年产2000吨的D-核糖工厂设计.doc

本 科 毕 业 设 计题目：年产2000吨D-核糖的工厂设计目 录1绪论11.1项目建设的背景11.1.1项目提出的依据11.1.2投资的必要性21.2项目建设的意义21.2.1产品需求及预测21.2.2经济效益和社会效益31.2.3结论与建议31.3厂址选择31.3.1地理环境41.3.2自然环境41.3.3人文环境42工厂平面设计52.1设计依据52.2总平面设计52.3主要指标53产品方案及工艺流程63.1产品方案63.2生产工艺选择63.2.1培养基配方63.2.2工艺流程图63.3工艺要点73.3.1发酵过程73.3.2发酵液的预处理83.3.3离子交换树脂脱盐83.3.4发酵液再处理83.3.5反应结晶83.3.6D-核糖晶体的生成93.3.7晶体检验93.4物料衡算93.4.1原料93.4.2辅料103.4.3包装材料123.5生产设备选型123.5.1设备选型原则123.5.2生产能力计算过程123.6水电平衡213.6.1全年用水量计算213.6.2全年用电量计算234厂内卫生与安全生产254.1厂内部总平面布置的卫生254.2管道卫生255公共工程和辅助设施265.1公用工程265.1.1给排水工程265.1.2供气工程及采暖通风工程265.1.3空气压缩系统及制冷工程265.1.4供电工程265.1.5环保系统265.2辅助工程265.2.1项目需要工件的辅助系统265.2.2运输设施276企业组织和劳动定员276.1企业组织276.2工作制度276.3劳动定员277环境保护与综合利用287.1处理方案287.2采用的主要标准288设计概算289经济技术分析299.1工厂成本309.1.1原辅料总成本309.1.2包装材料费309.1.3员工工资309.1.4设备折旧费309.1.5动力费估算319.1.6其他费用319.2出厂价格319.3银行利息319.4税金319.5利润319.6投资回收期3110结论32参考文献32附录33致 谢34鲁东大学本科毕业设计年产2000吨D-核糖的工厂设计摘要：本设计主要是对年产2000吨的D-核糖厂进行了设计。本设计从产品需求、地理环境、政策环境、生产技术等各项条件出发，针对2000吨D-核糖项目的需要，进行了车间平面设计，并对产品方案、生产工艺、设备选型、物料衡算、全厂卫生安全、企业组织等方面进行了研究与设计。最后对本方案进行了技术经济分析，结果表明：该项目固定资产投资9000万元，项目完成之后可年产固体D-核糖2000吨，年利润5440万元，投资回收期为4年。关键词：D-核糖；工厂设计；物料衡算；技术经济分析The Plant Design of a 2000t/a Production Capacity of D-riboseAbstract：This study was aimed to design a D-ribose production plant with a 2000-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 D-ribose 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 90 million RMB, after the completion of the project, the plant may yearly produce solid D-ribose 2000t, the annual profit was 54.4 million RMB, and the return time of investment was 4 years.Key Words：D-ribose; Plant design; Materials balancing; Technical economy analysis1 绪论1.1 项目建设的背景1.1.1 项目提出的依据D-核糖的结构式D-核糖是一种五碳糖，分子式是C5H10O5，常温下为白色极易潮解的粉末状晶体，溶于水，微溶于乙醇，不溶于醚、苯、丙酮及氯仿 1。D-核糖是生物体内遗传物质的碳水化合物组成部分，细胞膜中的重要成分，在生理上起着重要的作用；核糖还是生物体内合成ATP的前体物质，是生命代谢最基本的能量来源之一。心脏缺血会使心功能下降、心律失常。研究证实，口服D-核糖能促进心肌细胞ATP的产生，使心肌细胞的功能正常，从而明显改善心功能，保护缺血时的心脏，对因心脏缺血诱发的心律失常也有保护作用，使原来一动就喘、经常心慌、胸闷、气虚的症状得以明显改善，生活质量大大提高。