【《年产3000t木聚糖酶发酵车间工艺设计》16000字】

年产3000t木聚糖酶发酵车间工艺设计目录TOC\o"1-3"\h\u11253第一章绪论 4318201.1木聚糖酶相关简介 47411.1.1木聚糖和木聚糖酶 434351.1.2木聚糖酶的生产简史 5172381.1.3木聚糖酶的工业应用 5204321.2太空诱变育种简介 6214061.3前景与展望 728849第二章发酵车间的工艺流程 8295512.1高产木聚糖酶的黑曲霉工程菌株的选取 889662.2黑曲霉工程菌株发酵生产木聚糖酶 8234912.2.1菌种活化 8200172.2.2一级种子培养 818922.2.3二级种子培养 8140872.2.4发酵罐发酵 8123752.3发酵液后处理获得木聚糖酶 976662.3.1板框压滤 9127832.3.2喷雾干燥 9254072.3.3筛分分级和包装 9154612.4工艺流程 102785第三章生产工艺计算 11281843.1工艺技术指标及基础数据 118023.1.1工艺技术分析和指标 11184063.1.2培养基基础数据 11281953.2工艺计算 12238723.2.1发酵车间物料衡算 12276753.2.2发酵车间热量衡算 14260843.2.3发酵车间水量估算 1652903.2.4发酵车间电量估算 1718020第四章设备设计与选型 20327094.1发酵设备的设计计算 2035524.1.1发酵罐生产能力计算 207744.1.2发酵罐主要尺寸计算 2068164.1.3搅拌器尺寸和功率计算 21118704.1.4换热器冷却面积的计算 22257144.1.5冷却管布置计算 23111344.1.6种子罐的设计 2589464.2发酵车间主要设备选型 2532121第五章车间编制和管道设计 33305115.1车间人员设置 33190405.1.1生产车间人员编制 33151695.1.2辅助生产人员编制 33263545.2发酵车间管道设计 3528623第六章发酵车间的布置设计 37237016.1概述 37160306.2车间布置的依据与原则 3792556.3发酵车间的设计 39656第七章厂址选择及总平面布置 41257207.1厂区设计依据 4122497.2厂址的地理位置和基本条件 41146937.2.1厂址的地理位置 4171257.2.2厂区基本条件 41289057.3总厂平面设计 41125357.3.1平面设计原则 41219217.3.2平面的总体布置设计方案 4243717.3.4厂区设计 43摘要木聚糖酶是能够降解木聚糖的一组酶系的总称，其降解的产物对生物资源转化具有重要作用，在造纸、饲料、食品等工业领域得到了广泛的应用。本设计以经过太空诱变选育的高产木聚糖酶黑曲霉作为工程菌株，采用液体深层天然发酵，优化车间工艺生产流程，对年产3000t木聚糖酶发酵车间进行设计。确定发酵工艺为低浓度补料发酵，连续补料培养，通过物料衡算对发酵罐及种子罐进行计算和选型，最终选用2个140m3发酵罐，发酵罐直径4.3m，采用2个1.4m3一级种子罐，2个14m3二级种子罐和一个15m3补料罐。本设计对车间具体设备进行选型，并用AutoCad软件绘制发酵罐的装配图和发酵车间布置图。关键词：木聚糖酶低浓度补料发酵发酵罐太空诱变选育第一章绪论1.1木聚糖酶相关简介1.1.1木聚糖和木聚糖酶木聚糖是植物半纤维素的重要组分之一，为存在于植物细胞壁中的一种结构性非淀粉多糖，在生物结构上由β-1，4或β-1，3糖苷键连接而成。由于主链上取代基的不同，木聚糖可被划分为线性均质木聚糖、葡萄糖酸木聚糖、葡萄糖酸阿拉伯木聚糖等几类。其所具有很多理化性质和生化特性被广泛应用于食品加工、医疗保健和化工生产中。例如，木聚糖以其亲水性较强，封氧性高和较高的透光度，可适用于食品包装和药物递送中；其次，木聚糖作为一种可循环降解和再生的绿色资源，被广泛应用于木糖醇、糖醛或其他化学增殖品的生产中；此外，木聚糖还可以作为膳食添加剂应用于保健食品的原料加工领域。木聚糖酶在广义上是可以将木聚糖水解为单糖木糖（xylose）和低聚木糖（XOs）的一系列酶的总称，包括内切β-1，4-D-木聚糖酶（EC3.2.1.8）、外切β-1、4-D-木聚糖酶（EC3.3.1.7）、β-D-木糖苷酶（EC3.2.1.37）和α-D-葡糖苷酸酶（3.2.1.139）等。狭义上的木聚糖酶单指β-1，4-D-木聚糖酶（EC3.2.1.8），其主要作用于低聚木糖非末端的β-1-4-木糖苷键，将其水解成木糖。木聚糖酶的生物结构比较复杂，其在理化性质、催化区域、蛋白序列和连接序列方面也具有多样性，仅凭底物特异性反应堆木聚糖酶分类局限性较大。随着生物分类科学的发展，对木聚糖酶的分类趋近完善，目前主要依据木聚糖酶催化结构中氨基酸的同源性，可将其分为多个家族(包括GH5、GH7、GH8、GH10、GH11、GH23、GH30等)。目前，国内外绝大多数关于木聚糖酶的研究报道都是属于G10和G11家族。G10家族的木聚糖酶是由多个α螺旋和β折叠所构成的桶状结构，结合位点较多，因此生物多样性丰富，而G11家族的木聚糖酶则是由少数α螺旋和β螺旋组成的三级结构，生物多样性较低。