年產噸黃原膠發(fā)酵工廠的設計

1、摘 要黃原膠是由甘藍黑腐黃單胞菌利用碳水化合物產生的一種胞外雜多糖，它具有良好的水溶性、增粘性、假塑性和耐酸堿、耐鹽及耐酶解的能力，被廣泛應用于食品、石油、印染、紡織等領域。此次畢業(yè)設計的題目是年產1000 噸黃原膠發(fā)酵工廠設計。為滿足生產任務的要求，通過查閱相關的文獻書籍，收集黃原膠發(fā)酵生產資料，從而設計出經濟合理的黃原膠發(fā)酵生產路線。隨后對工藝流程中所涉及的物料和熱量等進行了衡算，同時完成了對主要生產設備和輔助設備的合理選型。另外，繪制出廠區(qū)總平面布置圖、發(fā)酵車間的平面布置圖、發(fā)酵車間立體布置圖、全廠的工藝流程圖、發(fā)酵罐的結構圖和精餾塔的結構圖。關鍵詞：年產1000噸黃原膠；發(fā)酵；工廠設計

2、AbstractXanthan gum is an anionic extracellular heteropolysaccharide produced by the bacterium Xanthomonas campestris XUB-11. It has good water solubility and viscosity, plasticity and increasing resistance to acid and alkali, salt and enzyme-resistant ability.Xanthan gum is widely used in petroleum

3、, printing and dyeing, food, textile and other fields.The topic of this graduation project is an annual output of 1000 tons of xanthan gum fermentation plant design. To meet the requirements of production task, by reviewing some relevant articles and books, collecting the fermentation production of

4、xanthan gum, thus scheme out the economic rationality of xanthan gum fermentation route. Subsequently to compute material and heat balance involved in the technological process ,and complete a reasonable selection of main production equipment and auxiliary equipment. In addition, draw the layout of

5、the factory, chief fermentation workshop, floor plan, three-dimensional layout of the fermentation plant, whole plant process flow diagram, structure diagram of the fermentation tanks and distillation column chart.Keywords:an annual output of 1000 tons of xanthan gum; fermentation; plant design目 錄摘

6、要IAbstractII第一章 緒論11.1 引言11.2 黃原膠的結構特性11.3 黃原膠的物化性質21.4 黃原膠的生產制備41.4.1菌種41.4.2培養(yǎng)基41.4.3發(fā)酵工藝51.4.4提取工藝71.5 黃原膠的應用91.6 國內外黃原膠的發(fā)展研究現(xiàn)狀及生產消費狀況10第二章 工藝計算122.1 物料衡算122.1.1總物料衡算122.1.2發(fā)酵物料衡算132.1.3酒精沉淀分離物料衡算：142.1.4干燥和破碎物料衡算152.1.5酒精回收車間物料衡算152.2 熱量衡算162.2.1發(fā)酵車間熱量衡算172.2.2干燥過程熱量衡算192.2.3回收過程熱量衡算192.3 發(fā)酵車間無菌

7、空氣耗量的計算202.3.1發(fā)酵罐的個數(shù)確定202.3.2發(fā)酵無菌空氣耗量212.3.3種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量212.3.4發(fā)酵車間高峰無菌空氣消耗量212.3.5發(fā)酵車間無菌空氣年耗量212.3.6發(fā)酵車間無菌空氣單耗22第三章 設備的工藝設計及設備選型233.1 概述233.1.1設備工藝設計及選型的意義233.1.2設備工藝設計及選型的原則233.1.3設備工藝設計及設備選型的依據(jù)233.2 發(fā)酵車間243.2.1發(fā)酵罐的選型243.2.2生產能力、數(shù)量和容積的的確定243.2.3發(fā)酵罐個數(shù)的確定253.2.4主要尺寸的計算253.2.5冷卻面積的計算253.2.6攪拌器設計263.

8、2.7攪拌軸功率的計算273.3 酒精回收車間293.3.1塔板數(shù)的確定293.3.2塔徑的計算313.4 換熱器的計算333.4.1冷卻面積的計算333.4.2最高熱負荷下的耗水量333.4.3冷卻管組數(shù)和管徑343.4.4冷卻管總長度計算353.5 設備材料的選擇363.5.1發(fā)酵罐壁厚的計算363.5.2種子罐393.6 空氣分過濾器463.6.1種子罐分過濾器463.6.2發(fā)酵罐分過濾器473.7 板框過濾設備計算483.8 流化床干燥器的計算503.8.1臨界流化速度503.8.2操作流化速度503.8.3流化床幾何尺寸513.8.4物料在干燥器內停留時間53第四章 廠址選擇及車間布

9、置設計544.1 廠址選擇544.1.1廠址選擇的一般性原則544.1.2從投資和經濟效益方面考慮廠址選擇544.1.3廠址的選擇依據(jù)544.2 總平面布置設計554.2.1工廠總平面布置設計原則554.3 車間布置564.3.1車間布置的基本原則和要求564.3.2年產1000噸黃原膠工廠的車間布置57第五章 發(fā)酵工廠配套工程585.1 黃原膠發(fā)酵有機廢水的處理585.2 黃原膠發(fā)酵廢氣的處理585.3 黃原膠發(fā)酵廢渣的處理595.4 黃原膠發(fā)酵工廠供電系統(tǒng)595.5 黃原膠發(fā)酵工廠給排水工程59第六章 設計結果及總結60參考文獻62致 謝64附 錄65第一章 緒論1.1 引言許多微生物都分

