年產(chǎn)1000T堿性蛋白酶生產(chǎn)車(chē)間設(shè)計(jì)-word格式

目錄

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摘要1

前言3

1.1選題背景3

1.2課題來(lái)源3

1.3設(shè)計(jì)目的和意義3

1.4前景分析4

堿性蛋白酶的基本性質(zhì)和生產(chǎn)工藝的選擇4

2.1堿性蛋白酶的基本性質(zhì)5

2.2培養(yǎng)基主要成分和生產(chǎn)方法6

2.3生產(chǎn)工藝的選擇6

2.4分離純化流程7

初始設(shè)計(jì)條件與基本物性數(shù)據(jù)9

3.1初始設(shè)計(jì)條件9

3.2工藝參數(shù)與基本物性數(shù)據(jù)的選取9

生產(chǎn)工藝的物料衡算9

5熱量衡算10

6設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型11

6.1發(fā)酵罐設(shè)計(jì)11

6.2種子罐17

6.3空氣分過(guò)濾器19

6.4連續(xù)操作設(shè)備的設(shè)計(jì)選型21

致謝28

參考文獻(xiàn)28

28

年產(chǎn)1000T堿性蛋白酶生產(chǎn)車(chē)間設(shè)計(jì)

摘要：堿性蛋白酶是一類(lèi)非常重要的工業(yè)用酶，如何在工廠進(jìn)行有效的生產(chǎn)尤為重要。本論文就主要介紹了用液態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)堿性蛋白酶，并采用雙水相萃取進(jìn)行提純，冷凍干燥法將產(chǎn)品進(jìn)行干燥的工藝流程；并通過(guò)物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型、等幾個(gè)步驟初步設(shè)計(jì)了年產(chǎn)1000T堿性蛋白酶的車(chē)間項(xiàng)目；分析了傳統(tǒng)工藝所存在的不足和問(wèn)題；另外也談到了堿性蛋白酶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景以及研究的目的和意義；并且最終設(shè)計(jì)出帶控制點(diǎn)的工藝流程圖，設(shè)備布置圖，發(fā)酵罐裝配圖。

關(guān)鍵詞：堿性蛋白酶；液態(tài)發(fā)酵；雙水相萃取；冷凍干燥；生產(chǎn)車(chē)間

Designannualoutputof1000Talkaline

proteaseworkshop

Abstract:Thealkalineproteaseisoneofveryimportantindustrialenzymes,andhowtoproducetheplanteffectivelyisparticularlyimportant.Thispaperintroducestheprocessthatuseliquidfermentationontheproductionofalkalineprotease,usetwo-phaseextractionforpurificationofwater,freeze-dryingprocesstodrytheproduct;andthroughthematerialbalance,heatbalance,equipmentselection,etc.Ipreliminarydesigntheannualoutputofseveralsteps1000Talkalineproteaseworkshopprojects;Ianalysisoftheshortcomingsoftraditionalcraftsandproblemsinthepape;Ihavealsotalkedabouttheprospectsforthedevelopmentofalkalineprotease,andthepurposeandmeaning;andultimatelydesignaprocessflowdiagramwithcontrolpoints,equipmentlayoutdiagram,fermentorassemblediagram.

Keywords:Alkalineprotease;LiquidAermentation;Aqueoustwo-phaseextraction;AreezeDrying;Workshop

.一、一

前言

堿性蛋白酶(Alkalineprotease)是指在pH值偏堿性范圍內(nèi)水解蛋白質(zhì)肽鍵的酶類(lèi)，1913年Rohm首先將胰蛋白酶作為洗滌浸泡劑使用，1945年瑞士Dr.Jaag等人在地衣芽抱桿菌(BacilluslicheniAormis)中發(fā)現(xiàn)了堿性蛋白酶⑴。堿性蛋白酶可以在堿性條件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、絲綢、醫(yī)藥、食品和生物化學(xué)試劑等領(lǐng)域，其最大用途是作為添加劑生產(chǎn)加酶洗滌劑。

選題背景

堿性蛋白酶是一類(lèi)非常重要的工業(yè)用酶，廣泛存在于動(dòng)、植物及微生物中，微生物來(lái)源的蛋白酶都是胞外酶，與動(dòng)、植物來(lái)源的堿性蛋白酶相比，除了具有動(dòng)植物蛋白酶所具有的全部特性外，還具有下游技術(shù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、來(lái)源廣、產(chǎn)量高、菌體易于培養(yǎng)、高產(chǎn)菌株選育簡(jiǎn)單、快速、適于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)［2］。

堿性蛋白酶主要應(yīng)用于洗滌行業(yè)中，在制革、食品等其它行業(yè)也有廣泛應(yīng)用。目前我國(guó)洗滌行業(yè)中加酶洗滌劑也占90%以上，且占有率有上升趨勢(shì)。我國(guó)堿性蛋白酶的研究發(fā)展很快。

