年產(chǎn)5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠設(shè)計(jì)

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年產(chǎn)5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠設(shè)計(jì) 專業(yè)名稱:生物工程 作者:劉浩 指導(dǎo)教師：高健 摘要 本設(shè)計(jì)主要是對(duì)年產(chǎn)5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 本設(shè)計(jì)主要在產(chǎn)品需求，地理環(huán)境，政策環(huán)境，生產(chǎn)工藝條件基本上，基于5000噸工業(yè)纖維素酶制備項(xiàng)目的要求，做的車間的平面設(shè)計(jì)。同時(shí)通過(guò)對(duì)生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品方案、設(shè)備選型、物料衡算、全廠衛(wèi)生安全、企業(yè)組織等方面的研究與設(shè)計(jì)。對(duì)本方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)的估算，初步估算：固定資產(chǎn)3000萬(wàn)元的項(xiàng)目投資，項(xiàng)目建成后，年產(chǎn)固體和液體纖維素酶5000噸，年利潤(rùn)16920萬(wàn)元，投資回收期為3年。 關(guān)鍵詞：工業(yè)用纖維素酶；工廠設(shè)計(jì)；物料衡算；技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 The Plant Design of a 1000t/a Production Capacity of Industrial Used Cellulase Major: Biological Engineering Author: Liu hao Instructor: Gao Jian Abstract This study was aimed to design an industrial used cellulase production plant with a 1000-ton production annual capacity. Workshop horizontal design, the product plan and the craft proof, selection of processing technology and equipment, materials balancing, hygiene and safety, and organization were studied and designed for the industrial used cellulase production, based on the demand of product, geographical environment, governmental policies and the production technology. At last the analysis of technical economy of this project was done. It showed that the fixed assets was 27.3 million RMB, after the completion of the project, the plant may yearly produce solid cellulase 500t, liquid cellulase 500t, the annual profit was 35.25 million RMB, and the return time of investment was 3 years. Key Words: Industrial used cellulase; Plant design; Materials balancing; Technical economy analysis - 1 - 1 緒論 1.1. 項(xiàng)目建設(shè)的背景 1.1.1. 項(xiàng)目提出的依據(jù) 纖維素酶是降解纖維素生成葡萄糖的一組酶的總稱。它不是單種酶，而是起協(xié)同作用的多組酶系。大多微生物產(chǎn)生的纖維素酶，最主要的有三個(gè)部分：內(nèi)切葡聚糖酶；纖維二糖水解酶；β—葡萄糖苷酶。一般纖維素酶的相對(duì)分子質(zhì)量在45000～75000之間，最適合溫度50℃左右，最適pH=4～5。纖維素酶的用途極其廣泛，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于酒精、飼料、食品等行業(yè)[1]。 纖維素是目前地球上唯一產(chǎn)量巨大而未得到充分利用的可再生資源，廣泛而大量存在于自然界。隨著能源危機(jī)的日漸加劇，對(duì)于纖維素的利用吸引了許多研究者的眼光。利用纖維素的關(guān)鍵是把不溶于水的纖維素分解為可發(fā)酵性糖，而纖維素酶則是此關(guān)鍵中的關(guān)鍵。利用纖維素酶可將纖維素質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵性糖，再利用微生物將糖轉(zhuǎn)化為乙醇。用此方法生產(chǎn)的燃料乙醇可部分取代汽油。這是目前生物能源研究的重點(diǎn)，也是纖維素酶的主要應(yīng)用方向。 隨著酶制劑工業(yè)的發(fā)展，纖維素酶的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步的擴(kuò)大。纖維素酶是畜牧業(yè)的一種新型飼料添加劑。利用纖維素酶能將飼料中一部分難于消化的纖維素轉(zhuǎn)化為糖和菌體蛋白，改善動(dòng)物飼料利用性，能使畜禽最大限度的利用飼料，提高飼料利用價(jià)值，減少畜禽消化道疾病發(fā)生，同時(shí)可減少飼料用量，降低養(yǎng)殖成本[3]。 1.1.2. 投資的必要性和經(jīng)濟(jì)意義 隨著生物工程的迅猛發(fā)展，纖維素酶制劑的生產(chǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。美國(guó)、丹麥和日本于20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了纖維素酶的生產(chǎn)，國(guó)際市場(chǎng)基本上為它們所壟斷，我國(guó)七五計(jì)劃才把纖維素酶的生產(chǎn)列為攻關(guān)計(jì)劃，國(guó)內(nèi)現(xiàn)已有些廠投產(chǎn)，年產(chǎn)量約5000多噸，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)需求。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和石油價(jià)格的爆漲，國(guó)內(nèi)外纖維素酶的需求市場(chǎng)前景十分樂(lè)觀。 纖維素酶生產(chǎn)行業(yè)是一個(gè)新興行業(yè)，21世紀(jì)將是它的生命全盛期。由于纖維素酶的廣泛應(yīng)用，估計(jì)我國(guó)市場(chǎng)需求量將以每年25％~35％的速度上升，預(yù)見(jiàn)用纖維素酶產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)生物乙醇的關(guān)鍵技術(shù)將在未來(lái)５年內(nèi)得到解決，那時(shí)我國(guó)的纖維素酶年需求量將增加到25～40萬(wàn)噸。