10、泌胞外多糖,它們或附著在細胞表面,或以不定型粘質的形式存在于胞外介質中,這些胞外多糖對于生物體間信號傳遞、分子識別、保護己體免受攻擊、構造舒適的體外環(huán)境等方面都發(fā)揮著重要的作用。這些分泌的多糖結構各異,其中一些有著優(yōu)良的理化性質, 已為人類廣泛應用。對于仍不為人類所知的絕大多數(shù)多糖,人們試圖通過相關的多糖結構間的相互比較,推斷出構效關系,從而人為地主動修飾、構造多糖,以滿足應用的需要。其中,黃原膠是人類研究最為透徹、商業(yè)化應用程度最高的一種1。1.2 黃原膠的結構特性黃原膠(Xanthan gum)是由黃單胞菌(Xanthomonas campestris)利用碳水化合物產生的一種胞外多糖，具

11、有良好的水溶性、增粘性、假塑性和耐酸堿、耐鹽及耐酶解的能力，廣泛應用于食品、石油、印染、紡織等領域2。黃原膠由五糖單位重復構成,如圖1-1,主鏈與纖維素相同,即由以糖苷鍵相連的葡萄糖構成,三個相連的單糖組成其側鏈:甘露糖葡萄糖甘露糖。與主鏈相連的甘露糖通常由乙?；揎?側鏈末端的甘露糖與丙酮酸發(fā)生縮醛反應從而被修飾,而中間的葡萄糖則被氧化為葡萄糖醛酸,分子量一般在之間。黃原膠除擁有規(guī)則的一級結構外,還擁有二級結構,經X-射線衍射和電子顯微鏡測定,黃原膠分子間靠氫鍵作用而形成規(guī)則的螺旋結構，雙螺旋結構之間依靠微弱的作用力而形成網狀立體結構,這是黃原膠的三級結構,它在水溶液中以液晶形式存在3。側鏈

12、上的葡萄糖醛酸和丙酮酸群賦予了黃原膠負電荷。帶負電荷的側鏈之間以及側鏈與聚合物骨架之間的相互作用決定了黃原膠溶液的優(yōu)良性質。在低離子強度或高溫溶液中,由于帶負電荷側鏈間彼此相互排斥作用,黃原膠鏈形成一種盤旋結構。然而即使電解質濃度的少量增加也會減少側鏈間的靜電排斥,使得側鏈和氫鍵盤繞在聚合物骨架上,聚合物鏈伸展成為相對僵硬的螺旋狀桿。隨著電解質濃度的增加,這種桿狀結構在高溫和高濃度狀態(tài)下也能穩(wěn)定存在。在離子強度高于時,此結構可維持至而不受影響。一般水溶性聚合物骨架被化學藥品或酶攻擊、切斷后,會喪失其增稠能力。而在黃原膠溶液中,聚合物骨架周圍纏繞的側鏈可使其免于被攻擊,所以黃原膠對化學藥品和酶攻

13、擊的降解具有良好的抵抗性3。 圖1-1 黃原膠的結構示意圖1.3 黃原膠的物化性質黃原膠是一種類白色或淺黃色的粉末,是目前國際上集增稠、懸浮、乳化、穩(wěn)定于一體,性能較為優(yōu)越的生物膠4。分子側鏈末端含有丙酮酸基團的多少,對其性能有很大影響5。黃原膠具有長鏈高分子的一般性能,但它比一般高分子含有更多的官能團,在特定條件下會顯示獨特性能。它在水溶液中呈多聚陰離子且構象是多樣的不同條件下表現(xiàn)出不同的特性,具有獨特的理化性質。(1)懸浮性和乳化性黃原膠具有顯著性的增加體系黏度和形成弱凝膠結構的特點而經常被用于食品或其他產品,以提高乳狀液的穩(wěn)定。但麻建國6的研究發(fā)現(xiàn),只有黃原膠的添加量達到一定量后,才能得

14、到預定的穩(wěn)定作用。在黃原膠質量分數(shù)小于0.001%時,試驗體系的穩(wěn)定性變化不大;質量分數(shù)在時樣品底部富水層出現(xiàn),但體系無明顯分層;質量分數(shù)大于0.02%時,乳狀液很快分層。只有當質量分數(shù)超過0.25%時,黃原膠才能起到提高體系穩(wěn)定性的作用。(2)水溶性和增稠性黃原膠在水中能快速溶解,水溶性很好,在冷水中也能溶解,可省去繁雜的加熱過程, 使用方便。吉武科等7在25下,用NDJ-1型旋轉黏度計6 r/min時測得質量分數(shù)0.1%、0.2%、0.3%、0.7%、0.9%的黃原膠黏度分別為、和。從測試結果看出,黏度隨濃度的遞減而不成比例地降低,且質量分數(shù)0.3%是高低黏度的分界點。質量分數(shù)為0.1%的

15、黃原膠黏度為左右,而許多其他膠類在質量分數(shù)為0.1%時,黏度幾乎為零。由此可見,黃原膠具有低濃度高黏度的特性。在相同的濃度,相同的溫度條件下,黃原膠水溶液的粘度是瓜爾豆膠的1.7倍,海藻酸鈉溶膠濃度的倍。(3)假塑性黃原膠溶液是一種很典型的假塑性流體。黃原膠的水溶液在受到剪切作用時,黏度急劇下降,且剪切速度越高,黏度下降越快,如6 r/min時質量分數(shù)0.3%的黃原膠黏度為,而60 r/min時黏度僅為,還不到原來的1/3。當剪切力消除時,則立即恢復原有的黏度。剪切力和黏度的關系是完全可塑的8。當黃原膠與納米微晶纖維素復配時,能在水中形成高強度的全天然生物膠, 其觸變性變得更強9。(4)熱穩(wěn)定