目前，國(guó)外堿性蛋白酶主要應(yīng)用于洗滌及皮革等行業(yè)中，99%以上洗滌劑均添加了堿性蛋白酶，因此市場(chǎng)需求出現(xiàn)了供不應(yīng)求的現(xiàn)象。相信隨著堿性蛋白酶研究的進(jìn)一步深入，該現(xiàn)象將會(huì)得到有效的緩解。當(dāng)前國(guó)外堿性蛋白酶高產(chǎn)菌株的選育主要用基因工程技術(shù)和蛋白質(zhì)工程手段進(jìn)行工業(yè)微生物菌種的定向選育，目的性強(qiáng)，而且酶結(jié)構(gòu)研究也比較深入。TsuyoshiNonaka［3］等人研究了枯草桿菌抗氧化性穩(wěn)定性并期望能應(yīng)用于洗滌劑行業(yè)。KunamneniAdinarayana［4］等人研究了枯草芽抱桿菌PE-11的熱穩(wěn)定性。研究表明，該酶在60°C處理了350min酶仍保持100%活力。極端堿性蛋白酶和高活力堿性蛋白酶工程菌構(gòu)建成為國(guó)外堿性蛋白酶的熱點(diǎn)［5］。

1.2課題來(lái)源

本課題來(lái)源于三峽大學(xué)化生學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)課題組。充分考慮了理論與實(shí)踐的結(jié)合，并且關(guān)注了目前國(guó)內(nèi)外堿性蛋白酶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀和前景。課題本身也來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐的需要。

1.3設(shè)計(jì)目的和意義

堿性蛋白酶可以在堿性條件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、絲綢、醫(yī)藥、食品和生物化學(xué)試劑等領(lǐng)域，其最大用途是作為添加劑生產(chǎn)加酶洗滌劑。堿性蛋白酶最早在豬的胰臟中發(fā)現(xiàn)。1913年，Rohm首先將胰蛋白酶作為洗滌浸泡劑使用。1945年瑞士的DrJaag等發(fā)現(xiàn)了微生物堿性蛋白酶，使蛋白酶有可能廣泛應(yīng)用于洗滌劑工業(yè)。1963年，諾和諾德公司(現(xiàn)諾維信公司)發(fā)現(xiàn)了更適用于洗滌劑的堿性蛋白酶Alcalase,酶制劑被廣泛地應(yīng)用于洗滌劑產(chǎn)品中，出現(xiàn)了加酶洗衣粉；隨后的20年中，細(xì)菌類(lèi)蛋白酶是唯一被應(yīng)用于洗滌劑中的商品化酶制劑［6］。

目前我國(guó)所用的堿性蛋白酶工業(yè)生產(chǎn)菌種為地衣芽抱桿菌2709的突變株。

這些菌株所產(chǎn)堿性蛋白酶在PH8-10的范圍內(nèi)活性較好。經(jīng)過(guò)多年傳統(tǒng)方法的菌種選育和工藝優(yōu)化，堿性蛋白酶的單位產(chǎn)量為10000y/ml發(fā)酵液，己很難有大的突破，其發(fā)酵單位與國(guó)外先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)。近幾年，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)2709堿性蛋白酶、嗜麥芽假單胞菌以及嗜熱脂肪芽抱桿菌耐熱堿性蛋白酶等都做了基因克隆和在大腸桿菌中的表達(dá)研究。其中，江南大學(xué)的唐雪明構(gòu)建的整合型工程菌酶活力在實(shí)驗(yàn)室水平上最高可達(dá)24480p/ml。但未見(jiàn)這些高產(chǎn)基因工程菌株應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道，有關(guān)它們的研究仍停留在實(shí)驗(yàn)室水平。在國(guó)外，如世界著名公司NovoNordisk和Geneneor,堿性蛋白酶生產(chǎn)菌株均為基因工程菌株，據(jù)這些公司銷(xiāo)售網(wǎng)站報(bào)道，其發(fā)酵單位產(chǎn)量在25000-30000p/ml⑺。

1.4前景分析

國(guó)外生產(chǎn)堿性蛋白酶的發(fā)展前景

自20世紀(jì)中葉以來(lái)，工業(yè)用酶制劑市場(chǎng)得到了蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1981年工業(yè)酶制劑生產(chǎn)量約65，000噸，產(chǎn)值4億美元；1985年工業(yè)酶制劑約生產(chǎn)75，000噸，產(chǎn)值約6億美元；1998年全世界工業(yè)酶制劑銷(xiāo)售額高達(dá)16億美元。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，市場(chǎng)對(duì)酶制劑的需求進(jìn)一步增強(qiáng)，以世界上最大的酶制劑生產(chǎn)商丹麥的NovoNordisk公司為例，1993年的酶制劑銷(xiāo)售額為9億美元；1998年產(chǎn)業(yè)用酶的銷(xiāo)售額為巧18億美元。從總體來(lái)看，世界酶制劑的生產(chǎn)量正以每年8%左右的速度遞增，酶制劑的生產(chǎn)品種已由原來(lái)的十多個(gè)發(fā)展為數(shù)十個(gè)。1994年以來(lái)，酶制劑市場(chǎng)量最大的是洗滌劑用酶，第二位是淀粉加工用酶，以后依次為乳制品加工、制酒工業(yè)、纖維工業(yè)和飲料業(yè)等。

酶作為生物催化劑，在許多化學(xué)反應(yīng)中具有不可低估的作用。酶催化劑作為生物進(jìn)化的高級(jí)形式，與一般的化學(xué)催化劑相比，它可以在非常溫和的條件下高效、專(zhuān)一地催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。酶工程技術(shù)已成為生物工程技術(shù)的重要組成部分，無(wú)論是基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程都需要酶分子的參與。酶催化的高效性、特異性及產(chǎn)品的高效回收、簡(jiǎn)單的反應(yīng)體系等優(yōu)點(diǎn)使酶工程技術(shù)成為現(xiàn)代生物技術(shù)的主要支柱之一。