纖維素酶的年利率可能達(dá)到50億元以上。目前國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)纖維素酶的公司只有天津諾維信公司、北京索萊寶科技有限公司、上海戴迪實(shí)業(yè)發(fā)展有限公司等少數(shù)幾家。因此，利用液體深層發(fā)酵法生產(chǎn)的纖維素酶將會(huì)有廣泛的市場(chǎng)前景。 1.2.廠址選擇 1.2.1投資環(huán)境評(píng)價(jià) 臨沂市位于山東省東南部，地近黃海，東連日照,西接棗莊、濟(jì)寧、泰安，北靠淄博、濰坊，南鄰江蘇。根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查司對(duì)全國(guó)287個(gè)地級(jí)以上城市根據(jù)2005年城市基本情況統(tǒng)計(jì)年報(bào)資料，從“區(qū)位及自然環(huán)境”、“經(jīng)濟(jì)環(huán)境”、“市場(chǎng)環(huán)境”、“人力資源環(huán)境”、“基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境”、“社會(huì)服務(wù)環(huán)境”、“綜合安全環(huán)境”等進(jìn)行綜合測(cè)評(píng)，發(fā)布了“2006投資環(huán)境百佳城市”名單，臨沂市榜上有名。同時(shí)，在中國(guó)社會(huì)科學(xué)院工業(yè)經(jīng)濟(jì)研究所、中國(guó)經(jīng)營(yíng)報(bào)社主辦的中國(guó)城市競(jìng)爭(zhēng)力論壇，臨沂市榮獲“2006跨國(guó)公司眼中最有投資潛力的城市”。臨沂經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)是2003年6月份，經(jīng)山東省人民政府批準(zhǔn)建立的省級(jí)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，位于臨沂市城區(qū)東南部，是臨沂市的現(xiàn)代化工業(yè)新城區(qū)。經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)城市功能健全，基礎(chǔ)設(shè)施完善，交通運(yùn)輸便利，自然資源豐富，靠近國(guó)內(nèi)第三大批發(fā)市場(chǎng)—臨沂批發(fā)市場(chǎng)，具有巨大的商貿(mào)優(yōu)勢(shì)。開(kāi)發(fā)區(qū)對(duì)投資企業(yè)實(shí)行優(yōu)惠的扶持政策，按照“政策最優(yōu)、體制最順、服務(wù)最好”的要求，對(duì)園區(qū)企業(yè)實(shí)行封閉式管理，提供最優(yōu)的服務(wù)。從區(qū)位上看，形成了海、陸、空三通的立體格局。該工業(yè)園在交通、原料、資源方面都具有非常大的優(yōu)勢(shì) 。 1.2.2.開(kāi)發(fā)區(qū)財(cái)政支持及土地政策 對(duì)臨沂市外投資的工業(yè)性生產(chǎn)項(xiàng)目企業(yè)所得稅市級(jí)地方留成部分前三年政府全額扶持，后兩年扶持50%。投資項(xiàng)目建設(shè)用地，通過(guò)協(xié)議、招標(biāo)、拍賣、掛牌、劃撥、出讓或租賃等形式依法獲得。生產(chǎn)性工業(yè)項(xiàng)目目前土地出讓價(jià)格為每畝5.8萬(wàn)元左右，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)項(xiàng)目投資規(guī)模、投資強(qiáng)度、建設(shè)期限、科技含量、稅收貢獻(xiàn)等再給予不同程度的優(yōu)惠扶持。 對(duì)于酶制劑廠廠址的選擇，其基本要求是原料、燃料供應(yīng)充分，產(chǎn)品流通迅速，交通便利。而新開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)區(qū)為招商引資，往往會(huì)出臺(tái)一系列的優(yōu)惠政策，有利于企業(yè)的成長(zhǎng)。因此本著經(jīng)濟(jì)、合理、優(yōu)勢(shì)的原則，根據(jù)本項(xiàng)目的性質(zhì)和對(duì)建廠地區(qū)及地址的相關(guān)條件進(jìn)行考察和論證分析，最后廠址選擇臨沂市經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)。綜合看來(lái)，無(wú)論是從地理位置、交通運(yùn)輸、原材料和燃料供應(yīng)，還是從當(dāng)?shù)卣?、投資環(huán)境來(lái)看，都是十分理想的。 1.3.項(xiàng)目建設(shè)的意義 項(xiàng)目建成后一方面可以吸納當(dāng)?shù)厥Ｓ鄤趧?dòng)力，增加當(dāng)?shù)鼐用袷杖?；另一方面，該?xiàng)目還可以解決當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物秸稈浪費(fèi)的問(wèn)題，增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入，生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢渣還可以作為農(nóng)業(yè)用有機(jī)肥。本項(xiàng)目投產(chǎn)結(jié)構(gòu)合理，投資少，見(jiàn)效快，效益高，投資回收期短，發(fā)展前景廣闊，并符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和三農(nóng)政策，能積極的帶動(dòng)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展，從而達(dá)到農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收、企業(yè)增值、國(guó)家增稅，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為社會(huì)帶來(lái)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此該項(xiàng)目切實(shí)可行。 2 廠區(qū)平面設(shè)計(jì) 2.1.總平面設(shè)計(jì) 表2.1 廠區(qū)建筑面積一覽表 序號(hào) 建筑物 建筑面積（m2） 占地面積（m2） 1 應(yīng)急發(fā)電室 910 = 90 90 2 配電室 910 = 90 90 3 原料庫(kù)1 912 = 108 108 4 空壓機(jī)房 810 = 80 80 5 水處理中心 810 = 80 80 6 粉碎配料車間 812 = 96 96 7 生產(chǎn)車間1 9283 = 756 252 8 生產(chǎn)車間2 9283 = 756 252 9 鍋爐房 1012 = 120 120 10 原料庫(kù)2 810 = 80 80 11 成品車間 814= 112 112 12 污水處理站 246+245 = 264 264 13 職工公寓 10452 = 900 450 14 機(jī)修車間 58 = 40 40 15 職工餐廳 20152 = 600 300 16 成品庫(kù) 89 = 72 72 17 科研中心 20153 = 900 300 18 辦公樓 10254 = 1000 250 19 警衛(wèi)室1 58 = 40 40 20 警衛(wèi)室2 58 = 40 40 2.2.