[生物學(xué)]年產(chǎn)300噸低聚木糖工廠的設(shè)計

1、年產(chǎn)300噸低聚木糖工廠的設(shè)計江 南 大 學(xué)本科畢業(yè)論文年產(chǎn)300噸低聚木糖工廠的設(shè)計Design of a factory produced 300 t/a Xylooligosaccharides學(xué) 生： 專 業(yè)： 指導(dǎo)老師： 二三年六月目 錄第一章 緒論1第二章 全廠流程和生產(chǎn)工藝說明3第三章 全廠物料衡算63.1技術(shù)指標63.2全廠物料衡算63.3水電汽的耗量7第四章 全廠化工設(shè)備計算、設(shè)計及選型104.1原料處理工段104.2酶制取工段124.3寡糖制備提取工段25第五章 工廠布置說明及環(huán)境說明30致謝32附錄一 全廠設(shè)備一覽表33附錄二 主要參考文獻34附錄三 開題報告35附錄四

2、文獻及翻譯37摘 要低聚木糖亦稱木寡糖，屬功能性低聚糖族，是目前發(fā)現(xiàn)的最好的功能性低聚糖，具有促使雙歧桿菌增值，抑制病原菌，防止腹瀉、便秘、增強機體免疫力，抵制腫瘤和分解致癌物等功能，與其他功能性低聚糖相比，用量少，效果好，可用于糖尿病、肥胖癥、和高血壓等患者食用，有利于口腔健康，不引起齲齒等特點，廣泛用于食品、醫(yī)藥、和飼料工業(yè)。酶法制備低聚木糖的主要原料來源于農(nóng)業(yè)廢棄物，如玉米芯，實現(xiàn)了農(nóng)副產(chǎn)品的深加工，提高農(nóng)業(yè)附加值，而且保護了環(huán)境，促進了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)調(diào)整和農(nóng)村增收創(chuàng)收工作。本次實驗設(shè)計依據(jù)：年產(chǎn)量300t/a，全年生產(chǎn)天數(shù)300d/a,提取收率45%，木聚糖轉(zhuǎn)化率45%，木寡糖提取收率

3、65%，本設(shè)計采用酶解工藝，最終得到有效成分80%的成品。關(guān)鍵詞: 玉米芯 木寡糖 低聚糖 AbstractXylooligosaccharides(sugar oligomers made up of xylose units) are useful for a variety of purposes. There are the best ones among the functional oligosacharides . Xylooligosaccharides shows a remarkable potential for practical utilization in many

4、 fields,including pharmaceuticals, feed formulations and agricultural applications, but their most important market developments correspond to food-related applications. Compared with other functional oligosaccharides, They have some peculiarity as follows: little dosage, effective, used to someone

5、who get the disease such as diabetes, obesity, high blood pressure etc., benefited to the mouth cavity health, do not cause the tooth decayed and so on . It is extensive to used for the food, medicine and animal feed industry. This design is to uses the agriculture wastesCorn stalk, manufacture xylo

6、oligosaccharide by chemical-enzymatic methods. It protects the environment, but also improves the farmers income.The basis of this designs : the annual product is 300t, the annual production days are 300 .The rate of extraction is 45%. Xylans rate of conversion is 45%. Xylooligosaccharides rate of e

7、xtraction is 65%. This design lay emphasis on the chemical-enzymatic methods, .Eventually we can gain the availability more than 80%.key words: Xylooligosaccharide Corn stalkd5f0c16b60fd78e738da078e2621ee64.pdf第一章 緒 論1. 1木寡糖的總述木寡糖是功能性低聚糖家族中功能較好的一種，具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用。作為一種附加值高、市場前景看好的功能性食品添加劑，近年來引起了科技界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛的

8、關(guān)注，是目前國內(nèi)外竟相研究開發(fā)的功能性低聚糖之一1。一般認為，木寡糖是由木二糖至木十糖等組成的，其中以木二糖、木三糖為主要有效成分。木二糖（xylobiose）和木三糖（xyloteiose）分別由二個和三個木糖（D-xylose）以-1，4糖苷鍵相連而成，兩者均不能為人體消化吸收，但都是可發(fā)酵的糖類物質(zhì)，皆具有雙歧桿菌增殖功效。在自然界中，竹筍等天然植物中含有少量的木寡糖。另外，一部分植物半纖維素在人體大腸內(nèi)也可以分解轉(zhuǎn)化為木寡糖2。1. 2國內(nèi)外酶法制木寡糖工業(yè)概況目前，世界上只有少數(shù)國家實現(xiàn)了木寡糖的工業(yè)化生產(chǎn)。在日本，木寡糖被認為是最有前途的功能性低聚糖之一1，已實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)并廣泛應(yīng)

9、用，目前其產(chǎn)量已超過1500噸。經(jīng)日本保健食品學(xué)術(shù)委員會審定，厚生省第64號許可證認定木寡糖為特定保健用食品添加劑。日本市場上銷售的木寡糖產(chǎn)品是三得利公司酶法生產(chǎn)的木寡糖，有以下四種產(chǎn)品形式：木寡糖70（液體），2500日元/；木寡糖35（粉末），3000日元/；木寡糖20（粉末），1900日元/；（數(shù)字表示木寡糖對總糖含量百分數(shù)），片劑（1.4gX48粒，木寡糖含量25%），每盒單價1580日元14，且已經(jīng)應(yīng)用于飲料和調(diào)味醋等產(chǎn)品。此外，三得利公司還有一種膠囊型產(chǎn)品名為OLIGO+C，即由木寡糖與維生素C復(fù)配而成的保健品。其他關(guān)于木寡糖的研究仍以日本為多。如野口等人用紙漿漂白用的芽孢桿菌木聚