据大量研究报道，来源于微生物的木聚糖酶大多为单亚基蛋白，分子量在7~145KDa左右，少部分来源于真菌的木聚糖酶为多亚基蛋白，分子量在8~145KDa左右。木聚糖酶的酶学性质虽然存在部分差异，但大部分比较集中，最适反应温度与一般在35℃~65℃左右，反应温度适中。最适PH在4~7左右，在碱性环境下酶活降低但较为稳定。等电点一般在3~10左右。1.1.2木聚糖酶的生产简史国内关于木聚糖酶的报道起步较晚，国外早在19世纪60年代就开展对木聚糖酶研究，并在19世纪末就将木聚糖酶生产工业化。经过大半个世纪的发展，目前国内外关于木聚糖酶的研究主要集中于酶组分的高效鉴定和利用、基因的克隆与表达条件优化、高效分泌木聚糖酶工程菌株的驯化与筛选和酶的分离提纯方法。由于基因克隆表达技术的不断发展和应用，大量高产菌株被筛选和构建用于工业生产上。在工业上，主要通过细菌、真菌等微生物发酵生产木聚糖酶，发酵工艺可被划分为液体发酵方式和固体发酵方式。两者各有优劣势，对于传统的发展已久的固体发酵方式，其可以利用较经济的廉价农业废弃物（如秸秆，麸皮）等作为原料进行生产，经济性较强，对操作设备要求较低，并且具有良好的生产效率，在生产过程中不易产生废液，基本不会加重环境污染。但其同样存在发酵过程不易控制且易污染、发酵产品收率较低、纤维素等酶难以精酶化等缺点，不适用于大批量生产。相比较而言，液体发酵方式可实现检测与控制的实时化和自动化，并且可保证生产规模，发酵过程不易感染，生产效率高。其培养基成分和酶系组分并不像固体发酵复杂，可较为轻易通过各种试验设计方法确定最佳培养基组成和培养条件。其缺点就是技术经济性较差，所需的生产成本、设备要求、操作要求较高。但随着社会科学技术的高速发展，液体发酵技术是目前木聚糖酶工业生产的主流方向。1.1.3木聚糖酶的工业应用自上世纪末，大量有关木聚糖酶的研究被报道，到目前为止，木聚糖酶已被广泛应用于畜牧业、食品工业、造纸工业等领域，发挥出巨大的工业潜力。在食品工业领域中，木聚糖酶可作为面粉和馒头等面制品的改良剂，缩短面团形成体积，改善面团的加工和稳定性能，延缓老化和延长货架寿命；在啤酒酿造过程中木聚糖酶可用作添加剂使用,提高麦芽汁的过滤速度，降低发酵液的浓度；另外，木聚糖酶还可应用于速溶咖啡、蔬果、农产品的加工和提取，利用果胶酶和木聚糖酶水解细胞壁，可降低粘度，使生产效率得到极大提高；研究表明，在果汁饮料的生产中，添加木聚糖酶能增加还原糖的含量和过滤性，成倍提高浓缩和干燥效率，以此提高压榨效率和产品质量；此外，利用木聚糖酶制备功能性低聚木糖产品已经成为工业上的主流生产方式，低聚木糖是糖尿病患者和肥胖症病人的理想产品。在畜牧工业领域，木聚糖酶可作为酶制剂添加到饲料中，降解饲料中的抗氧化因子木聚糖，显著提高饲料性能和养分利用率。同时木聚糖酶可水解非淀粉多糖，降低动物消化道的粘度，提高动物的成活率，提高畜禽的生产性能。在造纸工业领域,木聚糖酶由于具有较好的抗高温性能和降解复合物能力，可应用于纸浆漂白、植物纤维原料的生物转化、生物制浆、废纸脱墨等方面。木聚糖酶在造纸工业中可取代有毒物质，不会造成大量环境污染，有利于保护环境。同时利用木聚糖酶对纸浆进行预处理，可显著其他化学漂白处理工序，不仅节省生产成本而且提高生产效率。在其他领域，木聚糖酶仍具有广阔的发展前景，对能源和社会环境等问题的解决提供了全新的发展方向。据报道，在棉针织物连续精炼加工的复合酶系中加入木聚糖酶，能显著改变织物润湿性，与传统精炼工业相比，能大大增强毛效；此外，最新研究表明，木聚糖酶可用作竹粉/聚乳酸复合材料的改性剂，增强生物降解复合材料的热解和力学性能，有效提高生物转化率；相关研究表明，木聚糖酶可改善传统皂类产业的发展工序，在皂类产业中具有很大发展前景。1.2太空诱变育种简介21世纪以来，随着世界航天产业的高速发展，为快速培育优良品种开展研究开辟了新航路。宇宙空间提供的特殊环境（微重力、地球磁场、高能强辐射、高真空）会对地球生物体生长发育、形态特征、细胞学效应、生理生化性质产生较大的影响，而太空诱变育种就是将生物种质材料搭乘返回式近地卫星、宇宙飞船等航天器送入太空空间站，在太空特殊环境的诱导作用下，产生基因突变和重组，以期获得高产的优质生物体种质材料，选育高产菌种。我国关于太空诱变选育的研究始于20世纪60年代，目前已经走在世界前列。1986年，中科院遗传研究所所长蒋兴村教授首次提出航天诱变育种项目，并在1987年首次通过高空气球成功搭载一种甜椒（龙椒2号），获得了增产20%的新品种。自此30余年来，我国利用神舟飞船和返回式近地卫星完成了400余次搭载，有水稻、高粱、马铃薯、番茄、芝麻等1000多个作物品种和真菌、细菌、放线菌等40多个菌种被送入太空，从中选择培育出了一些许多能提高发酵酶产量的新菌种和农作物新品种，其中有一部分已经投入工业生产。1.3前景与展望当前，木聚糖酶在高产工业菌种选育和发酵工艺优化的应用前景得到广泛关注。但目前现有的有关木聚糖酶的研究都停留在实验室小规模的摇瓶实验水平，且木聚糖酶高产菌种的选育相对滞后，所以工业上利用液体深层发酵方式大规模生产木聚糖酶的研究相对较少。