【《灵芝多糖的生产工艺条件计算及设备选型分析案例》7000字（论文）】

灵芝多糖的生产工艺条件计算及设备选型分析案例第一节物料衡算一、工艺技术指标及基础数据主要技术指标见表1.表1工艺计算基础数据指标名称单位指标数年产量t30年工作日天300发酵周期h120发酵辅助时间h5发酵初糖kg/m35发酵初糖kg/m35分离得率98%发酵罐装料系数0.75种子罐装液量70%发酵得率65%提取总收率97%种子培养基：表2种子培养基成分表蔗糖4g/L蛋白胨2g/L土豆20g/LKH2PO30.1g/LMgSO40.1g/L琼脂2g/L（3）发酵培养基：表3发酵培养基成分表玉米淀粉4g/L326蛋白粉0.5g/L麦麸1g/L尿素0.3g/LCaCO30.2g/LKH2PO30.1g/LMgSO40.1g/L玉米浆0.25g/L麦芽糖0.5g/L前体0.005g/L二、总物料衡算生产30t/a所需要的玉米淀粉质量为：G式中：0.98分离得率0.97提取总收率0.65发酵得率所需326蛋白粉为：0.15×(1+10%)×式中：0.15发酵培养基中所占成分10%接种量5发酵初糖，kg/m3所需麦麸为：1×(1+10%)×所需尿素为：0.3×(1+10%)×所需CaCO3为：0.2×(1+10%)×所需KH2PO3为：0.1×(1+10%)×所需MgSO4为：0.1×(1+10%)×所需玉米浆为：0.25×(1+10%)×所需麦芽糖为：0.5×(1+10%)×所需前体为：0.005×(1+10%)×综上所述，如下表所示：表430t/a灵芝多糖发酵工厂的总物料衡算表物料名称每年物料量每日物料量（300天）玉米淀粉48.552t0.16184t326蛋白粉5.342t0.0178t麦麸10.681t0.0356t尿素3.204t0.01068tCaCO32.136t0.00712tKH2PO31.068t0.00356tMgSO41.068t0.00356t玉米浆2.67t0.0089t麦芽糖5.341t0.0178t前体0.053t0.177kg三、发酵物料衡算发酵物料衡算：每日产量：G每日发酵液体积：V一个批次的发酵液体积：V在一个生产周期内可以将其分成3等分，即19.75/3=6.583m3已知给定发酵罐装料系数为75%，则发酵罐体积为：V’=考虑到工厂和实际应用情况，通过查通用式发酵罐系数表可取公称体积为10m3的发酵罐，因为是一个生产周期内3等分同时发酵，所以发酵罐个数N=3+1=4个，增加一个罐作备用。四、种子培养物料衡算用的蔗糖量为：4×10%×式中：4种子培养基所占成分10%接种量5发酵初糖，kg/m3使用的蛋白胨量为：2×10%×使用的土豆的量为:20×10%×使用的KH2PO3的量为：0.1×10%×使用的MgSO4的量为：0.1×10%×使用的琼脂的量为：2×10%×综上所述，如下所示：表530t/a灵芝多糖发酵工厂种子培养物料衡算表物料名称每年物料量每日物料量（300天）蔗糖3.844t12.813kg蛋白胨1.942t6.473kg土豆19.421t64.737kgKH2PO30.097t0.323kgMgSO40.097t0.323kg琼脂1.942t6.473kg在工厂工艺中，在种子罐内完成对发酵种子的培养，所以能依据培养条件、接种量、空气流量等条件计算出种子罐的体积，已知接种量为10%，种子罐的装液量为70%，则种子罐的体积为：V通过查通用式发酵罐系数表可取公称体积为2m3的种子罐，个数取4个。