16、性在的溫度范圍內,黃原膠溶膠的粘度基本不發(fā)生變化。據(jù)報道,1%的黃原膠溶液在的溫度下處理4 min,黃原膠的粘度仍能保持其原始粘度的80%。加熱到120，粘度僅下降3%。所以,黃原膠在飲料加工過程中,采用121的高溫殺菌基本不會降低其粘度10。(5)對酸、堿、鹽穩(wěn)定性黃原膠溶液對酸、堿十分穩(wěn)定,在酸性和堿性條件下都可使用,在黏度幾乎保持不變。雖然當pH值等于或大于9時,黃原膠會逐漸脫去乙?；?在pH值小于3時丙酮酸基也會失去,但無論是去乙?；蚴潜峄鶎S原膠溶液的黏度影響都很小11，即黃原膠溶液在黏度較穩(wěn)定,所以對于含高濃度酸或堿的混合物,黃原膠是一個很好的選擇。在多種鹽存在時,黃原膠具有

17、良好的相容性和穩(wěn)定性。它可在質量分數(shù)為10% KCl、10% CaCl2、5% Na2CO3 溶液中長期存放(25、90 d),黏度幾乎保持不變5。相反,一定量的鋁鹽還可以顯著提高其黏度。(6)對大多數(shù)酶的穩(wěn)定性黃原膠同大多數(shù)酶類12(蛋白酶、淀粉酶、纖維素酶和半纖維素酶)作用是均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,可以說它具有高度的生物穩(wěn)定性。據(jù)報道13由曲霉屬微生物產生的纖維素酶可在1、2或3位的糖基上水解黃原膠;芽孢桿菌產生的黃原膠裂解酶可特異性地作用于甘露糖-丙酮酸支鏈。除此之外, 在很高的溫度條件下()和沒有離子存在的條件下,黃原膠分子處于無序狀態(tài)下,纖維素酶在這樣的條件下才能降解黃原膠。(7)與增

18、稠劑的協(xié)同增效性黃原膠與大多數(shù)天然人工合成的增稠穩(wěn)定劑都有良好的配伍和交互作用。例如,與CMC、海藻酸鈉、瓊脂、魔芋膠、環(huán)狀糊精、明膠、洋芋粉、羅望子膠、卡拉膠、瓜爾豆膠、變性淀粉或改良淀粉等食品膠具有良好協(xié)同的增效作用,使粘度大大提高10。1.4 黃原膠的生產制備1.4.1 菌種黃原膠發(fā)酵的菌種一般采用野油菜黃單胞菌(亦名甘藍黑腐病黃單胞菌),此外,菜豆黃單胞菌(X.phaseoli)、錦葵黃單胞菌(X.malvacearum)和胡蘿卜黃單胞菌(X.carotae) 亦可作為發(fā)酵菌種。黃原膠由甘藍黑腐野油菜黃單胞菌以碳水化合物為主要原料, 經好氧發(fā)酵生物工程技術產生的。1952年由美國農業(yè)部

19、伊利諾斯州皮奧里爾北部研究所14分離得到的甘藍黑腐病黃單胞菌,并使甘藍提取物轉化為水溶性的酸性胞外雜多糖而得到。70年代國外開發(fā)成功了較成熟的黃原膠生產工藝，目前美、英、法、日、德等國均大量生產黃原膠, 形成了50余種產品規(guī)格。國內對黃原膠的研究始于1979年,中科院微生物所和南開大學15在4 m3 的發(fā)酵罐中采用玉米淀粉作原料得到了黃原膠,目前已有十幾家企業(yè)生產黃原膠。已發(fā)現(xiàn)甘藍黑腐病黃單胞菌,錦葵黃單胞菌,胡蘿卜黃單胞菌,木薯萎矮病黃單胞菌等菌種均能產生黃原膠,但目前仍多以甘藍黑腐病黃單胞菌及其變異株為產生菌。Sutherland16認為,篩選細胞壁合成缺陷等菌株可能獲得黃原膠高產菌,高產

20、菌需冷凍干燥或無營養(yǎng)液保存。1.4.2 培養(yǎng)基黃單胞桿菌發(fā)酵法生產黃原膠常用的培養(yǎng)基17是:以葡萄糖、蔗糖或淀粉等為碳源,以蛋白質、魚粉、豆粉或硝酸鹽為氮源,加KH2PO4、MgSO4、CaCO3等無機鹽和Fe2+ 、Mn2+、Zn2+ 等微量元素,以及生成促進劑谷氨酸、檸檬酸、延胡素酸等。江伯英18用野油菜黃單胞菌接種在4%的淀粉培養(yǎng)基中,15 h后能使淀粉完全液化,發(fā)酵48 h能產生黃原膠。鑒于采用淀粉為底物的黃原膠發(fā)酵液在用低級醇提取時會發(fā)生剩余淀粉和黃原膠同時沉淀的現(xiàn)象,影響產品的質量,劉秀芳等17從蘿卜的黑色病斑中分離出了一種L4菌株,其最佳的碳源是蔗糖、黃原膠產量21.23 g/

21、L、發(fā)酵液粘度高達;在最佳的發(fā)酵條件下,黃原膠產量可達28 g/L以上、發(fā)酵液粘度高達19。王修垣等20在2 t中試罐上研究了L4菌株的發(fā)酵工藝,將L4菌種經培養(yǎng)后按5%的接種量轉入2 t發(fā)酵罐,裝料113 t,攪拌轉速為180 r/ min,發(fā)酵72 h,所得發(fā)酵液的粘度在以上、最高達,底物的平均轉化率是62.45%。后來21在20 t的工業(yè)罐中,以蔗糖為底物,裝料,攪拌轉速為160 r/min,發(fā)酵液的粘度為,多糖對底物的平均轉化率是61.6%。刁虎欣等22,23考察了影響野油菜黃單胞菌的發(fā)酵因素,發(fā)現(xiàn)碳源和無機鹽是影響黃原膠分子質量大小的最顯著因素,最佳的碳源是蔗糖和玉米淀粉的混合物,最