人感到疲劳的直接原因是肌肉细胞的ATP产生不足，使肌肉活动的能量不足，人就有疲劳感。D-核糖是合成ATP的起始分子，它是肌肉合成能量物质ATP的重要原料。研究证实，补充D-核糖可以提高人体的运动能力，有效抗疲劳，缓解肌肉酸痛。D-核糖也是一些辅酶和维生素的重要组成部分2，广泛应用于合成核黄素、抗病毒剂及风味增强剂。另外,D-核糖还可治疗肌肉疼痛及糖尿病3。D-核糖也是合成一些抗病毒、抗肿瘤药物的中间体。目前,此类研究也十分活跃4。1.1.2 投资的必要性 近年来D-核糖作为抗癌和抗病毒类药物、调味品等的合成原料在制药工业和食品工业上得到广泛的应用2 5 6。在食品工业上，D-核糖作为调味品、调味香精等风味物质的合成原料。在医药工业中，D-核糖是维生素B2合成的重要原料，可用来合成类固醇、前列腺素、维生素D的结构类似物，可以合成一些抗病毒和抗癌的药物，还对延缓衰老有一定的作用。在医疗保健方面，D-核糖具有治疗心肌局部缺血、加强心脏抗局部去血、全面改善心脏功能的功效，用于治疗因运动引起的肌肉酸痛糖尿病等3。伴随国际市场D-核糖的广泛应用，国内的一些知名企业也开始引进和自主研发相结合，在国内成立独立的D-核糖生产线。多年来，全球D-核糖生产量的大部分销往日美两国。近几年，随着亚洲地区对D-核糖要求的迅速增大，使D-核糖生产跨入了一个崭新的阶段，目前全球D-核糖以每年超20%的增长率增长。因此，该厂建成后将有非常好的发展前景。1.2 项目建设的意义1.2.1 产品需求及预测D-核糖在国外也只是个别国家垄断和控制着世界的产量和价格。国内需求大部分依赖进口。据11年初的最新统计，D-核糖的世界需求量约4万吨，随着社会消费水平的提高，社会需求量还会越来越大。图1 市场需求状况及预测图Figure1 Chart of maket demand and forcast图2 市场价格状况及预测图Figure2 Chart of maket price and forcast1.2.2 经济效益和社会效益图3 D-核糖行业资金利润率分析（单位：%）Figure3 Chart of D-ribose industry capital profit项目完成之后可年产D-核糖2000吨，项目年销售收入为25000万元，年总成本费用为11500万元，年利润为5440万元，项目建成后投资回收期约为4年。社会效益预测：建厂后可多方面为当地创造税收收入，吸纳当地剩余劳动力，增加当地居民收入进而带动其他行业的发展。1.2.3 结论与建议鉴于国内外对此产品需求量也很大，市场供应也相当紧张，且价格不断上扬。因此，开发D-核糖市场前景好，其经济社会效益更为显著。本设计即是针对我国D-核糖的发展现状，本着迎合消费者需求，求新，求变的原则，对D-核糖的生产进行了更为优化的设计，设计了年产2000吨D-核糖的工厂，在工艺分析的基础上，进行了物料衡算、设备选型、能耗衡算、劳动力定员，并对生产车间进行了合理的布局。同时，在设计过程中，注意到环境保护，及时有效地处理生产过程中产生的三废问题。1.3 厂址选择本厂厂址拟选在山东省新泰市高新技术产业开发区。新泰市位于山东省中部，泰沂腹地，北依五岳独尊的泰山，南临孔子故里曲阜，东接山东半岛沿海城市，是中国百强市，山东10强县市之一，经济发展迅速，交通便利，且开发区自然地理条件优越，人口密度小，符合生产D-核糖的选址原则。1.3.1 地理环境地理位置优越：新泰，坐落在鲁中腹地，泰沂腹地，北依五岳独尊的泰山，南临孔子故里曲阜，东接山东半岛沿海城市。区位优越，交通便利。交通便利：新泰市交通便利。京沪高速公路、莱新高速公路交汇分别穿越境内51公里和27公里，二O五国道、O九公路、蒙馆公路、济临公路、新枣公路跨越境内179公里。地方县乡公路通车里程达1580公里，全市公路密度为122.7公里/百平方公里，市区至各乡镇全部实现了通柏油路或水泥路，已全部实现村村通公路。磁莱铁路贯穿境内，段长64.9公里，辖9个车站。所有这些，为新建厂区开辟了宽阔的大门。1.3.2 自然环境自然环境优美：新泰市风景秀丽。黄河、淮河两大水系在此分界，峰岭叠彩，河流萦回。徂徕山苍松傲立，柴汶河源远流长，新甫山古柏涌翠，青云湖碧波荡漾，金斗山天台曝书，敖山山峰直上青天，梁父山史册闻名，白马寺银杏参天，龙女庙古今传奇。莲花山被誉为“北方普陀，观音胜景”，山上奇石遍布，流泉飞瀑，幽谷奇峰，集北方山脉之大气与南方水之神韵于一身，以自然、和谐、幽静、淳朴为特色，是休闲养生的最佳去处。