1.4.2我國(guó)生產(chǎn)堿性蛋白酶的發(fā)展前景

此產(chǎn)品高活力高堿性蛋白酶是從嗜堿芽孢桿菌中篩選的新型堿性蛋白酶菌種產(chǎn)生的，是繼傳統(tǒng)2709堿性蛋白酶之后又一可工業(yè)化生產(chǎn)的堿性蛋白酶品種。國(guó)內(nèi)堿性蛋白酶目前的產(chǎn)品形式主要為粉狀和顆粒堿性蛋白酶，有明顯的不良?xì)馕?。諾奧科技開(kāi)發(fā)的堿性蛋白酶為精制酶，發(fā)酵活力高，耐堿性強(qiáng)(PH9-11)，無(wú)不良?xì)馕?，可用于酵母水解、制備硫酸軟骨素、咸味香精等食品加工行業(yè)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)酶制劑行業(yè)在此酶品種上的市場(chǎng)空白。通過(guò)對(duì)此酶酶學(xué)性質(zhì)的進(jìn)一步分析研究，可為國(guó)內(nèi)應(yīng)用行業(yè)的科研人員提供一種新的蛋白酶品種，推動(dòng)酶制劑應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。

近十年來(lái)，酶制劑產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為生物工程的重要組成部分，它的發(fā)展非常迅速，僅1998年全世界工業(yè)酶制劑銷(xiāo)售額高達(dá)16億美元，預(yù)計(jì)到2012年，銷(xiāo)售額將達(dá)到40億美元。酶制劑對(duì)我國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著非常重要的作用，是我國(guó)化學(xué)工業(yè)“十五”和“十一五”規(guī)劃中加快發(fā)展的精細(xì)化工產(chǎn)品，酶制劑工業(yè)作為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，是21世紀(jì)最有希望的新興產(chǎn)業(yè)之一。

酶制劑是一類(lèi)具有生物催化能力的蛋白質(zhì)，它以用量少、催化效率高、專(zhuān)一性強(qiáng)的特點(diǎn)，在生物技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域備受矚目。目前，在世界范圍內(nèi)蛋白分解酶是工業(yè)酶種中應(yīng)用得最多的一種酶，約占酶總量的60％，其中堿性蛋白酶就占25％。堿性蛋白酶廣泛存在于細(xì)菌、放線菌和真菌中，其中以芽孢桿菌堿性蛋白酶的研究最為廣泛和深入。堿性蛋白酶在改善人民生活質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約原料和能源、保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。在高技術(shù)日新月異的今天，堿性蛋白酶在日用化工、食品、環(huán)保、醫(yī)藥及一些新興產(chǎn)業(yè)中更是具有巨大的市場(chǎng)潛力，發(fā)展前景極其廣闊，大力開(kāi)發(fā)堿性蛋白酶的應(yīng)用基礎(chǔ)研究及生產(chǎn)研究勢(shì)在必行。2堿性蛋白酶的基本性質(zhì)和生產(chǎn)工藝的選擇

堿性蛋白酶的基本性質(zhì)

2.1.1堿性蛋白酶的概念

堿性蛋白酶是經(jīng)細(xì)菌原生質(zhì)體誘變方法造育的2709枯草桿微生物通過(guò)深層發(fā)酵、提取及精制而成的一種蛋白水解酶，屬于一種絲氨酸脆外高堿性蛋白酶，它能水解蛋白質(zhì)分子肽鏈生成多肽或氨基酸，具有較強(qiáng)的分解蛋白質(zhì)的能力。生產(chǎn)工藝是采用微濾超濾膜分離、噴霧干燥或真空冷凍干燥等先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、釀造、絲綢、制革等行業(yè)。2.1.2堿性蛋白酶的特點(diǎn)

堿性蛋白酶是由芽孢桿菌發(fā)酵而得，主要成分為枯草桿菌蛋白酶，是一種內(nèi)切酶，催化部位為絲氨酸，分子量約為27300。

堿性蛋白酶是目前市場(chǎng)上流行的洗滌添加劑，能大幅度提高洗滌去污能力，特別對(duì)血漬、汗?jié)n、奶漬、油漬等蛋白類(lèi)污垢，具有獨(dú)特的洗滌效果。堿性蛋白酶在技術(shù)上采用細(xì)菌原生質(zhì)體誘變處理方法，從國(guó)內(nèi)堿性蛋白菌生產(chǎn)菌2709枯草桿菌中研究選育出若干穩(wěn)定高性能菌株，在后處理上，采用去渣鹽析沉淀法，減少了蛋白酶的雜質(zhì)含量和產(chǎn)品特有的氣味，提高了溶解速度，與洗滌劑有更好的配伍性，延長(zhǎng)了保質(zhì)期。

堿性蛋白酶作為水解大豆分離蛋白的酶源，確定水解條件及制備多肽的工藝用于堿性蛋白酶制備多肽，從而達(dá)到理想的效果［8］。大豆從古至今被認(rèn)為是“營(yíng)養(yǎng)的寶庫(kù)”，在日本關(guān)于大豆的研究已經(jīng)十分深入。從脫脂大豆到原油，從醫(yī)用到食用所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，產(chǎn)品品種繁多，其中大豆多肽的研究成為了近年來(lái)的熱點(diǎn)。多肽是由蛋白質(zhì)中20種天然氨基酸以不同組成和排列方式構(gòu)成的，從二肽到復(fù)雜的線性或環(huán)形結(jié)構(gòu)的不同肽類(lèi)的總稱(chēng)，其中可調(diào)節(jié)生物生理功能的多肽稱(chēng)為功能肽。