因此在本设计中，查阅相关目前有关高产木聚糖酶工程菌种的报道，选用河南天冠集团所提供的经过空间诱变的工程菌种，并根据杨付伟等人的研究，利用太空诱变技术选育的高产木聚糖酶的黑曲霉菌种，采用天然液体发酵的方式，调整培养基的组分和配料，优化发酵的工艺参数和发酵过程，对年产3000t木聚糖酶发酵车间进行设计，以期为中小企业生产木聚糖酶提供工艺和技术参考。第二章发酵车间的工艺流程2.1高产木聚糖酶的黑曲霉工程菌株的选取根据杨付伟等人的对于空间诱变选育高产木聚糖酶工程菌种的研究，原始菌株黑曲霉TG-Y经过空间诱变，黑曲霉菌株菌落形态和产酶能力发生了不同程度的变化，通过多次首筛、复筛筛选出优势菌株SP1-523,和SP2-801，其可以相对高效分泌木聚糖酶，与原始菌株酶活力相比提高20.22%和21.76%，遗传性质平稳，在该项设计中，选取其作为工程菌株使用。2.2黑曲霉工程菌株发酵生产木聚糖酶2.2.1菌种活化采用平板划线法将菌种接种于PDA培养基(马铃薯葡萄糖琼脂培养基)中，事先在平板底部做好记号，于30℃、220r/min的条件下培养24h，等到看到培养液浑浊时，说明成功长出微生物单菌落，此时通过电子显微镜观察有无杂菌污染，若并未出现异常情况，则种子活化效果较好，可以进行下一步操作。2.2.2一级种子培养将上述经过活化的种液通过灭菌钢瓶转移接入一级种子罐中。培养基采用高压蒸汽灭菌40min，表压为100Kpa，于30℃培养18h。种子培养液的构成如下：玉米粉60g/L；玉米浆20g/L；麸皮40g/L；MgSO41g/L;（NH4）2SO45g/L;KH2PO43g/L;聚乙二醇20000.5g/LPH5.20；2.2.3二级种子培养将上述一级种子罐培养出来的种子液接入装有更多培养液的二级种子罐中，同样采用高压蒸汽灭菌法于100Kpa表压下灭菌2min,之后将种液立即冷却至30℃左右，在此温度下培养6h。当观察到整个表面孢子着色均匀，表现出成熟特征的颜色时，进行若干步扩大培养，培养量为10-15倍，仍旧在30℃下进行培养。2.2.4发酵罐发酵扩大培养后，为了在发酵罐上连续稳定运行，采用低浓度补料发酵工艺，发酵罐发酵周期内的控制工艺参数如下：eq\o\ac(○,1).，溶氧以上，通风比,转速,30h开始补料，初始补料比；eq\o\ac(○,2).h，菌丝量以上，还原糖，溶氧，通风，转速,、料比；eq\o\ac(○,3).h，菌丝量，还原糖,溶氧以上，通风比左右，转速,补料比；eq\o\ac(○,4).，菌丝量左右，还原糖，溶氧，通风比左右，转速，补料比；2.3发酵液后处理获得木聚糖酶2.3.1板框压滤因为木聚糖酶成熟发酵醪残糖低，发酵醪温度升高有限，故采用隔膜压滤机能够很好地实现固液分离效率较好，且具有耐压高、耐腐蚀好、维修方便、安全可靠等优点，冶金、燃气、造纸、焦化、制药、食品、酿造、精细化工等行业客户的首选。2.3.2喷雾干燥工厂车间干燥方法有很多种，例如自然干燥、烘房干燥、气流干燥等，喷雾干燥就是气流干燥方法的一种，是流态化技术用于浸出液干燥的一种较好的方法，而经过板框压滤得到的粗酶液，是浸出液的一种，效果较好，故可采用这种方式对粗酶液进行干燥。在喷雾干燥塔中，直接将粗酶液喷雾于干燥器内使之与热空气发生冷热交换，将水分快速汽化，从而获得固体颗粒状和粉状产品。2.3.3筛分分级和包装本发酵车间生产的木聚糖酶产品主要是以酶制剂形式，售卖给饲料工业工厂，经过喷雾干燥后得到的粗产品，经过筛分设备（振动筛）筛分分级后，随机选取产品送入质检科检验，将合格产品送入包装车间包装。根据GB7300·401-2019，所生产的木聚糖酶固体产品要保证粒度均匀，流散性好，无发霉变质，无异味，有特殊发酵气味。而对于液体剂型，保证无异味，有特殊发酵气味即可。2.4工艺流程空气气空气气空气压缩机空气过滤系统分过滤器种子瓶斜面孢子摇瓶培养一级种罐罐二级种罐罐发酵罐无菌空气发酵液板框压滤喷雾干燥回收液30℃，24h30℃料水=1：7粉碎30℃，18h30℃，6h30-34℃120h筛分分级补料罐连消塔固体产品配料图2-1木聚糖酶简易生产工艺流程图第三章生产工艺计算3.1工艺技术指标及基础数据3.1.1工艺技术分析和指标设计任务：年产3000t木聚糖酶发酵工厂的设计本设计参考大量相关文献确定的工艺参数为：菌种培养的时间为24h，辅助培养时间为24h，其中一级种子种龄为培养18h，接种到二级种子罐后培养6h，种子培养温度均为30℃，再向发酵罐接种，发酵时间120h，操作周期为96h，发酵周期为240h，发酵温度30℃。根据杨付伟等人的研究，接种量取10%，最终木聚糖酶的收率取85%，生产所得的木聚糖酶酶活为20000u/ml，确定年生产天数300天。相关工厂技术指标见下表：表3—1黑曲霉产木聚糖酶发酵工厂技术指标指标系数单位指标数指标系数单位指标数生产规模t/a3000发酵辅助时间h24生产方法液体深层发酵菌种培养时间h24年生产天数d/a300菌种培养辅助时间h15产品日产量Kg/d10000接种量%10产品酶活u/ml20000发酵罐装料系数%60倒灌率%2放罐发酵单位u/ml15000发酵周期补料周期hh24030提取总收率补料率%%8513.1.2培养基基础数据1.种子培养基：麸皮40g/L；蔗糖10g/L；PH5.002.