10、糖酶來制備木寡糖，又如荒木等用產(chǎn)堿桿菌（Alcaligenes）生產(chǎn)的-1，3-木聚糖酶。其他國家的研究較少，法國Patrice Pellerin等用梭狀芽孢桿菌（Clostridium）的木聚糖酶從玉米芯制備木寡糖3，最近在網(wǎng)上查到歐共體的一篇具體資助項目的木寡糖的研究發(fā)展計劃（19982001），建議從農(nóng)林業(yè)的廢氣物，如玉米芯、麩皮、啤酒糟、桉樹中提取木聚糖，再用物理、化學(xué)或生物技術(shù)方法制備木寡糖和木糖醇，并開展應(yīng)用于藥物和食品工業(yè)的研究，特別提出了要進行木寡糖的純化，結(jié)構(gòu)特征及其作為抗炎藥或抗腫瘤劑生物活性量化的研究。我國木寡糖的生產(chǎn)總體還處于研制階段，目前僅有小規(guī)模生產(chǎn)線進行少量產(chǎn)品的

11、生產(chǎn)，但生產(chǎn)技術(shù)基本趨于成熟。1997年蔡靜平4等報道了真菌分解玉米芯生產(chǎn)木寡糖的研究。19992000年吳克5，洪楓6，袁其朋7，楊瑞金8等陸續(xù)報道了他們制備木寡糖的研究結(jié)果。1. 3制備木寡糖幾種方法的比較 制備木寡糖的原料為木聚糖，它是植物半纖維素的主要組成部分，是自然界中繼植物纖維素后的含量第二豐富的可再生多糖。木聚糖在玉米芯、甘蔗渣、棉子殼和燕麥、樺木等農(nóng)林產(chǎn)品中含量相對較高，平均可達30%左右9。木聚糖存在于植物細胞的細胞壁中，與其他的一些成分以一定的方式相互作用。在木寡糖生產(chǎn)過程中，這些成分會防礙木聚糖與木聚糖酶之間的作用，從而降低木寡糖形成速率和最終產(chǎn)品得率，因此在進行木聚糖水

12、解之前，必須對原料進行有效地處理，提取出木聚糖。木聚糖的制備方法通常有以下幾種： 直接高溫蒸煮提取木聚糖：Saska等10在1995年提出的直接高溫蒸煮提取法是利用木聚糖含有的乙酰基側(cè)鏈在高溫蒸煮時脫乙酰，形成乙酸，從而使體系的pH值下降，木聚糖分子發(fā)生自水解而溶解度增加。但高溫蒸煮法的提取液中還原糖與總糖之比較低，不利于木寡糖的生產(chǎn)，且其它副反應(yīng)隨溫度變化而較明顯。堿法提取木聚糖：日本的Isao Kusakabe在酶法制備木聚糖的研究中對原料預(yù)處理進行了研究，采用不同稀堿溶液提取木聚糖，取得了較好的結(jié)果。酸法提取木聚糖：目前，酸法提取木聚糖已成功用于木糖生產(chǎn)。但酸法提取木聚糖存在較大的缺點，

13、比如提取液中木糖比例很高，不能滿足木寡糖的生產(chǎn)要求；在提取過程中會產(chǎn)生許多副反應(yīng)并生成一些可能的致癌物質(zhì)，從而影響到終產(chǎn)品的安全性。楊瑞金等在高溫蒸煮法的基礎(chǔ)上提出酸預(yù)處理后濕法蒸煮的方法，副反應(yīng)大大降低，且工藝為可行。1. 4設(shè)計目的本設(shè)計將提供一套較為可行的年產(chǎn)300噸木寡糖生產(chǎn)線。通過本設(shè)計，對業(yè)已成熟的木聚糖酶發(fā)酵工藝及酶法制備低聚木糖的工藝進行整合，使之形成從原料處理、發(fā)酵產(chǎn)酶、酶法水解、產(chǎn)物精制等完整的可行的木寡糖生產(chǎn)線；通過本設(shè)計，著重解決制約酶法制備木寡糖生產(chǎn)工藝實施的原料預(yù)處理問題，將使用多效直接濃縮方式替代木聚糖提取方法中的酒精沉淀的通用工藝。使用膜法分離技術(shù)，組合運用納濾

14、、超濾等手段實現(xiàn)木寡糖的精制。30d5f0c16b60fd78e738da078e2621ee64.pdf第二章 全廠工藝流程和生產(chǎn)工藝說明2. 1流程原料處理 酶制備 提取玉米芯 斜面菌種 殺 酶 粉 碎 一級培養(yǎng) 脫色罐 浸 泡 種子罐 過 濾 堿液提取 發(fā)酵罐 濃 縮 固液分離 絮 凝 噴霧干燥 濃縮濾液 酶解罐 成品包裝 2. 2工藝流程說明2.2.1原料處理工段將玉米芯粉碎至13mm大小的顆粒，按1：10加水在100 下浸泡30min ,濾去水，再加5%的堿液至原處，浸泡30min。離心機固液分離，得含木聚糖的濾液，用鹽酸調(diào)PH到中性，蒸發(fā)濃縮。2.2.2菌種擴大培養(yǎng)工段2.2.2.