培養(yǎng)基主要成分和生產(chǎn)方法

2.2.1培養(yǎng)基主要成分是淀粉2%(M/V),麩皮5%(M/V),玉米漿3%(M/V),接種量5%(V/V),溶氧0.03-0.04MPa，吐溫-800.02%(M/V),MgSO40.02%。

堿性蛋白酶的主要生產(chǎn)方法

直接提取法：從動(dòng)物器官中提取堿性蛋白酶,然后進(jìn)行分離純化。

微生物發(fā)酵法：培養(yǎng)有產(chǎn)量高的堿性蛋白酶產(chǎn)生菌,目前主要有固態(tài)發(fā)酵法和液態(tài)發(fā)酵法。諾維信和龐博等生物技術(shù)公司普遍采用液態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)堿性蛋白酶。

2.3生產(chǎn)工藝的選擇

上述幾種方法中,直接提取法操作簡(jiǎn)單,但是對(duì)原料要求高,并且所得酶制品比活力很低,提取過(guò)程中極易降低酶活力,不適合工業(yè)化生產(chǎn)。目前主要利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)堿性蛋白酶,其液態(tài)發(fā)酵法產(chǎn)酶率較高,并且耗能少,且簡(jiǎn)便了下游工作的分離提純；而固態(tài)發(fā)酵法產(chǎn)酶周期長(zhǎng),酶比活力較低,產(chǎn)酶量少,加大了下一步分離提純的難度。

綜上所述,采用液態(tài)發(fā)酵工藝是可行的,而且是目前國(guó)內(nèi)外堿性蛋白酶生產(chǎn)的主要生產(chǎn)方法,所以在本次設(shè)計(jì)采用的工藝是液態(tài)發(fā)酵法。

工藝原理

邱秀寶［8］采集38個(gè)不同土樣,從中篩選到一株產(chǎn)堿性蛋白酶的嗜堿性短小芽孢桿菌R115,經(jīng)NTG和利福平處理,獲得一株具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的堿性蛋白酶變異株B45。徐子淵⑼等將堿性蛋白酶生產(chǎn)菌2709進(jìn)行誘變育種，獲得變異株C1213，酶產(chǎn)量提高了40%。鄭鐵曾［10］等對(duì)如何提高C1213堿性蛋白酶活力進(jìn)行了研究，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，酶活力達(dá)到21000U/mL，相對(duì)原始菌株2709酶活提高了170%。馮清平［11］等也從土樣中篩選到一株產(chǎn)堿性蛋白酶的嗜堿性地衣芽孢桿菌53-A6,對(duì)其原生質(zhì)體進(jìn)行復(fù)合誘變處理,從中選育出了耐高溫、耐堿的堿性蛋白酶高產(chǎn)株。在生物技術(shù)領(lǐng)域中,堿性蛋白酶可作為工具酶用于核酸純化過(guò)姚剛等人對(duì)培養(yǎng)基成分及培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化,得出最佳的發(fā)酵培養(yǎng)基成分為：酵母浸粉2%、蔗糖1.0%、吐溫-800.5%、硫酸鎂0.02%；發(fā)酵條件為：接種量4%(V/V)、起始pH9,在150ml的三角瓶中，裝液量為25ml，發(fā)酵36h。在最佳培養(yǎng)條件下，堿性蛋白酶粗酶活力可達(dá)1670U/ml［12］。

工藝流程圖

液態(tài)發(fā)酵法生產(chǎn)堿性蛋白酶的工藝流程，包括原料預(yù)處理、液態(tài)發(fā)酵工序、雙水相萃取和冷凍干燥工藝三大部分。本次設(shè)計(jì)的主體是原料預(yù)處理、液態(tài)發(fā)酵工序，生產(chǎn)堿性蛋白酶的基本工藝流程如圖1所示。

空氣

1

菌種

培養(yǎng)基

1

列壓

1

預(yù)熱

1

冷卻

1

連消

i

V

除張

一二級(jí)種子

維持

1

降溫

1

I

高壓勻質(zhì)耕I

離心分離

*離&分離■FEG-Jk

冷凍干煉機(jī)

含1=1-1口口

廢液相PEG水相

圖1堿性蛋白酶工藝流程圖

2.3.3工藝流程說(shuō)明

首先培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)預(yù)處理進(jìn)行滅菌、均質(zhì)，待溫度降到37°C。將培養(yǎng)基分別加入到種子罐和發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵，通風(fēng)攪拌24h。放罐后直接對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行雙水相萃取，經(jīng)過(guò)兩次萃取后獲得純的酶液，最后對(duì)酶液進(jìn)行冷凍干燥，便制得產(chǎn)品。

2.3.4分離純化流程

1.雙水相萃取

萃取原理:將親水性聚合物加入水中會(huì)形成兩相。聚合物以不同的比例分配與這兩相中，而水分在每一相中都會(huì)占很大的比例(85%-95%),生物蛋白質(zhì)等在這種體系中能夠保持自然活性。

