年產5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠設計

年產5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠設計專業(yè)名稱:生物工程 作者:劉浩 指導教師：高健摘要本設計主要是對年產5000噸工業(yè)用纖維素酶制劑廠進行了設計。本設計主要在產品需求，地理環(huán)境，政策環(huán)境，生產工藝條件基本上，基于5000噸工業(yè)纖維素酶制備項目的要求，做的車間的平面設計。同時通過對生產工藝、產品方案、設備選型、物料衡算、全廠衛(wèi)生安全、企業(yè)組織等方面的研究與設計。對本方案進行經濟的估算，初步估算：固定資產3000萬元的項目投資，項目建成后，年產固體和液體纖維素酶5000噸，年利潤16920萬元，投資回收期為3年。關鍵詞：工業(yè)用纖維素酶；工廠設計；物料衡算；技術經濟分析The Plant Design of a 1000t/a Production Capacity of Industrial Used CellulaseMajor: Biological Engineering Author: Liu hao Instructor: Gao JianAbstractThis 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. 項目建設的背景1.1.1. 項目提出的依據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。大多微生物產生的纖維素酶，最主要的有三個部分：內切葡聚糖酶；纖維二糖水解酶；葡萄糖苷酶。一般纖維素酶的相對分子質量在4500075000之間，最適合溫度50左右，最適pH=45。纖維素酶的用途極其廣泛，近年來被廣泛應用于酒精、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。隨著能源危機的日漸加劇，對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鍵中的關鍵。利用纖維素酶可將纖維素質原料轉化為可發(fā)酵性糖，再利用微生物將糖轉化為乙醇。用此方法生產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，也是纖維素酶的主要應用方向。隨著酶制劑工業(yè)的發(fā)展，纖維素酶的應用范圍也進一步的擴大。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化為糖和菌體蛋白，改善動物飼料利用性，能使畜禽最大限度的利用飼料，提高飼料利用價值，減少畜禽消化道疾病發(fā)生，同時可減少飼料用量，降低養(yǎng)殖成本3。1.1.2. 投資的必要性和經濟意義隨著生物工程的迅猛發(fā)展，纖維素酶制劑的生產變?yōu)楝F(xiàn)實。美國、丹麥和日本于20世紀70年代就開始了纖維素酶的生產，國際市場基本上為它們所壟斷，我國七五計劃才把纖維素酶的生產列為攻關計劃，國內現(xiàn)已有些廠投產，年產量約5000多噸，國內生產量遠遠不能滿足市場需求。隨著經濟的發(fā)展和石油價格的爆漲，國內外纖維素酶的需求市場前景十分樂觀。纖維素酶生產行業(yè)是一個新興行業(yè)，21世紀將是它的生命全盛期。由于纖維素酶的廣泛應用，估計我國市場需求量將以每年2535的速度上升，預見用纖維素酶產業(yè)化生產生物乙醇的關鍵技術將在未來年內得到解決，那時我國的纖維素酶年需求量將增加到2540萬噸。纖維素酶的年利率可能達到50億元以上。目前國內大規(guī)模生產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、上海戴迪實業(yè)發(fā)展有限公司等少數幾家。因此，利用液體深層發(fā)酵法生產的纖維素酶將會有廣泛的市場前景。 1.2.廠址選擇 1.2.1投資環(huán)境評價臨沂市位于山東省東南部，地近黃海，東連日照,西接棗莊、濟寧、泰安，北靠淄博、濰坊，南鄰江蘇。根據國家統(tǒng)計局城市社會經濟調查司對全國287個地級以上城市根據2005年城市基本情況統(tǒng)計年報資料，從“區(qū)位及自然環(huán)境”、“經濟環(huán)境”、“市場環(huán)境”、“人力資源環(huán)境”、“基礎設施環(huán)境”、“社會服務環(huán)境”、“綜合安全環(huán)境”等進行綜合測評，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，在中國社會科學院工業(yè)經濟研究所、中國經營報社主辦的中國城市競爭力論壇，臨沂市榮獲“2006跨國公司眼中最有投資潛力的城市”。臨沂經濟開發(fā)區(qū)是2003年6月份，經山東省人民政府批準建立的省級經濟開發(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)。