基础培养基：玉米粉60g/L；玉米浆20g/L；MgSO41g/L；（NH4）2SO45g/L；KH2PO43g/L；聚乙二醇20000.5g/LPH5.20；3.补料培养基：B淀粉浆酸解液(以葡萄糖含量计)50g/L；玉米浆30g/L；（NH4）2SO415g/L；KH2P0410g/L；MgS045g/L；碳酸钙0.75g/L；PH4.50；3.2工艺计算3.2.1发酵车间物料衡算以生产1t酶活为20000U/ml的木聚糖酶为例，计算工厂车间所需耗用的原材料及其他物料量。eq\o\ac(○,1).生产1t产品发酵液量式中——所需生产木聚糖酶的酶活，为20000u/ml;——成熟发酵液放罐单位,为15000u/ml;——木聚糖酶总提取率，为85%；——发酵成功率，也即除去倒灌率，为98%;eq\o\ac(○,2).放罐成熟发酵液单位组成，主要包括三部分底料种液量补料量式中，——补料率，为1%；eq\o\ac(○,3).配置发酵液底液所需玉米浆量eq\o\ac(○,4).配置发酵液补料液所需玉米浆量eq\o\ac(○,5).生产1t木聚糖酶所需的玉米浆量据此类推，可计算出工厂生产1t木聚糖所需的各类物料量：eq\o\ac(○,6).生产1t木聚糖酶所需的玉米粉量eq\o\ac(○,7).生产1t木聚糖酶所需的麸皮量eq\o\ac(○,8).生产1t木聚糖酶所需的蔗糖量eq\o\ac(○,9).生产1t木聚糖酶所需的B淀粉浆酸解液量eq\o\ac(○,10).生产1t木聚糖酶所需的（NH4）2SO4量eq\o\ac(○,11).生产1t木聚糖酶所需的MgSO4量eq\o\ac(○,12).生产1t木聚糖酶所需的KH2P04量eq\o\ac(○,13).生产1t木聚糖酶所需的聚乙二醇2000量eq\o\ac(○,14).生产1t木聚糖酶所需的碳酸钙量综上，由上述计算所得生产1t酶活为20000U/ml的木聚糖酶的所需原材料和物理的计算结果，可计算获得本设计中年产3000t木聚糖酶发酵车间所需的各物料量，具体结果见下表：表3—23000t/a木聚糖酶发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t木聚糖酶的物料量生产3000t/a木聚糖酶实际每日物料量木聚糖酶/kg1000300000011764.72底料量/m31.36408016种液量/m3补液量/m30.160.016480481.880.32玉米浆/kg27.783100325.88玉米粉/kg81.6244800960麸皮/kg6.41920075.29蔗糖/kg1.6480018.82B淀粉浆液/kg0.824009.41（NH4）2SO4/kg7.042112082.82MgSO4/kg1.44432016.94KH2P04/kg4.241272049.88聚乙二醇2000/kg0.6820408碳酸钙/kg0.012360.143.2.2发酵车间热量衡算根据上述物料衡算的结果，来计算车间所耗热量,车间采用蒸汽加热，故实际为蒸汽耗量。eq\o\ac(○,1)预处理工段所耗热量根据1：7的料液比，需水，由常温20℃加热到30℃进连消塔，加热阶段维持2h。eq\o\ac(○,2).种子培养工段所耗热量因无论是一级培养阶段还是二级培养阶段，种子培养液温度较稳定，热损失较少，故可挥发的热损失可按10%计算，维持时间为24h。eq\o\ac(○,3).发酵工段所耗热量发酵工段温度同样较为稳定，变化不大，但时间更长，考虑到各类因素，热损失取为15%，维持时间为240h。eq\o\ac(○,4).洗糟水所耗热量一般洗糟水的平均温度为85℃左右，设原料和水用量比为1:4.5，则用水量为eq\o\ac(○,5).总耗热量eq\o\ac(○,6).蒸汽总耗量使用0.5Mpa的饱和蒸汽，I=2748.9kJ/kg，，蒸汽总耗量为：综上，车间热量衡算表如下：表3—33000t/a木聚糖酶车间总热量衡算表名称压力/MPa每吨产品消耗定额/t每小时最大用量/(t/h)每天消耗量/（t/h）年消耗量/（t/a）蒸汽0.510.984.5109.8329493.2.3发酵车间水量估算eq\o\ac(○,1).预处理用水在配料预处理工段所需水量已经在热量衡算中给出，为eq\o\ac(○,2).清洗用水发酵结束后,清洗发酵罐和种子罐，按原料和水1：4.5的比例清洗，已在热量衡算中给出，eq\o\ac(○,3).板框压滤机清洗用水过滤后获得粗酶液后的滤布需要清洗，设每吨产品滤布清洗用水需要6吨。eq\o\ac(○,4).锅炉蒸汽用水根据热量衡算，每吨产品所需蒸汽为10.98t，蒸汽效率为，则锅炉耗水量为eq\o\ac(○,5).生活用水生活用水包括食堂用水、饮用水、厕所用水、洗衣用水、更衣间、洗手间卫生用水、洗车用水等。其用水量不能精确统计，估算每h用水量约为3t，工厂一年以来生活用水量如下：eq\o\ac(○,6).总耗水量在常温常压下，1立方水可换算成1吨水，故理论用水量如下：生产过程中用水量巨大，考虑到理论与实际的误差，同时考虑到地面厂仓和突发情况的清洗用水，因此实际用水量用水量以理论的1.2倍

