=10.02(m) 故每組蛇管可繞圈數(shù)(圈)，取6圈。 校核： 管總長：L總=10.02×6×6+1×6=366.72(m)>313.70m，滿足設(shè)計要求。 依據(jù)蛇管與攪拌器最小間距為250mm進(jìn)行校核： 取管間距為0.09m，豎式蛇管與罐壁的距離取0.15m，則 ，符合設(shè)計要求 在滿足各種指標(biāo)的前提下，排兩組蛇管所占長度、蛇管與兩邊罐的距離、兩面蛇管與攪拌器的距離及攪拌器葉徑之和小于罐徑，故蛇管可放入，不會產(chǎn)生碰撞，不會對其他部分產(chǎn)生影響。 冷卻管的實際傳熱面積： ，滿足設(shè)計要求。