第二节发酵车间热量衡算一、空消过程在20℃下，空气的比热容是:C121℃的蒸汽，其比热容是：C下面是求取空罐灭菌蒸汽用量的步骤：在本次设计中选取不锈钢1Cr18Ni9Ti来制作公称容积是10m3的发酵罐，成品罐体重1.514t，冷却排管是0.3t，查资料知道该材料的比热容是0.5[kJ/(kg·K)]。在蒸汽灭菌过程中的表压为0.1MPa，将发酵罐从20℃加热到121℃的温度，在该过程用掉的蒸汽量：W求取热损失的值：假设蒸汽灭菌时罐的外壁70℃，在这个温度下，辐射与对流的联合给热系数：α=33.9+0.19×(70−20)=43.4kJ/(消耗的蒸汽量：（其中8.86是发酵罐表面积，单位m2）W假设经过洗涤后残留在罐体内壁上的水的平均厚度是1mm，将该部分水蒸发的蒸汽耗量为：W空罐灭菌所消耗的蒸汽：（根据经验取总蒸汽耗量的5%为蒸汽渗透量）W假设每次空罐灭菌2小时，则消耗的蒸汽量：54.44因此该阶段消耗的热量是：Q=G假如进口时的冷却用水是10℃，测得出口时的水温是20℃。需要用掉的冷却水：W将一个批次作为计算根据，3个发酵罐同时工作，那么会有：水使用高峰期最大使用量：5.334二、实消过程求取输料流量：（假设对于每个发酵罐的灭菌时间为3小时）6.58×1050该过程蒸汽的使用量：W对于一个批次来说，需要使用的蒸汽量是：W对该阶段产生热量进行求算：Q=G若在该过程中发酵罐进口的冷却用水水温是20℃，出来时的水温有45℃。对需要用掉的冷却水进行求取：W那么用水高峰期最大使用量是：2.47第三节发酵罐的计算及选型机械式通风搅拌发酵罐的主体部分为圆柱状容器，依据不同的发酵液类型，制作出的发酵罐的结构形式、尺寸、材料等方面的选用也是不同的。在罐体内一般会装有蛇管、盘管等用以发酵过程中的加热或者冷却操作，其中的介质一般情况下都是选用水。另外，为了生产工艺操作的连贯性，会在罐体上安装如进出料管等多类型的工艺接管。本设计通过查阅资料可知，可以选择机械式搅拌通风发酵罐，使用液态发酵法来完成年产30t灵芝多糖的生产设计任务，选用公称体积为10m3的发酵罐，其全容积为10.8m3，取H/D=2:1。一、对于发酵罐所涉及到的主要尺寸进行求取与计算：VVH=2D上述式经联立得：1.57D=3则：H=2D=3600mm，那么就是公称直径1800mm，直高度H是3600mm。封头的高度：H对全容积V全进行验算，确保符合需要：V=0.785=9.16+1.53+0.13=10.82V全’>V全，所以公称体积为10m3的发酵罐是可以满足实际生产需要的。二、冷却面积的计算：要考虑到一年中因为季节更替而导致的温度变化，可能会导致冷却时的效率下降，要在一年里最高温度时设计冷却水所需的冷却面积，以维持发酵在最旺盛的状态。冷却面积的求取一般用牛顿传热定律公式，其表达式为：F=在该生产工艺设计中，1立方米的发酵醪液在1小时内可以传递给冷却器的最大热量的数值大概是4.18x6000kJ/(m3·h·℃)。在发酵罐内安装竖式蛇管换热器对发酵醪液实施冷却作用，经验值K=4.18x500kJ/(m3·h·℃)282083平均温度差：∆在一个批次里，1个罐的装液量实际值是：19.75换热面积：F=三、搅拌器设计：我们可以依据发酵特性等多项参数指标进行对机械搅拌通风发酵罐的选择。对于液态法发酵产灵芝多糖，它是一个需要O2进行混合的发酵过程，为了使生产顺利进行，并尽可能的提高发酵效率，因此安装使用六弯叶涡轮搅拌器。