计。综上，车间水量衡算表如下：表3—43000t/a木聚糖酶车间水量衡算表名称每吨产品消耗量/t每小时最大用量/(t/h)每天消耗量/t年消耗量/（t/a）自来水4719.57469.81409373.2.4发酵车间电量估算发酵车间所需电量由车间设备的生产能力决定，将车间设备的能耗相加，可初步估算出车间的用电总量，车间的各部分用电情况汇总如下表所示：表3-5发酵车间用电详细表用电项数量(台)总功率(kw)YSL-450-2-4异步电动机2260Y355-3三相异步电机260Y2-160L-4三相异步电机24.4Y2-160L-3三相异步电机270ZL201920052956型减速机2240PLF220-125型减速器222ZWBPD006006小型减速机24.4NMRV30-130涡轮减速机2100LS200螺旋输送机3630型板框压滤机360QFN-BL-3型喷雾干燥器250W-1.5/20式活塞式压缩机115HMU610/10-50空气过滤器120空气压缩机3100制冷机组2320燃气锅炉12.2车间照明用电50其他40总计1418下计算车间负荷总量St，车间装机总量如上表所示为1418kw。首先计算有功最大负荷Pt：Pt=Kt×Pi=0.6×1418=850.8kw式中：Kt——为设备用电的需要系数，为0.6；Pi——车间的装机总容量，为1418kw；下计算无功最大负荷Qt:Qt=Pt×tanα=850×0.75=638.1kw式中：tanα——用电电荷的平均自然功率的正切值，为0.75；最后计算车间负荷总量St:St=一般变压系统的总值是车间负荷总量的1.1倍，则工厂所选变压系统的功率为1.1×1063.5=1169.85kw，故通过查阅工厂手册，可选用730KVA的变压系统2台，车间的日用电量估算为1418kw·h。第四章设备设计与选型4.1发酵设备的设计计算4.1.1发酵罐生产能力计算由物料衡算的结果可知，生产1t木聚糖酶产品所需要的发酵液量为，故本设计中年产3000t木聚糖酶工厂需，工厂年生产天数为300天，每个发酵周期为10天，则一年需要30个生产周期，则每个周期的发酵体积为,发酵罐的填充系数取60%，则每次发酵罐容积，取公称容量为机械搅拌涡轮通风发酵罐，总体积为，则所需相同的发酵罐个数。实际年产量验算如下：富裕量：故能满足本车间生产需求。4.1.2发酵罐主要尺寸计算发酵罐取高径比则有：将②式代入①可得：取=4.3m,则=2=8.6m，取11m；封头短半轴长度封头直边高度封头高：封头容积：圆柱部分容积：验算全容积V全：符合设计要求，可行,查阅相关关于罐体材料的资料，选取022Cr22Ni5Mo3N钢板材料。4.1.3搅拌器尺寸和功率计算在本设计中，发酵罐的发酵周期内需进行若干次补料操作，因为所需配料较多，且混合过程必须保证充分均匀，故采用两档搅拌，相关尺寸设计如下：搅拌桨直径，取=1.5m。尺寸设计：叶宽;弧长底距；盘踞叶弦长；叶距取两挡搅拌，搅拌转速R2可根据50m3罐，搅拌直径1.05m，转速N1=110r/min为基准放大求得：

因采用低浓度补料发酵工艺，故醪液可视为理想状态的牛顿流体，下进行搅拌轴功率的计算。先计算雷诺数Re:式中——所选搅拌器的直径，为1.5m；——为搅拌器转速，单位r/s，取87r/min换算后的值；——为醪液密度，取1050kg/m2 ——为醪液液体粘度，取1.3×10-3N·s/m结果比对工程计算雷诺数，视作湍流，则在湍流搅拌状态时，准数功率Np=4.7.下计算不通风时的轴功率P1：因采用两挡搅拌，故P0=2P1=176.2kW.下计算通风时的轴功率Ps：式中Q——为通风量，在前面计算已给出，为（ml/min）；4.1.4换热器冷却面积的计算根据上述计算和查阅相关资料，发酵高峰期发热总量可取4.2×6000KJ/（m3·h），发酵底液浓度为1075.64kg/m3，换热器采用立式蛇管换热器，换热器系数取经验值K＝4.186×400Kg/(m3·h·℃)，发酵罐温度保持30℃，，。平均温度差：故换热器的冷却面积计算如下：式中Q——发酵旺盛时，每小时醪液总体积与发热量的乘积；4.1.5冷却管布置计算①冷却水主管径首先计算发酵罐发酵最旺盛时的极限耗水量F式中cp——冷却水的比热容，为4.18kJ/（kg·K）；——冷却水出温，=19℃；——冷却水入温，=8℃；由上可得冷却水体积流量为1.27×10-2m3/s，因为竖直蛇管兼具冷却效果好且易于清洗的优点，故采用竖直蛇管冷却装置。取冷却水在竖直蛇管中的流速为=0.8m/s，由流体力学公式可知，该冷却管总截面积为：故冷却水主管径为：②冷却管组数N和管径ds：设冷却管总表面积为，管径ds，组数为N，则：取N=4，求管径。由上式得：查化工材料手册选取冷无缝管，，，，故可满足本车间设计需求。现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为，则两直管距离为，蛇管两端弯管总长度为：③冷却管实际全长L由前面计算可知冷却管总面积故冷无缝刚管，每米长冷却面积为则冷却管实际全长L计算如下:冷却管体积：④每组管长L0和管组高度：需设置连接管，取13m，故假设发酵罐内其他一些辅助部件占用，则所占用总体积为则筒体深度为：竖直蛇管总高度由上述计算可知，两端弯管总长度，两端弯管总高为，则直管部分高度：故可得一圈管长：⑤.