當(dāng)兩種聚合物的水溶液相互混合時(shí)，究竟是分層成兩相，還是混合成一相，取決于兩種因素，一是混合熵的變化，二是分子間的作用力。對(duì)大分子而言，則分子間的作用力占主導(dǎo)地位，也就是說(shuō)，由分子間的作用力決定混合的結(jié)果。

若兩種聚合物的分子間存在斥力，那么再某一分子的周?chē)涂赡芟低N分子而非異種分子。當(dāng)達(dá)到平衡后則分成兩相，兩種聚合物分別進(jìn)入到每一相中，達(dá)到分離的目的。反過(guò)來(lái)，如果兩種聚合物之間存在引力，如在帶相反電荷的兩種聚合物電解質(zhì)之間，則它們相互結(jié)合而存在于同一相中，若兩種聚合物間不存在分子間力，則它們相互混合。根據(jù)上述分析可知，能夠進(jìn)行雙水相萃取的必要條件是：形成的兩種聚合物分子間存在引力。

雙水相萃取中，影響分配的主要參數(shù)有聚合物的分子質(zhì)量和濃度、pH、鹽的種類(lèi)和濃度、操作穩(wěn)定等。聚合物分子質(zhì)量低時(shí)，生物大分子易分配于富含該聚合物的相中，當(dāng)遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時(shí)，雙水相萃取本身受溫度的影響很小。大規(guī)模生產(chǎn)總是在常溫下操作，一則節(jié)省制冷費(fèi)用，再則聚合物在常溫下對(duì)蛋白質(zhì)有穩(wěn)定作用，不會(huì)引起損失，同時(shí)溫度高時(shí)，粘度低，有利于相的分離操作。因此，確定適宜的操作條件，可達(dá)到較高的分配系數(shù)和選擇性。雙水相萃取的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可直接從細(xì)胞破碎漿液中萃取蛋白質(zhì)而無(wú)需將細(xì)胞碎片分離，一步操作可達(dá)到固液分離和純化兩個(gè)目的。

雙水相萃取方法：雙水相萃取法的一個(gè)主要應(yīng)用是胞內(nèi)酶的提取，采用雙水相系統(tǒng)可使欲提取的酶與細(xì)胞碎片以較大的分配系數(shù)分配在不同的相中，進(jìn)而采用離心法就可實(shí)現(xiàn)分離。采用雙水相萃取時(shí)，通常將蛋白質(zhì)分配在上相(PEG)，細(xì)胞碎片分配在下相(鹽)。反過(guò)來(lái)對(duì)相的分離不利，因?yàn)楫?dāng)上相固含量髙時(shí)，分離機(jī)的性能會(huì)受到影響。在操作時(shí)，單位重量相系統(tǒng)中料漿的加入量是一個(gè)重要參數(shù)。顯然，料漿的加入量愈多愈經(jīng)濟(jì)，但過(guò)量的料漿會(huì)影響原來(lái)聚合物的成相系統(tǒng)，是分配系數(shù)降低，結(jié)果收率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般每1kg萃取系統(tǒng)處理200-400濕菌體為宜。

2.冷凍干燥

冷凍干燥原理：冷凍干燥是將濕物料在較低溫度下凍結(jié)成固態(tài)，然后在高度真空(130Pa-0.1MPa)下，將其中固態(tài)水分直接升華為氣態(tài)而除去的干燥過(guò)程，也稱(chēng)為升華干燥。冷凍干燥也是真空干燥的一種特例。

冷動(dòng)干燥也可將濕物料不預(yù)凍，而是利用高度真空時(shí)水分汽化吸熱而將物料自行凍結(jié)。這種凍結(jié)能量消耗小，但對(duì)液體物料易產(chǎn)生泡沫或飛濺現(xiàn)象而遭致?lián)p失，同時(shí)也不易獲得多孔性的均勻干燥物。冷凍干燥中升華溫度一般為-35°C--5°C，而抽出的水分可在冷凝器上冷凍聚集或直接為真空泵排出。若升華時(shí)需要的熱量直接由所干燥的物料供給，這種情況下，物料溫度減低很快，以至于冰的蒸汽壓很低而使升華速率降低。一般情況下，熱量由加熱介質(zhì)通過(guò)干燥室的間壁供給，因此，既要供給濕物料的熱量以保證一定的干燥數(shù)率，又要避免冰的融化。

與其他干燥相比，冷凍干燥具有以下特點(diǎn)：

干燥溫度低，特別適合于高熱敏性物料的干燥，生物制品的干燥。又系在

真空下操作，氧氣極少，物料中易氧化物質(zhì)得到了保護(hù)，因此，制品中的有效物質(zhì)及營(yíng)養(yǎng)成分損失很少。

能保持原物料的外觀形狀。物料在升華脫水前先進(jìn)行預(yù)凍，形成穩(wěn)定的固體骨架。干燥后體積形狀基本不變，不失原有的固體結(jié)構(gòu)，無(wú)干縮現(xiàn)象。

凍干制品具有多孔結(jié)構(gòu)，因而有理想的速溶性和快速?gòu)?fù)水性。干燥過(guò)程中，物料中溶于水的溶質(zhì)就地析出，避免了一般干燥方法中因物料水分向表面轉(zhuǎn)移而將無(wú)機(jī)鹽和其他有效成分帶到物料表面，產(chǎn)生表面硬化現(xiàn)象。

冷凍干燥脫水徹底(一般低于2%-5%)，質(zhì)量輕，產(chǎn)品保存期長(zhǎng)，若采用真空密封包裝，常溫下即可運(yùn)輸、保存，十分簡(jiǎn)便。

