生物工程工廠設計-物料衡算

1、紅霉素生產(chǎn)物料衡算1、紅霉素發(fā)酵工藝流程示意圖工藝流程如下： 沙土管包子 母瓶斜面培養(yǎng) 子瓶斜面培養(yǎng) 種子培養(yǎng)液 小罐種子液 中罐種子液 大罐發(fā)酵 放罐 放罐發(fā)酵液預處理 堿化（使ph為8.0-8.4） 板框過濾 濾液（加萃取溶媒） 輕液 結(jié)晶 洗水干燥 成品 檢驗 合格產(chǎn)品 包裝（不合格產(chǎn)品 回收)。一般紅霉素工藝如下圖所示： 空氣 原料 孢子 加壓 配料 斜面培養(yǎng) 冷卻 發(fā)酵 搖瓶培養(yǎng) 除水 堿化 一級種子 過濾 補 萃取 補 二級種子 料 料 豆油 離心 糖 丙醇 成鹽 水 淋洗 烘干 包裝銷售圖1：紅霉素生產(chǎn)工藝流程示意圖2、工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)（1）主要技術指標見表表1：紅霉素發(fā)酵

2、工藝主要技術指標指標名稱單位指標數(shù)指標名稱單位指標數(shù)生產(chǎn)規(guī)模mt/a1600二級種子罐通氣及取樣損失比s1%10生產(chǎn)方法發(fā)酵，萃取，成鹽一級種子罐通氣及取樣損失比s2%10年生產(chǎn)天數(shù)td/a330發(fā)酵罐接種比j0%14產(chǎn)品質(zhì)量µ1750u/mg二級種子罐接種比j1%14倒罐率r%3一級種子罐接種比j2%12發(fā)酵罐發(fā)酵周期t1h168發(fā)酵罐補料比i0%10二級種子罐發(fā)酵周期t2h28發(fā)酵罐裝料系數(shù)k0%87一級種子罐發(fā)酵周期t3h30二級種子罐裝料系數(shù)k1%84發(fā)酵液密度0kg/m31050一級種子罐裝料系數(shù)k2%84二級種子罐發(fā)酵液密度1kg/m31150放罐發(fā)酵單位µ2u

3、/ml6000一級種子罐發(fā)酵液密度2kg/m31200提取總收率n%84發(fā)酵罐通氣及取樣損失比s0%10表2：培養(yǎng)基配比（質(zhì)量分數(shù)）：成分大罐配比%中罐配比%小罐配比%補全料配比%淀粉5.001.801.804.380豆粉2.201.501.503.000玉米粉1.800.600.601.250氯化鈉0.650.300.301.630豆油0.500.600.600.880碳酸鈣0.650.500.500.063碳酸銨0.180.120.120.175生物氮0.800.000.000.000糊精0.001.201.201.500 （2）發(fā)酵罐補料情況丙醇：發(fā)酵后24小時開始補，開始補之前要取樣觀

4、察菌絲狀態(tài)，菌絲需呈網(wǎng)狀、展開，發(fā)酵液粘度達6s左右，補料前半小時去無菌樣品，與正點取樣相差12小時，2432h時間每4h補12l丙酮，33144h每小時補6l。糖：糖可以通過菌體代謝后而調(diào)節(jié)發(fā)酵液的ph值，也可以做為紅霉素放線菌的代謝碳源，大罐發(fā)酵30h時取樣測ph值，大罐補淀粉液化糖1.7t，淀粉0.3kg，在80°c左右保溫液化30min，一次消一到兩個罐的淀粉液化糖。油：本發(fā)酵工藝補油主要為豆油。發(fā)酵后24開始補，其實速率為4l/h，以后看液面調(diào)整補油速度。若液面高則應提前2h左右，每4h補6l，放罐前一個班每4h補10l。油用于消泡和提高碳源。水：放罐前兩個班補水，每噸水加

