生物工程工厂设计概论

1、生物工程工厂设计概论,第一章 绪论,教学目的： （1）了解生物工程工厂设计课程目的和任务 （2）掌握生物工程工厂设计的内容和组成 （3）掌握工厂工艺设计的初步设计阶段的步骤和设计图，了解施工图设计阶段的步骤。,第一节 工厂设计课程目的与任务,一、是一门什么样的课程 （1）学习本门课程的基础 以生物工程工艺学、生物制药学、GMP（药品生产质量管理规范）和工程学及相关科学理论和工程技术为基础。 工程学核心：应用科学和技术的原理，来解决工程问题。 （2）本课程的定性：一门综合性、实践性很强的专业课。 二、本课程的任务：基本建设的工作程序、设计范围分工和设计基本原理；生产工艺设计规范、基本方法和步骤；

2、画一张带控制点的工艺流程图。 重点是发酵工厂和生物制药工厂的工艺设计。 毕业设计要求：一般设计范围为车间工艺设计，以初步设计中的工艺设计为主，兼顾部分设备设计。,三、如何学好本课程: 百年大计、质量第一； 理论联系实践； 学以致用，用以促学。 四、课程目的：培养学生具备生物工程工厂设计的工程能力和工程素质，结合毕业实习和毕业设计，完成工程师的综合性基本训练。,两个基本问题,(1)一个工程项目的提出: 社会发展 工业布局 市场需要 地区和行业发展规划 (2)基本建设的程序: 建设前期:项目建议书, 可行性研究报告, 设计任务书 初步设计和总概算. 建设期：项目的建设施工。 生产期,第二节项目建议

3、书、可行性研究、设计任务书,1、项目建议书：是向国家省、市有关主管部门直接申请工程项目的文件，是设计工作的前奏。 主要内容： 项目名称、建设项目的依据和必要性。 产品方案、市场预测、建设规模和地点的初步设想。 资源、建设条件、技术和设备的初步分析。 环境保护。 投资估算、资金筹措和还贷能力的大体测算。 项目实施规划。 工厂组织和劳动定员估算。 经济效果和社会效益的初步估算。,2、可行性研究：由上级主管部门组织，对拟建工程项目的技术性、经济性和工程实施性，进行全面调查、预测、分析和论证，作出是否合理可行的科学评价，写出可行性研究报告。作为编制设计任务书的主要依据。 总论：项目背景、投资必要性、经

4、济意义。 市场需求预测和建设规模 原材料、燃料及资源情况 建厂条件和厂址方案 设计方案：技术路线、厂址布置、辅助设施、交通 环境保护：预测项目对环境影响、三废处理方案 企业组织、劳动定员和人员培训。 投资估算和资金筹措： （流动资金、资金来源、贷款偿付方式、投资回收期） 经济效果和社会效益的评价。（静态分析和敏感性分析）,3、设计任务书：在可行性研究的基础上进行编制的指导性文件，是确定基本建设项目，编制设计文件的主要依据。一般包括文件内容和附件两个部分。主要文件内容: 建设目的依据,项目名称 建设规模,产品方案,生产方法 原材料,燃料,动力供应 厂址和地点,地理自然条件,交通运输等要求. 资源

5、综合利用和三废治理 建设工期及设计施工单位 投资及劳动定员 经济效益和技术水平 原有固定资产利用率和生产潜力的发挥.,附件内容: 原材料供应和原料基地 厂址的地形与地势、工程地质、水文、气象和地震等资料。 土地使用批准书及能源、交通等协议书 有关预测经济效果的资料及计算依据 引进设备附国家批准文件和新工艺、新设备鉴定书 扩建工程附上厂总平面图及主要设备平衡表。,第三节 生物工程工厂工艺设计内容和组成,1.生物工程工厂设计的主要依据： （1）可行性报告以及设计计划任务书 （2）项目总负责人下达设计工作提纲和技术决定 （3）已经批准的应用新技术试验研究报告和技术鉴定证书 2.生物工程工厂总体设计的

6、范围 一般包括总平面布置，生产车间，动力车间（锅炉房、变电站、给排水工程等），厂内外运输，自控仪表，空气净化，采暖通风，环境保护工程，福利设施，办公楼，技术经济与概算等单项工程设计。 生产工艺设计是总体设计的主导设计。是负责全厂生产工艺流程设计和各车间的设计，向配套专业人员提供设计依据，提出设计要求。,3.生物工程工厂工艺设计的组成 生产工艺设计：是由工艺设计人员负责全厂生产工艺流程设 计和各车间的设计，主导设计并协调各专业设计作用，其他配 套设计根据生产工艺的要求进行设计，应该符合工艺技术先进 性、经济合理性、安全适用可靠、环境污染程度。 非生产工艺设计：(包括土建、采暖、通风、供水、供电、

7、供热） 4.两阶段设计： 扩大初步设计施工图设计 （1）初步设计（扩大初步设计）在建设前期的总概算前必须完成的。 （2）施工图设计在建设期阶段修改初步设计，分批交付施工图纸，修正概算。,5.初步设计：初步设计就是根据批准的设计任务书，进行踏勘测量，并编制初步设计文件。是根据选定的设计方案进行更具体更深入的设计。在论证技术可能性、经济合理性的基础上提出设计标准、基础形式、结构方案以及重大技术问题。 其设计内容包括总图、运输、工艺、土建、电力、照明、采暖、通风、空调、净化、给排水、动力及设计概算等各专业的设计方案。 其设计文件由设计总说明书、设计图纸、主要设备和材料表、工程概算书四部分组成。 其设

8、计图纸主要有带控制点工艺流程图和车间设备布置图等。,（1）初步设计具体内容：P11 一般包括设计的依据和指导思想；建筑规模、产品方案、原材料、燃料和动力的需用量与来源；工艺流程、主要设备选型和配备；主要建筑物、构筑物、公用和辅助设施、生活区建设；占地面积和土地使用情况；总图运输；外部协作配合条件；消防设施、环保措施和抗震设防等；生产组织、劳动定额和主要技术经济指标及分析；建设进度和期限；工程总概算等内容。,（2）初步设计步骤,（3）初步设计的深度： 设计方案的比较选择和确定 主要设备和材料的订货 土地征用 建设投资的控制 有关部门的设计审查 定岗定编和工人技术培训 施工图设计依据 施工安装准备