因为发酵罐的直径D和搅拌器的零件尺寸有一定的比例联系，对其求取：搅拌器的叶径：D弯叶宽度：B=0.2d=0.2弧的长度：l=0.375d=0.375距罐底距离：C=盘径：d弯叶的弦长：L=0.25d=0.25弯叶间距：Y=D=1.8m弯叶板的厚度：δ搅拌转速N2的求算是将等P0/V为基础依据进行的，搅拌的档数选择二档，对比基准是50立方米罐，其搅拌器直径1.05m，转速110r/min。N四、搅拌轴功率的求算：现今阶段对搅拌轴功率的求算是使用经过修正的迈凯尔（Michel.B.J）式，然后依据计算结果进行选择合适的电机。（1）计算Rem：Re其中：D=0.6m，其含义是搅拌器直径；N=7660=1.27r/s,其含义是ρ=1050kg/m3,μ=1.3×10将数据代进公式内：Re所以是湍流状态，那么搅拌轴功率准数是Np=4.7。（2）计算不通气时的搅拌轴功率P0：P其中：Np=4.7，其含义是湍流搅拌状态时的数值；N=76r/min=1.27r/s,其含义是搅拌转速；D=0.6m，其含义是搅拌器的直径；ρ=1050kg/m代进上面的公式内：P两档搅拌的功率：P（3）通风Pg的求取：P其中：P02=1.5722=2.47kWN=76r/min，其含义是轴的转速；D3=0.6Q的含义是通风量（单位是ml/min），若通风比是vvm=0.11～0.18，若是通风量变增大，那么Pg的值会减小，更低的Pg值会使安全性提高。取0.11：Q=6.583Q代进前面的公式当中，会有：P（4）电机功率P电的求取计算：P对于不同的部件有不同的工作效率，对三角带传动，滚动轴承，滑动轴承来讲，他们的效率分别是η1=0.92、η2=0.99、η3=0.98，假设端面密封而导致的电机功率增量为1%，那么会有：P五、设备工艺结构的设计：工艺结构设计中，一些要求必须要明确才能保证设计的完整性，如主要辅助装置的相关参数，选型等，才能在购买材料及制作设备时有充分的理论依据。相关的内容有以下几点：（1）空气分布器：该设计属于好气发酵，所以本罐使用单管进风。（2）挡板：它的安装是为了加强搅拌，增强溶氧。该发酵罐不需要使用挡板，因为本罐的内部安装了竖式冷却蛇管。（3）密封方式：目前关于处置轴、罐间的动静问题的方式主要是采用双面机械密封方式，有着相当显著的效果。（4）冷却管布置：目前在生物工程工厂应用最为普遍的就是竖直蛇管冷却装置，不仅因为它冷却效果好，而且也更加便于清洗，在满足工艺生产要求上也没有问题。仅仅计算出发酵罐的冷却面积是不充分的，要保证冷却操作的正常运行，还需要计算出合理的管道截面积。管径不能太粗或是太细，否则都不能保证冷却。在最顶峰的热负荷条件情况求水的耗用量W：W=其中：Q总的含义是在发酵极端活跃的阶段，1立方米的发酵液在1个小时内发出的热量和醪液总体积的进行相乘：QCP=4.18kJ/(kg∙K),t2=27℃，t1=20℃把它们代进公式：W=那么它的体积流量W就是1.57x10-3m3/s，令v=1m/s，其含义是冷却用水在蛇管里的流动速度；那么冷却管的总截面积S总的计算公式是：S将两个值带进公式内：S那么就会求得进入水的总管的直径的实际数值：d需要计算出安装出在罐内的冷却管的组数、管的直径：将冷却管的总表面积、管的直径、需要组的数量分别用符号表示：S总、d0、n，那么：S要根据所选用发酵罐的各项参数作为基础依据，选用恰当高度、适当直径的蛇管，依据安装要求把冷却用竖直蛇管固定在罐体上，还要达到传热效果好、安装简易、在清洁时方便等几项优点。