原料供应：厂区交通便利，由于生产需求量大，生产D-核糖的主要原料可由厂家长期送货，其他原料从临沂批发市场购买完全能够满足生产的需要。矿产资源：新泰市资源丰富。新泰是全国 60个重点产煤县市之一，现已探明的原煤储量16亿吨。1.3.3 人文环境基础设施完善：新泰城市基础设施完备。初步建成了山、水、城一体生态型、现代化园林城市，城市化水平达到43.5%。市内淡水资源总量5.56亿立方米，拥有供水水库4座，现代化净水厂2座，城市供水普及率达到98.8%；市内拥有电厂8座，总装机容量172万KW，供电能力自给有余，同时使集中供热面积达到345万平方米，集中供热率达到83.2%。城市燃气普及率达到92%；污水处理率达56.4%，工业废水达标率达95%以上，全年空气质量级以上所占比例达90%以上。园林绿化总面积156万平方米，城市建成区绿化覆盖率达到42%，人均公共绿地面积13.9平方米，园区工业用电价格0.7元千瓦时，用水价格3.00元吨。政策优惠服务到位：近年来，新泰市坚定不移地走工业强市之路，用项目和投入尤其是大项目支撑经济加快发展、跨越发展。因此政府支持并鼓励合理的厂区场地建设，并给投资者以相当的土地政策优惠。按照“重点是工业，关键是项目，根本在投入”的工作思路，把实现经济跨越发展的突破口和工作的着力点放在多上项目、上大项目，多投入、大投入上，政府的大力支持为建厂提供了坚强的后盾。 2 工厂平面设计2.1 设计依据1）厂区主要建筑物按照生产流程布置，对厂房的布置符合生产工艺的要求，尽量缩短距离，避免物料的往返运输，既保证生产过程的连续性，又使得整个厂区紧凑合理。2）发酵附属设施成辐射状围绕在发酵车间的周围，便于为发酵提供各种原料和条件。且菌种室内相应人员及物料净化设施参照生产质量管理规范要求进行设计7。3）污水处理设施和锅炉房安排在发酵车间附近，远离生活区，避免污染生活区的环境。4）办公楼在人流出口的附近，距离车间较近，方便管理。5）绿化情况：厂区绿化以普通绿化与重点绿化相结合，沿厂区主入口的主要道路进行重点绿化，绿化部分遍植草坪，以创造出一个舒适怡人的厂区环境。6）厂区考虑到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均设有消防水龙头和灭火器。2.2 总平面设计表1 厂区主要建筑物一览表Table 1 The main building of plant table序号建筑物建筑面积（m2）建筑面积（m2）1锅炉房1020=2002002车库1030=3003003成品库2030=6006004提取车间3045=135013505发酵车间4040=160016006科研楼3030=9009007机修车间1010=1001008原辅料库2015=3003009空压机房1510=15015010包装车间2045=90090012办公楼4530=1350135013水处理站2010=20020014公寓楼20302=1200120015职工餐厅3020=60060016休闲娱乐中心3025=75075017场内商业区2030=60060018其他20002000合计：13100平方米2.3 主要指标表2 技术经济指标一览表Table 2 Technical and economic indicator table序号项目数据1厂区占地面积20000平方米2全厂建筑物面积13100平方米3建筑物覆盖面积65.5%4绿化面积6500平方米5绿化率32.5%3 产品方案及工艺流程3.1 产品方案D-核糖的计划产量为2000t/年，计划年工作日为300天，枯草芽孢杆菌的种子培养12小时，发酵时间72小时，考虑到装料、发酵罐灭菌、放料以及清洗都需要一定的时间，故整个发酵周期确定为110个小时，所以全年共有65个生产周期。3.2 生产工艺选择D一核糖的生产主要有三种:水解核酸提取法8生产，化学合成法9生产，微生物发酵法1011生产。发酵法以其独有的他点，已成为当前生产D-核糖最经济最有效的方法，引起国内外的强烈关注。本设计选用以枯草芽孢杆菌转酮酶缺陷型突变株菌种，发酵法生产D-核糖。3.2.1 培养基配方斜面培养基（LB）：蛋白胨1%，酵母粉0.5%，氯化钠0.5%，琼脂粉2%，Ph7.0。种子培养()：葡萄糖2.0，玉米浆2.0，K2HP04 0.3，KH2P04 0.1，PH 7.0，温度36。发酵培养基()：葡萄糖20，玉米浆2.5，(NH4)2S04 0.5，MnS04 0.005，CaC03 2，pH7.0，温度38。