9、和生产准备工作,6.施工图设计：施工图设计主要是根据初步设计审定的设计原则，设计方案、技术决定进一步具体和深化，在扩大初步设计的基础上，完善流程图设计和车间布置设计，进而完成管道配置设计和设备、管路的保温及防腐设计，提供满足施工需要的图表资料及施工组织计划等。 工艺专业主要内容包括：工艺图纸目录、工艺流程图、设备布置图、设备一览表、非定型设备制造图、设备安装图、管道布置图、管架管件图、设备管口方位图、设备和管路保温及防腐设计等； 非工艺专业主要内容包括：有土建施工图、供水、供电、给排水、自控仪表线路安装图等。,第二章 厂址选择及总平面设计 第一节 厂址选择,在指定的某一地区内，根据新建厂所必须

10、具备 的条件，结合发酵工厂的特点，进行详尽的调查 勘测工作，就可能建厂的几个厂址的技术经济条 件，列出几个方案，进行综合分析比较，从中择 优确定厂址。 一般包括地点选择（决定方位和自然环境）和场 地选择（面积大小、场地外形及技术经济性）。 最省的投资费用；按质按量按期完成工厂设 计的各项指标；投产后长期生产技术管理；原材 料和成品的产供销；国家地区的工业布局和城市 规划；企业的发展远景。,厂址选择的一般原则： 1、自然条件： 地理位置 地形地势与地质 水文与气象 地震 2、技术经济条件： 原料供应与产品销售 能源供应 给排水 交通运输 节约用地，少用耕地 符合城市规划 场地有效利用与远景规划

11、基建施工条件 环境保护及三废处理,第二节工厂总平面设计,1、工厂总平面设计：是指工厂中所有建筑物、构筑物、露天堆场、交通运输、工程管线及绿化区等相互位置图的设计。是工厂总体布置的平面设计。一般总平面设计与总平面图的绘制是由专门的总图的专业技术人员负责完成的。 2、总平面设计的基本内容： （1）平面布置设计（2）竖向布置设计 （3）运输设计 （4）管线综合设计 （5）绿化设计,(1)平面布置：在考虑适应厂区地形的同时，合理地安排全厂的每个厂房、构筑物、原料堆场、道路、工程管线及绿化、美化环境设施等在厂区平面上的相对位置，使其适应生产工艺流程的要求，以及各个车间配合的需要。 (2)竖向布置 ：以工

12、艺为主体，决定建、构筑物的设计标高，使之互相协调，解决地形起伏和雨水排除问题，并据此确定填土和挖土方的工程量。主要目的是既要工艺流程合理顺畅，又要节省土方量，节约投资。 (3)运输设计 ：确定厂内、外的运输方式，并据此进行道路、铁路(厂内专用线)以至码头等的设计。 (4)管线综合布置 ：工艺和水、电、汽等各种工程管线的设计应分别由各部门的专业设计人员负责。但为了合理地布置这些管线，在总平面设计时，必须根据地上、地下各种管线的特点来综合地规定它的标高、位置和占地宽度，使之相互协调，布置得合理而又经济。 （5）绿化设计：主要包括绿化方式选择、绿化区布置,3、总平面设计的基本要求： 符合生产流程的要

13、求 生产主厂房布置厂区中心地带 地区主风向的影响 人流货流通道分开，避免交叉 遵从城市规划的要求 符合国家有关规范和规定,4、一般工厂组成： （1）生产车间 ：生产成品或半成品的厂内所有工艺生产主要工序部门。 （2）辅助车间：协助生产车间正常生产的各生产部门。（酵母回收、麦糟处理、麦芽贮仓、机修） （3）动力车间 ：保证生产车间顺利生产及全厂各部门正常工作的部门。（水泵房、空气压缩站、冷冻车间、变电所、仪表维修） （4）行管部门：全厂性行政后勤管理部门，起指挥管理服务的作用。 （5）职工宿舍区,5、厂区划分： （1）厂前区：行政管理及后勤部门设施 （2）生产区：主要车间厂房及辅助车间和少量动力

14、车间设施（水泵房、水塔或冷冻站） （3）厂后区：原料仓库、露天堆场、污水处理站等。 （4）左右两侧区：机修、给排水系统、变电所及有关仓库。,6、总平面水平布置形式 （1）区带式布置形式:以主要车间的定位布置，带起辅助车间和动力车间的逐一布置。 （2）周边式布置形式：将生产车间环绕厂区周边从厂大门处布置，带起辅助车间和动力车间逐一相随布置。 7、总平面竖向布置形式 （1）分离式布置形式：厂房建筑多为单层或二层式，主要车间和辅助车间的厂房或一个车间的各个工序厂房分散布置在划分区片中的布置形式。 （2）连续式布置形式：将主要车间和辅助车间的厂房或一个车间的各个工序厂房进行竖向布置，按照合理的工序流程

15、相连接。,8、联合式（组合式）布置形式：将水平向与竖向布置结合，总平面设计布置有明显的厂区划分，建、构筑物的疏密合理，妥善处理通风采光和防火卫生安全。 9、名词解释：P26 等高线:地面上同高度的各点连接成的封闭理想曲线。 测量坐标网：X、Y坐标系规定南北向增减横坐标X表示，东西向Y表示，作间距为50米或100米的方格网，标定厂址和厂房建筑物地理位置。 建筑施工坐标网：A、B坐标系，厂房的方位与地理坐标系有方位角，在总平面设计时，采用厂区、厂房一致的建筑施工坐标网，规定横坐标A，纵坐标B作间距为50米或100米的方格网，标定厂址和厂房建筑施工位置。,10、风玫瑰图：即风向频率图。以直角坐标系原