22、佳的無機鹽是輕質碳酸鈣,它可作為緩沖劑, 調節(jié)發(fā)酵過程的pH,其解離出的Ca2+可作為聚合酶的促進因子,提高聚合酶的活性,提高黃原膠的聚合度和分子質量。丙酮酸含量是黃原膠產品的一項重要的指標,碳源、氮源和搖瓶振蕩速度是影響黃原膠丙酮酸含量的極顯著因素。李衛(wèi)旗等24將甘藍黑腐病黃單胞菌XC-82.5進行了改良,獲得了誘變株R5,用蔗糖作碳源時黃原膠的產量是31.35 g/L、發(fā)酵液粘度是, 發(fā)酵周期可縮短至64 h,最佳的無機鹽是碳酸鈣,用菜油取代PPE作為消泡劑可使搖瓶染菌率從90%降為8%。1.4.3 發(fā)酵工藝國內生產黃原膠常用的工藝流程與國外相同,但發(fā)酵罐為標準型通用反應器,通常后處理采用

23、的是乙醇沉淀方法;生產工藝為:菌種搖瓶發(fā)酵罐發(fā)酵液熱壓式真空脫水噴霧干燥成品包裝。國外采用的生產工藝為: 菌種搖瓶種子罐發(fā)酵罐發(fā)酵液后處理烘干粉碎成品包裝;發(fā)酵罐為專用攪拌式反應器,目前也逐步改為氣升式發(fā)酵罐,以減少能耗,后處理采用的是物理脫水與化學沉淀相結合的辦法。由于采用菌體發(fā)酵時存在發(fā)酵后期因高粘而造成供氧不足的困難,許喜林等25研究了采用兩步法發(fā)酵合成黃原膠的方法,第1步是利用黃單胞菌發(fā)酵,采用了較小量的碳源及低的碳氮比,終止時間控制在25 h,此時可獲得較大的生物量及胞外酶,而不生成黃原膠,以有利于胞外酶的分泌和菌體的分離;第2步胞外酶發(fā)酵采用了無氮培養(yǎng)條件,且因發(fā)酵液中不含菌體省去

24、了稀釋和分離菌體的工序,可降低生產成本,黃原膠的產率高于單純菌體發(fā)酵。Pinches等26以第2代大菌落NRRL BL1459 S4-L 為菌種,培養(yǎng)基中除了碳源、氮源外,還加入了許多鹽類(磷酸二氫鉀、硫酸鉀、硫酸鎂、氯化鈣、檸檬酸、氯化鐵)和微量元素(如硫酸鋅、硫酸銅、硫酸錳、鉬酸鈉、碘化鉀、硼酸),以更有利于黃原膠的產量和質量;分別以L-谷氨酸、蛋白胨為氮源,發(fā)現(xiàn)L-谷氨酸作氮源時發(fā)酵后期容易出現(xiàn)供氧不足、氮源耗盡的問題,而蛋白胨作氮源時不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象;此外還發(fā)現(xiàn)一般情況下黃原膠的發(fā)酵過程由氮源控制。Peters等27將NRRL BL1459 S4-L 經培養(yǎng)后、接種發(fā)酵合成黃原膠,培養(yǎng)

25、基中也加入了多種鹽類和微量元素,發(fā)酵過程中靠自動滴加4%的鹽酸或10%的氫氧化鈉來保持pH=7.0。Suh等28研究發(fā)現(xiàn),采用葡萄糖作碳源,氯化銨作氮源(加入量分別是50 g/L和2 g/L)、其它條件同Peters等27時,發(fā)酵過程由氮源控制?？梢钥闯?國內的研究集中在菌種和發(fā)酵方法上,而國外則對影響黃原膠產量、質量和效益的氮源、鹽類、微量元素等因素作了大量的研究,優(yōu)化了生產工藝、提高了產品質量。黃原膠發(fā)酵工藝多為間歇式,1972年Silan等29研究了連續(xù)發(fā)酵工藝, 發(fā)現(xiàn)黃原膠的得率是稀釋速率的函數(shù),當稀釋速率是0.15 h-1時,黃原膠的最高得率是0.84 g/h/kg,葡萄糖的轉化率由

26、間歇發(fā)酵時的60%提高到連續(xù)發(fā)酵時的80%以上。趙大健等30在0.2 m3的2級種子培養(yǎng)罐和1.2 m3的中試發(fā)酵罐中,采用兩層6直葉圓盤渦輪攪拌,4塊標準擋板,單管通氣?？赏ㄟ^加大攪拌槳直徑和攪拌轉速,來提高溶氧速度。Galindo等31研究表明,在低濃度和中等濃度的黃原膠液中,通氣時的攪拌功耗下降較小,氣含率較高,而在高濃度的黃原膠液(0.35 g/L) 中,通氣功耗下降很多、且有嚴重的不穩(wěn)定現(xiàn)象。Zhao等2在中試規(guī)模的黃原膠發(fā)酵罐中,用大直徑的rushton槳取代小槳,結合轉速的控制,使功耗及發(fā)酵周期大幅度下降,傳熱系數(shù)增加一倍以上。Pinches等26在發(fā)酵罐中采用3層6直葉圓盤渦輪

27、攪拌,用NRRL BL1459 S4-L 為菌種的黃原膠發(fā)酵中對生物量、黃原膠濃度、葡萄糖濃度和溶氧濃度分別建立了數(shù)學模型, 并進行了發(fā)酵過程模擬。Peters等27在發(fā)酵罐中采用3層intermig槳攪拌,當通入空氣時由于發(fā)酵后期發(fā)酵液粘度很大,若轉速低于6.67 s-1會發(fā)生供氧不足的現(xiàn)象,降低了黃原膠的產量和分子量;若保持總氣量不變、通入部分純氧,則供氧能力明顯增加,黃原膠的濃度也增加(即使轉速很低),因此供氧量(尤其發(fā)酵后期)是影響黃原膠產量和質量的重要因素,可從工藝和工程兩方面克服供氧不足的問題。此外電鏡分析發(fā)現(xiàn)在罐中發(fā)酵情況與搖瓶發(fā)酵不完全相同,帶攪拌的罐中發(fā)酵時菌體表面不存在粘液