那么我们可以选用管组数为3组,对单根蛇管的直径进行求取：d通过对照金属材料表，该冷却蛇管可以选用∅32×2.5mm的无缝管，那么它的内径用d内表示，为27mm，每米钢管所达到的质量为g=1.82kg/m,将其对比就会有d内>d0，那么是能够达到生产要求标准的，它的管平均直径d平均是我们可以把竖直蛇管的底下的弯曲部分，也就是U型弯管部分的曲径定到200mm，那么相邻的两根竖管之间的距离就是400mm，因此可以求算两边弯曲管的总体的长度，用l0表示：l0=πD=3.14×400=1256mm,要对用到的冷却管的长度进行求算，用L表示：在前面已经通过计算得到了F=15.49m2；因为我们用的是无缝钢管∅=32×2.5mm，那么对1m长度的冷却面积进行求取计算FL=FF0=15.49它需要占到的体积是：V=0.785计算单组管的长度L0以及每一组所需要的高度的数值：L除此之外，我们还要使用到大概5米长的接管，那么实际长度是：L以可以安装的竖直蛇管高度作为基础依据，可以将其作为静液面的高度，我们认为它的下面部分能够进入到封头里250mm。若罐内的螺丝等安装辅助部件所占到的体积是0.17m3，我们可以计算罐内所有东西的占用体积：V那么发酵罐内发酵醪液的液体深度是：V罐内安装的蛇管的高度是：H前面已经计算得出两边弯曲管的长度是l0=1260mm，它的总体高度是400mm，那么就可以得出直管的长度数值：h=那么单圈次的管的长度是：L=2h+校核布置后冷却管的实际传热面积：要对安装的无缝钢管的实际达到的可以传热的面积进行校验与核对：F我们已经得出F是15.49m2，那么F实的值是大于F的,所以符合设计初衷。六、设备材料的选择：产品质量有时会受到来自于发酵设备材质的影响，要全方位的考虑再选择适当的材质制作发酵罐。不仅要能够满足工艺生产的要求，还要在不降低安全性的条件下尽可能的节约成本，针对一些有机酸发酵选择耐腐蚀性强的材料无疑是最优选择。本次的发酵设备选择使用不锈钢1Cr18Ni9Ti。七、发酵罐壁厚的计算：（1）现阶段对罐体壁的厚度的求取一般选择计算法，其值用S表示：S=其中：P=0.4MPa，它的含义是罐体制造时的设计压力，一般将其定位最大的工作压力时的1.05倍；D=1.8m，其含义为发酵罐的内径数值；[σ]=40MPa，φ=0.7，C的含义是罐壁厚度的附加值（cm），其定义式和含义如下所示：C=其中：将C1=的值定为0.8mm,它的含义为钢板负偏差，在工业上的取值一般是在0.13-1.3之间；将C2的值取为2mm，其含义是腐蚀裕量，一般情况下会认为单面腐蚀是1mm，双面是2mm；令C3=0，其含义是加工时减薄量，有两种情况，分为冷加工和热加工，一般前者取0，后者加工封头时其值为10%的S0；将前面的各项值代进公式内：C=0.8+2+0=2.8mm=0.28cmS=通过对其圆整为0.8cm，也就是8mm。对于使用不锈钢1Cr18Ni9Ti制造而成的发酵罐，它的罐体直径是1.8m，罐体壁厚是8mm，筒体的直高度是3.6m，1米的该材料重量是356kg，那么通过计算知道筒体的质量是：C筒=356x3.6=1281.6kg。（2）封头壁厚计算：对于标准椭圆封头，对它的的厚度进行求算时，使用下面的公式：S=把各个符号对应的数值代进式子：S=通过圆整，取为0.8cm，也就是8mm，那么封头的质量为G封=232kg。八、接管设计：（1）对接管的长度进行选取，并用符号h表示：在本次的工艺设计中，我们将其选为100mm。