16、点表示厂址地点，坐标分成东、西、南、北、东北、东南、西南、西北方位表示8个方向风吹向厂址，每个方向风的次数占全年风总次数的百分比为该风向的频率。将个方向风频率按一定比例描点连成一条类似玫瑰花的多边形的封闭曲线成为风玫瑰图。 11、地形图:用等高线表示地势变化幅度的图形. 所有山峰,低谷等称为地形;所有房屋,公路,道路,寺庙称 为地物;通常方向线箭头表示指向北方.,第三章工艺流程设计 第一节 生产方法和工艺流程的选择,1、生产方法选择：即工艺路线的选择，选择技术先进，经济合理的工艺路线其依据是： （1）原料来源、种类和性质 （2）产品质量和规格 （3）生产规模 （4）技术水平 （5）厂址自然环境

17、 （6）经济合理性 (7)环境保护,2、工艺流程的设计原则 （1）保证产品质量符合国家标准。 （2）采用成熟、先进技术和设备。 （3）减少三废排放，完善治理措施，消除环境污染。 （4）确保安全生产，完善安全技术及劳动保护措施。 （5）采用机械化和自动化，实现稳产高产。 （6）考虑投资资金筹措及投资回收期,第二节工艺流程的设计步骤,1、工艺流程设计的步骤 1）、生产工艺流程示意图 这个阶段是定性表明原料转变成产品的路线和顺序、应用过程及设备。生产工艺流程示意图一般由物料流程、图例、标题栏三部分组成可以用简单设备流程图表示或文字示意图表示。 一般在编制设计方案时，生产方法和生产规模确定后就可以考

18、虑设计并绘制生产工艺流程示意图。在物料衡算前，应了解 经过哪些单元操作和确定何种操作方式。一般工艺流程部分为 五个重要部分，即：原料预处理、发酵过程、产物的后处 理（分离纯化）、三废处理、配套工程。,（1）、原料处理过程 主反应确定之后，根据反应特点，必须对原料提出要求，纯度、温度、压力、加料方式等。其它操作方式就是化工单元操作。如：预热、冷却（传热）、汽化、干燥、粉碎筛分、提纯精制、混合、配制、压缩等，以上操作不是一台机器设备简单完成的。 （2）、发酵过程 根据发酵过程的特点、产品的要求、物料特性、基本工艺条件来决定采用发酵罐类型和决定连续还是间歇性操作。采用间歇操作量，发酵过程是否需加热或

19、冷却，发酵罐上的装置应当考虑。,（3）产物的后处理（分离纯化）：产品的后处理 经过分离净化后的产品 ，有些是下一工序的原料有些可作商品，还有须后处理，如沉淀、离心、超滤、喷雾干燥、造粒、包装、或者压滤、灌装、计量、贮存、输送。这些过程都需要有一定的工艺设计装置、工艺操作。 （4）三废处理：确定“三废”排出物的处理措施排放的废气、变废为宝，加以回收，无法回收应妥善处理。排放前必须达到排放标准。因此，设计中必须研究治理方案和流程。做到“三废”治理与环保工程。“三废”治理工艺与生产工艺同时设计、同时施工、同时投产运行。 （5）确定公用工程的配套措施 生产中必须使用的工艺用水（包括作为原料的软水、冷却

20、水、溶剂用水等）、蒸汽（原料用汽、加热用汽、动力用汽及其他用汽等）、压缩空气、氮气等以及冷冻、真空都 是工艺中要考虑的配套设施。还要考虑生产用电、上下水、空调、采暖通气都是必须密切配合。,啤酒生产工艺流程,2）工艺流程草图 是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明所组成，一般指初步设计阶段的草图。 有了工艺流程示意图就可以进行物料衡算、能量衡算以及部分设备计算，然后才可以进行生产工艺流程草图的设计及绘制。待设备设计全部完成后，再修改和补充工艺流程草图。 制图要求及绘图步骤：由专门章节介绍。,3）工艺流程图：由流程草图和设备设计进行车间布置，根据车间布置图再来修改工艺流程草图，最后得出工

21、艺流程图。 （1）工艺流程的绘制必须与物料衡算、能量衡算、设备设计计算以及车间布置设计等交叉进行。 （2）从事工艺设计是一项复杂而细致工作，必须全面综合考虑。 （3）工艺流程图编入正式设计文件，供上级部门审批及施工使用。,糖蜜生产酒精工艺流程,工艺流程图种类： 1）物料平衡图,氨基酸发酵生产工艺流程,图2-5 氨基酸发酵生产法 1.原菌种，2.一级种子培养，3.卡氏罐 ，4.，5.灭菌器，6.种子罐 ，7，pH调节剂 8发酵罐 9灭菌器 10培养基 11配制槽 12离心分离机，13离子交换柱 14结晶槽 15晶体分离器 16干燥器 17氨基酸成品,工艺流程示意图 这个阶段是定性表明原料转变成产

22、品的路线和顺序、应用过程及设备。生产工艺流程草图一般由物料流程、图例、标题栏三部分组成可以用简单设备流程图表示或文字示意图表示。 工艺流程草图 有了工艺流程示意图就可以进行物料衡算、能量衡算以及部分设备计算，然后才可以进行生产工艺流程草图的设计及绘制。待设备设计全部完成后，再修改和补充工艺流程草图。是由物料流程、图例、设备一览表以及必要的文字说明所组成，一般指初步设计阶段的草图。 工艺流程图： 由工艺流程草图和设备设计进行车间布置，根据车间布置图再来修改工艺流程草图，最后得出工艺流程图。工艺流程图编入正式设计文件，供上级部门审批及施工使用。,第四章 工艺计算 第一节 物料平衡计算,1、定义：根