15、1實驗室培養(yǎng)菌種的培養(yǎng)稱40g削皮、切塊馬鈴薯，放入燒杯中，加200ml去離子水，煮30min，取濾液，用去離子水定容至200ml；稱10g麩皮放入燒杯中，方法同馬鈴薯一樣。對馬鈴薯、麩皮蒸煮液不同配比以及馬鈴薯液與葡萄糖混合，分別加入1.5%瓊脂，殺菌作斜面，在超近臺中接種，在35水浴式培養(yǎng)箱中培養(yǎng)3d左右，可得到菌種備用。 酶液的制備在500ml放入2g木聚糖，加入用去離子水按1.4%牛肉胨、3%酵母提取液、1.0%磷酸二氫鉀和0.05%硫酸鎂配成的培養(yǎng)液100ml，殺菌。在無菌超凈臺中接入菌種23環(huán)，在35空氣搖床中培養(yǎng)4d，可得酶液，測酶活并置于4冰箱中保存?zhèn)溆谩?.2.2.2種子車間

16、培養(yǎng) 種子罐裝液量為162.5L（25065%），所有原料在調(diào)漿罐溶解后，通過活塞泵輸入種子罐，滅菌條件為0.1MPa，30min接種管道充分滅菌后保壓（0.1MPa），在無菌條件下從接種口接入搖瓶種子液，接種量2%，培養(yǎng)溫度3637，培養(yǎng)時間為8h。 發(fā)酵采用5m3罐，裝料量3250L。滅菌條件相同（0.1MPa，30min）種子罐向發(fā)酵罐中的接種量為5%（162.5L），通過接種站加入。發(fā)酵溫度控制在3237，通氣量為1:0.51:1.0，攪拌轉(zhuǎn)速200400轉(zhuǎn)/分，罐壓0.1MPa，發(fā)酵時間16h。2.2.3 糖化工藝將溶解好的漿液打入糖化罐，攪拌下加入活力為800IU/ml酶液20 L

17、，水解溫度55（盤管蒸汽加熱維持溫度），時間為816h，DSN法測定還原糖，還原糖達到5 %時煮沸滅酶終止反應(yīng)。2.2.4提取工藝2.2.4.1中和脫色過濾滅酶的糖化液用板框過濾除去殘渣，泵入20m3脫色罐，攪拌下加入HCl進行中和，調(diào)至pH6。脫色在上述脫色罐內(nèi)進行。加入活性炭0.20.5%，降溫并保溫在80，脫色3060 min，打入板框過濾機趁熱過濾除炭。濾液進入25m3儲罐。2.2.4.2超濾濾液經(jīng)板框過濾后用超濾器進行精濾（超濾膜截留分子量23萬），除去大分子雜質(zhì)，操作溫度4050，超濾壓力0.30.5Mpa。濾液糖濃度5%左右。濾液進入儲罐。2.2.4.3納濾濃縮采用納米級膜過濾器

18、進行濃縮，濃縮35倍，使糖液濃度從5%提高到1520%，同時除去小分子物質(zhì)（鹽、單糖）。糖液與小分子溶液分別進入各自儲罐。2.2.4.4噴霧干燥用噴霧干燥器噴霧干燥即得到白色粉末狀木寡糖。糖化工藝轉(zhuǎn)化率45%以上，總提取收率65%以上（收率的定義為寡糖對原料多糖的收率）。2.2.5包裝工藝濃縮液從儲罐放料口放入塑料桶包裝糖粉吸潮性很強，盡快用塑料袋包裝d5f0c16b60fd78e738da078e2621ee64.pdf第三章 全廠物料衡算3. 1技術(shù)參數(shù)發(fā)酵周期 16h 發(fā)酵罐裝料系數(shù) 65%發(fā)酵酶活 800IU/ml 木聚糖提取收率 45%生產(chǎn)周期 24h 木聚糖轉(zhuǎn)化率 45%生產(chǎn)天數(shù)

19、300d/a 木寡糖提取收率 65%原料含量 35% 產(chǎn)品質(zhì)量指標 有效成分 80%年產(chǎn)量 300t3. 2全廠物料衡算3.2.1原料處理工段3.2.1.1寡糖轉(zhuǎn)化量以年產(chǎn)300t木寡糖設(shè)計計算，產(chǎn)品有效成分80%，寡糖提取收率65%。則由木聚糖轉(zhuǎn)化成木寡糖的量為30080%65%=369.2 t3.2.1.2木聚糖實際需求量木聚糖酶酶解木聚糖轉(zhuǎn)化為木寡糖，其轉(zhuǎn)化效率為45%（已考慮到木寡糖的精制過程的損失）。 369.245%=820.5t3.2.1.3玉米芯耗量根據(jù)工藝技術(shù)研究，木聚糖提取率一般在4050，提取率受原料含量等因素影響。本設(shè)計按照45%計算，原料玉米芯含半纖維素35（主要成分