經濟開發(fā)區(qū)城市功能健全，基礎設施完善，交通運輸便利，自然資源豐富，靠近國內第三大批發(fā)市場臨沂批發(fā)市場，具有巨大的商貿優(yōu)勢。開發(fā)區(qū)對投資企業(yè)實行優(yōu)惠的扶持政策，按照“政策最優(yōu)、體制最順、服務最好”的要求，對園區(qū)企業(yè)實行封閉式管理，提供最優(yōu)的服務。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 。 1.2.2.開發(fā)區(qū)財政支持及土地政策 對臨沂市外投資的工業(yè)性生產項目企業(yè)所得稅市級地方留成部分前三年政府全額扶持，后兩年扶持50%。投資項目建設用地，通過協(xié)議、招標、拍賣、掛牌、劃撥、出讓或租賃等形式依法獲得。生產性工業(yè)項目目前土地出讓價格為每畝5.8萬元左右，在此基礎上，根據項目投資規(guī)模、投資強度、建設期限、科技含量、稅收貢獻等再給予不同程度的優(yōu)惠扶持。對于酶制劑廠廠址的選擇，其基本要求是原料、燃料供應充分，產品流通迅速，交通便利。而新開發(fā)的開發(fā)區(qū)為招商引資，往往會出臺一系列的優(yōu)惠政策，有利于企業(yè)的成長。因此本著經濟、合理、優(yōu)勢的原則，根據本項目的性質和對建廠地區(qū)及地址的相關條件進行考察和論證分析，最后廠址選擇臨沂市經濟開發(fā)區(qū)。綜合看來，無論是從地理位置、交通運輸、原材料和燃料供應，還是從當地政策、投資環(huán)境來看，都是十分理想的。 1.3.項目建設的意義項目建成后一方面可以吸納當地剩余勞動力，增加當地居民收入；另一方面，該項目還可以解決當地農作物秸稈浪費的問題，增加當地農民的農業(yè)收入，生產中產生的廢渣還可以作為農業(yè)用有機肥。本項目投產結構合理，投資少，見效快，效益高，投資回收期短，發(fā)展前景廣闊，并符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和三農政策，能積極的帶動當地農業(yè)的發(fā)展，從而達到農業(yè)增效、農民增收、企業(yè)增值、國家增稅，促進地方經濟發(fā)展，為社會帶來濟效益和社會效益。因此該項目切實可行。2 廠區(qū)平面設計2.1.總平面設計表2.1 廠區(qū)建筑面積一覽表序號建筑物建筑面積（m2）占地面積（m2）1應急發(fā)電室910 = 90902配電室 910 = 90903原料庫1912 = 1081084空壓機房810 = 80805水處理中心810 = 80806粉碎配料車間812 = 96967生產車間19283 = 7562528生產車間2 9283 = 756 2529鍋爐房1012 = 120 12010原料庫2 810 = 808011成品車間814= 112 11212污水處理站246+245 = 26426413職工公寓10452 = 90045014機修車間58 = 404015職工餐廳20152 = 60030016成品庫89 = 727217科研中心20153 = 90030018辦公樓10254 = 100025019警衛(wèi)室158 = 404020警衛(wèi)室258 = 40402.2.設計說明書2.2.1.設計依據（1）以方便生產為前提，符合車間生產程序，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、采光；（3）發(fā)酵附屬設施安排在發(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、鍋爐靠近生產車間，減少能源消耗，鍋爐房處于廠西北角，使生產車間處在其上風位置；（6）通盤考慮全廠布置，填平補齊，力求合理、經濟，并充分考慮全廠擴大生產4。2.2.2.總平面設計說明（1）廠區(qū)主要建筑物：原料庫、成品庫、辦公樓、科研樓（兼菌種保藏中心）、餐廳（兼工人活動中心）、車庫、工人公寓、廣場、傳達室、展廳、鍋爐房、機修車間、生產車間、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。按照生產流程布置，并盡量縮短距離，避免物料的往返運輸。對廠房的布置符合生產工藝的要求，既保證了生產過程的連續(xù)性，又使得整個廠區(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綠化相結合，沿廠區(qū)主入口的主要道路進行重點綠化，種植有觀賞價值的喬、灌木與草皮結合，并且綠化部分遍植草皮，并適當點綴冬青灌木，綠地率達到50%以上，以創(chuàng)造出一個美麗、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有消防水龍頭和滅火器。2.3.