3.2.2 工艺流程图图4 工艺流程图Figure 4 The flow chart of production process具体工艺过程是将细菌培养基进行灭菌处理，送发酵釜内发酵，采用从釜低通入除菌后的无菌空气进行通气搅拌，加入已成熟的液体种子，发酵72个小时后，经发酵液预处理除去菌体、色素及杂蛋白，并对发酵液进行初步浓缩，然后经过阴阳离子交换柱脱盐，发酵液再处理将残留的少量杂蛋白过滤除去，D-核糖浓度浓缩至10g/100ml,加入1:1的苯胺进行结晶，压滤滤液在4低温重结晶，得到的是D-核糖胺晶体，以1g晶体：100ml乙醇水溶液（乙醇：水=30:100）的比例加入乙醇水溶液溶解晶体，60下蒸发回收乙醇和苯胺，直至剩下的溶液中检测不到苯胺，将D-核糖水溶液置于低温下自然起晶，得到白色无杂质的晶体，进行成品包装出厂。3.3 工艺要点3.3.1 发酵过程枯草芽孢杆菌的转酮酶缺陷型突变株经过二级种子罐的扩大培养，转接进入发酵罐，进行发酵，发酵结束后进行D-核糖的分离纯化，影响D-核糖产量的因素有菌种，接种菌龄，接种量，培养基，代谢产物，温度，PH值，搅拌，通风量，泡沫等。1）菌种：目前用于生产D-核糖的菌种主要是枯草芽孢杆菌的转酮酶缺陷型突变株，由江苏省微生物研究所提供。所用菌种通过购买形式获得，是目前产酶能力最高的菌株。该菌种发酵时间为72h左右，D-核糖产量高且稳定性好，产生的D-核糖为胞外产物，容易分离纯化。且枯草芽孢杆菌及其代谢物安全无毒，不会对生产人员和环境构成威胁。2）接种菌龄：一般以菌种对数生长期的后期，即培养液中的菌体浓度接近高峰时所需要的时间为宜，菌龄太小则会使前期生长缓慢，延长整个发酵周期；太大则会使菌体过早衰退，导致生产能力的下降。本项目的接种菌龄为12小时。3）接种量：选择合适的接种量对产核糖有很大的影响。通常，接种量较小时，产糖不高并使生产周期延长，采用较大的接种量则会缩短菌体生长达到高峰所需要的时间，菌种容易早衰，不利于产糖。本发酵常用接种量为10%，4）碳源：葡萄糖是工程菌最易利用且产核糖能力较高的碳源，相比较其它碳源而言，葡萄糖更利于菌体产D-核糖，且成本较低，本项目采用粉碎玉米，进行淀粉糖化制取葡糖糖。5）氮源：D-核糖发酵最佳有机氮为玉米浆，浓度为2.5%，可能是玉米浆中含有丰富的氨基酸(丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸等)、还原糖、磷、微量元素和生长素等。工程菌是转酮酶缺陷型突变株，在发酵的过程中，培养基中含有足够的芳香族氨基酸更利于它的代谢产糖。6）温度：在发酵的过程中，菌体的生长和D-核糖的合成均与温度有密切关系，但两者的最适温度往往不相同，一般情况下，产糖的最适温度稍高于生长温度。7）PH：任何微生物都有适合自己生长的PH范围。因此，培养初期以及培养过程中的PH值的变化将会直接影响微生物的生长和产物的合成。本项目采用Ph为7.0。8）通风量：通风量的多少应根据培养基中的溶氧而定。一般在发酵初期，菌体少，相对通风量可以小一些；菌体生长旺盛时耗氧多，则通风量要大些；产糖旺盛时需强烈通风。9）搅拌：对于D-核糖的液体深层发酵，除了需要通气外，还需要搅拌，以利于热交换、营养物质与菌体均匀接触，降低细胞周围的代谢产物浓度，从而有利于糖的生成；同时也可以打破空气气泡，使发酵液形成湍流，从而提高溶氧，增加空气利用率。10）分批补糖：为了降低发酵终点的残糖浓度，利于分离纯化，采用分批补糖，具体情况视不同发酵的现实状况而定，添加的糖量也应随机应变13。3.3.2 发酵液的预处理由于对发酵液采用树脂脱盐，而蛋白质的存在会污染树脂，增加树脂再生的难度，影响脱盐效果，故本项目采用先除蛋白后脱盐的操作顺序。先进行降膜浓缩，调节Ph至6.0，采用膜过滤两级超滤去除发酵液中的蛋白质、色素及菌体，达到上离子交换柱的糖度和色素标准。图5除蛋白的工艺流程图Figure 5 The flow chart of removing protein process3.3.3 离子交换树脂脱盐提取之前要脱盐脱色，利用2017强碱型阴离子交换树脂和0014强酸型阳离子交换树脂除去D-核糖发酵液中的阴阳离子，对发酵液进行脱盐。在间歇操作条件下用活性碳脱色，首先将发酵液的PH调至3.0，然后加1.5%的活性碳，在50摄氏度的热水中保温30分钟。压滤，连续两次后澄清略带微黄色即可。再进行发酵液的降膜浓缩14。