5、泡敵1l，玉米漿10l，30h左右根據(jù)液面補500-800t純水，如果發(fā)酵過程中發(fā)酵液體積偏少，每班需補100-200l純水。全料：6-8小時根據(jù)液面下降情況可補全料，補前半小時取樣。3、培養(yǎng)基總物料衡算（1）放罐成熟發(fā)酵液量：根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量µ1、放罐發(fā)酵單位µ2、提取總收率n、年生產(chǎn)天數(shù)t、倒罐率r，可計算生產(chǎn)1000kg成品所需的發(fā)酵液量。 v0（2）放罐成熟發(fā)酵液量v0分為三個部分組成：底料 v01=160×（1-i0-j0)=160×76%=121.6（m3）種液量 v02=160×j0=160×14%=22.4（m3）補料量

6、v03=160×i0=160×10%=16（m3）（3）二級種子罐種液量 v1由兩部分組成：底料 v11= v02÷（1- s1）×（1-j1）=22.4÷0.90×70%=17.42（m3）種液量 v12= v02÷（1- s1）×j1=22.4÷0.90×30%=7.47（m3）（4）一級種子干種液量v2由兩部分組成：底料 v21= v12÷(1-s2)×（1-j1）=7.47÷0.9×65%=5.39（m3）接種量 v22= v12÷(1-

7、s2)×j2=7.47÷0.9×35%=2.99（m3）（5）發(fā)酵罐底料的物料用量：發(fā)酵罐培養(yǎng)基配方×v01÷(1-s0)×0淀粉：m01=5%×v01÷(1-s0)×0=5%×121.6÷0.9×1050=7093.3（kg）豆粉：m02=2.2%×v01÷(1-s0)×0=2.2%×121.6÷0.9×1050=3121.1（kg）玉米粉：m03=1.8%×v01÷(1-s0)×0=

8、1.8%×121.6÷0.9×1050=2553.6（kg）氯化鈉：m04=0.65%×v01÷(1-s0)×0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.1（kg）豆油：m05=0.50%×v01÷(1-s0)×0=0.50%×121.6÷0.9×1050=709.3（kg）碳酸鈣：m06=0.65%×v01÷(1-s0)×0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.

9、1（kg）碳酸銨：m07=0.18%×v01÷(1-s0)×0=0.18%×121.6÷0.9×1050=255.4（kg）生物氮：m08=0.80%×v01÷(1-s0)×0=0.80%×121.6÷0.9×1050=1134.9（kg）糊精：m09=0.00%×v01÷(1-s0)×0=0（kg） （6）發(fā)酵罐補料物料用量：發(fā)酵罐補料培養(yǎng)基配方×v03÷(1-s0)×0淀粉：m31=4.38%×v03&

10、#247;(1-s0)×0=4.38%×16÷0.9×1050=817.6（kg）豆粉：m32=3%×v03÷(1-s0)×0=3%×16÷0.9×1050=560（kg）玉米粉：m33=1.25%×v03÷(1-s0)×0=1.25%×16÷0.9×1050=233.3（kg）氯化鈉：m34=1.63%×v03÷(1-s0)×0=1.63%×16÷0.9×1050=304.3

11、（kg）豆油：m35=0.88%×v03÷(1-s0)×0=0.88%×16÷0.9×1050=164.3（kg）碳酸鈣：m36=0.063%×v03÷(1-s0)×0=0.063%×16÷0.9×1050=11.76（kg）碳酸銨：m37=0.175%×v03÷(1-s0)×0=0.175%×16÷0.9×1050=32.7（kg）生物氮：m38=0.00%×v03÷(1-s0)×0=

12、0（kg）糊精：m39=4.5%×v03÷(1-s0)×0=1.5%×16÷0.9×1050=280（kg）（7）二級種子罐底料的物料用量：二級種子罐培養(yǎng)基配方×v11÷(1-s1)×1淀粉：m11=1.8%×v11÷(1-s1)×1=1.8%×17.42÷0.9×1150=400.7（kg）豆粉：m12=1.5%×v11÷(1-s1)×1=1.5%×17.42÷0.9×1150=333

13、.9（kg）玉米粉：m13=0.60%×v11÷(1-s1)×1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）氯化鈉：m14=0.30%×v11÷(1-s1)×1=0.30%×17.42÷0.9×1150=66.8（kg）豆油：m15=0.60%×v11÷(1-s1)×1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）碳酸鈣：m16=0.50%×v11÷(1-s1)&