20、為木聚糖）。820.545%=1823.4t 1823.435%=5209.6t設(shè)計處理量5500t/a, 生產(chǎn)天數(shù)300d/a玉米芯的日消耗量為：5500300=18.3t/d3.2.1.4提取罐數(shù)量的確定18.3t玉米芯按1：10加水，約得220m3醪液。裝料系數(shù)65%， 22065%=338.5m3單罐日處理3批，采用6個20m3反應(yīng)罐。單罐有效容積：206513 m33.2.1.5濾液儲罐數(shù)量的確定木聚糖含量的計算18.335%45%=2.88t離心后，濾液的體積約為190m3木聚糖含量=2.88t190m3=15.17g/l濃縮后的體積木聚糖在酶解罐中酶解時濃度應(yīng)在2050g/l之間

21、。取45g/l ， 則有2.88103 45=64 m3采用三效或多效濃縮設(shè)備，將濾液濃縮至64 m3填料系數(shù)為90% 64 90%=71.11m3取2個40 m3的濾液罐。3.2.2 酶制取工段每日消耗酶制劑計量：發(fā)酵酶活力為800IU/ml,糖化用酶濃度為800IU/g底物，則每日用酶量為2.88800800=2.88 m3/d3.2.3 糖化提取工段糖化罐數(shù)量的確定：每日處理木聚糖的體積64 m3，需酶量2.88 m3，填料系數(shù)65%（64+2.88）65%=102.9 m3需要25 m3糖化罐4個，考慮到生產(chǎn)余量及生產(chǎn)設(shè)備故障等備用設(shè)置5個糖化罐取高徑比H：D=1.5：13. 3水、電

22、、汽的耗量3.3.1水耗量的計算3.3.1.1原料處理工段耗水量（m3/d）配料用水提取罐中按1：10浸泡玉米芯，用水183m3/d。排去水加5%的堿液繼續(xù)浸泡，約耗水128 m3/d。設(shè)備清洗用水 僅作簡單清洗，取罐體積的10，為15m3。則原料處理工段用水總量約為 183+12815=326 m3/d。3.3.1.2酶發(fā)酵工段耗水量（m3/d）配料用水：種子罐 0.2 m3/d；發(fā)酵罐 4.0 m3/d 冷卻：發(fā)酵罐冷卻水為1.56t/hr（參見第四章有關(guān)計算），發(fā)酵周期16小時，需冷卻水26 m3/d。種子罐約為3 m3/d。每批發(fā)酵冷卻水共需28 m3/d。清洗用水設(shè)備清洗用水，取罐體

23、積的30%,為 5.25301.6 m3/d；車間清洗，每日三次，每次2 m3，需 6 m3/d。酶發(fā)酵工段日耗水量4.229+7.639.8 m3/d3.3.1.3酶解及提取工段（m3/d）板框過濾清洗水 約需要5 m3/d；膜清洗水 每個膜過濾器日需清洗3次，每次用水1.5 m3，共需431.518 m3/d其他設(shè)備及管道清洗 3 m3/d酶解及提取工段總用水量為：5+18+326 m3/d3.3.1.4 鍋爐用水日耗用蒸汽量為86.6 m3，鍋爐房耗用水量取蒸汽量的1.5倍，則日需水 130 m3。車間總體耗用水量為：(326-41.7)+39.8+26+130480 m3。3.3.2

24、蒸汽耗量培養(yǎng)基及設(shè)備管道滅菌耗用蒸汽量，取裝液量體積的20。即4.2200.84 m3提取工段加熱耗用蒸汽每kg物料從30升溫至100需用蒸汽為：4.27022000.134 kg提取所需用水為311m3，需用蒸汽3110.13441.7 m3濃縮木聚糖的蒸汽耗量： 蒸發(fā)的水量190-64=126 m3 ，采用三效蒸發(fā)器，其設(shè)備耗用蒸汽性能為（D/W）min=0.225，實際生產(chǎn)取D/W=0.35，則蒸汽耗量為1260.35=44.1 m3日耗用蒸汽總量為：0.84+41.7+44.186.6 m3選用6噸鍋爐。3.3.3 裝機容量與電耗設(shè)備裝機功率(kw)并發(fā)運行功率（Kw）平均工作時間（h

25、/d）計算功率(kw.h/d)粉碎機組1515690提取工段90303270離心機組55.5376330濃縮機組1010660發(fā)酵工序8.68.616138空氣系統(tǒng)121220240酶解工序30158240脫色4515290膜過濾303020600噴霧干燥50504200過程泵33186198鍋爐505015750合計290.63206功率因子取0.5，實際日耗用動力為32060.51603Kw.h由于各動力設(shè)備不是同時運行，最大負荷容量為290kw,工廠總裝機容量為350kw。第四章 全廠化工設(shè)備計算、設(shè)計及選型4. 1原料處理工段4.1.1工藝流程玉米芯 粉碎 浸泡 5%堿液 固液分離 濃