設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 2.2.1.設(shè)計(jì)依據(jù) （1）以方便生產(chǎn)為前提，符合車間生產(chǎn)程序，避免原料、半成品、人流的交叉污染； （2）全廠建筑物采取南北朝向，利于通風(fēng)、采光； （3）發(fā)酵附屬設(shè)施安排在發(fā)酵車間的周圍，為發(fā)酵提供高壓蒸汽、原輔料、冷卻水、壓縮空氣； （4）粉碎車間和鍋爐房安排在發(fā)酵車間旁邊，遠(yuǎn)離生活區(qū)和公路，避免污染生活區(qū)的空氣； （5）配電房、鍋爐靠近生產(chǎn)車間，減少能源消耗，鍋爐房處于廠西北角，使生產(chǎn)車間處在其上風(fēng)位置； （6）通盤考慮全廠布置，填平補(bǔ)齊，力求合理、經(jīng)濟(jì)，并充分考慮全廠擴(kuò)大生產(chǎn)[4]。 2.2.2.總平面設(shè)計(jì)說(shuō)明 （1）廠區(qū)主要建筑物：原料庫(kù)、成品庫(kù)、辦公樓、科研樓（兼菌種保藏中心）、餐廳（兼工人活動(dòng)中心）、車庫(kù)、工人公寓、廣場(chǎng)、傳達(dá)室、展廳、鍋爐房、機(jī)修車間、生產(chǎn)車間、成品車間、粉碎配料車間空氣壓縮站、水處理中心、污水處理池等。按照生產(chǎn)流程布置，并盡量縮短距離，避免物料的往返運(yùn)輸。對(duì)廠房的布置符合生產(chǎn)工藝的要求，既保證了生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，又使得整個(gè)廠區(qū)緊湊合理。 （2）辦公樓在人流出口附近，距離車間較近，方便管理，又與物流避免交叉。 （3）綠化情況：廠區(qū)綠化以普通綠化與重點(diǎn)綠化相結(jié)合，沿廠區(qū)主入口的主要道路進(jìn)行重點(diǎn)綠化，種植有觀賞價(jià)值的喬、灌木與草皮結(jié)合，并且綠化部分遍植草皮，并適當(dāng)點(diǎn)綴冬青灌木，綠地率達(dá)到50%以上，以創(chuàng)造出一個(gè)美麗、怡人的廠區(qū)環(huán)境。 （4）廠區(qū)道路：廠區(qū)主干道為10m寬，非主要道路為8m寬，兩旁種植懸鈴木、榆葉梅等。 （5）廠區(qū)考慮到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均設(shè)有消防水龍頭和滅火器。 2.3.主要設(shè)計(jì)指標(biāo) 表2.2 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)一覽表 項(xiàng)目 數(shù)據(jù) 1 全廠占地面積 13872m3 2 全廠建筑物占地面積 2744 m3 3 建筑系數(shù) 19.78% 4 綠化面積 1950 m3 5 綠化率 14.06% 6 土地利用系數(shù) 32.88% 3 產(chǎn)品方案及工藝流程 3.1.產(chǎn)品與產(chǎn)量的確定 表3.1 產(chǎn)品方案明細(xì)表 產(chǎn)品名稱 年產(chǎn)量 / t 日產(chǎn)量 / t 班產(chǎn)量 / t 全年生產(chǎn)天數(shù) / d 酒精工業(yè)用酶 500 1.525 0.508 328 飼料添加酶 500 1.525 0.508 328 3.2.工藝流程 3.2.1.原輔料及菌種 （1）原料：玉米秸稈、麥麩 （2）輔料：酵母膏、木質(zhì)纖維、蛋白胨、MgSO47H2O、泡敵、CaCl22H2O、Tween-80、KH2 PO4 （3）菌種：里氏木霉Rut C-30 3.2.2.工藝流程圖 原料→粉碎→過(guò)篩→高溫高壓殺菌 ↓ 保藏菌種→斜面種子培養(yǎng)→搖瓶→液體種子擴(kuò)大培養(yǎng)→液體深層發(fā)酵→過(guò)濾→濃縮→流酸銨沉淀→（飼料添加酶為乙醇沉淀） 過(guò)濾→溶解酶泥→過(guò)單寧瓊脂糖層析柱→濃縮→干燥造?！腆w酶制劑 ↓ 液體酶制劑 圖1 生產(chǎn)工藝流程圖[5] 3.2.3.操作要點(diǎn) （一）菌種培養(yǎng) （1）菌種及菌種保存 一般選用的菌種為里氏木霉，發(fā)酵周期為70h左右，纖維素酶產(chǎn)量高且穩(wěn)定性好，產(chǎn)生的纖維素酶為胞外產(chǎn)物，容易分離純化。一般里氏木霉菌種用馬鈴薯瓊脂（PDA）培養(yǎng)基保藏。 （2）菌種活化[5] 馬鈴薯瓊脂（PDA）培養(yǎng)基滅菌冷卻至30℃左右時(shí)，在無(wú)菌條件下將保藏的原菌接種到培養(yǎng)基中，在28~30℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h，取出后于0~4℃保存?zhèn)溆谩? （3）種子培養(yǎng)基及種子罐培養(yǎng) 玉米秸稈粉(20目篩) 1%、酵母膏 0.05%、木質(zhì)纖維1%、蛋白胨0.3%、MgSO47H2O 0.03%、KH2PO4 0.4%、CaCl22H2O 0.03%、(NH4) 2 SO4 0.2%、Tween-80 0.02%（體積比），121℃下滅菌30min后使用。 菌種活化后按7%的接種量接種到一級(jí)種子罐中通氣培養(yǎng)，培養(yǎng)48h后再接種至二級(jí)種子罐中，培養(yǎng)48h后按7%的接種量接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中進(jìn)行發(fā)酵[6]。 （二）發(fā)酵過(guò)程 （1）發(fā)酵培養(yǎng)基的配制 ① 發(fā)酵培養(yǎng)基的組成[5] 玉米秸稈粉19.5%、麥麩5%、酵母膏 0.05%、蛋白胨0.3%、MgSO47H2O 0.03%、KH2PO4 0.4%、CaCl22H2O 0.03% 、(NH4) 2SO4 1.5% 、Tween-80 0.8%（體積比），121℃下滅菌30min后使用。 ② 配制培養(yǎng)基的注意事項(xiàng)[1] I．碳源 纖維素酶發(fā)酵大多采用含有纖維素的原料作為碳源。一般是將玉米秸稈粉碎至20目以下后與麥麩等其他輔料混合。麥麩對(duì)菌種產(chǎn)酶的影響是雙面的：它一方面為產(chǎn)酶提供必要的生長(zhǎng)因子；另一方面，其含量增加又會(huì)降低培養(yǎng)基的蓬松程度，使通氣量降低，從而影響產(chǎn)酶。對(duì)于里氏木霉，當(dāng)玉米秸稈與麥麩之比為4:1時(shí)纖維素酶的產(chǎn)量最高[7]。 II．氮源 可用無(wú)機(jī)氮，也可用有機(jī)氮，二者差別不大。里氏木霉的最適氮源為硫酸銨和谷氨酸鈉，硫酸銨價(jià)格較便宜，因此選用硫酸銨，用1.5%濃度效果較佳。 III. 細(xì)胞通透性 增加細(xì)胞通透性對(duì)提高纖維素酶活性有一定的作用。一般認(rèn)為Tween-80可以提高里氏木霉的纖維素酶的產(chǎn)量，添加量為0.8%。 培養(yǎng)基的配制是在拌料罐中進(jìn)行的。預(yù)先在拌料罐中添加所需質(zhì)量的各種成分，然后加入培養(yǎng)基中所有用水量的60%左右，使最終兩個(gè)發(fā)酵罐中的裝料量為14.26 m3。用攪拌槳攪勻后用往復(fù)泵泵入兩個(gè)發(fā)酵罐中。 （2）發(fā)酵培養(yǎng)基的滅菌[8] 由于發(fā)酵罐的體積較小，因此可采用實(shí)罐滅菌的方式進(jìn)行滅菌。滅菌過(guò)程采用蒸汽壓為196kPa（表壓）的蒸汽通入發(fā)酵罐中，利用蒸汽冷凝釋放的熱量加熱培養(yǎng)基，以達(dá)到滅菌的目的。實(shí)罐滅菌過(guò)程共分為三個(gè)階段： ① 升溫階段 采用直接將活蒸汽通入發(fā)酵罐中的方式把培養(yǎng)基由室溫加熱到滅菌溫度。此過(guò)程中通入的蒸汽冷凝形成的水可直接補(bǔ)充配制培養(yǎng)基時(shí)未加足的水。 ② 保溫階段 蒸汽從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)進(jìn)入，從不與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出。維持一定的滅菌時(shí)間，以到達(dá)滅菌的目的。 ③ 冷卻階段 完成保溫時(shí)間后，關(guān)一路排汽，再關(guān)一路進(jìn)汽（次序不能顛倒），最后排汽與進(jìn)汽全部關(guān)閉。然后引入無(wú)菌空氣，再打開(kāi)蛇管的冷卻水，使培養(yǎng)基的溫度降低到合適的溫度，以進(jìn)行接種。 （3）發(fā)酵過(guò)程中的條件控制 ① 溫度 發(fā)酵前期，培養(yǎng)溫度應(yīng)稍高些，以有利于菌體的生長(zhǎng)，里氏木霉一般控制前期培養(yǎng)溫度為30℃（即最適生長(zhǎng)溫度），大約保持12h；進(jìn)入產(chǎn)酶期后，應(yīng)適當(dāng)降低培養(yǎng)溫度，里氏木霉產(chǎn)酶期培養(yǎng)溫度一般為28℃，較低的溫度有利于提高酶的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)細(xì)胞產(chǎn)酶時(shí)間[9]。 ② pH 里氏木霉發(fā)酵生產(chǎn)纖維素酶的最適pH為4.6～5。在實(shí)際的發(fā)酵過(guò)程中，隨著微生物的代謝活動(dòng)，發(fā)酵液的pH值在不斷變化，要根據(jù)其變化嚴(yán)格控制pH值[1]。 ③ 通風(fēng)量 發(fā)酵早期，菌體剛剛萌發(fā)，數(shù)量較少，呼吸強(qiáng)度較弱，耗氧速度較低，應(yīng)控制通氣量為1:0.2～0.3；進(jìn)入對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期以后，菌體代謝旺盛，呼吸強(qiáng)度提高，細(xì)胞大量分裂，細(xì)胞濃度迅速增加，因此耗氧速度較快，應(yīng)控制通氣量為1:1；產(chǎn)酶時(shí)期，細(xì)胞分裂完全，細(xì)胞濃度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧氣，應(yīng)控制通氣量為1:1[1]。 ④ 攪拌 纖維素酶液體深層發(fā)酵中還需要攪拌，以利于熱交換、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)與菌體均勻接觸，降低細(xì)胞周圍的代謝產(chǎn)物，從而有利于酶的合成。所以，應(yīng)控制整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的攪拌速度為100～150rpm。 ⑤ 泡沫控制 發(fā)酵中往往產(chǎn)生較多的泡沫，其存在阻礙CO2排出，影響溶解氧量。生產(chǎn)上一般采用聚氧丙烯甘油醚或泡敵（聚環(huán)氧丙環(huán)氧乙烷甘油醚）消泡。 ⑥ 產(chǎn)酶量的測(cè)定 發(fā)酵過(guò)程中要定時(shí)取樣測(cè)定產(chǎn)酶量，一旦發(fā)現(xiàn)到達(dá)最大酶活產(chǎn)量時(shí)要及時(shí)停止發(fā)酵。 （4）發(fā)酵終點(diǎn)的判斷 一般利用里氏木霉進(jìn)行纖維素酶發(fā)酵的周期為70h左右。當(dāng)發(fā)酵液的pH上升至5左右，鏡檢觀察到菌絲自溶、斷裂，80%以上的菌絲染色著色淺或染不上色時(shí)，可以放罐[6]。一般發(fā)酵的產(chǎn)酶率為6.5%。 （二）纖維素酶的分離與提取 （1）發(fā)酵液的預(yù)處理 發(fā)酵結(jié)束后要向冷卻蛇管內(nèi)通入蒸汽，使發(fā)酵液溫度升高至90℃維持10min，滅活菌體并有利于后續(xù)的過(guò)濾過(guò)程。加熱結(jié)束后將發(fā)酵液轉(zhuǎn)移至發(fā)酵液儲(chǔ)罐中。同時(shí)準(zhǔn)備使用板框過(guò)濾機(jī)對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾，以除去菌體和未發(fā)酵的培養(yǎng)基原料。 （2）發(fā)酵液過(guò)濾 在里氏木霉生產(chǎn)纖維素酶的過(guò)程中，在常壓下濾餅形成后，一般采用加壓至0.3～0.4MPa來(lái)過(guò)濾。濾液儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐中，分四批進(jìn)行后續(xù)的提取過(guò)程。生產(chǎn)中常采用以壓力泵或壓縮空氣為過(guò)濾推動(dòng)力的壓濾機(jī)來(lái)進(jìn)行過(guò)濾。經(jīng)過(guò)濾后濾液中的纖維素酶的收率為95%。 （3）濃縮 將板框過(guò)濾后的濾液調(diào)到pH4.5，在40℃、2.0kPa的條件下利用三效真空蒸發(fā)儀將濾液濃縮至原體積的30～40%[1]，此過(guò)程的酶的收率約為95%。 （4）沉淀與酶泥的重新溶解 在酶制劑的生產(chǎn)過(guò)程中，一般采取鹽析法進(jìn)行纖維素酶的分離。首先向濃縮酶液中加0.2飽和度的硫酸銨，靜置1小時(shí)后利用板框過(guò)濾機(jī)進(jìn)行過(guò)濾，棄去沉淀。然后向收集的清液中加入0.6飽和度的硫酸銨，再靜置1小時(shí)后過(guò)濾棄去清液，得到纖維素酶的粗品。對(duì)于應(yīng)用于飼料工業(yè)中的酶制劑，由于硫酸銨沉淀法析出的酶沉淀，含有大量的無(wú)機(jī)鹽，不適合用于食品行業(yè)。因此在其生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)該采用有機(jī)溶劑法進(jìn)行纖維素酶的分離。常用纖維素酶沉淀分離的有機(jī)溶劑為乙醇。乙醇的最適濃度為70%。提取酶制劑過(guò)程中容易引起酶的變性失活，所以必須在4℃左右的低溫下進(jìn)行操作，沉淀析出后要立即分離。有機(jī)溶劑用量一般為酶液體積的2倍左右，而且，要將酶液的pH值調(diào)至纖維素酶的等電點(diǎn)附近，再用0.02～0.05mol/L的磷酸緩沖液溶液溶解后進(jìn)行進(jìn)一步的純化。沉淀過(guò)程的酶的收率為94%，過(guò)濾過(guò)程的收率為95%[1]。 （5）纖維素酶的純化 單寧是纖維素酶的天然抑制劑，用單寧結(jié)合活化的瓊脂糖做成親和層析柱，用蒸餾水平衡，再將上一步得到的酶液過(guò)柱，使單寧專一性結(jié)合纖維素酶，蒸餾水平衡后，用0.02～0.05mol/L的磷酸緩沖液洗脫出來(lái)，就可得到純化的液態(tài)纖維素酶[1]。酶的親和層析一般控制在較低的溫度下進(jìn)行，以防止由于溫度的升高而使酶在純化過(guò)程中變性失活。經(jīng)過(guò)該過(guò)程后酶的損失率為7%。 （6）洗脫液的濃縮 由于里氏木霉生產(chǎn)的纖維素酶在60℃以上活性迅速下降，所以在真空蒸發(fā)濃縮時(shí)，應(yīng)控制濃縮系統(tǒng)的真空度，使蒸發(fā)溫度在60℃以下。在纖維素酶的生產(chǎn)中一般采用真空蒸發(fā)器，在50℃進(jìn)行真空濃縮，除去約2/3的水分。濃縮后的收率為90%。 （三）酶的成品與包裝[10] （1）液體酶的混合與包裝 向經(jīng)濃縮后的液體酶加入1,2-丙二醇，以維持酶制劑的活性。最終產(chǎn)品的顏色為棕色，密度為1.05~1.1g/cm3，粘度為50 Pas，裝于有環(huán)氧樹(shù)脂涂覆的容量為200kg的鐵桶中以及容量為25g的手提桶中。 （2）固體酶的造粒與包裝 將濃縮后的酶液用噴霧干燥法干燥，形成粉狀的酶。固體酶制劑的包裝外要刷明標(biāo)記，包括成品名稱、生產(chǎn)廠家名稱、廠址、生產(chǎn)日期、保質(zhì)期、使用方法、成品標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)等。 （四）成品的儲(chǔ)存 包裝后的成品經(jīng)過(guò)水平皮帶輸送機(jī)運(yùn)到成品庫(kù)中，再由叉車搬運(yùn)到存放的位置。成品庫(kù)要求低溫干燥通風(fēng)，庫(kù)內(nèi)溫度在0~25℃范圍內(nèi)，保質(zhì)期為半年。避免在30℃以上長(zhǎng)期儲(chǔ)存，避免日光暴曬和雨淋。 （五）成品質(zhì)量檢測(cè)[11] 酶制劑的成品各項(xiàng)指標(biāo)要符合《工業(yè)酶制劑通用檢測(cè)規(guī)定和標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸、貯存》QB/T 1804-93的要求。并按照下述的測(cè)定纖維素酶活力的方法測(cè)定其CMC酶、FPA（濾紙?zhí)牵┟负虰G酶活性，并用SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法來(lái)測(cè)定該酶制劑的純度與分子量。 I．CMC酶活的測(cè)定 5%CMC溶液（pH4.5、0.025mol/L檸檬酸，0.05mol/L磷酸氫二鈉）1.0mL，適當(dāng)稀釋后的酶液1.0mL，40℃恒溫水浴60min，用3,5-二硝基水楊酸法測(cè)定還原糖； II．FPA酶活的測(cè)定 取適當(dāng)稀釋后的酶液0.1mL，再加入0.2mL磷酸緩沖液（pH6.0）和0.50.5濾紙條1張，其余同CMC測(cè)定。 III．BG（β-1,3-葡萄糖苷酶）酶活的測(cè)定 取適當(dāng)稀釋酶液0.5mL，加入0.5ml1%水楊酸溶液（溶于pH4.8、0.1mol/LHAc和NaAc緩沖液），50℃反應(yīng)30min，加入3mLDNS試劑測(cè)糖。 3.3.物料衡算 里氏木霉的發(fā)酵時(shí)間為70h左右，考慮到裝料、實(shí)消、放料、清洗需要一部分時(shí)間，因此確定整個(gè)發(fā)酵周期為4d，在330d的工作日內(nèi)，共有82個(gè)生產(chǎn)周期。由設(shè)備計(jì)算（3.4.1）可得，生產(chǎn)中共需要23 m3的發(fā)酵罐80個(gè)。發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為70%，發(fā)酵產(chǎn)率為6.5%，提取率為70%，種子罐的裝料系數(shù)為75%，發(fā)酵液密度約為1020 kg/m3。 主要技術(shù)參數(shù)：發(fā)酵時(shí)間：70h 生產(chǎn)周期：4d 生產(chǎn)天數(shù)：328d 年產(chǎn)量：5000t 預(yù)設(shè)發(fā)酵罐個(gè)數(shù)：80個(gè) 發(fā)酵罐裝料系數(shù)：70% 發(fā)酵產(chǎn)率：6.5% 酶提取率：70% FPA酶活：4626～4781 單位/ g 3.3.1.原料計(jì)算 （1）玉米秸稈 玉米秸稈需經(jīng)過(guò)粉碎后才能用于發(fā)酵。在粉碎過(guò)程中隨著運(yùn)輸、粉塵等會(huì)有原料損失，按10%的損失率及3t/t(原酶)的投料比計(jì)算，可得每次發(fā)酵周期需要的原料玉米秸稈量為： m1 = 發(fā)酵液總質(zhì)量產(chǎn)酶率玉米秸稈投料比（1﹣損失率） = [802370%﹢4375%]10206.5%3（1﹣10%） =286.64 年用量: M1 =286.6482 = 23504.48t （2）麥麩 碳源中玉米秸稈與麥麩的比例為4:1時(shí)纖維素酶的產(chǎn)量最高。由此麥麩的用量為： m2 = 玉米秸稈投料量4 = 286.644 = 71.66t 年用量: M2 = 71.6682 = 5876.12t （3）酵母膏 一個(gè)發(fā)酵周期中的培養(yǎng)基的總質(zhì)量為： [802370%﹢4375%]1020 = 1322.940t 酵母膏的用量為0.05%，則一個(gè)發(fā)酵周期中酵母膏的用量為： m3 = 1322.9400.05% = 661.470Kg 年用量： M3 = 661.47082 = 54.24t （4）木質(zhì)纖維 木質(zhì)纖維在種子培養(yǎng)基中充當(dāng)碳源，在發(fā)酵培養(yǎng)基中作為產(chǎn)酶誘導(dǎo)劑。其用量為1%。 一個(gè)發(fā)酵周期中木質(zhì)纖維的用量為： m4 =1322.9401% =13.229t 年用量： M4 = 13.22982 = 1084.778t （5）蛋白胨 蛋白胨在培養(yǎng)基中的用量為0.3%，一個(gè)發(fā)酵周期中蛋白胨的用量為： m5 = 1084.7780.3% = 3.254t 年用量： M5 = 3.25482 = 266.85t （6）MgSO47H2O MgSO47H2O 的用量為0.03%，一個(gè)發(fā)酵周期中MgSO47H2O的用量為： m6 = 1084.7780.03% = 3.254t 年用量： M6 =3.25482 = 26.685t （7）KH2 PO4 KH2 PO4 的用量為0.4%，一個(gè)發(fā)酵周期中KH2PO4的用量為： m7 = 1084.7780.4% = 4.339t 年用量： M7 = 4.33982 = 355.80t （8）CaCl22H2O CaCl22H2O的用量為 0.03% ，一個(gè)發(fā)酵周期中CaCl22H2O的用量為： m8 =1084.7780.03% = 3.254t 年用量： M8 = 3.25482 = 26.685t （9）Tween-80 發(fā)酵培養(yǎng)基中添加量為0.8%（體積比），種子培養(yǎng)基中添加量為0.02%。一個(gè)發(fā)酵周期中的使用量為m9 =802370%0.8%﹢4375%0.02% =10.3058 m3 年用量： M9 = 10.305882 = 845.08 m3 3.3.2.輔料計(jì)算 （1）硫酸銨 在整個(gè)生產(chǎn)工藝中硫酸銨有兩種用途：一種是作為氮源；另一用途是在纖維素酶的沉淀粗提中作為沉淀劑。作為氮源的添加量為1.5%，作為沉淀劑的用量為20%的飽和度和60%的飽和度。由此進(jìn)行計(jì)算： ① 氮源用量： (NH4) 2 SO4在發(fā)酵培養(yǎng)基中的用量為1.5% ，在種子培養(yǎng)基中的用量為0.2%。一個(gè)發(fā)酵周期中 (NH4) 2 SO4的用量為： m10 = 802370%10201.5%﹢4375%10200.2% =19.72t 年用量： M10 =19.7282 = 1617.04t ② 沉淀劑用量： 在燃料乙醇工業(yè)用酶制劑的生產(chǎn)過(guò)程中使用的沉淀劑為硫酸銨，一個(gè)發(fā)酵周期中共有8個(gè)發(fā)酵罐用于該酶的生產(chǎn)。