3.3.4 发酵液再处理向脱盐后的发酵液中加入50%发酵液体积的乙醇水溶液（无水乙醇：水=30:100），残留的少量蛋白质沉淀出来，压滤去除，调节Ph至7-8之间，浓缩D-核糖浓度至10g/100ml，便于进行后续的反应。3.3.5 反应结晶在30下，以D-核糖：苯胺=1.25g：0.8ml的比例加入苯胺，进行反应生成D-核糖胺晶体，反应过程中应进行搅拌，防止形成晶体块。结晶后压滤分离晶体，母液置于4下进行重结晶。晶体产率可达到1.1g晶体g D-核糖。3.3.6 D-核糖晶体的生成以6g晶体：100ml的乙醇水溶液的比例加入乙醇水溶液，由于D-核糖胺的生成是可逆的，加入的乙醇可以出去晶体表面的苯胺，并可以带走少量水分。因此于60下对发酵液进行蒸馏，直至溶液中不存在乙醇和苯胺。苯胺的测定方法：苯胺与次氯酸钠溶液反应即呈明显的紫色，生成的紫色化合物在280nm下有明显的吸收峰，用分光光度计测定，来检验苯胺是否已完全蒸出15。D-核糖水溶液置于4下，自然起晶，过滤分离晶体。3.3.7 晶体检验晶体检验合格后方可进行包装出厂。包装完成的晶体应进行不定期的随机抽样检验，以确保产品质量。3.4 物料衡算由物料平衡的计算可确定生产过程中单位时间内原辅料的需求量和水、蒸汽的耗量，进而可以计算出全年主要物料的需要量、包装材料的采购运输和仓储容量。通过物料衡算，还可以根据计算数值进行经济合理地生产设备的选择，并进行车间的设备布置和劳动力的安排。已知发酵时间为72h左右，种子培养时间12h，整个发酵周期为110h计算，在300天的工作日内，共有65个生产周期。为计算方便，可假设每次发酵有5个100t的发酵罐同时进行发酵。根据参考资料17可确定装料系数为75%，按每升发酵液可产生100gD-核糖，提取收率86%，倒灌率为1%，提取得到D-核糖。则一年产生2000吨D-核糖需总发酵液体积为：式中 200发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 50%糖酸转化率 99%除去倒灌率1%后的发酵成功率 86%D-核糖提取收率则一个发酵周期需要发酵液体积V为：式中 23491发酵液总体积（m3） 65一年内的发酵周期数（个）由此可进行物料衡算。3.4.1 原料1）玉米淀粉发酵液配制需水解糖，故：式中 M1种子所需葡萄糖量23491发酵液总体积（m3） 10%接种量 20种子液葡萄糖配比（kg/ m3）式中 M2发酵液所需葡萄糖量23491发酵液总体积（m3） 200发酵液葡萄糖配比（kg/ m3）式中 M糖发酵所需葡萄糖总量M1种子所需葡萄糖量 M2发酵液所需葡萄糖量耗用淀粉原料量：理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量M淀粉为式中 86%淀粉原料含纯淀粉量 98%淀粉糖转化率2）玉米浆65个发酵周期的发酵液及种子液中玉米浆的用量：式中 23491发酵液总体积（m3） 2.5%种子液中玉米浆配比10%接种量2%发酵液中玉米浆配比3.4.2 辅料1）磷酸氢二钾65个发酵周期种子液中所需的用量：式中 23491发酵液总体积（m3）10%接种量0.3%种子液中磷酸氢二钾配比2）磷酸二氢钾65个发酵周期种子液中的用量：式中 23491发酵液总体积（m3）10%接种量0.1%种子液中磷酸二氢钾配比3）硫酸铵65个发酵周期中发酵液中硫酸铵的用量：式中 23491发酵液总体积（m3）0.5%发酵液中硫酸铵配比4）硫酸锰65个发酵周期中发酵液中硫酸锰的用量：式中 23491发酵液总体积（m3）0.005%发酵液中硫酸锰配比5）碳酸钙65个发酵周期中发酵液中碳酸钙的用量：式中 23491发酵液总体积（m3）2%发酵液中碳酸钙配比6）活性炭按发酵液量的1.5 %计，则整个发酵周期需要活性炭的量：式中 23491发酵液总体积（m3）1.5%发酵液中活性炭配比7）泡敌发酵培养基中泡敌的添加量为0.03%，65个发酵周期中的使用量为：式中 23491发酵液总体积（m3）0.03%发酵液中泡敌配比8）苯胺反应结晶法以1.25gD-核糖：0.8ml苯胺的比例加入苯胺，则全年共需要苯胺为式中 2000全年生产D-核糖的质量（t）0.64结晶时加入的苯胺配比3.4.3 包装材料固体制剂的包装材料为纸桶，内包装用聚乙烯塑料袋，外套铝箔袋，包装规格为500g/袋，其它包装可根据客户要求定做。