26、縮濾液4.1.2設(shè)備的選型、設(shè)計及計算4.1.2.1粉碎機的選型玉米芯的日處理量為18.3 t / d，每天工作8小時。18.38=2.3 t / h考慮工業(yè)放大，選擇工作能力4 t / h的粉碎機。要求粉碎結(jié)果為直徑1mm3mm的顆粒。4.1.2.2提取罐的設(shè)計 材質(zhì)選擇 提取罐在原料浸泡時，需要使用5氫氧化鈉，考慮到防腐，采用316L不銹鋼板制作。 幾何尺寸的確定 提取罐設(shè)攪拌，取平蓋，橢圓封底，兩檔槳式攪拌。 由前面計算可知，每天將處理220 m3料液，填料系數(shù)65%， 22065%=338.46 m3 采用三班制，每班一批，單批處理量為:338.46 3=112.83 m3 取6個20

27、m3的提取罐 取高徑比H / D=2 / 1，單罐體積： V=112.83/6=18.8 m3 v1=D2H/4 +D3/24=18.8 D=2.23 m 圓整到推薦的系列值D=2200mm H=4500mm查附錄一表15 封頭高度：h1=550mm 直邊高度h2=50mm封頭面積5.57m2 容積V封=1.58m3校核容積V實V實=V筒+V封=0.7852.224.55+1.58=18.9 m3 18.8 m3V實V 滿足要求壁厚的確定 提取罐為低壓容器，參照發(fā)酵工藝原理附錄一表13，確定壁厚8mm。攪拌功率計算 攪拌軸功率 P=3.5d5n3/ 102(kw) 式中3.5常數(shù)（雙漿式45角

28、攪拌器）d 攪拌器直徑 d=D/3=0.73mn 攪拌器軸轉(zhuǎn)速 n=125 r/min 溶液重度 =1150kgf/ m3 117.2N/m3 攪拌器檔數(shù) =2102 轉(zhuǎn)換系數(shù),由kgm/s kwP=15kwpg=kp/=25kw式中k附加消耗功率系數(shù)，取1.5傳動效率，取0.9p軸功率（kw）依此查有關(guān)手冊，結(jié)合轉(zhuǎn)速，選擇合用的電機。支座選擇選用支撐式支座，主要接管管徑確定人孔取Dg=500mm，標準圖號JB583-64-4進水管取Dg=80mm出料管取Dg=80mm其他配件按照標準件選用。4.1.2.3離心機的選型由于物料處理量大，固形物含量高，選用SG型三足式刮刀下卸料調(diào)速離心機。該離心

29、機具有物料適應(yīng)性強，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、勞動強度低等優(yōu)點。料液從頂部與主軸同軸線的加料管連續(xù)加入布料盤上，固相物料留在濾網(wǎng)內(nèi)側(cè)、料層厚度由專門的限位器控制，洗滌液通過洗滌管加入，脫液完畢，轉(zhuǎn)鼓降速用刮刀將固相物料刮落下來從轉(zhuǎn)鼓上出料口卸出。SGl250型號有關(guān)性能參數(shù)如下：轉(zhuǎn)鼓內(nèi)徑 1250mm ；轉(zhuǎn)鼓高度 500mm ；轉(zhuǎn)鼓容積 250L 裝料限量 310kg ；轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速 0-900r/min ；分離因數(shù) 550 電機型號 YZTv62-4L ，功率 18.5KW， 轉(zhuǎn)速 01200r/min ；外形尺寸-(長寬高) 25871900 2335 4.1.2.4三效蒸發(fā)器濃縮量計算與選型工藝要求

30、的物料濃縮量為126m3，選用型號JMZ-20，蒸發(fā)量20000kg/hr的三效濃縮器。其生蒸汽消耗量4500kg/hr，各效真空度：第一效 0mmHg，第二效448 mmHg，第三效640 mmHg，各效蒸發(fā)溫度：第一效 99，第二效76，第三效53。4.1.2.5濾液儲罐的設(shè)計填料系數(shù)為90% 64 90%=71.11 m3取2個40 m3的濾液儲罐。高徑比H / D=2 / 1 v=71.11/2=35.56 v1=D2H/4 +D3/24=35.56 D=2.75 m 圓整到推薦的系列值D=2800mm H=5500mm查附錄一表15 封頭高度：h1=700mm 直邊高度h2=50mm

31、封頭面積8.91m2 容積V封=3.18m3校核容積V實V實=V筒+V封=0.7852.82 5.45+3.18=36.72 m3 35.56m3V實V 滿足要求壁厚的確定 貯罐為常壓容器，確定壁厚8 mm。4. 2酶制取工段4.2.1工藝流程斜面菌種 一級培養(yǎng) 二級種子罐培養(yǎng) 發(fā)酵罐 絮凝4.2.2設(shè)備的選型、設(shè)計及計算4.2.2.1發(fā)酵罐的設(shè)計選型：采用機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。容積的確定：填料系數(shù)取65% V0=2.88 65%=4.43 m3采用5m3的發(fā)酵罐一只，全容積6.27 m3主要尺寸的計算i公稱直徑的確定：一般徑高比為1:23。考慮到酶發(fā)酵泡沫多，易染菌。因此采用徑高比小的較好。取