23、据质量守恒定律，即进入一个系统的全 部物料量Gm必等于离开系统的全部物料量Gp，再加 上过程中的损失量Gt（在系统中的积累量为零）。 Gm = Gp + Gt 以生产过程或生产单元设备为研究对象，对其进出口 处进行定量计算，称为物料衡算。 Gp包括产品和副 产品。 通过物料衡算可以计算原料与产品间的定量转变关系 以及计算各种原料的消耗量，各种中间产品、副产品 的产量、损耗量及组成。,2、物料衡算的意义： (1)原材料消耗定额,判断是否达到设计要求. (2)各设备的输入及输出的物流量和组成.列表,在此基础上进行设备的选型及设计。 (3)确定三废排放位置,数量及组成,有利于进一步提出三废治理的方法

24、. (4)作为计算的依据，进行水、蒸汽、热量、冷量等平衡计算。 (5)根据计算结果绘出物流图,可进行管路设计及材质选择,仪表及自控设计等.,物料衡算与热量计算基础知识：,1、比热容C：单位质量物体改变单位温度时的吸收或释放的内能。可以看作是温度差T和引起温度变化的热量Q之间的比例常数，通常用符号c表示。 设有一质量为m的物体，在某一过程中吸收（或放出）热量Q时，温度升高（或降低）T，则Q/T称为物体在此过程中的热容量（简称热容），比热容c=Q/mT。 Q=mct。(Q是吸热,T1-T2,如果Q是放热T2-T1). 水溶液比热容C=无水固体比热容CS（1）C水,2、焓：焓是一个热力学系统中的能量

25、参数。规定由字母H（单位：焦耳,J）表示 。焓的物理意义可以理解为恒压和只做体积功的特殊条件下，Q=H，即反应的热量变化 恒压下对物质加热，则物质吸热后温度升高，H0，所以物质在高温时的焓大于它在低温时的焓。又如对于恒压下的放热化学反应，H0，所以生成物的焓小于反应物的焓。 系统在定压过程中，焓的增量等于流体所吸收的热量即： H = H1H2 = GCT =QP 热量GCT=蒸气使用量汽化潜热,3。在工业企业常用计算基准： （1）以单位时间产品量或单位时间原料量。适用于连续操作过程如酒精连续发酵。每小时消耗糖蜜量或每小时产酒精量。 （2）以单位重量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料。如啤酒厂可

26、用100kg混合原料或以100mL啤酒进行物料衡算。 （3）以加入设备的一批物料量。常用于发酵工厂如啤酒生产、味精、酶制剂、有机酸生产，可以用投入糖化锅、发酵罐的每批次物料量为计算基准。,4.物质有三种集态气态、液态、固态。物质集态的改变称之为相变。相变过程中，由于物质分子的重新排列和分子热运动速度的改变，会吸收或放出热量。这种热量称作潜热。物质发生从质密态到质稀态的相变是将吸收潜热；反之，当它发生有质稀态向质密态的相变时，则放出潜热。自然形态下，水从固态的冰向液态的水转换或从液态的水向气态的水蒸气转换时，温度是不断升高的。 相变只发生在某个温度与压力的结合点上，当热端的热量超出冷端，并且达到

27、某个临界点时，由于局部瞬间热膨胀压力大大超过周围物质所形成的静态压力，此时，相变就有可能发生。但是，因为热压点与环境存在温差，相变现象很快就在会消失。,物料衡算的方法和步骤,1、物料衡算的步骤 (1) 搜集计算数据。（生产规模和天数、原材料组成、常用物化常数如密度、比热容等)。 (2) 画出物料流程示意图。 (3) 确定工艺指标及消耗定额和衡算体系。 (4) 写出化学反应方程式，包括主反应和副反应，标出有用的分子量。 (5) 选择合适的计算基准，在流程图上注明所选的基准值。 (6) 列出物料衡算式，然后用数学方法求解。 (7) 将计算结果列成输入输出物料表(物料平衡表)。 (8) 校核计算结果

28、 (9)绘出物料流程图,第二节热量平衡计算,一、热量衡算式：Q入=Q出+Q损 Q入指输入热量总和， Q入=Q1+Q2+Q3 Q1物料带入热量；Q2由加热剂（冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量；Q3过程的热效应（包括生物反应热、搅拌产生热等） Q出指输出热量总和； Q出=Q4 + Q5 + Q6 + Q7 Q4离开设备物料带走热量； Q5、 Q6加热设备和物料消耗热量； Q7气体或蒸汽带走的热量；Q8设备向四周散热（损失热量）； 。 Q损指损失热量总和。对于单元设备Q1- Q8各项热量并不一定都存在。,二、热量衡算的方法和步骤 1、画出单元设备的物料流向及变化示意图 2、分析物料流向及变化写出

29、热量衡算式 Q入=Q出+Q损 3、搜集数据（物料量、工艺条件及必需物性数据）手册、生产、研究 4、确定合适计算基准和基准温度。计算基准如按100kg原料或成品、每小时或每批次处理物料量。基准温度即要求每一物料的进出口基准态必须一致，通常采用0为基准温度可简化计算。有相变还要注意相变基准。如温度的相变基准为K氏温标，K =273.15 + t,5、进行具体的热量计算 （1）Q1和Q2按Q=G c t ；其中G为物料质量、c为物料比热容、t为物料进入或离开设备的温度（） （2）过程热效应Q3 = QB+QS+状态热；QB为生物合成热（发酵热）、QS为搅拌热、状态热（汽化热、溶解热、结晶热） 常用过

30、程热效应（发酵热）计算：通气发酵过程的放热计算有三种： 一是通过冷却水带走热量计算； 二是通过发酵液温度升高测定计算； 三是应用生物合成热方法进行计算。,生物合成热：QB= QB + QB” 其中： QB 为微生物细胞呼吸热；QB”为发酵过程放热 细胞呼吸耗糖量其数值为15651 kJ/kg （葡萄糖计） 发酵放热耗糖量其数值为4953 kJ/kg（葡萄糖计） 搅拌热QS=3600P；P为搅拌功率、为搅拌过程功热转化率，通常=92% 状态热可以查手册。根据经验数据，排气使发酵液水分汽化带出的热焓Q=0.2 QB,（3）加热设备耗热量Q5 = G c (t1-t2) （4）气体或蒸汽带出热量Q7