28、層。Nienow等32在19 m3的發(fā)酵罐中分別采用4層直葉圓盤渦輪、4層Ecato公司的prochem maxflo Ts型攪拌槳或3層A315槳進行攪拌,發(fā)現(xiàn)采用直葉圓盤渦輪時混合最差,通氣后攪拌效率最低。Kawase等33研究了攪拌釜內黃原膠發(fā)酵液中混合時間,發(fā)現(xiàn)由于粘度的增加使混合時間增加很大,且氣體分散也影響了液相混合,并提出了混合時間的模型。此外,Pons等34在鼓泡塔中研究了黃原膠的發(fā)酵過程及模型化問題,發(fā)現(xiàn)同樣功耗時鼓泡塔中氧的混合和傳遞情況比攪拌釜中好得多;采用Pinches等26的微分方程數(shù)學模型,對發(fā)酵過程進行了模擬,與實驗結果吻合較好。Suh等28研究了鼓泡塔和氣升式反

29、應器中黃原膠的發(fā)酵過程,發(fā)現(xiàn)氣升式反應器中氧傳遞速率滿足不了菌體生長的要求,導致黃原膠的生產速率較低,發(fā)酵周期很長。由于黃原膠發(fā)酵后期粘度很大,加上發(fā)酵液是有屈服應力的假塑性流體,使發(fā)酵罐中溶氧、混合和傳遞很困難,需要很高的能耗,而對鼓泡塔的研究發(fā)現(xiàn),同一橫截面上可達瞬間混合均勻,因此利用鼓泡塔進行黃原膠發(fā)酵有很大的優(yōu)勢。他們利用發(fā)酵罐中黃原膠發(fā)酵的數(shù)學模型對發(fā)酵過程進行了模擬,結果與實驗值吻合較好。1.4.4 提取工藝(1)硅藻土過濾- 超濾- 醇析提取黃原膠法硅藻土過濾是一種較好的黃原膠發(fā)酵液預處理方法,將黃原膠發(fā)酵液等倍稀釋,硅藻土用量為初始黃原膠發(fā)酵液的1%。此時黃原膠收率為98%;超

30、濾濃縮優(yōu)化工藝條件為:采用UFM-4 超濾膜,進料流量Q=100L/h(膜面流速2.46m/s),操作壓力0.2MPa,黃原膠濃縮液終濃度60 g/L左右;醇析最佳工藝條件為:采用95%的工業(yè)乙醇作為醇析溶劑,pH=5.5,95%工業(yè)乙醇用量為黃原膠超濾濃縮液體積的1.2倍。(2)酶處理法成本較高;化學試劑易導致pH值的變化,從而降低產品中的丙酮酸含量。(3)巴氏滅菌法此法由于溫度較高,可提高黃原膠的溶解度,并在一定程度上降低了溶液的粘度,利于隨后的離心或過濾。但要注意溫度不能過高,使其發(fā)生降解,一般維持在80130,加熱1020min,pH 值控制在6.36.9,過濾前需要稀釋,稀釋劑一般為

31、水、酒精或含低濃度鹽的酒精。(4)黃原膠沉淀分離的工藝沉淀黃原膠的方法有加鹽、加入可溶于水的有機溶劑(如乙醇、異丙基乙醇)等,或將這兩種方法綜合運用。加入有機溶劑不僅可降低溶液粘度和增加黃原膠的溶解度,還可洗脫雜質(如鹽、細胞、有色組分等),但單獨加入有機溶劑量太大,成本太高。加入鹽離子可降低黃原膠的極性從而降低其水溶性,且加入鹽的離子強度越高效果越明顯,如Ca2+, Al3+等,加入Na+則不會引起沉淀,因而,加入含低鹽濃度的有機試劑是目前較為通用的方法。具體的提取工藝與產品的應用范圍有關,如用于采油,則需除去微粒(如細胞體)以免阻塞孔道;食品級的黃原膠則需脫除所有的菌體和雜質,如應用于紡織

32、業(yè)等則要求相對寬松的多。根據(jù)所需黃原膠的等級不同,干燥方法也有所差別。生產食品級黃原膠通常采用沸騰干燥法和滾筒干燥法,成本較高;生產工業(yè)級黃原膠則可直接使用噴霧干燥法。由于干燥過程中無需預處理發(fā)酵液、不除菌體，所得產品雜質含量較多，生產成本也大大降低。此外，真空干燥法也是獲得黃原膠成品的重要方法之一，該方法簡單易行，在干燥過程中科選擇性出去菌體等雜質，因此被廣泛用于生產各種等級的黃原膠成品。綜上所述，黃原膠的生產分為發(fā)酵和提取兩步，目前國內外工業(yè)化生產工藝主要采用的是間歇式生產，實際過程為種子發(fā)酵、種子擴大和發(fā)酵。工藝流程為：黃原膠發(fā)酵液經調節(jié)pH至6.36.9、加熱至80130、稀釋等預處理

33、后進行固液分離，主要方法有過濾、超濾、離心分離等，然后進行初步純化（提?。?，方法同固液分離，再進行高度純化（精制），主要方法包括溶解、超濾、沉淀、離心分離等，最后干燥制成粉末狀成品。發(fā)酵設備主要有改進型機械攪拌發(fā)酵反應器、氣提環(huán)流發(fā)酵反應器、外循環(huán)機械攪拌發(fā)酵反應器和靜態(tài)混合式發(fā)酵反應器等。黃原膠生產的工藝流程圖如圖1-3所示1： 圖1-3 黃原膠生產工藝流程圖我國生產黃原膠的廠家及生產規(guī)模情況如表 1-1所示表1-1 我國黃原膠生產廠家及生產規(guī)模情況表生產廠家生產規(guī)模（t/a）生產方法產品等級技術來源江蘇金湖黃原膠廠80酒精法食品級南開大學煙臺味精廠50酒精法食品級山東食品發(fā)酵研究所河北新河