32、徑高比為1:3，公稱容積為5m3 ，材料為不銹鋼。V全= V筒 +2V封=0.785D23D+2D3 / 24=6.27D=1.34m H=4.01m經(jīng)圓整后，取D=1300mm,H=4000mm。ii封頭：采用標準橢圓型封頭，查(吳思方主編)附表15得封頭的主要尺寸為：曲面高度h1=325mm，直邊高度h2=25mm，內(nèi)表面積1.93m2，容積0.321m3，壁厚8mm。iii實際容積校正： 發(fā)酵罐計算容積：V實=V筒 +2V封=D2H計/4+20.321=6.95m3 V實=V全實際裝液面高度：V液 =565%=3.25m3 L液 =(V裝液 -V封頭)/S圓筒=4(3.25-0.321)

33、/ (3.141.32) =2.2(m)iv壁厚計算：罐滅菌壓力2atm，罐設(shè)計受壓3atm(表壓)，材料：不銹鋼。S=PD/230-P-P+C式中：P-罐受壓(表壓，kgf/cm2)，P=3 D-罐徑(mm)，D=1300 -焊縫系數(shù)，=0.8 -鋼允用應(yīng)力，不銹鋼=35/4 C-腐蝕余度(mm)，C=4S=31300/(230350.8/4-3)+4=6.43mm。經(jīng)圓整，取壁厚8mm。 攪拌器設(shè)計及攪拌功率的計算。 考慮到發(fā)酵罐徑高比比較小。為了使發(fā)酵液充分混勻，保持均一。根據(jù)經(jīng)驗，酶制劑廠一般都采用渦輪式攪拌器，本次設(shè)計采用六彎葉渦輪攪拌器。攪拌器主要尺寸計算該攪拌器的各部尺寸與罐徑D

34、有一定的比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列如下：攪拌器葉徑=D內(nèi)3=1.33=0.433(m)，取d=0.45m=450mm葉寬B=0.2d=0.2450=90mm 取B=90mm弧長l=0.375d=0.375450=169mm 取l=170mm底距c=D3=13003=433mm 取c=450mm盤徑di=0.75d=0.75450=338mm 取dl=340mm葉弦長L=0.25d=0.25450=112mm 取L=110mm彎葉板厚 S=12mml 檔數(shù)確定 經(jīng)計算，設(shè)計第一檔攪拌漿距罐底的高度為500mm。第二檔的高度為1000mm，第三檔高1500mm。液體裝液高度2200mm。因此采用三檔

35、攪拌。第三檔葉片離液面的距離為700mm。l 轉(zhuǎn)速校正根據(jù)經(jīng)驗：50L的發(fā)酵罐攪拌器直徑112mm，轉(zhuǎn)速N1=470r/min，以P0/V為基準放大。求得：N2=N1(D1/D2)2/3= 470(112/450)2/3=186r/minl 攪拌軸功率的計算（用修正的邁凱爾式求攪拌功率）計算Rem：Rem=D2N式中：D攪拌器直徑(m)，D=0.450N攪拌器轉(zhuǎn)速(r/s)，N=186/60=3.1醪液密度(kg/m3)，取=1050醪液粘度(N.s/m2)，=1.310-3Rem=0.4523.11050/(1.310-3)=5.07105104視為湍流，則攪拌功率準數(shù)Np=4.7l 計算不

36、通氣時的攪拌軸功率P0P0/=NpN3D5式中：Np在湍流攪拌狀態(tài)時，其值為常數(shù)4.7N攪拌速率，N=186r/min=3.1r/sD攪拌器直徑，D=0.45m醪液密度，=1050kg/m3P0/=4.73.130.4551050=2712.9W=2.71KW三檔攪拌：P0=3P0/=32.71=8.12KW。l 計算通氣時的軸功率Pg：Pg=2.2510-3(P02ND3/Q0.08) 0.39式中：P0不通風(fēng)時的攪拌功率(KW)，P0=8.12。N軸轉(zhuǎn)速(r/min)，N=186D攪拌器直徑（cm），D=45cm。Q通風(fēng)量（ml/min）本次工藝中通風(fēng)比=0.251.0vvm。取最小設(shè)計通

37、風(fēng)比為0.25vvm。(如通風(fēng)量變大Pg變小，安全。)Q=565%0.25106=8.1105(ml/min)Pg=2.2510-38.122186453/（8.1105） 0.080.39=4.97KWl 求電機功率P電：P電= Pg/1231.01采用三角帶轉(zhuǎn)動效率1=0.92滾動軸承效率2=0.99滑動軸承效率3=0.98端面密封增加的功率為1%P電=4.971.01/(0.920.990.98)=5.62(KW)電機功率選擇7.5KW。軸徑計算：l 按扭轉(zhuǎn)強度計算軸上最大剪應(yīng)力軸材料允許的剪應(yīng)力。即max=M(扭轉(zhuǎn))/Wn推得：dA(N/n)(1/3).式中：d所求軸徑（cm）N軸傳遞

38、功率（馬力），N=61.34=8.04（馬力）n軸的轉(zhuǎn)速（r/min），n=186A隨許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力n變化而變化的系數(shù)。選用1Cr18Ni9Ti為材料，查得A=12.2，n=150250kg/cm2d12.2(8.04/186)1/3=4.28cml 按扭轉(zhuǎn)剛度計算：應(yīng)滿足軸上最大扭轉(zhuǎn)角度許用的扭轉(zhuǎn)角度。可得dB(N/n)1/4式中：d所求的軸徑（cm）N軸傳動功率（馬力），N=8.04(馬力)n軸的轉(zhuǎn)速（r/min），n=186B傳動系數(shù),該傳動為一般傳動，取=1/2查得B=10d10(8.04/186)1/4=4.56cm綜上所述，設(shè)計軸徑為50mm。 冷卻面積的計算l 熱負荷q熱負荷q=生