31、=G (ct + r) 其中t为气态物料温度、 r为蒸发潜热。 （5）设备向环境散热Q8= FT (tw ta) 其中F为设备总表面积、T为壁面对空气联合给热系数、 tw壁面温度、 ta环境空气温度 （6）加热物料需要温度Q6= G c (t2 - t1) （7）对于热量衡算设计任务，一般Q2是待求量即所要计算的有效热负荷。计算出Q2为正值，过程需加热； Q2为负值，过程需从操作系统移出热量即冷却。 （8）过程热效应（发酵热）计算：通气发酵过程的放热计算有三种：一是通过冷却水带走热量计算；二是通过发酵液温度升高测定计算；三是应用生物合成热的方法进行计算,物料衡算与热量计算应注意问题： （1）系

32、统中所有热量或可能转化成热量的其他能量不要遗漏，影响很小项，可以简化计算。 （2）确定物料计算基准、热量计算的基准温度和其他能量基准，有相变确定相变基准，不可忽视相变热。 （3）在相关条件约束，物料量和能量参数（如温度）有直接影响时可以将物料衡算与热量计算联合进行，才能得到准确结果。 （4）计算项目要全面、细致，所使用的计算数据及定额必须是同企业的先进可行水平，计算结果认真校对。,物料和热量衡算的计算实例,（一）10000t /a 淀粉原料酒精厂全厂总物料衡算(P56) 基础数据与主要技术经济指标： （13）薯干原料（干物质87%）C比热=1.63；成熟醪C比热=3.96；蒸馏残留液C比热=4

33、.03 （14）酒母的接种量为10%；酒母中糖化液含量70% 巴斯德效应:有氧的条件下，经TCA循环获得38个ATP，从而抑制无氧酵解代谢。 反巴斯德效应：在发酵基质中含有较高葡萄糖（果糖）浓度0.4 -1.0以上，分子氧存在不能抑制发酵，酵母的有氧呼吸反而受到一定抑制。 水溶液比热容C=无水固体比热容CS（1）C水 系统在定压过程中，焓的增量等于流体所吸收的热量即： H = H1H2 = GCT =QP GCT=蒸气使用量汽化潜热,1、物料衡算主要内容： （1）原料消耗的计算：（淀粉、薯干、淀粉酶、糖化酶、硫酸铵等消耗量） （2）中间产品的量：蒸煮醪、糖化醪、酒母醪、发酵醪等。 （3）成品（

34、乙醇）、副产品（杂醇油）以及“三废”（二氧化碳和废糟液） 2、生产工艺流程：双酶糖化、间歇发酵、三塔蒸馏的生产工艺流程。 3、工艺技术指标及基础数据：（P56）,4、原料消耗计算： （1）化学反应式 （2）酒精的理论淀粉消耗量 （3）95%食用酒精淀粉消耗量 （4）生产过程各阶段淀粉损失率 （5）折为薯干原料消耗量 （6）淀粉酶消耗量 （7）糖化酶消耗量 （8）硫酸铵消耗量,5、蒸煮醪量计算 （1）粉浆量及粉浆连续蒸煮液化工艺 （2）喷射液化器加热后蒸煮醪量 GC蒸煮醪（T1- T2）= 蒸气量（焓- 4.18T1） （3）维持罐出口的蒸煮醪量 GC蒸煮醪（T1- T2） = 蒸气量汽化潜热

35、（4）喷射混合加热器后的蒸煮醪量 （5）汽液分离器后的蒸煮醪量 （6）真空冷却器后的蒸煮醪量,喷射液化器,喷射液化器工作示意图,双酶糖化流程示意图,双酶糖化流程图,6、糖化醪与发酵醪的计算：（成熟醪含酒精量10%体积分数相当于8.01%质量分数；蒸馏效率98%，酒精捕集器酒精洗水5%，洗罐用水1%） （1）成熟发酵醪量： （2）成熟醪乙醇浓度： （3）发酵过程二氧化碳总量 （4）酒母醪量 （5）糖化醪量 7、成品与发酵醪计算 醛酒产量、食用酒精产量、杂醇油产量,8、废醪量计算 是指进入蒸馏塔的成熟发酵醪减去部分水和酒精成分及挥发性组分的残留液。 酒精蒸馏过程物料平衡是“两进两出”，热量平衡是“

36、两进三出”。 两进：F1醪液，其热量为Q1 D1进塔蒸汽，其热量为Q2= D1 I1 两出：V1醪塔上升酒汽，其热量Q3=V1 i Wx 蒸馏残留液 + D1消耗蒸汽量（成为水） 其总热量Q4=Q4（残留液带去热量）+ D1 t4 Q4= Wx C2 t4 Qn为蒸馏过程损失热量 ，一般取传递总热量1%,（1）醪塔上升酒汽量V1 V1上升酒汽乙醇浓度=蒸馏的成熟发酵醪量成熟发酵醪乙醇浓度 （2）残留液量Wx =蒸馏的成熟发酵醪- V1 （3）成熟醪入塔内热量：Q1=F1C1t1 （4）残留液固形物浓度： B2 Wx = F1 B1 （5）残留液带出热量：Q4= Wx C2 t4 （6）消耗蒸汽

37、量D1 热量平衡式： Q1+ D1（I C水 t4）= Q3+ Q4+ Qn 塔底加热0.05MPa蒸汽焓 I 为2689.8kJ/kg （7）排出废醪液为Wx 蒸馏残留液 + D1消耗蒸汽量,9、总物料衡算：每年以300天计算，次级酒精 （醛酒）占成品酒精的2%，杂醇油为成品酒精量0.5%， （1）酒精成品：（食用酒精和次级酒精） 日产量 年产量 （2）主要原料薯干用量 日产量 年产量 10、列出物料衡算表(P62),糊化锅：首先将一部分麦芽、大米、玉米及淀粉等辅料放入糊化锅中煮沸。 糖化槽：往剩余的麦芽中加入适当的温水，并加入在糊化锅中煮沸过的辅料。此时，液体中的淀粉将转变成麦芽糖。 麦汁