主要設計指標表2.2 主要設計指標一覽表項目數據1全廠占地面積13872m32全廠建筑物占地面積2744 m33建筑系數19.78%4綠化面積1950 m35綠化率14.06%6土地利用系數32.88%3 產品方案及工藝流程3.1.產品與產量的確定表3.1 產品方案明細表產品名稱 年產量 / t日產量 / t班產量 / t全年生產天數 / d酒精工業(yè)用酶5001.5250.508328飼料添加酶5001.5250.5083283.2.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、木質纖維、蛋白胨、MgSO47H2O、泡敵、CaCl22H2O、Tween-80、KH2 PO4（3）菌種：里氏木霉Rut C-303.2.2.工藝流程圖原料粉碎過篩高溫高壓殺菌 保藏菌種斜面種子培養(yǎng)搖瓶液體種子擴大培養(yǎng)液體深層發(fā)酵過濾濃縮流酸銨沉淀（飼料添加酶為乙醇沉淀）過濾溶解酶泥過單寧瓊脂糖層析柱濃縮干燥造粒固體酶制劑 液體酶制劑圖1 生產工藝流程圖53.2.3.操作要點（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，纖維素酶產量高且穩(wěn)定性好，產生的纖維素酶為胞外產物，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，在無菌條件下將保藏的原菌接種到培養(yǎng)基中，在2830的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72h，取出后于04保存?zhèn)溆谩＃?）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種子罐中通氣培養(yǎng)，培養(yǎng)48h后再接種至二級種子罐中，培養(yǎng)48h后按7%的接種量接種至發(fā)酵培養(yǎng)基中進行發(fā)酵6。（二）發(fā)酵過程（1）發(fā)酵培養(yǎng)基的配制 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。 配制培養(yǎng)基的注意事項1I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。麥麩對菌種產酶的影響是雙面的：它一方面為產酶提供必要的生長因子；另一方面，其含量增加又會降低培養(yǎng)基的蓬松程度，使通氣量降低，從而影響產酶。對于里氏木霉，當玉米秸稈與麥麩之比為4:1時纖維素酶的產量最高7。II氮源 可用無機氮，也可用有機氮，二者差別不大。里氏木霉的最適氮源為硫酸銨和谷氨酸鈉，硫酸銨價格較便宜，因此選用硫酸銨，用1.5%濃度效果較佳。III. 細胞通透性 增加細胞通透性對提高纖維素酶活性有一定的作用。一般認為Tween-80可以提高里氏木霉的纖維素酶的產量，添加量為0.8%。培養(yǎng)基的配制是在拌料罐中進行的。預先在拌料罐中添加所需質量的各種成分，然后加入培養(yǎng)基中所有用水量的60%左右，使最終兩個發(fā)酵罐中的裝料量為14.26 m3。用攪拌槳攪勻后用往復泵泵入兩個發(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，因此可采用實罐滅菌的方式進行滅菌。滅菌過程采用蒸汽壓為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，以達到滅菌的目的。實罐滅菌過程共分為三個階段： 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。此過程中通入的蒸汽冷凝形成的水可直接補充配制培養(yǎng)基時未加足的水。 保溫階段蒸汽從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)進入，從不與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出。維持一定的滅菌時間，以到達滅菌的目的。 冷卻階段完成保溫時間后，關一路排汽，再關一路進汽（次序不能顛倒），最后排汽與進汽全部關閉。然后引入無菌空氣，再打開蛇管的冷卻水，使培養(yǎng)基的溫度降低到合適的溫度，以進行接種。（3）發(fā)酵過程中的條件控制 溫度 發(fā)酵前期，培養(yǎng)溫度應稍高些，以有利于菌體的生長，里氏木霉一般控制前期培養(yǎng)溫度為30（即最適生長溫度），大約保持12h；進入產酶期后，應適當降低培養(yǎng)溫度，里氏木霉產酶期培養(yǎng)溫度一般為28，較低的溫度有利于提高酶的穩(wěn)定性，延長細胞產酶時間9。 pH里氏木霉發(fā)酵生產纖維素酶的最適pH為4.65。在實際的發(fā)酵過程中，隨著微生物的代謝活動，發(fā)酵液的pH值在不斷變化，要根據其變化嚴格控制pH值1。 