校核布置后冷却管的实际传热面积：而上述计算中有，，故可满足本车间设计要求。4.1.6种子罐的设计根据杨付伟等人的研究，发酵罐中的比重取1.045，则单罐批料量为：又接种量为10%，故投料量取为：一级种子罐，二级种子罐，设计2个种子罐即可满足需求。补料罐与二级种子罐大小差不多即可，故补料罐取15m3,分消罐取10m3即可,具体设计计算过程与发酵罐类似，这里不再计算。4.2发酵车间主要设备选型发酵车间设备选型的一般原则如下：设备需满足产品的技术要求和工艺性，根据工艺流程中所需具体的生产规格，工作效率，额定功率等工艺参数确定，设备操作应控制灵活、操作方便。设备要保证生产和服务的平衡性，即生产力和效率相匹配，不能盲目选择生产率高、能耗高、技术先进的设备，要与车间运输能力、技术高度、劳工数量等实际条件相适应。设备尽量选择可靠性较强、安全系数较高、设备运行稳定、维修性和保养性较好的设备，来尽量预防可能发生的安全隐患和车间故障。应充分考虑发酵车间的各类投资占比以及能耗和水耗等生产成本，选择经济性较强，符合车间规划的性价比较高的设备。应充分考虑环境保护性，选择有害物质排放较少，噪声较弱和清理排污能力较强的设备，防止对其他车间和工厂附近居民造成叨扰。根据上述原则。车间主要设备选型如下：（1）发酵罐根据上述发酵罐设计计算可知，需容积为140m32台，因发酵过程中醪液表现为向酸性靠近，所以罐体材料需选择耐酸材料，考虑到所设计发酵罐的换热面积和搅拌轴转速及功率，选择向上海保兴生物设备工程有限公司购买，其主要参数如下：表4-1发酵罐的主要技术参数型号内胆尺寸（mm）电机功率（kW）搅拌转速（r/min）140m32400×4800220150（2）发酵罐电机采用三角带传动，型号为A500-1041,其，，的值分别为0.93、0.99、0.97，由端面密封所带来增加功率的比例为5%，故发酵罐电机功率计算如下：79.69kw根据上述计算所得功率79.69kw即可满足要求，实际生产中选择具有更大电机功率电机较为安全，选择YSL-450-2-4中型异步电动机，购于上海枫信传动机械有限公司，2台，其主要技术参数如下：表4-2发酵罐电机的主要技术参数型号电源电压（V）电机额定功率（kW）转速（r/min）YSL-450-2-4380130550（3）大型皮带减速机（适用于发酵罐）皮带减速机同发酵罐电机额定功率相当即可，故选用购买常州市云凌节能科技有限公司制造生产的ZL201920052956.4型大型皮带减速机2台，其主要技术参数如下：表4-3皮带减速机的主要技术参数型号传动比输出转速（rpm）功率（kw）ZL201920052956.44200-320200kw（4）一级种子罐由上述计算可得，一级种子罐容积1.4m3，需要2台，购于上海保兴生物设备工程有限公司，其主要技术参数如下：表4-4一级种子罐的主要技术参数型号内胆尺寸（mm）电机功率（kW）搅拌转速（r/min）1.4m370×1202.2400（5）一级种子罐电机功率较小，选择小型电机设备即可，故选择Y355系列笼型三相异步电机，需要2台，选择购买于威海劲霸厂，其主要技术参数如下：表4-5一级种子罐电机的主要技术参数型号电源电压（V）电机额定功率（kW）转速（r/min）Y355-338030300（6）一级种子罐减速机与发酵罐所用大型减速机不同，选用小型减速机即可，大部分减速机都满足工厂需求，故选择ZWBPD006006型小型减速机，需要2台，购于兆威机电股份有限公司，其主要技术参数如下：表4-6一级种子罐减速机的主要技术参数型号额定功率（kw）传动比转速（r/min）ZWBPD0060062.25400（7）二级种子罐由上述计算可得，二级种子罐容积为8.8m3，需2台，同样购于上海保兴生物设备工程有限公司，其主要技术参数如下：表4-7二级种子罐的主要技术参数型号内胆尺寸（mm）电机功率（kW）搅拌转速（r/min）14m31800×360022350（8）二级种子罐电机适用于二级种子罐的电机功率属于中等，因此选择Y2-160L-4三相异步电机，需2台，购于天津市凯昆泵阀有限公司，其主要技术参数如下：表4-8二级种子罐电机的主要技术参数型号额定功率（kw）传动比转速（r/min）Y2-160L-42.25400（9）二级种子罐电机减速器二级种子罐电机减速器功率中等，需2台，故选择PLF220-125，购于上海爵顺传动机械有限公司，其主要技术参数如下：表4-9二级种子罐电机减速器的主要技术参数型号额定功率（kw）输入转速（r/min输出转速（r/min）PLF220-125112000300（10）配料罐根据物料衡算，每日所消耗配料量16m3，考虑到装料系数取60%，因此理论上配料罐容积为16/0.6=26.7m3，考虑到一些物料损失，配料罐容积选为28m3,需要1台，购于上海保兴生物设备工程有限公司，其主要技术参数如下：表4-10配料罐的主要技术参数型号内胆尺寸（mm）电机功率（kW）搅拌转速（r/min）282400×360035300（11）配料罐电机预处理阶段因要保持物料充分混合，搅拌速率要适当加大，所以应采用功率较高的电机，选择Y2-160L-3三相异步电机，需1台，购于天津市凯昆泵阀有限公司，其主要技术