34、生物化學廠300調pH沉淀法食品級/工業(yè)級農科院土肥所江西味精廠200調pH沉淀法工業(yè)級農科院土肥所上?；ぱ芯吭?0微濾超濾食品級上海農藥所1.5黃原膠的應用(1)黃原膠在食品工業(yè)中的應用黃原膠作為乳化劑、懸浮劑和增稠劑等在食品工業(yè)中得到廣泛的應用。食品中添加的黃原膠含量通常為0.01%0.8%左右。黃原膠可延長果肉飲料的懸浮時間、增加穩(wěn)定性；增加肉制品的持水性，使肉組織滑嫩，彈性好，耐儲存；便于罐頭的泵送和灌裝；使啤酒產泡豐富；提高牛奶的穩(wěn)定性，提高奶油保形力；增大蛋糕體積，改善蛋糕結構，延長貨架壽命；提高糖果盒蜜餞的溫度穩(wěn)定性，易于產品的加工制作；改善菜點的口感、組織狀況、光澤度等。此外

35、，黃原膠還用于面包、餅干、沙拉調汁、冷凍食品、低熱量食品、果凍、巧克力等。(2)黃原膠在日用化學工業(yè)中的應用黃原膠在牙膏中可改良牙膏的延展成條性，使其均勻穩(wěn)定，易于從管中擠出和泵送分裝；在防曬類護膚品中可使皮膚免受紫外線的傷害；在美白和護膚類化妝品中可以作為增稠劑；在眼影中可延長其保質期，并使其具有流體結構；在香波中可改良其流動性質等。(3) 黃原膠在石油行業(yè)中的應用黃原膠可提高鉆井液的黏度，使其具有良好的懸浮性，可防止井室坍塌造成的危險；由于黃原膠的流變性，處于鉆頭周圍的鉆井液表現(xiàn)的黏度極低，有利于節(jié)省動力，降低能耗，節(jié)約成本并延長鉆頭壽命；黃原膠作為油田軀替劑，可以減少死油區(qū)，提高石油采收

36、率；由于黃原膠的抗鹽性和耐高溫性，在特殊區(qū)域的鉆井作業(yè)中作為增稠劑使用，如海洋、海灘等，也可節(jié)約成本。此外，黃原膠在三次采油中作為流變控制液使用可顯著提高采油率。目前國外30%40%的黃原膠用于鉆井泥漿和三次采油。(4)黃原膠在醫(yī)藥行業(yè)中的應用黃原膠在醫(yī)藥行業(yè)中的應用熱點是作為載體緩釋片劑。研究發(fā)現(xiàn)，以黃原膠為載體制備的撲熱息痛和鹽酸甲氧普胺緩釋片劑等藥品具有良好的緩釋效果。此外，黃原膠還用于滴眼液助劑和軟膏類藥品助劑，可以提高藥物的利用率，并提高使患者使用時的舒適感。(5)黃原膠在其他方面的應用黃原膠在紡織印染工業(yè)中可用作增稠劑、上膠劑、分散劑、上光劑等，印染色彩均勻、鮮艷；利用黃原膠的流變

37、特性，可用于噴涂式涂料中，有著很好的防流掛效應，此外還可用于防火涂料、陶瓷釉料和熱敏表面硅質涂料等；利用黃原膠的耐熱性和低濃度高黏度的性質，可用于凝膠型抗溶泡沫滅火劑的生產；利用黃原膠的懸浮性和穩(wěn)定性，可用于化肥和農藥中；黃原膠還可用于膠體炸藥、膠粘劑、照相、煙草、地礦、油墨、造紙、除銹劑、工業(yè)擦亮劑、濕法冶金的增稠劑、陶瓷生產中的釉漿懸浮劑和黏結劑等。1.6 國內外黃原膠的發(fā)展研究現(xiàn)狀及生產消費狀況目前，黃原膠的主要生產國家有美國、法國、日本、英國、奧地利和中國等，已經開發(fā)的還有加拿大、意大利、德國、挪威、澳大利亞、巴西、荷蘭、韓國、羅馬尼亞等國家，主要的生產企業(yè)還集中在國外。我國黃原膠的研

38、究和生產起步較晚，上世紀60年代末才開始對黃原膠生產進行研究。經過南開大學、中國科學院微生物研究所等科研單位對黃原膠研究開發(fā)的相繼開展，我國成功于1979年由南開大學生物系首次分離出一批黃原膠菌株，并提純鑒定了這種酸性多糖，隨后進行了逐級發(fā)酵的研究。1985年，南開大學在前面工作的基礎上，開始研究食品級黃原膠。1986年，山東食品發(fā)酵工業(yè)研究設計院與煙臺味精廠合作，第一次在我國工業(yè)化生產工業(yè)級黃原膠，后南開大學與江蘇金湖黃原膠廠合作，第一次在我國工業(yè)化生產食品級黃原膠。但由于技術不成熟，這幾家工廠的生產都以失敗告終，最大的工藝問題就在于發(fā)酵設備和后提取上。后來化工部上海化工研究院運用上海農藥研

39、究所提供的菌種與本院后處理技術相結合，成功地開發(fā)了非醇提取黃原膠的生產工藝，大大降低了成本。2000年10月，張孝寬等人又成功地研發(fā)了具有現(xiàn)代國際先進水平的黃原膠第二代技術工程，標志著我國黃原膠生產水平達到了一個新的層次。黃原膠自從實現(xiàn)工業(yè)化生產以來，年產量約以8%的速度逐年增加，但黃原膠的消費量增加速度卻更快，據(jù)估計，增幅約每年10%的增長，導致黃原膠價格不斷攀升。目前，我國工業(yè)級黃原膠報價在2.5萬元/噸左右，食品級黃原膠的報價更高，按質量不同在59萬元/噸之間。黃原膠消費量的增加主要是由于其應用的領域被不斷發(fā)掘，在黃原膠生產的開始階段，主要用于石油工業(yè)。隨著黃原膠在食品工業(yè)中的優(yōu)異性逐漸