表3 生产物料衡算表Table 3 Balance sheet ofproduction material项目名称指标每次发酵周期实际量年用量辅料磷酸氢二钾0.3%0.108t7.05t磷酸二氢钾0.1%0.036t2.35t硫酸铵0.5%1.81t117.5t硫酸锰0.005%0.018t1.175t碳酸钙2%7.23t470t 活性炭1.5 %5.43 t353 t泡敌0.03%0.108 m37.1 m3苯胺1.25gD-核糖：0.8ml苯胺19.7 m31280 m3原料玉米粉22%78.1t5075t玉米浆4.5%8.15t530t包装材料聚乙烯塑料袋各种规格纸桶25Kg/桶1212个80000个3.5 生产设备选型3.5.1 设备选型原则设备的选型原则根据物料衡算确定的，使设备既能保证生产的连续进行，又使设备得到充分利用14。一般应遵循以下原则：1)满足工艺的生产要求，保证产品的质量和产量；2)所选设备应能充分利用原料、能耗少、体积小、效率高、维修方便、劳动强度低，并可一机多用，备品、备件供应方便； 3)设备的先进程度、机械化程度应与工厂的规模相适应，要做到经济上合理，技术上先进；4)所选设备应符合食品卫生的要求，易清洗、装拆，不易腐蚀；5)设备结构合理，材料性能可适应生产的工作环境；6)考虑到生产的波动性，要留有一定的备用设备。根据以上原则，在物料衡算结果的基础上，对本车间选用的设备如下所述。3.5.2 生产能力计算过程由物料衡算表可知：每个发酵罐每次发酵产生75 m3左右的发酵液，经过滤后浓缩为原体积的40%左右。因每一工艺步骤的操作要求和处理时间的不同，故每一车间的工作时间也不同，对设备的要求应分别计算。计算过程为：1)发酵罐一个发酵周期需要发酵液体积V为：式中 23491发酵液总体积（m3） 65一年内的发酵周期数（个）由此可设需5个装料系数为75%的发酵罐，则发酵罐有效体积为：式中 362一个周期所需发酵液的体积（m3）75%装料系数5发酵罐个数 因此，取发酵罐的有效体积为100 m3发酵罐主体结构计算：发酵罐的公称体积为近似圆柱体的体积：设H0=2.5D，则,即上下封头高：式中 ha上封头的高度（m）hb下封头的高度（m）罐体总高：椭圆封头的容积：圆柱部分的容积：罐的全容积：罐体壁厚：式中 130MPaP0.50.8C3D3370mm故：S=11.12mm，取整11.5mm封头壁厚：式中 130MPaP0.50.8C4.2D3370mm故：S=12.3mm，取整12.5mm2）搅拌器设计搅拌器的主要尺寸计算：考虑到发酵径高比为1：2.5，比较小，为了使发酵液充分混匀，保持均一，一般采用涡轮式搅拌器。涡轮式搅拌器的结构简单，能量传递高，氧溶解率高,弯叶剪切力小。圆盘可增强轴向混合效果。所以选用六弯叶涡轮式搅拌器17。其主要尺寸如下：叶径Di：叶宽B：弦长L：底距C：盘径P：弯叶板厚s：根据全挡板条件的计算公式17，确定挡板数为5。3）外盘管夹套的设计发酵罐的冷却，主要考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率传递给培养基的热量，此外还应考虑各种培养基实消后的冷却。目前，大型发酵罐传统上多使用多组立式蛇管，立式蛇管具有传热系数高的优点，但占据发酵罐的容积，且罐内蛇管一旦发生泄漏，将会造成整个罐批的发酵液染菌，此外，蛇管冷却管使罐的死角数增加，不仅增加了染菌的机会也给罐体的清洗带来许多的不便7。半圆形外盘管的传热系数高，罐体容易清洗，可增强罐体强度，大大降低罐体的壁厚，使整个发酵罐的造价降低，代替了内蛇管占据的发酵罐容积，增加了发酵罐的放罐系数。传热面积F的要求决定了夹套筒体的高度Hj，夹套的高度一般不低于料液的高度，以保证传热的充分17。夹套筒体高度Hj可由下式估算：式中 Hj夹套筒体高度装料系数V发酵罐的有效容积Vh封头容积V1筒体每米高的容积故夹套高度：取夹套高度Hj =7000mm外盘管夹套设计参数如下：通道宽度:取b=300mm通道高度：取h=200mm，半圆管壁厚S=20mm通道半圆心角：通道与容器壳体采用全焊透的V形焊缝螺旋通道的节距：取ts=350mm螺旋通道圈数n：式中 7000夹套筒体高度350螺旋通道的节距综上所述共需5个100 m3发酵罐，型号为MSF-L100，公称容积100(m3)，材质：不锈钢。由南京汇科生物工程设备制造。4）种子罐二级种子罐式中 100发酵罐体积0.75发酵罐装料系数10%接种量0.75种子罐装料系数一级种子罐式中 10二级种子罐体积0.75二级种子罐装料系数10%接种量0.75种子罐装料系数5）离心泵要求75 m3发酵液5min上液完成，即要求泵的性能：泵的选型：上海KSB泵业有限公司生产，型号为CPK125-900，Q=900 m3/h， H=10m，临时确定40个。