参数如下：表4-11配料罐电机的主要技术参数型号额定功率（kW）传动比转速（r/min）Y2-160L-34.55350（12）配料罐电机减速器配料罐需保证即使进料、给料、停料，故减速器应该相对较为灵敏，选取功率较大的减速器，需1台，故选择NMRV30-130涡轮减速机，购于东莞市新速源机电有限公司，其主要技术参数如下：表4-12配料罐电机减速器的主要技术参数型号额定功率（kw）输入转速（r/min输出转速（r/min）NMRV30-1302-1004650100（13）补料罐根据发酵罐生产能力计算结果，配料罐容积选为15m3,需要1台，购于上海保兴生物设备工程有限公司，其主要技术参数如下：表4-13补料罐的主要技术参数型号内胆尺寸（mm）电机功率（kW）搅拌转速（r/min）151800×360022350（14）输送设备因本设计中发酵工艺采用低密度连续发酵，且发酵罐体积较大，应选用中大型输送设备，故选择LS200螺旋输送机，需要2台，购于泊头市双祥环保机械有限公司，其主要技术参数如下：表4-14螺旋输送机的主要技术参数型号材质外型有效输送长度（m）LS200Q235管式2-25（15）压滤设备发酵得到的发酵醪需快速进行压滤，应选择功率较大的压滤设备，故选择630型板框压滤机，需要2台，购于上海大张过滤设备有限公司，其主要技术参数如下：表4-15板框压滤机的主要技术参数型号过滤压力（MPa）液压工作压力（MPa）滤饼厚度（mm）630≤0.61625（16）干燥设备压滤得到的粗酶液进行喷雾干燥，故选择QFN-BL-3型闭式喷雾干燥器，2台，购于上海乔枫实业有限公司，其主要技术参数如下：表4-16喷雾干燥器的主要技术参数型号机器总功率（kw）乙醇蒸发量（ml/H）密封件材质QFN-BL-32550-3000含硅橡胶（17）空气压缩机由于黑曲霉发酵产酶需要提供有氧环境，因此需要空气压缩机生产高压空气，根据本发酵车间的生产规模，可选择W-1.5/20式三级活塞式压缩机，1台，购于上海国厦压缩机有限公司，其主要技术参数如下：表4-17空气压缩机的主要技术参数型号机器总功率（kw）压力（Mpa）排气量（L/r·min-1）W-1.5/2015215000（17）空气过滤机由于发酵罐发酵罐中需定时通风，为防止污染，需通入无菌空气，因此需空气净化设备，选择HMU610/10-50型有隔板高效空气过滤器，1台，其主要技术参数如下：表4-17空气过滤机的主要技术参数型号外形尺寸（mm）总功率（kw）过滤面积（m2）HMU610/10-50610×610×50206.7第五章车间编制和管道设计5.1车间人员设置5.1.1生产车间人员编制生产车间人员编制见表5-1表5-1各部门基本生产工人工种班制男工女工总人数最大班人数原料入库3205258预处理3155208原料加工31510259粉碎3103134灭菌35273种罐31021225发酵罐3208289压滤31531815喷雾干燥310102018筛分分级320103020包装320103020化验室35166总计3165692341455.1.2辅助生产人员编制车间辅助生产人员编制见表5-2表5-2全厂人员定额表岗位人员岗位人员技术科20总经理3生产科234总经办15环卫科6工艺科5保卫科5食堂30原辅料库20成品库25设备科5研发科30国内销售科20国外销售科10总计428人

5.2发酵车间管道设计因配料罐，补料罐，发酵罐以及种罐各需配置不同的进料管和输料管，计算较多，下进行部分计算举例：(1)配料罐进料管和输料管配料经过调和，粉碎等处理后进入配料罐，配料罐实装容积为28m3,假设要在0.5h内完成进料，则进料时的体积流量Vi=M/t=28/（0.5×3600）=0.015（m3/s）,而由前面计算可知液体流速V取0.8/s，则进料管的截面积As=qVi/V=0.015m2，又As=0.785d2,可求得管d=0.0150.785=0.16m，查化工手册，取Ф250×6mm无缝钢管，排料管可取Ф250×7mm无缝钢管。（2）发酵罐进料管和输料管发酵罐实装容积140m3,设在1h内由二级种子罐向发酵罐完成进料操作，则根据配料罐的相关计算同样可求得管径d=0.25m。查化工手册，取Ф320×8mm无缝钢管，排料管同样取Ф320×8无缝钢管。又本设计中发酵罐装有无菌空气通入系统，故通风管其实也即排料管，故需进行比较选择，通风管风量Q由工艺计算中可得为17m3/min,风速V0取30m/s，则通风管的截面积At=Q/V0=17/（30×60）=0.0094m2，则通风管的直径同理可求得为0.124m。故应取两者的最大值，则发酵罐的排料管，通风管，及进料管都取Ф320×8mm无缝钢管。（3）取样管因在发酵、种罐培养的过程中，需要间隔一段时间获取发酵罐，种子罐中的发酵情况，故需设计一个取样管从罐中取得发酵醪液送往车间质检中心检测，以便确定罐中发酵具体情况。取样管设计不必过大，管径一般在50mm左右，故可选择Ф76×8mm无缝钢管。