38、过滤槽：将糖化槽中的原浆过滤后，即得到透明的麦汁（糖浆）。 煮沸锅：向麦汁中加入啤酒花并煮沸，散发出啤酒特有的芳香与苦味。,热量计算实例,年产100000吨啤酒厂糖化车间热量衡算：(P78) 1、工艺流程：二次煮出糖化法 2、糖化用水耗热量Q1 3、第一次米醪煮沸耗热量Q2 4、第二次煮沸前混合醪升温至70耗热量Q3 5、第二次煮沸混合醪的耗热量Q4,6、洗糟水耗热量Q5 7、麦芽汁煮沸过程耗热量Q6 8、糖化一次总耗热量Q总 9、糖化一次耗用蒸汽量D 10、糖化过程每小时最大耗蒸汽量Q和蒸汽年单耗、吨单耗,第四章设备的设计与选型 第一节设备类型与设计选型原则,一、设备的类型 1、专业设备:仅

39、为专业生产工厂使用设备。如啤酒厂的糖化锅、煮沸锅、麦汁过滤槽、发酵罐。 2、通用设备：各行业都可以使用的设备。如水泵、电机、风机、空气压缩机、螺旋输送机、升降机。 3、非标准设备：按照所需尺寸加工贮藏罐、池、计 量罐等。 二、设备设计与选型的原则（P104）,设备设计与选型的原则,1保证工艺过程实施的安全可靠. 2经济上合理,技术上先进.对环境污染少. 3投资省,耗材料少,加工方便,采购容易. 4运行费用低,水电汽消耗少. 5操作清洗方便,耐用易维修,备品配件供应可靠,减轻工人劳动强度,实施机械化和自动化方便. 6结构紧凑,采用实践考验证明确实性能优良设备. 7考虑生产波动与设备平衡,留有一定

40、余量. 8考虑设备故障及检修的费用.,第二节专业设备的设计与选型,1、专业设备设计与选型依据 1）工艺计算确定的成品量、物料量、耗水量 2）工艺操作的外部条件（温度、压力、真空度） 3）设备的工作条件要求（PH、保温、防腐等） 4）设备构造类型和性能,2、专业设备设计与选型的内容（P105） 1)工艺操作任务、工作性质和参数的确定 2)设备选型及性能特点评价 3)生产能力确定 4)设备数量的计算（设备使用维修及必备充裕量） 5)设备主要尺寸的确定 6)设备化工过程（换热、过滤、冷冻、塔板数）计算,7)设备传动搅拌和动力消耗计算 8)设备结构的工艺计算（设备主要辅助装置如空气分布器、挡板、搅拌器

41、、以及冷却管布置等资料） 9)支撑方式的计算选型 10)强度壁厚的计算选择 11)材质的选择和用量计算（满足工艺要求和经济性） 12)其他问题（如防腐、保温等安全设施）,3、专业设备设计与选型特点 （啤酒厂、味精厂、有机酸的间歇操作设备） 1）间歇操作设备生产能力数量和容积设计计算 （1）间歇操作设备生产能力 （2）间歇操作设备的数量 （3）间歇操作设备的容积计算 （4）间歇操作设备主要尺寸的计算 2）连续操作设备如酒精生产的连续发酵和连续蒸馏设备。,机械涡轮搅拌通风发酵罐,4、专业设备设计与选型实例 (120000t / a味精厂发酵车间) 1）发酵罐（机械涡轮搅拌通风发酵罐） （1）罐型选

42、择 （2）生产能力、数量和容积 （3）主要尺寸的计算 （4）冷却面积的计算,（5）搅拌器设计 （6）搅拌轴功率的计算 （7）设备结构的工艺设计 （8）设备材料的选择 （9）发酵罐壁厚的计算 （10）接管设计 （11）支座选择,连续操作设备设计与选型： 实例（味精制糖车间螺旋板换热器）,连续灭菌流程： a)连消塔-喷淋冷却流程； b)喷射加热流程； c)板式换热器灭菌流程。,连消塔喷淋冷却连续灭菌流程,图5-1 连消塔喷淋冷却连续灭菌流程 连续灭菌采用连消塔时，可在2030 s达到预定灭菌温度，由维持罐来保持必需的杀菌时间。 采用喷射杀菌设备，蒸汽直接喷入生培养液，温度几乎立即上升到预定杀菌温度

43、，由保温段管子的长度来保证必要的杀菌时间。 采用板式换热器，可在20 s内达到杀菌温度，经保温保持必要的杀菌时间，然后在板式热交换器另一段20 s内冷却到发酵温度。,喷射液化器工作示意图,板式换热器结构图： 可拆卸板式换热器是由许多冲压有波纹薄板按一定间隔，四周通过垫片密封，并用框架和压紧螺旋重叠压紧而成，板片和垫片的四个角孔形成了流体的分配管和汇集管，同时又合理地将冷热流体分开，使其分别在每块板片两侧的流道中流动，通过板片进行热交换。,2）螺旋板换热器（P117） 换热面积计算： 1）热糖液放出热量 Q1（115降到72） 2）冷糖液被加热 的温度 t 2 3）求平均温差t 4）换热面积F

44、设备选型：依据产品目录,第三节通用设备的设计与选型 1、液体输送设备选型：,（1）泵的分类： 按工作原理和结构形式分 叶片式泵（透平式泵）:离心泵、轴流泵、混流泵、旋涡泵 容积式泵:往复泵（活塞泵、柱塞泵、隔膜泵） 回转泵（齿轮泵、螺杆泵、滑片泵） 其他类型泵:喷射泵、水锤泵、真空泵、 按压力分：低压泵6MPa 按介质分：清水泵、泥浆泵、油泵、熔融泵,叶片式泵,混流泵,轴流泵,离心泵,旋涡泵,容积式泵,隔膜泵,滑片泵,柱塞泵,齿轮泵,螺杆泵,活塞泵,其他类型泵,管道泵,消防泵,真空泵,潜水泵,排污泵,喷射泵,柱塞计量泵,水锤泵,水锤泵又叫水击泵、冲击泵，主要由泵座、缓冲筒、排水阀、压水阀和排出