通風量發(fā)酵早期，菌體剛剛萌發(fā)，數量較少，呼吸強度較弱，耗氧速度較低，應控制通氣量為1:0.20.3；進入對數生長期以后，菌體代謝旺盛，呼吸強度提高，細胞大量分裂，細胞濃度迅速增加，因此耗氧速度較快，應控制通氣量為1:1；產酶時期，細胞分裂完全，細胞濃度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧氣，應控制通氣量為1:11。 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、營養(yǎng)物質與菌體均勻接觸，降低細胞周圍的代謝產物，從而有利于酶的合成。所以，應控制整個生產過程的攪拌速度為100150rpm。 泡沫控制發(fā)酵中往往產生較多的泡沫，其存在阻礙CO2排出，影響溶解氧量。生產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。 產酶量的測定發(fā)酵過程中要定時取樣測定產酶量，一旦發(fā)現(xiàn)到達最大酶活產量時要及時停止發(fā)酵。（4）發(fā)酵終點的判斷一般利用里氏木霉進行纖維素酶發(fā)酵的周期為70h左右。當發(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，可以放罐6。一般發(fā)酵的產酶率為6.5%。（二）纖維素酶的分離與提?。?）發(fā)酵液的預處理發(fā)酵結束后要向冷卻蛇管內通入蒸汽，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)的過濾過程。加熱結束后將發(fā)酵液轉移至發(fā)酵液儲罐中。同時準備使用板框過濾機對發(fā)酵液進行過濾，以除去菌體和未發(fā)酵的培養(yǎng)基原料。（2）發(fā)酵液過濾 在里氏木霉生產纖維素酶的過程中，在常壓下濾餅形成后，一般采用加壓至0.30.4MPa來過濾。濾液儲存于儲罐中，分四批進行后續(xù)的提取過程。生產中常采用以壓力泵或壓縮空氣為過濾推動力的壓濾機來進行過濾。經過濾后濾液中的纖維素酶的收率為95%。（3）濃縮將板框過濾后的濾液調到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3040%1，此過程的酶的收率約為95%。（4）沉淀與酶泥的重新溶解在酶制劑的生產過程中，一般采取鹽析法進行纖維素酶的分離。首先向濃縮酶液中加0.2飽和度的硫酸銨，靜置1小時后利用板框過濾機進行過濾，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小時后過濾棄去清液，得到纖維素酶的粗品。對于應用于飼料工業(yè)中的酶制劑，由于硫酸銨沉淀法析出的酶沉淀，含有大量的無機鹽，不適合用于食品行業(yè)。因此在其生產過程中，應該采用有機溶劑法進行纖維素酶的分離。常用纖維素酶沉淀分離的有機溶劑為乙醇。乙醇的最適濃度為70%。提取酶制劑過程中容易引起酶的變性失活，所以必須在4左右的低溫下進行操作，沉淀析出后要立即分離。有機溶劑用量一般為酶液體積的2倍左右，而且，要將酶液的pH值調至纖維素酶的等電點附近，再用0.020.05mol/L的磷酸緩沖液溶液溶解后進行進一步的純化。沉淀過程的酶的收率為94%，過濾過程的收率為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柱，使單寧專一性結合纖維素酶，蒸餾水平衡后，用0.020.05mol/L的磷酸緩沖液洗脫出來，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行，以防止由于溫度的升高而使酶在純化過程中變性失活。經過該過程后酶的損失率為7%。（6）洗脫液的濃縮 由于里氏木霉生產的纖維素酶在60以上活性迅速下降，所以在真空蒸發(fā)濃縮時，應控制濃縮系統(tǒng)的真空度，使蒸發(fā)溫度在60以下。在纖維素酶的生產中一般采用真空蒸發(fā)器，在50進行真空濃縮，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。最終產品的顏色為棕色，密度為1.051.1g/cm3，粘度為50 Pas，裝于有環(huán)氧樹脂涂覆的容量為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記，包括成品名稱、生產廠家名稱、廠址、生產日期、保質期、使用方法、成品標準編號等。（四）成品的儲存包裝后的成品經過水平皮帶輸送機運到成品庫中，再由叉車搬運到存放的位置。成品庫要求低溫干燥通風，庫內溫度在025范圍內，保質期為半年。避免在30以上長期儲存，避免日光暴曬和雨淋。（五）成品質量檢測11酶制劑的成品各項指標要符合工業(yè)酶制劑通用檢測規(guī)定和標志、包裝、運輸、貯存QB/T 1804-93的要求。并按照下述的測定纖維素酶活力的方法測定其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測定該酶制劑的純度與分子量。