39、物合成熱q1+攪拌熱q2汽化熱q3輻射熱q4。l 合成熱q1根據(jù)實際測定，每立方米發(fā)酵液每小時最大發(fā)熱量為40004.18KJ/m3hq1=565%40004.18=130004.18KJ/hl 攪拌熱的計算q2根據(jù)經(jīng)驗公式q2=P8604.187.式中：P-電機功率(在前面攪拌器設(shè)計中已計算)，P=6kw。q2=68604.187=51604.187KJ/hrl 汽化熱q3=G/(I2-I1)。式中： G/ ：工作狀態(tài)下通入發(fā)酵罐的空氣質(zhì)量流量(kg絕對干氣/hr)。 I1：發(fā)酵罐空氣進口熱焓(KJ/kg). I2：發(fā)酵罐空氣出口熱焓(KJ/kg).a.空氣比容計算進罐空氣狀態(tài)：t7=32，

40、X7=0.00492kg水/kg干空氣，P7=1.5atm。VH/=(0.772+1.244X7)T7P0/（T0P7）=(0.772+1.2440.00492)3051/（2731.5） =0.5796m3 /kg干空氣.通風(fēng)比為0.251vvm。取最小通風(fēng)比時，q3值最小，從而得到q總值最大，可以滿足其它通風(fēng)比。因此取通風(fēng)比為0.25vvm。b.干空氣流量計算G/=565%0.25/0.5792=1.403kg/min=84.12kg/hr.出罐空氣狀態(tài)： t8=32，P8=1.5atm，Ps8=0.043atm，8=100%。所以出罐空氣相對濕度X8：X8=0.6228Ps8/(P8-8

41、Ps8)=0.62210.043/(1.5-0.0431) =0.01836kg水/kg干空氣. c.熱焓計算 I=(1.01+1.88H)t+2490H.式中：t：空氣溫度() H：空氣濕含量(kg水/kg干空氣) ，H=X進罐空氣熱焓， I1=(1.01+1.88X7)t7+2490X7=(1.01+1.880.00492)32+24900.00492=44.87KJ/kg干空氣。出罐空氣熱焓， I2=(1.01+1.88X8)t8+2490X8=(1.01+1.880.0184)32+24900.01836=79.14kJ/kg干空氣.q3=G/(I2-I1)=84.12(79.14-4

42、4.87)=2882.79(kJ/hr)。l 輻射熱q4計算根據(jù)經(jīng)驗q4=10%(q1+q2-q3) =10%(130004.187+51604.187-2882.79)=7315.31KJ/hrl 熱負荷q總計算 q總=q1+q2-q3-q4=130004.187+51604.187-23062.34-7315.31=45658.27kJ/hrl 傳熱面積F3計算冷卻水用河水，進口溫度20，出口溫度為27，冷卻水用量W=q總/C水t=45658.27/4.187(27-20)=1.56t/hr。發(fā)酵液：3232冷卻水：2027t1=32-20=12，t2=32-27=5。tm4=(t1-t2

43、)/ln(t1/t2)=(12-5)/ln(12/5)=8.0傳熱系數(shù)取5004.187kJ/m2hr。傳熱面積F3=q總/(Ktm4)=45658.27/(5004.1878.0)=2.72m2 l 冷卻面積的計算：根據(jù)計算和資料介紹，當罐的容積V5m3，用夾套冷卻，可滿足生產(chǎn)要求，如容積大于5m3，則隨著比表面積的減小，而無法滿足生產(chǎn)要求。另外，采用夾套冷卻雖然傳熱效果不甚好，但可保證罐內(nèi)光潔、易清理，不易染菌，在實際生產(chǎn)中仍為大家樂于采用。現(xiàn)設(shè)計-用夾套冷卻。a 發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：q總=45658.27kJ/hrb夾套傳熱系數(shù)：K=4.187(150250)KJ/(m2.hr.)現(xiàn)取k=

44、4.187250 KJ/(m2.hr.)c平均溫差：發(fā)酵溫度：32，水初溫在2023之間，取水初溫：20，水終溫：27。t1=32-20=12，t2=32-27=5tm5=(t1-t2)/ln(t1/t2)=(12-5)/ln(12/5)=8.0d換熱面積F5：F4=Q總/(Ktm5)=45658.27/(2504.1878.0)=5.45m3e計算夾套冷卻面積：按靜止液體高度確定夾套高度。靜止液體浸沒筒體高度：H0=(V醪-V封)/S罐=(565%-0.321)/(1.32/4)=2.21(m)裝液高度HL=H封+H0=2.21+0.325+0.025=2.56m=2560mm夾套可能實現(xiàn)的