在提取過(guò)程中，發(fā)酵液經(jīng)過(guò)過(guò)濾后會(huì)有部分體積損失，且過(guò)濾后的濾液經(jīng)過(guò)真空濃縮。因此可估計(jì)過(guò)濾后的濾液體積為2370%4080%40%= 206.10m3。 在用鹽析法分離纖維素酶的過(guò)程中，處理液的(NH4) 2 SO4初始飽和度為0，欲達(dá)到20%的飽和度，在25℃條件下，需向1m3溶液中加入114kg的(NH4) 2 SO4(查63頁(yè)表4-1)。經(jīng)靜置、過(guò)濾處理后，再向?yàn)V液中加入(NH4) 2 SO4，使(NH4) 2 SO4的飽和度由20%上升至60%，此過(guò)程應(yīng)向?yàn)V液中加入262kg的 (NH4) 2 SO4[12]。則提取過(guò)程中(NH4) 2 SO4的用量為： m11 = 206.10114﹢206.1090%262 = 72093kg = 72.10t 年用量： M11 = 72.1082 = 5912.20t (NH4) 2 SO4的總用量為1641﹢5912.20= 7552.20t （2）乙醇 乙醇作為飼料添加用酶的沉淀劑，一個(gè)發(fā)酵周期中共有40個(gè)發(fā)酵罐用于該酶的生產(chǎn)?？晒烙?jì)過(guò)濾后的濾液體積也為41.22 m3。沉淀過(guò)程中用的為70%的乙醇，用量為處理液體積的兩倍。因此乙醇用量為： m12 =206.10270%789 = 228.1t 年用量： M12 = 228.182 = 1870.4 （3）泡敵 發(fā)酵培養(yǎng)基中泡敵的添加量為0.03%，一個(gè)發(fā)酵周期中的使用量為： m13 = 802370%0.03% = 0.390 m3 年用量： M13 = 0.39082 =32m3 3.3.3.計(jì)算結(jié)果 表3.2 生產(chǎn)物料衡算表 項(xiàng)目 名稱 指標(biāo) 每次發(fā)酵周期實(shí)際量 年用量 原料 玉米秸稈 3t/t(原酶) 302.5t 24850t 麥麩 0.75 t/t(原酶) 75.7t 6207.4t 酵母膏 0.05% 702.78Kg 57.7t 木質(zhì)纖維 1% 14.06t 1153t 蛋白胨 0.3% 4.22t 3460.4t MgSO47H2O 0.03% 0.422t 346.04t KH2 PO4 0.4% 5.62t 461t CaCl22H2O 0.03% 0.42t 34.60t Tween-80 0.02%/0.8% 10.322m3 846.40 m3 輔料 硫酸銨 114/262 kg/ m3 92.1t 7552.2t 乙醇 1.4 m3/ m3 228t 18700t 泡敵 0.03% 0.39m3 32 m3 包裝材料 纖維板圓筒 40Kg/桶 700個(gè) 61270個(gè) 環(huán)氧樹(shù)脂涂覆的圓桶 25Kg/桶 1200個(gè) 98400個(gè) 3.4.生產(chǎn)設(shè)備選型 3.4.1.主要生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)能力計(jì)算 由物料衡算表可知：為提高后處理過(guò)程中使用的設(shè)備的利用率，四十組發(fā)酵罐（每?jī)膳_(tái)發(fā)酵罐為一組，生產(chǎn)同一種酶）采用循環(huán)式投料生產(chǎn)。 （1）玉米秸稈粉碎機(jī)及20目振動(dòng)篩分器 年用量處理時(shí)間 = 25000100033080 = 985kg/h （2）拌料槽 拌料槽的結(jié)構(gòu)由圓柱形槽身和圓錐形底部組成，設(shè)計(jì)體積應(yīng)為： 發(fā)酵培養(yǎng)基體積/裝料率 = 14.62285% = 34.4 m3 （取35 m3） 設(shè)圓柱形槽身的高為h1，圓錐形底部的高為h2，且h1 = 3h2，直徑d為3m。則由 V = 1/43.14d 2h1+(1/3)(1/4)3.14d 2h2 = 35m3 得：h1 = 4.46m ；h2 = 1.48m 拌料罐的實(shí)際體積為： V = 5/183.143 24.46 = 35.011m3 （3）發(fā)酵罐 設(shè)發(fā)酵罐的體積為V，則由 年產(chǎn)酶量 = 發(fā)酵罐體積發(fā)酵液密度發(fā)酵罐個(gè)數(shù)發(fā)酵周期數(shù)發(fā)酵罐裝液量產(chǎn)酶率酶提取率可得： 發(fā)酵罐的體積 = 48000001020820.70.065800.7 = 22.59m3 由此可確定發(fā)酵罐的有效體積為23 m3。 發(fā)酵罐主體結(jié)構(gòu)計(jì)算[13]： 封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 K = 1 H/Di = 2.5 Di/hi = 4 橢圓容積 Va = л/6Dihi =Di3 V ≈Di2hi＋Va = Di2hi＋Di3 = 2/3лDi3 Di = 2.22 m 處理后內(nèi)徑為2.3 m即2300 mm H = 2.5Di = 2.32.5 = 5.75 m = 57500mm h i = 0.25Di = 0.575 m H > 4m 所以ha = 50 mm 查《化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》附表5 罐體總高H總 = 5.75＋2hi＋2ha=7.00m = 7000mm 罐體壁厚S = PD/(2[б] ﹣P)+C 其中： = 0.8 ，P = 0.5, C = 3 mm, [б] = 130MPa, Di = 2300 解之得：S = 8.5 mm 取整9.0mm 封頭按標(biāo)準(zhǔn)橢圓計(jì)算[7] hi = 0.575m ha = 0.05m 封頭壁厚： S = PD/(2[б] ﹣P)+C 其中： = 0.8 P = 0.5 Di = 2300 [б] = 130 MPa C = 4.2 解之得：S = 9.74 mm 取整10.00 mm (4) 種子罐 ①二級(jí)種子罐 二級(jí)種子罐體積 = 發(fā)酵罐體積裝料系數(shù)接種量種子罐裝料系數(shù) = 23 0.70.070.752 = 3 m3 ②一級(jí)種子罐 一級(jí)種子罐體積 = 二級(jí)種子罐體積裝料系數(shù)接種量一級(jí)種子罐裝料系數(shù) = 30.7510%0.75 = 0.3 m3 （5）空氣壓縮系統(tǒng) 無(wú)菌空氣制備流程[14]如下： 吸風(fēng)塔→粗濾器→空氣壓縮機(jī)→空氣冷卻器→除水設(shè)備→空氣總過(guò)濾器→發(fā)酵車間空氣總管→分過(guò)濾器→發(fā)酵罐 發(fā)酵過(guò)程中的最大通氣量為1:1，因此發(fā)酵車間需要最大壓縮空氣的用量可按下列公式計(jì)算： V = 單個(gè)發(fā)酵罐的體積發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)通氣比+單個(gè)種子罐的體積種子罐的個(gè)數(shù)通氣比 = 23801+341 = 1852 m3/min （按400 m3/min進(jìn)行后續(xù)計(jì)算） ① 吸風(fēng)塔[14] 吸風(fēng)塔設(shè)計(jì)高度應(yīng)在10~12m左右。進(jìn)管至空氣壓縮機(jī)一段的管路，要求直管連接，避免彎管或多彎管。