综上，本工厂所需钢管参数及选型如下表所示：表5-3年产3000t木聚糖酶发酵车间管道参数管道类别管径（m）选型参数（mm）类别发酵罐进料管0.250Ф320×8无缝钢管发酵罐排料管0.250Ф320×8无缝钢管一级种子罐进料管0.036Ф64×6无缝钢管二级种子罐排料管0.036Ф64×8无缝钢管一级种子进料管0.113Ф150×8无缝钢管二级种子排料管0.113Ф150×6无缝钢管配料罐进料管0.116Ф20×8无缝钢管配料罐排料管0.116Ф20×8无缝钢管补料罐进料管1.440Ф250×7无缝钢管补料罐排料管1.440Ф250×8无缝钢管发酵罐通风管0.124Ф320×8无缝钢管取样管0.050Ф76×8无缝钢管第六章发酵车间的布置设计6.1概述此次设计的目的是对厂房配置和设备布置进行合理的安排，确定车间的长、宽、高和建筑结构类型，和生产车间与车间区段的关系。酶生产车间的布局是工艺设计的重要组成部分，它不仅对生产完成后的生产实践有着较大的影响，同时影响着工厂的整体布局。车间布局一旦构造好，就不容易改变，所以在设计过程中必须充分考虑。车间的布置设计，主要是工艺设计，一定要做到和土建、给排水、供电、供汽、通风采暖、制冷、设备、安装、安全卫生统一协调。发酵车间的平面设计主要是在一定的建筑区域内合理布置所有设备(包括工作台等)。平面布置图是抬起屋顶(或地板)向下看，画出设备的轮廓。在规划中必须明确各车间各种设备的安装位置、下水道、门窗、工序、生活设施的位置、进出口、防蝇、防虫措施。除了平面图之外，有时还需要画出生产车间的剖面图，也称为“纵剖面”。是解决重要设备与平面上不能体现的建筑立面之间的关系，画出平面上不能体现的尺寸，如设备高度、门窗高度等。6.2车间布置的依据与原则车间的工艺布置应遵循以下原则:1.对整体设计有一个整体的认识。第一，要满足生产要求，还要从车间的位置在总平面布置上，考虑到和其他车间或部门的关系和发展前景，达到总体设计的要求；2.设备布局应根据工艺流程的顺序安排尽可能,但一些特殊的设备可适当集中根据相同类型的设备,使生产过程占用最少的土地,最短的生产周期和最方便的操作。如果厂房是多层建筑，应配备垂直运输装置。一般情况下，一楼宜有重型设备，在原料收发室应设地磅；3.在生产车间布置设备时，应考虑多品种生产的可能性，灵活调动设备，为设备更换留有较大空间。同时要注意设备之间的距离以及设备和建筑物之间的安全维护距离，确保操作、维护、拆装、清洗方便；4.生产车间各工序与其他车间应相互配合，确保物料运输顺畅，避免重复往返这类情况的发生。要注意生产车间的空间运输应尽量利用;合理安排生产车间各类废弃物的排放，将进出人员与进出物料分开。人流、物流以及包装材料的通道要畅通，避免交叉、往复或污染；5.一定要考虑到生产卫生和劳动保护。如消毒、防蝇防虫、车间排水、电气防潮、防火等安全措施；6、注意车间的采光、通风、采暖、制冷等设施。散发热量、气味和腐蚀性的介质应分开集中布置。空压机房、空调机房以及真空泵房应分开，尽量靠近使用场所，来减少输送管道的长度和管道中的能量损失；7.可设置在室外的设备应尽量设置在室外，并在其上加盖简易棚；8.依据生产制作技术对于品质把控的需求，对生产厂房或者流水线工艺的卫生管控级别需要展开明晰的区域分类与区间隔断，差异化卫生等级的生产品不可以混合流动、混合摆放，也不可以倒流，这样会致使多次加工与污染现象的出现。9.务必遵守ISO14000、GMP、HACCP等规范性文件的要求。

6.3发酵车间的设计发酵车间的器具大致包括发酵罐、种子罐。根据上述工艺计算和设备选型，基于比例设计发酵车间表面的平面布置图。依此详细阐述发酵车间的配置设计流程的具体内容：1.统计清楚生活室、设备清单等地方的面积需要，依据工艺过程对制造区间、辅助区间、生活办公区间的面积展开原始的分割处理。2.全面分析设备表单，划分清楚哪些产品属于生产时共用的、哪些是某类产品专有的、哪些属于比较轻便的、哪些属于可以挪动的等。属于笨重一类、固定一类以及专用一类的车间设备，需要尽可能摆放在车间周围；属于轻便一类的，可移动一类的器具，需要摆放在车间的中心处，基于此，在替换产品的时候更改设备就相对便捷一些。3.依据此生产车间相对于所有厂房平面的位置，认定车间摆放设备的结构成样式、方位与跨度；坐标纸需要按照厂房构建规划的需要，设计厂房建筑基于图纸的轮廓简略图（其比例可以依照1∶100，有需要时也可以使用1∶200或1∶50的比例），绘制出厂房车间的柱子、长度、宽度还有总体上的所处位置。4.依据总体平面图的设计构思，认定生产流水线的方位。5.依据比例要求把设备尺寸裁制成方块形状（或者是设备外表样式的俯视图），基于草图展开排布，可以得到一些差异化的方案，便于对比分析。如果利用AutoCAD绘图，会提高便利性，这也属于当代的工程项目负责人员需要把握的基础技术。6.基于差异化方案的不同层次维度展开对比①工艺过程的适宜性，人流、物流的顺畅，还有同总平面的一致性（也涵盖废弃用品和包装物品的去向）；②建筑设施的费用、建筑样式的可使用性与美观；③管道装置（涵盖上下水、电、冷、汽、工艺等内容）的便利、隐秘、合规与美感，同公共设施间的差距还有施项目实施的便捷性；④车间内部与外部传输的顺畅（涵盖原材料入场还有产成品流出的去向）；⑤生产卫生环境的适宜性、合规性；⑥操作环境的合适、消防安全设施的整体一致性；⑦透气性采光适宜性等。根据以上7部分内容来探析对比每一种方案的优势与不足之处，进行整体评