但冷凍干燥需要昂貴的專(zhuān)用設(shè)備，干燥周期長(zhǎng)，能耗較大，產(chǎn)量小，加工成本高。

冷凍干燥流程：冷凍干燥過(guò)程分為兩個(gè)階段，第一階段，在低于熔點(diǎn)的溫度下，使物料中的固態(tài)水分直接升華，大約有98%-99%的水分在這一階段除去。第二階段中，將物料溫度逐漸升高甚至高于室溫，使水分汽化除去，此時(shí)水分可以減少到0.5%。冷東干燥系統(tǒng)主要有4部分組成，即冷凍裝置、真空裝置、水汽去除裝置和加熱部分，用于生物制品的了扭動(dòng)干燥流程見(jiàn)帶控制點(diǎn)餓工藝流程圖。預(yù)冷凍和干燥均在一個(gè)箱內(nèi)完成。帶干燥的物料放入干燥室內(nèi)，開(kāi)動(dòng)預(yù)冷用冷凍機(jī)對(duì)物料進(jìn)行冷凍，隨之開(kāi)啟冷凝器和真空裝置，實(shí)現(xiàn)升華干燥操作。加熱器以作冷凝器內(nèi)化霜之用。第一階段升華干燥結(jié)束后，開(kāi)啟油加熱循環(huán)泵對(duì)干燥室加熱升溫，使之汽化排除剩余的水分。3初始設(shè)計(jì)條件與基本物性數(shù)據(jù)

3.1堿性蛋白酶發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)

指標(biāo)名稱(chēng)

單位

指標(biāo)數(shù)

生產(chǎn)規(guī)模

t/a

1000

生產(chǎn)方法

深成液態(tài)發(fā)酵

年生產(chǎn)天數(shù)

d/a

300

產(chǎn)品日產(chǎn)量

t/a

3.4

產(chǎn)品質(zhì)量

比活力(U/g)

50萬(wàn)

倒罐率

%

1.0

發(fā)酵周期

h

36

發(fā)酵液酶活力

U/ml

18000

堿性蛋白酶提取率

%

85

冷凍干燥酶收率

%

80

平均總收率率

%

68

工藝參數(shù)與基本物性數(shù)據(jù)的選取

3.2.1工藝參數(shù)

堿性蛋白酶比活力比活力為50萬(wàn)U/g,生產(chǎn)周期為36h,發(fā)酵溫度為37°C,溶氧為0.03-0.04MPa。

3.2.2基本物性數(shù)據(jù)的選取

在低溫下油或油脂的平均熱容在2.05-2.51kJ/(kg.C),隨著溫度升高比熱將增加。

4物料衡算

根據(jù)物料衡算的質(zhì)量守衡定律，在間歇操作過(guò)程中，若系統(tǒng)內(nèi)不發(fā)生物料量的積累，輸入的物料量等于輸出的物料量。

表1物料的基本物性參數(shù)

密度(kg/m3)

汽化替熱kJ/kg

比熱容kJ/(kgC)

沸點(diǎn)(C)

培養(yǎng)基1000

4.183

水998

2258

4.183

100

生產(chǎn)1000kg比活力為50萬(wàn)U/g的發(fā)酵液量：

50萬(wàn)U/gx1000x1000=108萬(wàn)U

108萬(wàn)U/18000=2.78x107ml=27.8m3

18000U/ml-發(fā)酵液酶活

V0=V/(0.68x0.7)=92.6/(0.68x0.7)=194.54m3

0.68—平均總收率0.7—填充系數(shù)

發(fā)酵液所需淀粉量:194.54x2%=3.89kg

發(fā)酵液所需麩皮量:194.54x5%=9.73kg

發(fā)酵液所需玉米漿量:194.54x3%=5.83kg二級(jí)接種量：V2=1%V1=1.95m3吐溫-80(M/V)：0.02%x194.54=0.0389kgMgSO4(M/V)：0.02%x194.54=0.0389kg

表2物料一覽表

物料名稱(chēng)生產(chǎn)lt(100萬(wàn)U/g)酶1000t/a酶生產(chǎn)的每日物料量

的物料量物料量

發(fā)酵液(m3)

27.8

27800

32.43

二級(jí)種液(m3)

1.95

1950

6.5

淀粉(kg)

3.89

3890

12.97

麩皮(kg)

9.73

9730

32.43

玉米漿(kg)

5.83

5830

19.43

吐溫-80(kg)

0.0389

38.9

0.13

培養(yǎng)基(kg)

19.49

19490

65.00

MgSO4(kg)

0.0389

38.9

0.13

5熱量衡算

基準(zhǔn)溫度的選定

為便于計(jì)算，熱量輸入和輸出的基準(zhǔn)溫度選為20°C(293K)。

連消塔的熱量衡算

Q=Gc(t2-t])=13406x3.91x(115-70)=2.36x106(kJ/h)

發(fā)酵罐的熱量衡算

發(fā)酵時(shí)放出的生物熱：Q總=4.18x6000x102.14=2.56x106(kJ/h)

表3熱量衡算表

設(shè)備

熱量衡算(kJh)

備注

螺旋板換熱器

0

物料循環(huán)加熱

連消塔

2.36x106

蒸汽加熱

維持罐

0

只需保溫

噴淋冷卻

2x106

原水冷卻

種子罐

2.56x104

夾套冷卻

發(fā)酵罐

5.12x106

蛇管冷卻

發(fā)酵一次所需總熱量

2.36x106

蒸汽1339kg/h

6設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型[14][15][16][17]