ICMC酶活的測定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定還原糖；IIFPA酶活的測定取適當稀釋后的酶液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測定。IIIBG（-1,3-葡萄糖苷酶）酶活的測定取適當稀釋酶液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30min，加入3mLDNS試劑測糖。3.3.物料衡算里氏木霉的發(fā)酵時間為70h左右，考慮到裝料、實消、放料、清洗需要一部分時間，因此確定整個發(fā)酵周期為4d，在330d的工作日內，共有82個生產周期。由設備計算（3.4.1）可得，生產中共需要23 m3的發(fā)酵罐80個。發(fā)酵罐的裝料系數為70%，發(fā)酵產率為6.5%，提取率為70%，種子罐的裝料系數為75%，發(fā)酵液密度約為1020 kg/m3。主要技術參數：發(fā)酵時間：70h 生產周期：4d 生產天數：328d 年產量：5000t 預設發(fā)酵罐個數：80個 發(fā)酵罐裝料系數：70% 發(fā)酵產率：6.5% 酶提取率：70%FPA酶活：46264781 單位/ g3.3.1.原料計算（1）玉米秸稈 玉米秸稈需經過粉碎后才能用于發(fā)酵。在粉碎過程中隨著運輸、粉塵等會有原料損失，按10%的損失率及3t/t(原酶)的投料比計算，可得每次發(fā)酵周期需要的原料玉米秸稈量為：m1 = 發(fā)酵液總質量產酶率玉米秸稈投料比（1損失率）= 802370%4375%10206.5%3（110%）=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時纖維素酶的產量最高。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）酵母膏一個發(fā)酵周期中的培養(yǎng)基的總質量為：802370%4375%1020 = 1322.940t酵母膏的用量為0.05%，則一個發(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）木質纖維木質纖維在種子培養(yǎng)基中充當碳源，在發(fā)酵培養(yǎng)基中作為產酶誘導劑。其用量為1%。一個發(fā)酵周期中木質纖維的用量為：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 PO4KH2 PO4 的用量為0.4%，一個發(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）CaCl22H2OCaCl22H2O的用量為 0.03% ，一個發(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 m33.3.2.輔料計算（1）硫酸銨 在整個生產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。由此進行計算： 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 沉淀劑用量：在燃料乙醇工業(yè)用酶制劑的生產過程中使用的沉淀劑為硫酸銨，一個發(fā)酵周期中共有8個發(fā)酵罐用于該酶的生產。在提取過程中，發(fā)酵液經過過濾后會有部分體積損失，且過濾后的濾液經過真空濃縮。因此可估計過濾后的濾液體積為2370%4080%40%= 206.10m3。在用鹽析法分離纖維素酶的過程中，處理液的(NH4) 2 SO4初始飽和度為0，欲達到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頁表4-1)。經靜置、過濾處理后，再向濾液中加入(NH4) 2 SO4，使(NH4) 2 SO4的飽和度由20%上升至60%，此過程應向濾液中加入262kg的 (NH4) 2 SO412。則提取過程中(NH4) 2 SO4的用量為：m11 = 206.10114206.1090%262 = 72093kg = 72.10t年用量：M11 = 72.1082 = 5912.20t(NH4) 2 SO4的總用量為16415912.20= 7552.20t （2）乙醇乙醇作為飼料添加用酶的沉淀劑，一個發(fā)酵周期中共有40個發(fā)酵罐用于該酶的生產?？晒烙嬤^濾后的濾液體積也為41.22 m3。沉淀過程中用的為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%，一個發(fā)酵周期中的使用量為：m13 = 802370%0.03%= 0.390 m3年用量：M13 = 0.39082 =32m33.3.3.