它的选取一般是将罐直径的值以及是否存在保温层作为基础依据，通常情况下都是在100mm-200mm之间。（2）对接管的直径进行求取计算：我们现在把排料管当作示例，对其进行求算：（同时也是通风管）前面已经得出罐内实际的装液量是6.583m3，若它们在0.2h里排出至空罐，那么就可以计算出醪液的体积流量：Q=我们认为发酵液流出时的速度为1m/s，用符号v表示；那么可以求出排料管的截面面积，并用F物表示：FF所以管的直径是：d=因此，我们选用的无缝管是∅121×4mm，它的内径是113mm，大于108mm,那么选用的无缝管是符合要求的若是以通风管作为求算，对于压缩空气而言，0.4MPa条件下的支管的气体流动速度是在20-25m/s之间。我们认为通风比的数值是在0.1-0.18vvm间进行选取，那么要对20℃、0.1MPa的条件下，对其转化至0.4MPa的压力，温度是30℃的情况。此时，对于风量Q1，可以选较大的数：Q运作时的风量Qf的求算：（一般使用气态方程式）Q对通风管的截面面积进行求算，用Ff表示：（令风速v的值为20m/s）F原始表达式是Ff=0.785d气2，那么可以得出气管的直径d因为该发酵罐的通风管同时也可以用作排料管，所以将两数值进行对比，选择其中较大的数值。即∅=121×4mm。我们还要对排料的时间进行再次核对，以确保符合生产要求。前面已经得出排出时醪液流量Q为0.00914m3/s，流出时的速度为1m/s；那么管道的截面面积是：F=0.785相同的流出速度条件下，排出的醪液由于管直径比前面计算得出的数据更大，那么对应的流速比就是：P=所以实际排出发酵醪液的时间是：t=0.2九、支座选择：在众多的常用支座中，本设计选用裙式支座。第四节醇析罐设计计算为获得纯度较高的灵芝多糖才是最终目的。醇析过程主要是将离心后的上清液做进一步醇析提取，该过程在常温下操作，由于乙醇的挥发性很强，过高的温度还会造成其大批量挥发，产生不必要的浪费，增加生产成本。另外，在高温下操作也会致使危险性大大增加。醇析罐体积计算：物料衡算：因为整个过程是属于间歇操作，按照年产30吨的生产任务，可以知道每批次的进料量为1000kg，那么它的含糖量为0.35%，然后经浓缩操作，使其浓度达1%，因此将它们作为依据，可以把单批次投入醇析罐的量做出求算：1000m=我们可以把加入到醇析罐的溶液看作水，按照水的密度作求算，其原因是加入的多糖溶液中水的比重可以达到99%，那么：V加入95%乙醇，对其进行物料衡算可以得出它的体积，那么会有：(得：V则每一次需要使用95%乙醇为1m3。对实际体积的求算是符合体积加和性的要求的，那么进行醇析操作时的体积就是1.35m3。把装填系数选作0.8，那么：V选醇析罐的高径比为H/D=1.1V=D=H=1.1D=1.1（2）醇析罐材料选择在该工艺设中选用1个醇析罐，通过查阅资料选取其恰当的醇析罐。第五节脱蛋白罐设计计算灵芝多糖的保健、药理及医疗作用非常明显，但我们市面上的制品都是经过脱蛋白处理的，否则会致使灵芝多糖的药理活性降低甚至消失，而脱蛋白的过程的目的就是将多糖里的含有蛋白质类的物质被脱去掉。脱蛋白罐体积计算在将粗多糖加入到脱蛋白罐之前，要依照一定的比例将其与纯净水混合，进行溶解，其混合比例为1:10，那么加到脱蛋白罐的体积是：m=14V把装填系数取作0.83，那么会有：V我们可以选择高径比为H/D=1.1的脱蛋白罐：V=D=对其进行圆整，为590mm；H=1.1D=1.1对其进行圆整，为650mm。（2）脱蛋白罐材料的选择在该工艺中选择使用2个脱蛋白罐，查