14、#215;1=0.50%×17.42÷0.9×1150=111.3（kg）碳酸銨：m17=0.12%×v11÷(1-s1)×1=0.12%×17.42÷0.9×1150=26.7（kg）生物氮：m18=0.00%×v11÷(1-s1)×1=0（kg）糊精：m19=1.2%×v11÷(1-s1)×1=1.2%×17.42÷0.9×1150=267.1（kg）（8）一級種子罐底料的物料用量：一級種子罐培養(yǎng)基配方×

15、;v21÷(1-s2)×2淀粉：m21=1.8%×v21÷(1-s2)×2=1.8%×5.39÷0.9×1200=129.36（kg）豆粉：m22=1.5%×v21÷(1-s2)×2=1.5%×5.39÷0.9×1200=107.8（kg）玉米粉：m23=0.60%×v21÷(1-s2)×2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）氯化鈉：m24=0.30%×v21&#

16、247;(1-s2)×2=0.30%×5.39÷0.9×1200=21.56（kg）豆油：m25=0.60%×v21÷(1-s2)×2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）碳酸鈣：m26=0.50%×v21÷(1-s2)×2=0.50%×5.39÷0.9×1200=35.93（kg）碳酸銨：m27=0.12%×v21÷(1-s2)×2=0.12%×5.39÷0.9&

17、#215;1200=8.6（kg）生物氮：m28=0.00%×v21÷(1-s2)×2=0（kg）糊精：m29=1.2%×v21÷(1-s2)×2=1.2%×5.39÷0.9×1200=86.2（kg）（9）總物料用量：發(fā)酵罐補料物料用量+發(fā)酵罐補料物料用量+二級種子罐底料的物料用量+一級種子罐底料的物料用量淀粉：m1=m01+m31+m11+m21=8440.9（kg）豆粉：m2=m02+m32+m12+m22=4122.7（kg）玉米粉：m3=m02+m32+m12+m22=2963.6（kg）氯化鈉

18、：m4=m02+m32+m12+m22=1314.7（kg）豆油：m5=m02+m32+m12+m22=1050.3（kg）碳酸鈣：m6=m02+m32+m12+m22=1081.1（kg）碳酸銨：m7=m02+m32+m12+m22=323.4（kg）生物氮：m8=m02+m32+m12+m22=1134.9（kg）糊精：m9=m02+m32+m12+m22=633.3（kg）根據(jù)年生產(chǎn)1000kg成品發(fā)酵所需的原材料及其他物料的衡算結(jié)果，可求得年生產(chǎn)16000t成品所需的總物料、每日用量，以及大罐培養(yǎng)基，大罐補全料，中罐培養(yǎng)基和小罐培養(yǎng)基各自所需的物料總量、每日用量。如下表所示：表3：物料

19、衡算總表物料名稱生產(chǎn)1000kg物料量/kg1600t/a物料量/t每日物料量/t淀粉8440.913505.540.93豆粉4122.76596.420.0玉米粉2963.64741.814.4氯化鈉1314.72103.66.4豆油1050.31680.45.1碳酸鈣1081.11729.85.2碳酸銨323.4517.41.6生物氮1134.91815.95.5糊精633.31013.43.1表4：每年各種罐所需培養(yǎng)基原料量成分大罐中罐小罐補全料罐配比%含量/t配比%含量/t配比%含量/t配比%含量/t淀粉5.0011349.331.80641.061.80206.984.3801308

20、.16豆粉2.204993.711.50534.211.50172.483.000896玉米粉1.804085.760.60213.680.6068.991.250373.33氯化鈉0.651475.410.30106.840.3034.501.630486.83豆油0.501134.930.60213.680.6068.990.880262.83碳酸鈣0.651475.410.50178.070.5057.490.06318.82碳酸銨0.18408.580.1242.740.1213.800.17552.27生物氮0.801815.890.000.000.000.000.000.00糊精0

21、.000.001.20427.371.20137.981.500448表5：每天各種罐所需培養(yǎng)基原料量成分大罐中罐小罐補全料罐配比%含量/t配比%含量/t配比%含量/t配比%含量/t淀粉5.0034.391.801.941.800.634.3803.96豆粉2.2015.131.501.621.500.523.0002.71玉米粉1.8012.380.600.650.600.211.2501.13氯化鈉0.654.470.300.320.300.101.6301.48豆油0.503.440.600.650.600.210.8800.80碳酸鈣0.654.470.500.540.500.170.