計算結果表3.2 生產物料衡算表項目名稱指標每次發(fā)酵周期實際量年用量原料玉米秸稈3t/t(原酶)302.5t24850t麥麩0.75 t/t(原酶)75.7t6207.4t酵母膏0.05%702.78Kg57.7t木質纖維1%14.06t1153t蛋白胨0.3%4.22t3460.4tMgSO47H2O0.03%0.422t346.04tKH2 PO40.4%5.62t461tCaCl22H2O0.03%0.42t34.60t Tween-800.02%/0.8%10.322m3846.40 m3輔料硫酸銨114/262 kg/ m392.1t7552.2t乙醇1.4 m3/ m3228t18700t泡敵0.03%0.39m332 m3包裝材料纖維板圓筒40Kg/桶700個61270個環(huán)氧樹脂涂覆的圓桶25Kg/桶1200個98400個3.4.生產設備選型3.4.1.主要生產設備生產能力計算由物料衡算表可知：為提高后處理過程中使用的設備的利用率，四十組發(fā)酵罐（每兩臺發(fā)酵罐為一組，生產同一種酶）采用循環(huán)式投料生產。（1）玉米秸稈粉碎機及20目振動篩分器年用量處理時間 = 25000100033080 = 985kg/h（2）拌料槽拌料槽的結構由圓柱形槽身和圓錐形底部組成，設計體積應為：發(fā)酵培養(yǎng)基體積/裝料率 = 14.62285% = 34.4 m3 （取35 m3）設圓柱形槽身的高為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拌料罐的實際體積為：V = 5/183.143 24.46 = 35.011m3（3）發(fā)酵罐設發(fā)酵罐的體積為V，則由年產酶量 = 發(fā)酵罐體積發(fā)酵液密度發(fā)酵罐個數發(fā)酵周期數發(fā)酵罐裝液量產酶率酶提取率可得：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)酵罐主體結構計算13：封頭采用標準橢圓封頭 K = 1 H/Di = 2.5 Di/hi = 4橢圓容積 Va = /6Dihi =Di3V Di2hiVa = Di2hiDi3 = 2/3Di3Di = 2.22 m 處理后內徑為2.3 m即2300 mmH = 2.5Di = 2.32.5 = 5.75 m = 57500mmh i = 0.25Di = 0.575 mH > 4m 所以ha = 50 mm 查化工設備設計基礎附表5罐體總高H總 = 5.752hi2ha=7.00m = 7000mm罐體壁厚S = PD/(2 P)+C其中： = 0.8 ，P = 0.5, C = 3 mm, = 130MPa, Di = 2300解之得：S = 8.5 mm 取整9.0mm封頭按標準橢圓計算7hi = 0.575m ha = 0.05m封頭壁厚： S = PD/(2 P)+C其中： = 0.8 P = 0.5 Di = 2300 = 130 MPa C = 4.2解之得：S = 9.74 mm 取整10.00 mm(4) 種子罐二級種子罐二級種子罐體積 = 發(fā)酵罐體積裝料系數接種量種子罐裝料系數 = 23 0.70.070.752 = 3 m3 一級種子罐一級種子罐體積 = 二級種子罐體積裝料系數接種量一級種子罐裝料系數= 30.7510%0.75 = 0.3 m3（5）空氣壓縮系統(tǒng)無菌空氣制備流程14如下：吸風塔粗濾器空氣壓縮機空氣冷卻器除水設備空氣總過濾器發(fā)酵車間空氣總管分過濾器發(fā)酵罐發(fā)酵過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算：V = 單個發(fā)酵罐的體積發(fā)酵罐的個數通氣比+單個種子罐的體積種子罐的個數通氣比= 23801+341= 1852 m3/min （按400 m3/min進行后續(xù)計算） 吸風塔14吸風塔設計高度應在1012m左右。進管至空氣壓縮機一段的管路，要求直管連接，避免彎管或多彎管。本次設計中將吸風塔的高度定為11m，空氣在吸風塔內的截面流速設計為6m/s。則吸風塔的截面半徑為：R =（V/np）1/2 = (20006063.14) 1/2 = 1.33m空氣的實際流速n = V/pR2 =2000600.6023.14 = 29.49m/s 前置預過濾器8選擇高效前置過濾器，其外形像一只大型的集裝箱。內部設計有兩道過濾介質層：前層稱粗過濾層，采用絨布作為過濾介質；后道稱亞高效過濾層，采用滌晴-無紡布作為過濾介質。設計流速為0.5 m/s。設備外型半徑為：R =（V/n.p）1/2 = (2000600.53.14) 1/2 = 4.61m（取4.6m）實際流速：n = V/p.R2 = 2000602.123.14 =2.41m/s 空壓機由計算可得發(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的TRX系列離心式空壓機。其輸出功率為900kW到1800kW ，容量范圍為175360 m3/min，排氣壓力為216Pa。