40、顯示，食品用黃原膠量大幅度增加。美國作為黃原膠的最大生產國和消費國，其70%用于食品。而在我國，食品用黃原膠量占45%，石油工業(yè)用黃原膠量占40%，農藥、飼料、環(huán)保、日化等行業(yè)總共用量占15%。從國外黃原膠行業(yè)的發(fā)展趨勢和國內黃原膠的研究現(xiàn)狀來看,要提高我國的黃原膠生產工藝水平,需要加強對下列課題的研究:(1)開發(fā)適合高粘非牛頓系的新型高效的機械攪拌式發(fā)酵反應器,提高生產強度和產品質量;(2)開發(fā)新型的分離提取方法,降低分離提取的能耗和成本;(3)開展黃原膠發(fā)酵動力學的研究,建立發(fā)酵過程的數(shù)學模型,對生產過程和產品質量進行自動控制;(4)增加黃原膠產品的規(guī)格,研究黃原膠的使用方法;(5)通過對

41、黃原膠進行化學改性等方法,進一步拓展黃原膠產品的市場。第二章 工藝計算2.1物料衡算本設計主要技術指標如表2-1所示：表2-1 主要技術指標表指標名稱單位指標數(shù)生產規(guī)模t/a1000(黃原膠)年生產天數(shù)d300產品質量 得率98% 發(fā)酵周期h72 發(fā)酵初糖kg/m340 發(fā)酵得率%75 分離得率% 99 接種量 % 5 2.1.1總物料衡算 生產900t/a 所需淀粉質量為： 總共所需蔗糖量為： 總共所需蛋白胨的量為： 總共所需酵母膏為： 總共所需玉米漿為： 總共所需谷氨酸鈉為： 總共所需KH2PO4的量為： 總共所需Nacl的量為： 綜上所述，年產1000t黃原膠發(fā)酵工廠的總物料衡算如表2-

42、2所示：表2-2 1000t/a黃原膠發(fā)酵工廠的總物料衡算表物料名稱每年物料量每日物料量（300天）淀粉(t)13754.583蔗糖(t)25.780.08593蛋白胨(t)8.5940.02865酵母膏(t)3.4380.01146玉米漿(t)962.53.208谷氨酸鈉(t)108.30.361KH2PO4(t)36.090.1203Nacl(t)36.090.12032.1.2發(fā)酵物料衡算 年產1000t 黃原膠的發(fā)酵物料衡算：（按天算） 每天實際黃原膠量： 每天實際發(fā)酵液體積： 設發(fā)酵罐裝料系數(shù)為80%，則 發(fā)酵罐體積為： 查通用式發(fā)酵罐系數(shù)表可取公稱體積為150m3的發(fā)酵罐。 種子培

43、養(yǎng)物料衡算如表2-3所示，發(fā)酵物料衡如表2-4所示：表2-3 種子培養(yǎng)物料衡算表物料名稱每年物料量每日物料量（300天）蔗糖(t)25.780.08593谷氨酸鈉(t)5.1560.01719蛋白胨(t)8.5930.02864酵母膏(t)3.4370.01146KH2PO4 (t)1.7190.00573Nacl(t)1.7190.00573表2-4 發(fā)酵物料衡算表物料名稱每年物料量每日物料量（300天）谷氨酸鈉(t)103.10.3377玉米漿(t)962.53.208KH2PO4 (t)34.370.1146Nacl(t)34.370.11462.1.3酒精沉淀分離物料衡算： 酒精用量為

44、：，查得95%酒精密度為 對沉淀過程進行初步估算： 沉淀分離后，酒精濃度為： 根據(jù) 得： 即 酒精濃度與密度的關系如表2-5所示：表2-5 酒精濃度與密度關系表質量分數(shù)%（200C）相對密度67.830.8727768.940.8701570.060.8674971.190.8648072.330.86207 試差得時酒精密度為,代入中驗算有恰好符合。故沉淀分離后的酒精濃度為。 2.1.4干燥和破碎物料衡算 黃原膠適于用流化床干燥，黃原膠干基濕含率20% 所以干燥過程中酒精蒸發(fā)量為： 沉淀及干燥物料衡算如表2-6所示：表2-6 沉淀及干燥物料衡算表酒精用量（m3） 過濾后酒精濃度 酒精蒸發(fā)量（

45、t） 458 70.68% 0.68032.1.5酒精回收車間物料衡算 每天的濾液質量為： 查表知70.68%的酒精溶液，乙醇摩爾分數(shù)為48%。 即： 水的摩爾分數(shù) 所以精餾時 餾出液為95%的酒精，乙醇的摩爾分數(shù)為： 釜液為0.01%的酒精，乙醇的摩爾分數(shù)為： 對全塔進行物料衡算有： 代入數(shù)據(jù)得： 酒精回收率 回收過程物料衡算如表2-7所示， 表2-7 回收過程物料衡算表進料液（）餾出液（）釜液（）流量 634.35 346 288.35組成（乙醇摩爾數(shù)） 0.48 0.88 0.000042.2熱量衡算2.2.1發(fā)酵車間熱量衡算(1)空消過程 查得200C的空氣比熱容為 空消排出1210C