22、0630.06碳酸銨0.181.240.120.130.120.040.1750.16生物氮0.805.500.000.000.000.000.000.00糊精0.000.001.201.301.200.421.5001.364、 發(fā)酵罐及種子罐體積和個數(shù)的確定（1）發(fā)酵罐體積確定：根據(jù)生產(chǎn)1000kg成品所需的發(fā)酵液量 v0=160m3，可得1600t成品所需發(fā)酵液量及每天放罐體積：v0總= v0×160=1600×160=256000m3v0每天=v0總÷330=256000÷330=775.8m3那么每天所需發(fā)酵罐總的容積為：v0容=v0每天

23、47;（1- s0）÷k0=775.8÷0.9÷0.87=990.8m3因此可選用200m3的發(fā)酵罐，那么每天放罐數(shù)為：n大=v0容÷200=990.8÷200=5（臺）考慮到大罐發(fā)酵周期為168h（7天），則需要的發(fā)酵罐總數(shù)為：n大總=5×7=35(臺）把35臺分別放入5個車間，每個車間7臺，每個車間每天放一個罐?？紤]到實際生產(chǎn)天數(shù)為6天即可，即6臺發(fā)酵罐，但為防止其中某個罐發(fā)生損壞影響生產(chǎn)，有一臺發(fā)酵罐作為備用，所以還是7臺。每天每個發(fā)酵罐實際放罐體積為：v大=200×（1- s0）×k0÷5=156

24、.6m3（2） 二級種子罐體積確定：根據(jù)生產(chǎn)1000kg成品所需二級種子罐發(fā)酵液量 v01=22.4m3，可得1600t成品所需二級種子罐發(fā)酵液量及每天放罐體積：v1總= v01×1600=22.4×1600=35840m3v1每天=v1總÷330=256000÷330=108.7m3所以每天每個車間生產(chǎn)種子體積為：v中每天=v1每天÷5=21.7m3那么每天每個車間所需二級種子罐總的容積為：v1容=v中每天÷（1- s1）÷k1=21.7÷0.9÷0.8=28.7m3因此可選用30m3的二級種子罐，那么

25、每天放罐數(shù)為：n中=28.7÷30=1（臺）所以每天每個中罐實際生產(chǎn)種子體積為：v小=30×（1- s1）×k1÷5=22.68m3考慮到中罐發(fā)酵周期為28h，共計兩天，則每個車間發(fā)酵罐的個數(shù)為2臺?？紤]到實際情況，如罐的損壞，每個車間多一臺，即3臺。所以5各車間需要的二級種子罐總數(shù)為：n中總=3×5=15(臺）（3） 一級種子罐體積確定：根據(jù)生產(chǎn)1000kg成品所需一級種子罐發(fā)酵液量 v11=7.47m3，可得1600t成品所需一級種子罐發(fā)酵液量及每天放罐體積：v2總= v11×1600=7.47×1600=11952m3

26、v2每天=v2總÷330=256000÷330=36.2m3所以每天每個車間生產(chǎn)種子體積為：v小每天=v1每天÷5=7.24m3那么每天每個車間所需一級種子罐總的容積為：v1容=v中每天÷（1- s2）÷k2=7.24÷0.9÷0.84=9.58m3因此可選用10m3的一級種子罐，那么每天放罐數(shù)為：n小=9.58÷10=1（臺）所以每天每個小罐實際生產(chǎn)種子體積為：v小=10×（1- s2）×k2÷5=7.56m3考慮到小罐發(fā)酵周期為30h，生產(chǎn)周期為兩天，則每個車間發(fā)酵罐的個數(shù)為2臺。由于小罐不需要通氣攪拌，一般不會損壞，故不需要備用小罐。所以5各車間需要的二級種子罐總數(shù)為：n小總=2×5=10(臺）（4） 補全料罐體積確定：根據(jù)生產(chǎn)1000kg成品所需一級種子罐發(fā)酵液量 v03=16m3，可得1600t成品所需一級種子罐發(fā)酵液量及每天放罐體積：v2總= v11×1600=16×1600=25600m3v2每天=v2總÷330=25600÷330=77.6m3所以每天每個車間所需補料體積為：v小每天=v1每天÷（1-s0）÷5=17.2m3所以每個車間可選用體積為20m3