45、管等组成。和水泵相比， 水锤泵的流量较小，扬程较高，出水不均匀，水源的水量不需要太大，但要求水位落差较大。,其他类型泵,（2）泵的选择 流量：又称为输水量，它是指水泵在单位时间内输送水的数量。用Q表示，单位是m3/h。 扬程：单位重量液体流经泵后获得的有效能量。铭牌标示的扬程是指水泵本身所能产生的扬程，它不含管道水流受摩擦阻力而引起的损失扬程。 有效汽蚀量：管路装置汽蚀余量是指泵入口处单位液体所具有的高出汽化压力能头的那部分能量 。 泵工作时液体在叶轮进口处因一定真空压力下会产生汽体，汽化的气泡在液体质点的撞击运动下，对叶轮等金属表面产生剥蚀，从而破坏叶轮等金属，此时真空压力叫汽化压力 。 安

46、装高度（吸程）水源水面到离心泵叶轮中心线的垂直距离。,2、泵的选型方法及步骤： （1）列出基本数据 介质性质：密度、黏度、固体颗粒、蒸汽压、腐蚀性 操作条件：温度、压力、流量 泵的所在位置：环境温度、海拔、安装高度、管线长度 （2）确定流量及扬程 （3）选择泵型及型号：根据以上条件和工厂产品目录、说明书选择 （4）根据泵轴功率选定电动机 （5）确定泵备用率和台数 （6）填写泵的规格表，作为订货依据。,1、安装高度（吸程）水源水面到离心泵叶轮中心线的垂直距离。 吸程=标准大气压（10.33米）- 汽蚀余量（0.4）-安全量（0.5米），从安全角度考虑，泵的实际安装高度值应小于计算值 ，即Hx5m

47、 。 2、管路的阀门、法兰严防渗漏，以免产生漏气现象。 3、吸入管路口应有过滤装置，防止杂物吸入堵塞管路。,2、空气洁净设备选型,无菌空气的概念 生物工程工厂应用的“无菌空气”是指通过除菌处理使空气中含菌量降低在一个极低的百分数，从而能控制菌体污染至极小机会。此种空气称为“无菌空气”。 空气除菌设备一般为常规分置的冷却、除油、除水、除油雾、加热、初、中、高效除尘、除菌等八项功能设备成系统。 空气过滤除菌流程： 一般是把吸气口吸入的空气先进行压缩前过滤，然后进入空气压缩机。从空气压缩机出来的空气(一般压力在0.2MPa以上，温度120160C)，先冷却至适当温度(2025C)除去油和水，再加热至

48、3035C，最后通过总空气过滤器和分过滤器(有的不用分过滤器)除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合工艺要求的灭菌空,空气过滤有效除菌原理： 1，提高压缩前空气的质量 主要措施是提高空气吸气口的位置和加强吸入空气的压缩前过滤。 (1)空气吸气口 提高空气吸气口的高度可以减少吸入空气的微生物含量。据报道，吸气口每提高305m，微生物数量减少一个数量级。由于空气中的微生物数量因地区、气候而不同；因此吸气口的高度也必须因地制宜，一般以离地面510m为好。在吸气口处需要设置防止颗粒及杂物吸入的筛网(也可以装在粗过滤器上)，以免损坏空气压缩机。如果将粗过滤器提高到相当于吸气口的高度，则不需另设吸气

49、口。,(2)粗过滤器 吸入的空气在进入压缩机前先通过粗过滤器过滤，可以减少进入空气压缩机的灰尘和微生物，减少往复式空气压缩机活塞和气缸的磨损，减轻介质过滤除菌的负荷。常用的粗过滤器有油浸铁丝网、泊浸铁环和泡沫塑料等。,2，去除压缩空气中所带的油和水 空气中的微生物通常不单独游离存在，而依附在尘埃和雾滴上。因此，空气进入压缩机前应尽量除去尘埃和雾滴。空气中的雾滴不仅带有微生物，还会使空气过滤器中的过滤介质受潮而降低除菌效率，以及使空气过滤器的阻力增加。为此，必须设法使进入过滤器的空气保持相对湿度在5060左右。 从空气压缩机出来的空气，温度为120C(往复式压缩机)或150C(涡轮式压缩机)，其

50、相对湿度大大降低，如果在此高温下就进入空气过滤器过滤，可以减少压缩空气中夹带的水分，使过滤介质不致受潮。但是一般的过滤介质耐受不了这样高的温度。,压缩空气一般先通过冷却，降低温度，提高空气的相对湿度，使其达到饱和状态并处于露点以下，使其中的水分凝结为水滴或雾沫，从而将它们分离除去。冷却去水后，再将压缩空气加热，降低其相对湿度，使其未除去的水分不致凝结出来，然后进行过滤。 空气通过往复式压缩机的气缸后缩带来的油雾滴，同样会粘附微生物，降低过滤器的除菌效率及使过滤阻力增大，但通过冷却后可以和水一起分离除去。如果往复式压缩机采用半无油润滑或无油润滑，则可以大大降低压缩空气的油雾含量。,现将去除油、水

51、的工艺过程所需设备及其作用概述如下。 （1）一级空气冷却器 用30C左右的水，把从压缩机出来的120C或150C的空气冷却到4050C左右。 （2）二级空气冷却器 用9C冷冻水或1518C地下水，把4050C的空气冷却到2025C。冷却后的空气，其相对湿度提高到100%，由于温度处于露点以下，其中的油、水即凝结为油滴和水滴。 （3）空气贮罐 用以沉降大的油滴和水滴及稳定压力。 （4）旋风分离器 用以分离50m以上的液滴及部分较小的液滴。,（5）丝网除沫器 用以分离5m以上的液滴。使用丝网除沫器需控制好空气的流速，并不断去掉凝结下来的油水。在空气压力为0.2Mpa（表压）的情况下，最佳的空气流速