20的空氣經空氣壓縮機的壓縮，其出口壓強表壓為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。 冷卻器壓縮空氣由管道經沿程冷卻輸送到空氣冷卻器，此時空氣的溫度已大大低于空氣壓縮機出口的溫度?？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計算過程15為：查得空氣在定性溫度下的物性數據： 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據： r = 995.7 kg/m3 ; Cp = 4.174kJ/(kg) ；k = 0.618W/( m2); m = 0.8010-3 Pas I熱負荷計算 Q = WhCph(T2T1) = 200601.04451.007103(10425) = 2.77105 W冷卻水耗量Wc= Q/Cpc(t2t1) = 2.771054.174103(2820) = 8.3 kg/s = 30t/hII計算平均溫差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時平均溫度差 空氣： 104 25 冷卻水：28 20 t ： 76 5 tm = (765)ln(76/5) = 19.52計算R和P：R = (T2T1)(t2t1) = (10425)(2820) = 9.875P = (t2t1)(T2t1) = (2820)(10420) = 0.095 由R、P值，查表可得：ft = 0.98，因ft0.8，選用三殼程。 tm = fttm= 0.9819.52 = 19.13III選k值，估計傳熱面積由資料，可取 k = 100 w/( m2)S =（Q/ k.tm）1.15 = （2.77105 10019.13）1.15 = 166.52 m2IV初選換熱器型號由于兩流體溫差大于50，可選用浮頭式換熱器FB500。由計算結果確定換熱器為三殼程，因此選用3臺相同的換熱器串聯(lián)使用。換熱器的主要數據如下：外殼直徑：500mm 公稱壓力：4.0 MPa 公稱面積：65 m2管長：6m 管子尺寸：f252.5 管子總數：124管程數：2 管子排列方法：正方形斜轉45排列S。= n .p.d.(L0.1) .N = 1243.140.025（60.1）3 = 172.3 m2采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數為：k。=Q1.15 （S。tm）= 2.771051.15 （172.319.13）= 96.64 W/( m2) 除水設備空氣經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備。絲網除濾器是一種立式圓筒型設備，它具有壓降阻力小，除水除沫效率高，使用方便的優(yōu)點。一般絲網除濾器的設計流速取13m/s。設計時取流速為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，不銹鋼絲的直徑為0.25mm，多層重疊，絲網層厚度為100mm，絲網型號：140-400型14。 總空氣過濾器總空氣過濾器是圓筒狀設備，空氣在過濾器內底篩板一下切線方向進入，在器身下方設置人孔。YUD型空氣總過濾器，過濾介質采用涂層式過濾材料組裝的濾芯，常采用的濾芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）。根據發(fā)酵車間的空氣用量，可選用YUD-Z-4型號的總過濾器f12003035mm，配濾芯DMF，總過濾器內有DMF濾芯f3501000，4個8。 分過濾器分過濾器是單臺發(fā)酵罐的單獨空氣過濾器。23 m3發(fā)酵罐的空氣過濾系統(tǒng)設備的計算及設計如下：根據發(fā)酵工藝，每個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含有安全系數。查資料后選擇JPF-20型空氣膜過濾器，f2301196mm，配濾芯JPF-C(聚四氟乙烯微孔膜)，濾芯長20英尺，共5個8。 蒸汽過濾器根據已選JPF-20型空氣膜過濾器，查閱JLS-F蒸汽過濾器的規(guī)格型號，可選JLS-F-080蒸汽過濾器，f114530mm一臺，配置濾芯JLS-F，f22260，共7個8。（6）發(fā)酵液儲罐發(fā)酵液儲罐體積 = 兩個發(fā)酵罐中的發(fā)酵液體積裝液系數= 230.720.85= 38m3發(fā)酵液儲罐主體結構為圓柱體，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）板框過濾機發(fā)酵結束后需過濾的發(fā)酵液的體積VF為32.2 m3，含固量i約為25%。若選用BMY70/800-300型號的板框過濾機，則其過濾面積A = 70m3,濾框容量VP = 1056L = 1.056 m3，板框裝填系數k為0.75，過濾速度為v = 0.018 m3/ m2 h8。