46、的蒸氣，查 計算發(fā)酵罐空罐滅菌蒸氣用量： 發(fā)酵罐罐體體積為，設發(fā)酵罐是由不銹鋼制造而成，此時，罐體重量為，冷卻排管重，不銹鋼的比熱容。用（表壓）的蒸氣滅菌，使發(fā)酵罐由升溫至，蒸氣用量為： 計算滅菌過程中的熱損失： 設發(fā)酵罐外壁溫度為70，此時，輻射與對流的聯(lián)合給熱系數(shù)為： 的發(fā)酵罐表面積為。耗用的蒸氣量為： 罐壁附著洗滌水升溫的蒸氣消耗量（設罐壁附著洗滌水的平均厚度為）： 一般取蒸氣滲漏量為總蒸氣消耗量的5%， 空罐滅菌時蒸氣耗量為： 每次空罐滅菌時間是，耗用的蒸氣量為： 空消過程產生熱量為： 假設冷卻水進口溫度為10，出口溫度為20。 則冷卻水用量為： 每天實際運轉的發(fā)酵罐是。 高峰用水量為

47、： 日用水量為：(其中0.8為發(fā)酵罐發(fā)熱狀況均衡系數(shù)） 平均用水量為：(2)實消過程 每罐滅菌時間3h，需要的輸料流量為： 滅菌所用的蒸氣量為： ） 每天滅菌蒸氣用量為： 實消過程產生熱量為： 假設冷卻水進口溫度為20，出口溫度為45。則冷卻水用量為： ） 高峰用水量為： 日用水量為： 平均用水量為：2.2.2干燥過程熱量衡算 70.68%酒精中乙醇含量為： 含水量為： 干燥溫度為，查手冊得乙醇比熱容，汽化潛熱； 水的比熱容, 汽化潛熱 則干燥過程需熱量為： 2.2.3回收過程熱量衡算 近似認為塔頂餾出液為純乙醇，塔釜為水蒸氣,則塔頂溫度為78.4 0C，塔釜溫度1000C進料溫度為79.50

48、C。查工具書得物性常數(shù)如下:78.4 0C1000C79.50C乙醇的摩爾熱容147.5 KJ/(kmol. K)149.5 KJ/(kmol. K)水的摩爾熱容75.41 KJ/(kmol. K)75.96 KJ/(kmol. K)75.51 KJ/(kmol. K) 78.4下乙醇的比汽化熱為，則摩爾汽化熱為： (1)冷卻水用量的計算（冷卻水進口溫度15，出口溫度35） 設塔頂為泡點回流，回流比 精餾段上升蒸汽流量為 精餾段下降的液體流量，等于塔頂液體回流量，為餾出液的倍 在時，水的摩爾汽化熱為。 由得 所以冷凝器的熱負荷： 水的比熱容：，則 則冷卻水用量為： (2)加熱水蒸氣用量的計算

49、塔頂產品的焓等于回流液的焓： 塔頂產品帶出熱量： 塔底產品的焓近似地取純水蒸氣的焓，即 塔底產品帶出的熱量： 原料液的平均摩爾熱容： 原料液的焓： 原料液帶入的熱量： 所以再沸器的熱負荷： (表壓)水蒸氣汽化焓 則水蒸氣用量為：2.3發(fā)酵車間無菌空氣耗量的計算2.3.1發(fā)酵罐的個數(shù)確定 實際發(fā)酵液的體積為，故選用公稱體積為的發(fā)酵罐,每天放一罐,每罐發(fā)酵周期為72小時。 則發(fā)酵罐的個數(shù)為： （其中一個備用)2.3.2發(fā)酵無菌空氣耗量 (1)單罐發(fā)酵無菌空氣耗用量 發(fā)酵罐通氣量為：,單罐發(fā)酵過程的用氣量（常壓空氣）： (2)單罐年用氣量 每年單罐發(fā)酵批次為： 單罐年用氣量：2.3.3種子培養(yǎng)等其他

50、無菌空氣耗量 二級種子的培養(yǎng)是在種子罐中進行的，因此可根據(jù)接種量、通氣速率、培養(yǎng)時間等進行計算。 已知種子培養(yǎng)通氣量為1vvm，培養(yǎng)48h,接種量為5%。 設種子罐的裝料系數(shù)為70%，則種子罐體積為: 查通用式發(fā)酵罐系數(shù)表可選用公稱體積為10m3的種子罐。 單個種子罐用氣量： 單罐年用氣量：2.3.4發(fā)酵車間高峰無菌空氣消耗量 2.3.5發(fā)酵車間無菌空氣年耗量 2.3.6發(fā)酵車間無菌空氣單耗 根據(jù)設計，實際黃原膠的年產量為： 故發(fā)酵車間無菌空氣單耗為： 綜上，發(fā)酵車間無菌空氣衡算如表2-8所示：表2-8 發(fā)酵車間無菌空氣衡算表發(fā)酵罐公稱體積單罐通氣量種子培養(yǎng)耗氣量高峰空氣耗量年空氣耗量空氣單耗

51、150 1440 420 55803499200028618.6第三章 設備的工藝設計及設備選型3.1 概述3.1.1 設備工藝設計及選型的意義設備工藝設計及設備選型的任務是在工藝計算的基礎上，確定生產需要的設備臺數(shù)形勢和主要尺寸。設備和選型的正確與否對生產過程的運轉、產品的質量等都歸產生很大的影響，它可以反映出所設計的工藝的先進性和兇橫產過程的可靠性。水電汽負荷原料供應產量和生產能力的平衡以及設備的設計計算是工藝計算中不可缺少的內容，它是依據(jù)物料平衡和生產能力來進行計算。設備的選擇既是保證產品質量和表達生產水平的標準，又是工藝布置的基礎。3.1.2 設備工藝設計及選型的原則 （1）保證工藝過程實施的安全可靠（包括設備材質對產品質量的安全可靠；設備材質強度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠；生產過程清洗、消毒的可靠性等）。 （2）經濟上合理，技術上先進。 （3）投資省，耗材料少，加工方便，采購容易。 （4）運行費用低，水電汽消耗少。 （5）操作清洗方便，耐用易維修，備品配件供應可靠，減輕工人勞動強度，實施機械化和自動化方便。 （6）結構緊湊，盡量采用經過實踐考驗證明確實性能優(yōu)良的設備。 （7）考慮生