發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

設(shè)備設(shè)計(jì)要求單

表4設(shè)備設(shè)計(jì)要求單

技術(shù)特性指標(biāo)

壓力

體內(nèi)

0.5Mpa

溫度

體內(nèi)

<100°C

介質(zhì)

體內(nèi)

培養(yǎng)基

腐蝕情況

微弱

6.1.2確定發(fā)酵罐和封頭：從要求單上所列的工作壓力及溫度以及設(shè)備的工藝性質(zhì)，可以看出它是屬于機(jī)械攪拌通風(fēng)式發(fā)酵罐。根據(jù)慣例，選擇圓柱形筒體和橢圓形封頭。

6.1.3容積：選用公稱(chēng)容積150m3

生產(chǎn)能力的計(jì)算：V0=V皐(0.68x0.7)=92.6/(0.68x0.7)=194.54m3

0發(fā)

發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：N=194.54x36/(24x150)=1.94=2個(gè)

6.1.6主要尺寸的計(jì)算：按公稱(chēng)容積150m3的發(fā)酵罐計(jì)算：

設(shè)H=2D,采用橢圓形封頭，經(jīng)計(jì)算得，選罐內(nèi)徑為4500mm，據(jù)JB145-71，可選擇橢圓封頭的直邊高度為50mm，曲面高度為1125mm，則可以計(jì)算出橢

圓封頭的容積為：

曲面體積：

F125nx(1-

0

吠1252)心25)2^

=1.125x(2.25)2x3.14-3.14x4x(1.125)3/3

=11.92m3

直面體積：0.05xn(2.25)2=0.79m3封頭總體積：11.92+0.79=12.71m3

故D=4.5mH=9mha=1.125mhb=0.05m

ab

故發(fā)酵罐的全體積為：V0=12.71x2+0.785x4.52x9=168.49m3

冷卻面積的計(jì)算

A=總一

KAt

m

對(duì)于堿性蛋白酶發(fā)酵，每

4.18x6000kj/(m?h)

1m3發(fā)酵液、每小時(shí)傳給冷卻器的最大熱量約為

平均溫度差A(yù)t:

m

At=Ati~At2=17Z1°=13.21

mAt17

In4ln-At10

2

2

發(fā)酵罐的實(shí)際裝液量136.18X—=102.14m3

3

人Q4.18x6000x102.14(

A=—==92.85(m2)

KAt4.18x500x13.2

m

攪拌器設(shè)計(jì)由于堿性蛋白酶發(fā)酵過(guò)程有中間補(bǔ)料工作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。

該攪拌器的個(gè)尺寸與罐徑D有一定餓比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列后:

攪拌器葉徑Di=呂二吉5=1.5m取d=1.5(m)

葉寬B=0.2d=0.2x1.5=0.3(m)

弧長(zhǎng)l=0.375d=0.375x1.50.56(m)

D4.5

底距C=一==1.5(m)

33

盤(pán)徑di=0.75Di=0.75x1.5=1.125(m)

葉旋長(zhǎng)L=0.25d=0.25x1.5=0.375(m)

葉距Y=D=4.5(m)

彎葉板厚(5=4(mm)

取兩檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50m3發(fā)酵罐，攪拌器直徑1.05m,轉(zhuǎn)速

N]=110r/min,以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得：

N2=N1(知/3=110(罟

2

)2/3=87(r/min)

攪拌軸功率的計(jì)算現(xiàn)用修正的邁克爾式求攪拌軸功率,并由此選著電機(jī)。發(fā)酵液可視為牛頓流體,計(jì)算步驟如下：

1)計(jì)算Rem

Rem=

m

D2NP

式中D—攪拌器直徑

n—攪拌器轉(zhuǎn)速’N=860=1.45(r/s)

p—醪液密度，p=1050kg/m3

U—醪液粘度，U=1.3x10-3N?s/m2

將數(shù)代入上式：

Re1.52%1.45x1050=2.64x106>104，視為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)

m=1.3x10-3

Np=4.7

p

計(jì)算不通氣時(shí)攪拌軸功率P0：

P0/=NN3D5P

0p

式中Np—在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7

N—攪拌轉(zhuǎn)速，N=87r/min=1.45r/s

D—攪拌器直徑，D=1.5m

p—醪液密度，p=1050kg/m3代入上式：

P0/=4.7x1.453x1.55x1050=114.25kw

兩檔攪拌P0=2P0＇=228.5kw

計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg:

o

P2ND3

P=2.25x10-3x()o.39(kw)

gQ0.08

式中P0—不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率(kw)，P02=228.52=5.22x1O4

N—軸轉(zhuǎn)速，N=87r/min

D—攪拌器直徑(cm)D3=1.53x106=3.38x106

Q—通風(fēng)量(ml/min)，設(shè)通風(fēng)比vvm=0.11-0.18，取低限，如通風(fēng)

量變大,P會(huì)小,為安全?，F(xiàn)取0.11;則Q=102.14x0.11x106=1.12x107(ml/min)g

Q0.08=(1.12x107)0.08=3.66代入上式：

Pg=2.25x10-3x(

5.22x104x87x3.38x104

3.66

)0.39

=31.26(kw)