則需要的板框過濾機的臺數為：N = VFi/(kVP)= 32.20.250.751.056 = 10臺過濾時間為：T = VF(1i)/vNA = 32.2(10.25) 0.0181070 = 2h考慮到設備的循環(huán)利用，一個生產車間中選用5臺板框過濾機進行發(fā)酵液的過濾。共用4h將發(fā)酵液過濾完畢。（8）濾液儲罐過濾完畢后獲得的濾液要儲存在儲罐中。濾液儲罐的主體結構為圓柱型，其體積要求為：32.20.80.750.85 = 22.73m3 （取23m3）設儲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。要求經過真空蒸發(fā)濃縮后目的產物的濃度由0.065上升至0.1625，處理時間為12h。則真空蒸發(fā)器生的蒸發(fā)能力要求為： W = F(10.065/0.1625) = 19.3212（10.0650.1625） = 0.966m3/h = 966kg/h（10）沉淀罐和粗酶溶解槽經過真空蒸發(fā)濃縮的處理液分四批進行后續(xù)的提取過程，則每次處理液的體積為：（19.320.96612）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經過鹽析或乙醇沉淀法沉淀出的粗酶經過過濾后要用磷酸重新溶解后過丹寧親和層析柱進行純化?？紤]到過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計成相同的樣式。（11）板框過濾機二沉淀析出的酶要用板框過濾機分離出來，以進行純化。此時處理液的含固量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型號的板框過濾機，則其過濾面積A = 30m3，濾框容量VP = 460L = 0.460m3，板框裝填系數k為0.7，過濾速度為v = 0.018 m3/ m2 h8。則需要的板框過濾機的臺數為：N = VF.i/(k. VP)= 1.9320.1380.70.460 = 0.83臺 （取1臺）過濾時間為：T = VF(1-i)/vNA = 1.932(1-0.138) 0.018130 = 3.08h（12）真空蒸發(fā)器二經過層析后的酶液需進行進一步的濃縮以進行下一步的干燥。在生產工藝中，要求在4h內在低于50的條件下將濾液中產物的濃度由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，處理時間為3h。則真空蒸發(fā)器生的蒸發(fā)能力要求為： W = F(10.025/0.40) = 43（10.0250.40）= 1.25m3/h = 1250kg/h（13）真空干燥器對于固體酶制劑來說，要求含水率很低。要求真空干燥機在2h內將蒸發(fā)后剩余的水分蒸發(fā)掉。則真空蒸發(fā)的處理量為：41.253 = 0.25 m3。則真空干燥器的生產能力計算為：W = F/t= 0.252 = 125Kg/h3.4.2.主要生產設備選型表表3.3 主要設備選型表序號設備名稱規(guī)格/型號數量生產能力1秸稈粉碎機1985kg/h2配料槽1V = 35.011m33一級種子罐4V=0.3 m34二級種子罐4V=3 m35發(fā)酵罐16V=23m36前置預過濾器1R= 4.61m7離心式空壓機TRX-2001額定供氣量175360m3/min8空氣冷卻器浮頭式FB5003換熱面積1723 m39絲網除濾器1D = 4.61m,設計流速2m/s10總空氣過濾器YUD-Z-41f12003035mm11分過濾器JPF-208f2301196mm12蒸汽過濾器JLS-F-0808f114530mm13發(fā)酵液儲罐2V = 38m314板框壓濾機1BMY70/800-30010過濾面積A = 70m315濾液儲罐2V = 23m316真空蒸發(fā)器1WZI-10002蒸發(fā)量966kg/h17沉淀罐/混合罐4V = 2.415m318板框過濾機2BMY30/800-3002過濾面積A = 30m319真空干燥器1蒸發(fā)量125 kg/h20燃煤蒸汽鍋爐DZH2-1.21T=184 V=2 t/h21真空蒸發(fā)器2WZI-15001蒸發(fā)量1500-1700Kg/h水3.5.勞動力平衡表3.4 勞動力分配表發(fā)酵監(jiān)控補料控制取樣理化檢測過濾清洗1人2人1人1人2人2人沉淀過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.全年用水量計算 生產用水 空氣預處理冷卻用水設備計算中獲得的數據中冷卻水的耗量為30t/h，考慮到冷卻水可循環(huán)利用，因此可按2%的耗用率計算：G1 = 30 243282%= 4723t 培養(yǎng)基用水每個發(fā)酵罐裝液量為23/m3，共8個發(fā)酵罐，每年共有82個發(fā)酵