45、冷卻面積為封頭表面積S封與圓筒被液體浸沒的筒體外表面積S筒之和。S夾=S筒+S封=DH0+S封=3.141.32.21+1.93=10.95(m2)傳熱需要的面積F4=5.45m2，該設(shè)計夾套能提供的冷卻面積為S夾=10.95m2。S夾F4，可滿足工藝需求。材料選擇：考慮到不銹鋼表面比A3鋼光潔，對生產(chǎn)有利，故采用不銹鋼壁厚計算： 對于夾套的容器，應(yīng)按外壓容器計算壁厚。考慮到冷卻水壓力與容器內(nèi)的壓力有不同時存在的情況，取水壓作為容器外壓。確定外壓容器壁厚的方法有三種：計算法，圖算法和查表法。其中查表法得出的值，比計算法和圖算法求出的兩值大。i用計算法求夾套內(nèi)罐的壁厚。S=D mPL/(2.6E

46、D)0.4+C式中：D設(shè)備的公稱直徑，D=130cm。m外壓容器的穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)備的起始橢圓度有關(guān)，在我國，m=3。P設(shè)計壓力與水壓有關(guān)，P=0.4MPa。E金屬材料的彈性模量，不銹鋼取2105。C壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18。L筒體長度， L=400cm。將數(shù)值代入公式S=13030.4400/(2.62105100)0.4+0.18=1.44cm根據(jù)經(jīng)驗，取S=8mm就已足夠。ii封頭的厚度：取封頭厚度為10mm。iii夾套壁厚：根據(jù)經(jīng)驗：當D內(nèi)在700-1800mm時，D套=D內(nèi)+100所以，D套=D內(nèi)+100=1300+100=1400mm查發(fā)酵工廠

47、設(shè)計概論（吳思方主編）附表13。確定外套壁厚d套=10mm，夾套內(nèi)有導(dǎo)流板。接管設(shè)計：i排料管計算發(fā)酵罐裝液量為565%=3.25m3。設(shè)20min之內(nèi)排空，則發(fā)酵液體積流量：Q=3.25/1300=0.0025 m3/s發(fā)酵醪液流速取V=1m/s，排料管截面積為F物：F物=Q/V=0.0025/1=0.0025m2F物=d2/4管徑 d=F物/(/4)1/2=(0.0025/0.785)1/2=56.4mmii按通風(fēng)管計算：壓縮空氣0.4MPa，支管氣體流速為2025m/s，現(xiàn)通風(fēng)比0.251.0vvm，空壓機進口空氣溫度t=35，壓強P=0.1MPa。發(fā)酵罐入口無菌空氣溫度t=32，P/=

48、0.4MPa。風(fēng)量Q取大值， Q=261.44=37.44m3/min=0.624m3/s。利用氣態(tài)方程式計算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Qf：Qf=Q(P/P/)(T/T)=0.624(0.1/0.4)(273+32)/(273+35)=0.154m3/s取風(fēng)速V=25m/s，則風(fēng)管截面積Ff為：Ff= Qf/V=0.154/25=0.0062m2Ff=(/4)d2d氣=4Ff/1/2=(40.00434/3.14)1/2=0.088(m)取通風(fēng)管與排料管管徑相同，以兩者中較大的為基準。經(jīng)查表取884的無縫鋼管。發(fā)酵罐的支座選型采用裙式發(fā)酵罐支座。發(fā)酵罐內(nèi)徑D內(nèi)=1.3m，設(shè)計支座為130014mm 材

49、料：不銹鋼4.2.2.2種子罐種子罐的選型種子罐選型同發(fā)酵罐，仍采用機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。種子罐容積和數(shù)量的確定接種量為5%V種2=V總5%=55%=0.25m3種子罐生產(chǎn)周期為8小時，發(fā)酵罐周期為16小時，所以一只種子罐可以匹配兩只發(fā)酵罐，因此需0.25m3種子罐一只。主要尺寸確定高徑比H：D=2：1V種2=(2/24)D3+0.785D22D=250D=0.515m，取D=1.03mm。圓整到推薦值：D=0.5m , H=1查表得：封頭曲面高度125mm ，直邊高度50mm，內(nèi)表面積0.349m2，封頭容積0.0262m3罐體總高1+2*0.05=1.10m單個罐頭容積 V封=D3 /24+

50、0.785D2*0.05=0.026m3圓筒容積：V筒=0.785D2*2D=0.19625m3不計上封頭容積V總=2V封+V筒=0.2225m3校核種子罐總?cè)莘eV總=2V封+V筒=0.25m3符合要求冷卻面積的計算：根據(jù)計算和資料介紹，當罐的容積V5m3，用夾套冷卻，可滿足生產(chǎn)要求，如容積大于5m3，則隨著比表面積的減小，而無法滿足生產(chǎn)要求。另外，采用夾套冷卻雖然傳熱效果不甚好，但可保證罐內(nèi)光潔、易清理，不易染菌，仍為大家樂于采用。現(xiàn)用夾套冷卻。i發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：同前發(fā)酵罐計算方法一樣。種子罐為0.25m3。發(fā)酵罐容積為5m3。粗略的按發(fā)酵罐的5%計算種子罐的放熱量，即45658.275%=2283kJ/hr ii夾套傳熱系數(shù)：K=4.187(150250)KJ/(m2.hr.)現(xiàn)取k=4.187150 KJ/(m2.hr.)iii平均溫差：發(fā)酵溫度：32，水初溫在2023之間，取水初溫：20，水