52、应为12ms(空床速度)，在此操作条件下可以去掉较小的雾滴。 （6）空气加热器 分离油、水以后的空气的相对湿度仍然为100，当温度稍微下降时(例如冬天或过滤器阻力下降很大时)就会析出水来，使过滤介质受潮。因此，还必须使用加热器来提高空气温度，降低空气的相对湿度(要求在60以下)，以免析出水来。 除空气预处理外，影响空气除菌的重要因素还有空气过滤器的过滤介质及操作。,生物工程工厂空气洁净设备： 空气除菌设备一般为常规分置的冷却、除油、除水、除油雾、加热、初、中、高效除尘、除菌等八项功能设备成系统。 （一）提供发酵罐较高压力的无菌空气设备（P131） 1、传统二级冷却、二次分油水、二级过滤系统：

53、2、现代的空气除菌系统如二级冷却、一次分油水、三级过滤系统：,（二）制药工厂空气洁净设备 A、空气过滤器 空气过滤器(Air Filter)是指空气过滤装置，一般用于洁净车间，洁净厂房，实验室及洁净室，或者用于电子机械通信设备等的防尘。 空气过滤器的主要性能指标 过滤精度 指允许通过的杂质颗粒的最大直径。影响过滤精度的关键是滤芯，可根据后面元器件的需要选择不同的滤芯，使其达到相应的过滤精度。 流量特性,指在一定的进口压力下，通过过滤器的空气流量与过滤器两端压力降之间的关系曲线，实际使用时，最好在压力损失小于0.03MPa的范围内选用。在空气过滤器中,影响流量特性的主要是本体和滤芯。 分水效率

54、指分离出来的水分与进气口空气中所含水分之比.一般要求空气过滤器的分水效率不小于80%.影响分水效率的主要是导流板。,空气过滤器的结构如右图所示 从进口流入的压缩空气,被引进导流板（2 ），导流板上有均匀分布的类似风扇扇叶的斜齿，迫使高速流动的压缩空气沿齿的切线方向产生强烈的旋转，混杂在空气中的液态水油和较大的杂质在强大的离心力作用下分离出来，甩到水杯（7）的内壁上，流到水杯的底部。除去液态水油和较大杂质的压缩空气，再通过滤芯（3）的进一步过滤，清除微小的固态颗粒，然后从出口输出清洁的压缩空气。伞形挡水板（5）将水杯分隔成上下两部分，下部保持压力静区，可以防止高速旋转的气流吸起杯底的水油。聚集在

55、杯底的水油从排水阀（8）放掉。空气过滤器必须竖直水杯向下安装。,B、洁净工作台 洁净工作台，是一种提供局部无尘、无菌工作环境的空气净化设备，并能将工作区已被污染的空气通过专门的过滤通道人为地控制排放，避免对人和环境造成危害，是一种安全的微生物专用洁净工作台，也可广泛应用于生物实验室、医疗卫生、生物制药等相关行业，对改善工艺条件，保护操作者的身体健康 ，提高产品质量和成品率均有良好的效果 洁净工作台结构：外壳、高效过滤器、静压箱、风机组、预过滤器、日光灯和紫外线灯、台面、电器元件。,垂直流洁净工作台,C、层流罩 洁净层流罩是一种可提供局部洁净环境的空气净化单元,可灵活地安装在需要高洁净度的工艺点

56、上方，洁净层流罩可以单个使用，也可多个组合成带状洁净区域。洁净层流罩是将空气以一定地风速通过高效过滤器后，形成均流层，使洁净空气呈垂直单向流，从而保证了工作区内达到工艺要求的洁净度。 洁净层流罩技术参数： 洁净度工作区断面风速在-mm/s时达级（FSD标准， 工作区内0.5um粒径的尘埃颗3.5颗/升）。 噪音：65dB 层流罩按结构分为有风机层流罩和无风机层流罩 有风机层流罩设备：预过滤器、负压箱、风机、静压箱、高效过滤器。 无风机层流罩设备：箱体和高效过滤器组成，进风取自净化空调系统。,第四节非标准设备的设计,1、非标准设备设计步骤： （1）材质选择 （2）容量确定 （3）设备数量确定 （

57、4）几何尺寸确定 （5）强度计算及壁厚确定 （6）搅拌功率计算 （7）支座选择 2、泡敌贮罐的设计（P136）,第五节设备一览表,1、设备一览表： 设备选型与设计完成后，按流程图序号，将所有设备逐一汇总成设备一览表。是设计说明书的组成部分，为施工设计和设备加工订货。 2、如何填写设备一览表： 按生产工艺流程顺序排列各车间设备；将各车间的设备按专业设备、通用设备、非标设备进行分类填写设备一览表。见P143,第五章车间布置设计 第一节 车间布置设计的依据与内容,生物工程工厂工艺设计主要有工艺流程设计、工艺计算（物料与热量衡算）、设备的工艺设计、车间布置和管道布置五个部分，都由工艺设计人员进行。 一

58、、车间布置设计：对厂房的配置和设备排列做出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑结构型式，以及各车间之间、工段之间的相互联系。 二、生物工程工厂车间的组成： 生产部分：原料工段、生产工段、成品工段、回收工段。 辅助部分：变电配电室、车间化验室、仪表控制室 生活行政部分：办公室、更衣室、休息室、值班室、浴室等,三、车间布置的依据 1常用的设计规范和规定 主要设计规范和规定的名称，详细内容见化工工艺设计手册（国家医药管理局上海医药设计院编，化学工业出版社，1986年）及有关的标准和规范。 国家行业规定的工厂规范如白酒工厂规范。 2.基础资料 对初步设计需要带控制点工艺流程图，对施工图设计需要管道仪表流程图； 物料衡算数据及物料性质； 设备一览表； 公用系统耗用量资料； 车间定员表； 厂区总平面布置图。,四、车间布置设计的内容 1、厂房整体布置和轮廓设计 1）、厂房边墙的轮廓、车间建筑轮廓、跨度、柱距和编号、楼层层高、车间分隔、洁净度划区。 2）、门、窗、楼梯位置 3）、吊装孔、预留孔、地坑等位置