4.空气压缩系统吸风塔粗滤器 空气压缩机空气冷却器除水设备空气总过滤器发酵车间空气总管分过滤器发酵罐发酵过程中的最大通气量为1:1，因此发酵车间需要最大压缩空气的用量可按下列公式计算： V = 单个发酵罐的体积发酵罐的个数通气比+单个种子罐的体积种子罐的个数通气比按560 m3/min进行后续计算式中 100单个发酵罐的体积5罐体个数1通气比10单个二级种子罐的体积 吸风塔吸风塔设计高度应在1012m左右。进管至空气压缩机一段的管路，要求直管连接，避免弯管或多弯管。本次设计中将吸风塔的高度定为11m，空气在吸风塔内的截面流速设计为6m/s。则吸风塔的截面半径为：空气的实际流速： 前置预过滤器选择高效前置过滤器，其外形象一只大型集装箱。内部设计有两道过滤介质层：前层称粗过滤层，采用绒布作为过滤介质；后道称亚高效过滤层，采用涤腈无纺布作为过滤介质。设计流速为0.5 m/s。设备外型半径为：设备外型半径取2.5m。实际流速： 空压机由计算可得发酵工艺所需的最大空气流量为560 m3/min。因此选择日本寿力公司生产的TRX系列离心式空压机。其输出功率为180kW ，容量范围为350600 m3/min，排气压力为216Pa。20的空气经空气压缩机的压缩，其出口压强表压为0.2MPa.则压缩后的空气温度为：式中 P10.101 MPaK1.3 冷却器压缩空气由管道经沿程冷却输送到空气冷却器，此时空气的温度已大大低于空气压缩机出口的温度。空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。冷却器选用浮头式换热器，冷却水走管程，压缩空气走壳程。要求压缩空气由104被冷却至25，冷却介质为20的循环水，冷却水的出口温度为28.由条件可得：空气的定性温度：水的定型温度：计算过程18为：查得空气在定性温度下的物性数据： r = 1.0445 kg/ m3 ；. Cp = 1.007 kJ/(kg) ；k = 2.931W/( m2)；m = 2.03510-3 Pas查得水在定性温度下的物性数据： r = 995.7 kg/ m3 ；Cp = 4.174kJ/(kg) ；k = 0.618W/( m2)；m = 0.8010-3 Pas I热负荷计算Q：冷却水耗量Wc：II计算平均温差暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差 空气： 104 25 冷却水：28 20 t ： 76 5计算R和P：由R、P值，查表可得：ft = 0.98，因ft0.8，选用三壳程。III选k值，估计传热面积，取 k = 100 w/( m2)IV初选换热器型号由于两流体温差大于50，可选用浮头式换热器FB500。由计算结果确定换热器为三壳程，因此选用4台相同的换热器串联使用。换热器的主要数据如下： 管子尺寸252.5,管子总数124，管程2，管子排列方法：正方形斜转45排列。换热面积S：总传热系数k0为： 除水设备空气经冷却后即有水分析出，为此，冷却的空气需要除水并安装必要的除水设备。丝网除滤器是一种立式圆筒型设备，它具有压降阻力小，除水除沫效率高，使用方便的优点。一般丝网除滤器的设计流速取13m/s。设计时取流速为2m/s，则除滤器的直径D为除滤器的直径D取2.5m。除滤器的填料为不锈钢丝网，不锈钢丝的直径为0.25mm，多层重叠，丝网层厚度为100mm，丝网型号：140-400型。 总空气过滤器总空气过滤器是圆筒状设备，空气在过滤器内底筛板一下切线方向进入，在器身下方设置人孔。YUD型空气总过滤器，过滤介质采用涂层式过滤材料组装的滤芯，常采用的滤芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）。根据发酵车间的空气用量，可选用YUD-Z-4型号的总过滤器f12003035mm，配滤芯DMF，总过滤器内有DMF滤芯f3501000，4个。 分过滤器分过滤器是单台发酵罐的单独空气过滤器。100 m3发酵罐的空气过滤系统设备的计算及设计如下：根据发酵工艺，每个100 m3发酵罐最大空气用量为由于100 m3发酵罐的工作容积在75%左右，因此空气的用量已经含有安全系数。查资料后选择JPF-20型空气膜过滤器，f2301196mm，配滤芯JPF-C(聚四氟乙烯微孔膜)，滤芯长20英尺，共6个。 