本次設(shè)計(jì)中將吸風(fēng)塔的高度定為11m，空氣在吸風(fēng)塔內(nèi)的截面流速設(shè)計(jì)為6m/s。則吸風(fēng)塔的截面半徑為： R =（V/np）1/2 = (20006063.14) 1/2 = 1.33m 空氣的實(shí)際流速 n = V/pR2 =2000600.6023.14 = 29.49m/s ② 前置預(yù)過(guò)濾器[8] 選擇高效前置過(guò)濾器，其外形像一只大型的集裝箱。內(nèi)部設(shè)計(jì)有兩道過(guò)濾介質(zhì)層：前層稱粗過(guò)濾層，采用絨布作為過(guò)濾介質(zhì)；后道稱亞高效過(guò)濾層，采用滌晴-無(wú)紡布作為過(guò)濾介質(zhì)。設(shè)計(jì)流速為0.5 m/s。設(shè)備外型半徑為： R =（V/n.p）1/2 = (2000600.53.14) 1/2 = 4.61m（取4.6m） 實(shí)際流速： n = V/p.R2 = 2000602.123.14 =2.41m/s ③ 空壓機(jī) 由計(jì)算可得發(fā)酵工藝所需的最大空氣流量為2000 m3/min。因此選擇日本壽力公司生產(chǎn)的TRX系列離心式空壓機(jī)。其輸出功率為900kW到1800kW ，容量范圍為175~360 m3/min，排氣壓力為2~16Pa。 20℃的空氣經(jīng)空氣壓縮機(jī)的壓縮，其出口壓強(qiáng)表壓為0.2MPa.則壓縮后的空氣溫度為： T2= T1（P2/ P1）K-1/K = (273+20) [(0.2+0.101)/0.101] 1.3-1/1.3 = 29330.23 = 377.5K = 104.5℃ 其中：P1 = 0.101 MPa，K = 1.3。 ④ 冷卻器 壓縮空氣由管道經(jīng)沿程冷卻輸送到空氣冷卻器，此時(shí)空氣的溫度已大大低于空氣壓縮機(jī)出口的溫度?？諝饫鋮s器的作用是使壓縮空氣除水減濕。冷卻器選用列管式換熱器，冷卻水走管程，壓縮空氣走殼程。要求壓縮空氣由104℃被冷卻至25℃，冷卻介質(zhì)為20℃的循環(huán)水，冷卻水的出口溫度為28℃. 由條件可得： 空氣的定性溫度：(104+25)/2 = 64.5℃ 水的定型溫度：（20+28)/2 = 24℃ 計(jì)算過(guò)程[15]為： 查得空氣在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： r = 1.0445 kg/m3 ; Cp = 1.007 kJ/(kg℃) ； k = 2.931W/( m2℃); m = 2.03510-3 Pas 查得水在定性溫度下的物性數(shù)據(jù)： r = 995.7 kg/m3 ; Cp = 4.174kJ/(kg℃) ； k = 0.618W/( m2℃); m = 0.8010-3 Pas I．熱負(fù)荷計(jì)算 Q = WhCph(T2﹣T1) = 200601.04451.007103(104﹣25) = 2.77105 W 冷卻水耗量Wc = Q/Cpc(t2﹣t1) = 2.771054.174103(28﹣20) = 8.3 kg/s = 30t/h II．計(jì)算平均溫差 暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時(shí)平均溫度差 空氣： 104 → 25 冷卻水：28 ← 20 △t ： 76 5 △tm′ = (76﹣5)ln(76/5) = 19.52℃ 計(jì)算R和P： R = (T2﹣T1)(t2﹣t1) = (104﹣25)(28﹣20) = 9.875 P = (t2﹣t1)(T2﹣t1) = (28﹣20)(104﹣20) = 0.095 由R、P值，查表可得：f△t = 0.98，因f△t＞0.8，選用三殼程。 △tm = f△t△tm′= 0.9819.52 = 19.13℃ III．選k值，估計(jì)傳熱面積 由資料，可取 k = 100 w/( m2℃) S =（Q/ k.△tm）1.15 = （2.77105 10019.13）1.15 = 166.52 m2 IV．初選換熱器型號(hào) 由于兩流體溫差大于50℃，可選用浮頭式換熱器FB500。由計(jì)算結(jié)果確定換熱器為三殼程，因此選用3臺(tái)相同的換熱器串聯(lián)使用。換熱器的主要數(shù)據(jù)如下： 外殼直徑：500mm 公稱壓力：4.0 MPa 公稱面積：65 m2 管長(zhǎng)：6m 管子尺寸：f252.5 管子總數(shù)：124 管程數(shù)：2 管子排列方法：正方形斜轉(zhuǎn)45排列 S。= n .p.d.(L－0.1) .N = 1243.140.025（6﹣0.1）3 = 172.3 m2 采用此換熱面積的換熱器，則要求過(guò)程的總傳熱系數(shù)為： k。=Q1.15 （S?！鱰m）= 2.771051.15 （172.319.13）= 96.64 W/( m2℃) ⑤ 除水設(shè)備 空氣經(jīng)冷卻后即有水分析出，為此，冷卻的空氣需要除水并安裝必要的除水設(shè)備。絲網(wǎng)除濾器是一種立式圓筒型設(shè)備，它具有壓降阻力小，除水除沫效率高，使用方便的優(yōu)點(diǎn)。一般絲網(wǎng)除濾器的設(shè)計(jì)流速取1~3m/s。 設(shè)計(jì)時(shí)取流速為2m/s，則除濾器的直徑為 D =（4V/np）1/2 = （42000603.142）1/2 = 4.607m （取4.61m） 除濾器的填料為不銹鋼絲網(wǎng)，不銹鋼絲的直徑為0.25mm，多層重疊，絲網(wǎng)層厚度為100mm，絲網(wǎng)型號(hào)：140-400型[14]。 ⑥ 總空氣過(guò)濾器 總空氣過(guò)濾器是圓筒狀設(shè)備，空氣在過(guò)濾器內(nèi)底篩板一下切線方向進(jìn)入，在器身下方設(shè)置人孔。YUD型空氣總過(guò)濾器，過(guò)濾介質(zhì)采用涂層式過(guò)濾材料組裝的濾芯，常采用的濾芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）。根據(jù)發(fā)酵車間的空氣用量，可選用YUD-Z-4型號(hào)的總過(guò)濾器f12003035mm，配濾芯DMF，總過(guò)濾器內(nèi)有DMF濾芯f3501000，4個(gè)[8]。 ⑦ 分過(guò)濾器 分過(guò)濾器是單臺(tái)發(fā)酵罐的單獨(dú)空氣過(guò)濾器。23 m3發(fā)酵罐的空氣過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)備的計(jì)算及設(shè)計(jì)如下： 根據(jù)發(fā)酵工藝，每個(gè)23 m3發(fā)酵罐最大空氣用量為 Vf = 231 = 23m3/min 由于23 m3發(fā)酵罐的工作容積在70%左右，因此空氣的用量已經(jīng)含有安全系數(shù)。查資料后選擇JPF-20型空氣膜過(guò)濾器，f2301196mm，配濾芯JPF-C(聚四氟乙烯微孔膜)，濾芯長(zhǎng)20英尺，共5個(gè)[8]。 ⑧ 蒸汽過(guò)濾器 根據(jù)已選JPF-20型空氣膜過(guò)濾器，查閱JLS-F蒸汽過(guò)濾器的規(guī)格型號(hào)，可選JLS-F-080蒸汽過(guò)濾器，f114530mm一臺(tái)，配置濾芯JLS-F，f22260，共7個(gè)[8]。 （6）發(fā)酵液儲(chǔ)罐 發(fā)酵液儲(chǔ)罐體積 = 兩個(gè)發(fā)酵罐中的發(fā)酵液體積裝液系數(shù) = 230.720.85 = 38m3 發(fā)酵液儲(chǔ)罐主體結(jié)構(gòu)為圓柱體，高度與直徑的比例為2.5。