蒸汽过滤器根据已选JPF-20型空气膜过滤器，查阅JLS-F蒸汽过滤器的规格型号，可选JLS-F-080蒸汽过滤器，f114530mm一台，配置滤芯JLS-F，f22260，共10个。 5.拌料槽拌料槽的结构由圆柱形槽身和圆锥形底部组成，设装料系数为0.8，设计体积应为：式中 362发酵培养基体积80%拌料槽装料系数6.储罐发酵后的发酵液约为370 m3，故选定储罐体积为200 m3，两个，其的主体结构为圆柱型。7.板框压滤机发酵结束后发酵液除去晶体，再经脱色后要及时过滤除去活性炭以进行纯化。此时处理液的含固量i为活性的的百分比1.5%，处理液的体积为362 m3。选用由杭州富阳永昌过滤机有限公司生产的型号为XZ20/630-U板框压滤机，则其过滤面积A=30 m3，滤框容量VP= 800L=0.80 m3，板框装填系数k为0.8，过滤速度为v = 0.2 m3/ m2 h。则需要的板框过滤机的台数为：板框过滤机的台数取9台。过滤时间为：另外发酵液在浓缩沉淀后还需过滤，处理液的体积为362 m3，所选机型如上，因此实际生产中选用12台过滤机。8.降膜蒸发器在生产工艺过程中，发酵液中的产物含量很低，故需除去60%的水分，要求在8h内在低于50的条件下将362 m3的处理液中2/3的水分蒸发掉，则降膜蒸发器生产能力的计算为：预计需10个，型号为WZ-3000,其蒸发量为3000kg/h，加热面积40 m2，罐内真空度0.07MPa，由江阴市富龙制药机械厂生产。9.真空耙式干燥器对于固体制剂来说，要求含水率很低。要求真空干燥机在4h内将蒸发后剩余浓缩液2/3的水分蒸发掉。则真空蒸发的处理量为：36240%2/3=96.5 m3。则真空干燥器的生产能力计算为：预计需6个，其蒸发量为3000kg/h，一个备用，型号为ZB-1500,加热面积50 m2，罐内真空度0.07MPa，由江阴市富龙制药机械厂生产。10.CIP清洗系统本系统为IT全自动单回路CIP系统，采用三罐制方形联体式结构，板式换热器在线加热，CIP进程泵流量20T/H，扬程36M，酸液罐、碱液罐、热水罐均为1000L双层全封闭罐，内胆板材为不锈钢SUS316L，其中酸碱罐配置搅拌器；浓酸、浓碱罐为100L不锈钢方形桶推车，材质为不锈钢SUS316L。11.包装机粉剂自动包装机技术参数：生产效率：1000袋/小时，包装质量范围：200-500g/袋，薄膜尺寸规格：厚度：0.08mm，宽度：320mm（240mm），外形尺寸：10577501870mm，由南京星火包装机械有限公司生产。表4 主要设备选型表Table 4 Equipment costs table序号设备名称规格/型号功率/kwh数量生产能力生产厂家1发酵罐ALF-L 1001005V=100 m3南京汇科生物工程设备公司2一级种子罐MS-L115V=1 m3无锡市雪浪发酵工程设备厂3二级种子罐MS-L12105V=10 m3无锡市雪浪发酵工程设备厂4玉米秸秆粉碎机HQ1000152950kg/h山东省曲阜圣鑫机械厂5前置预过滤器R=2.501560 m3/min浙江慈溪市柯博塑料制品有限公司6离心式空压机TRX-2001803350600 m3/min日本寿力公司7空气冷却器FB50001S=172.3 m3江阴丹尼尔冷却器有限公司8丝网除滤器D=2.5m,流速2m/s01560 m3/min启东恒业石化冶金设备有限公司120元9总空气过滤器YUD-Z-401f12003035mm东莞市杰特西喷雾净化科技有限公司40010分过滤器JPF-2006f2301196mm南京广方气动成套设备有限公司15011蒸汽过滤器JLS-F-080010f114530mm杭州翔盛气体设备有限公司12板框压滤机XZ30/400-U1812过滤面积30 m2杭州富阳永昌过滤机有限公司13CIP清洗系统1T全自动33泵流量10T/H瑞士比欧生物工程公司上海代表处14降膜蒸发器WZ-200010102000Kg/h江阴市富龙制药机械厂15离心泵CPK12515040900 m3/h上海KSB泵业有限公司16真空耙式干燥器ZB-150022102000Kg/h常州市中通干燥设备有限公司17燃煤蒸汽锅炉LSG0.5-0.101T=184 V=0.5t/h河南省太康锅炉厂18拌料罐RZGC05-15451450 m3上海伊本轻工机械有限公司19包装机DXDF60C1.251000袋/小时南京星火机械有限公司生产3.6 水电平衡3.6.1 全年用水量计算1)生产用水料用水每个发酵罐装液量为75 m3，共5个发酵罐；发酵罐