則由 V = 3.14 (D/2) 2H = 38m3可得： D = 2.7m ；H = 6.75 m （7）板框過(guò)濾機(jī) 發(fā)酵結(jié)束后需過(guò)濾的發(fā)酵液的體積VF為32.2 m3，含固量i約為25%。若選用BMY70/800-300型號(hào)的板框過(guò)濾機(jī)，則其過(guò)濾面積A = 70m3,濾框容量VP = 1056L = 1.056 m3，板框裝填系數(shù)k為0.75，過(guò)濾速度為v = 0.018 m3/ m2 h[8]。則需要的板框過(guò)濾機(jī)的臺(tái)數(shù)為： N = VFi/(kVP) = 32.20.250.751.056 = 10臺(tái) 過(guò)濾時(shí)間為： T = VF(1﹣i)/vNA = 32.2(1﹣0.25) 0.0181070 = 2h 考慮到設(shè)備的循環(huán)利用，一個(gè)生產(chǎn)車間中選用5臺(tái)板框過(guò)濾機(jī)進(jìn)行發(fā)酵液的過(guò)濾。共用4h將發(fā)酵液過(guò)濾完畢。 （8）濾液儲(chǔ)罐 過(guò)濾完畢后獲得的濾液要儲(chǔ)存在儲(chǔ)罐中。濾液儲(chǔ)罐的主體結(jié)構(gòu)為圓柱型，其體積要求為： 32.20.80.750.85 = 22.73m3 （取23m3） 設(shè)儲(chǔ)罐的高度與直徑的比例為3。則由 V = 3.14 (D/2) 2H = 23m3可得： D = 2.14 m ；H = 6.42 m （9）真空蒸發(fā)器： 生產(chǎn)工藝中要求在低于60℃的條件下將濾液中2/3的水分蒸發(fā)掉。處理液量為32.20.80.75 = 19.32m3，加熱方式采用并流加料[8]的方式。要求經(jīng)過(guò)真空蒸發(fā)濃縮后目的產(chǎn)物的濃度由0.065上升至0.1625，處理時(shí)間為12h。則真空蒸發(fā)器生的蒸發(fā)能力要求為： W = F(1﹣0.065/0.1625) = 19.3212（1－0.0650.1625） = 0.966m3/h = 966kg/h （10）沉淀罐和粗酶溶解槽 經(jīng)過(guò)真空蒸發(fā)濃縮的處理液分四批進(jìn)行后續(xù)的提取過(guò)程，則每次處理液的體積為： （19.32－0.96612）12 = 1.932m3 沉淀罐的裝液率為0.8，則要求沉淀罐的體積為1.9320.8 = 2.415m3，設(shè)沉淀罐的高度與直徑的比例為2。則由 V = 3.14 (D/2) 2H = 2.415m3可得： D = 1.2 m; H = 2.4m 經(jīng)過(guò)鹽析或乙醇沉淀法沉淀出的粗酶經(jīng)過(guò)過(guò)濾后要用磷酸重新溶解后過(guò)丹寧親和層析柱進(jìn)行純化?？紤]到過(guò)濾前后處理液的體積較為相似，因此可將粗酶溶解罐和沉淀罐設(shè)計(jì)成相同的樣式。 （11）板框過(guò)濾機(jī)二 沉淀析出的酶要用板框過(guò)濾機(jī)分離出來(lái)，以進(jìn)行純化。此時(shí)處理液的含固量 i = 0.065各單元操作中酶的提取率體積濃縮比 = 0.0650.950.950.940.4 = 13.8% 處理液的體積為1.932 m3。選用BMY30/800-300型號(hào)的板框過(guò)濾機(jī)，則其過(guò)濾面積A = 30m3，濾框容量VP = 460L = 0.460m3，板框裝填系數(shù)k為0.7，過(guò)濾速度為v = 0.018 m3/ m2 h[8]。則需要的板框過(guò)濾機(jī)的臺(tái)數(shù)為： N = VF.i/(k. VP) = 1.9320.1380.70.460 = 0.83臺(tái) （取1臺(tái)） 過(guò)濾時(shí)間為： T = VF(1-i)/vNA = 1.932(1-0.138) 0.018130 = 3.08h （12）真空蒸發(fā)器二 經(jīng)過(guò)層析后的酶液需進(jìn)行進(jìn)一步的濃縮以進(jìn)行下一步的干燥。在生產(chǎn)工藝中，要求在4h內(nèi)在低于50℃的條件下將濾液中產(chǎn)物的濃度由0.025上升至0.40。處理液量為4m3，加熱方式同樣采用并流加料的方式，處理時(shí)間為3h。則真空蒸發(fā)器生的蒸發(fā)能力要求為： W = F(1－0.025/0.40) = 43（1－0.0250.40） = 1.25m3/h = 1250kg/h （13）真空干燥器 對(duì)于固體酶制劑來(lái)說(shuō)，要求含水率很低。要求真空干燥機(jī)在2h內(nèi)將蒸發(fā)后剩余的水分蒸發(fā)掉。則真空蒸發(fā)的處理量為：4－1.253 = 0.25 m3。則真空干燥器的生產(chǎn)能力計(jì)算為： W = F/t = 0.252 = 125Kg/h 3.4.2.主要生產(chǎn)設(shè)備選型表 表3.3 主要設(shè)備選型表 序號(hào) 設(shè)備名稱 規(guī)格/型號(hào) 數(shù)量 生產(chǎn)能力 1 秸稈粉碎機(jī) 1 985kg/h 2 配料槽 1 V = 35.011m3 3 一級(jí)種子罐 4 V=0.3 m3 4 二級(jí)種子罐 4 V=3 m3 5 發(fā)酵罐 16 V=23m3 6 前置預(yù)過(guò)濾器 1 R= 4.61m 7 離心式空壓機(jī) TRX-200 1 額定供氣量175~360m3/min 8 空氣冷卻器 浮頭式FB500 3 換熱面積1723 m3 9 絲網(wǎng)除濾器 1 D = 4.61m,設(shè)計(jì)流速2m/s 10 總空氣過(guò)濾器 YUD-Z-4 1 f12003035mm 11 分過(guò)濾器 JPF-20 8 f2301196mm 12 蒸汽過(guò)濾器 JLS-F-080 8 f114530mm 13 發(fā)酵液儲(chǔ)罐 2 V = 38m3 14 板框壓濾機(jī)1 BMY70/800-300 10 過(guò)濾面積A = 70m3 15 濾液儲(chǔ)罐 2 V = 23m3 16 真空蒸發(fā)器1 WZI-1000 2 蒸發(fā)量966kg/h 17 沉淀罐/混合罐 4 V = 2.415m3 18 板框過(guò)濾機(jī)2 BMY30/800-300 2 過(guò)濾面積A = 30m3 19 真空干燥器 1 蒸發(fā)量125 kg/h 20 燃煤蒸汽鍋爐 DZH2-1.2 1 T=184℃ V=2 t/h 21 真空蒸發(fā)器2 WZI-1500 1 蒸發(fā)量1500-1700Kg/h水 3.5.勞動(dòng)力平衡 表3.4 勞動(dòng)力分配表 發(fā)酵監(jiān)控 補(bǔ)料控制 取樣 理化檢測(cè) 過(guò)濾 清洗 1人 2人 1人 1人 2人 2人 沉淀過(guò)濾 層析 濃縮 干燥 包裝 其他 2人 4人 2人 2人 4人 4人 3.6.水電汽平衡 3.6.1.全年用水量計(jì)算 ⑴ 生產(chǎn)用水 ① 空氣預(yù)處理冷卻用水 設(shè)備計(jì)算中獲得的數(shù)據(jù)中冷卻水的耗量為30t/h，考慮到冷卻水可循環(huán)利用，因此可按2%的耗用率計(jì)算： G1 = 30 243282% = 4723t ② 培養(yǎng)基用水 每個(gè)發(fā)酵罐裝液量為23/m3，共8個(gè)發(fā)酵罐，每年共有82個(gè)發(fā)酵