4)求電機(jī)功率P：

電

P

P=g——x1.01

電nnn

123

采用三角帶傳動(dòng)n=0.92；n=0.99；n=0.98；雙端面密封增加的功率

123

為1%；代入公式數(shù)值得：

P=3126x1.01=35.37kw

電0.92x0.99x0.98

故選擇電機(jī)的型號(hào)為：

6.1.7設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)

空氣分布器：由于枯草芽孢桿菌是好氧菌，故可直接采用單管式。

擋板：人梯和豎式冷卻蛇管也可以器擋板的作用，所以可不設(shè)擋板。

密封方式：采用雙端面機(jī)械軸封。

冷卻管布置：采用豎式冷卻蛇管。求管道截面積。

求最高熱負(fù)荷下的耗水量W：

Q

W=總—

c(t—t)

p21

式中Q—每lm3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí),lh的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積:

總

Q總=4.18x6000x102.14=2.56x106(kJ/h)

Cp—冷卻水的比熱容，4.18kJ/(kg?K)

t2—冷卻水終溫，t2=27°C

t1—冷卻水初溫，t1=20C

將各值代入上式

W=4.185627-2O）=8.75X104（kg/h）=24.3（kg/s）

冷卻水體積流量為2.43x10-2m3/s,取冷卻水在豎直蛇管中的流速為1m/s

根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S為：

總

W

S=W

總v

式中W—冷卻水體積流量，W=2.43x10-2m3/s

v—冷卻水流速，v=1m/s

代入上式：S總=2.43:心=2.56x10-2（m2）

進(jìn)水總管直徑d=-S/0.785=.256x10-2/0.785=0.178(m)

總％總

冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)冷卻管總表面積為S，管徑d0,組數(shù)為n，則:總0

S=n?0.785d02

總0

根據(jù)本罐的情況，取n=8，求管徑得。由上式得：

d0=、'S/0.785n^.'2.43x10-2/(8x0.785)=0.062(m)

0總v

查金屬材料表選取976x4mm無(wú)縫不銹鋼鋼管(GB/T17395)，d=68mm，

內(nèi)

d>d0，可滿足要求，d=72mm。

內(nèi)0平均

現(xiàn)取蛇管圈端部U型彎管曲徑為270mm，則兩直管距離為540mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為l0：

l0=nD=3.14x54O=1696(mm)

3)冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算：由前知冷卻管總面積A=92.85m2；現(xiàn)取無(wú)縫鋼管：申76x4，每米長(zhǎng)冷卻面積為A0=3.14xO.O72xl=O.23(m2),貝廿：

L=

92.85

0.23

403.7(m)

冷卻管占有的體積：V=0.785x0.0762x403.7=1.83(m2)

每組管長(zhǎng)L0和管組高度：L0=-=4037=50.5(m)

00n8

另需連接管8m：L=L+8=403.7+8=411.7(m)

實(shí)

排豎直蛇管的高度，設(shè)為靜液面的高度，下部可伸入封頭250(mm)。設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體積為0.5m3，則總占有體積為：

V=V+V+V=102.14+1.83+0.5=104.5(m3)總液管附件

V-V1045-1271

則筒體部分液深為：一封=一.亠=5.77(m)

S0.785x4.52

截

豎蛇管總高：H=5.77+0.25=6.02(m)

又兩端彎管總長(zhǎng)l0=1696mm，兩端彎管總高為540mm。

則直觀部分高度：h=H-540=5480(mm)

則一圈管長(zhǎng)l=2h+l0=2x5480+1696=12656(mm)

每組管子圈數(shù)n0:

吠?鵲=4(圈)

現(xiàn)取管間距為2.5D=2.5x0.076=0.19(m)豎蛇管與管壁的最小距離為

外

0.15m，則可計(jì)算出與攪拌器的距離在允許范圍內(nèi)(不小于200mm)。

6)校核布置后冷卻管的實(shí)際傳熱面積：

A=ndL=3.14x0.072x411.7=93.08(m3)

實(shí)平均實(shí)

而前有A=92.85m2，A>A，可滿足要求。

實(shí)

設(shè)備材料的選擇選擇Q235A碳素鋼板(GB3274)。

發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算

發(fā)酵罐的壁厚S：

S=

PD

2(0〕?—P

+C

(cm)

式中P—設(shè)計(jì)壓力，現(xiàn)取P=0.4Pa

D—發(fā)酵罐內(nèi)徑，D=450(cm)

〔o〕一Q235A鋼的許用應(yīng)力，〔O〕=113MPa

申一焊縫系數(shù)，根據(jù)焊?jìng)那闆r和探傷的程度而定。其范圍在0.5-1之間，現(xiàn)取9=0-7

C—壁厚附加量(cm)

式中

C=C1+C2+C3

C1-鋼板負(fù)偏差，其范圍為0.13-1.3，現(xiàn)取C1=0.8mm

C2—腐蝕裕量，雙面腐蝕取C2=2mm

C3-加工減薄量，對(duì)冷加工C3=0mm

上式C=0.8+2+0=0.28(cm)

S=——0.4X450——+0.28

2x113x0.7-0.4

=1.42(cm)

9m。

M

2)封頭壁厚計(jì)算

選用15mm厚(0Cr18Ni9Ti)不銹鋼板制作。直徑4.5m，厚15mm,筒高

=nDHSp=3.14x4.5x9xl5xl0-3x7.85xl03=14974(kg)

筒

S=pD+C(cm)

2(o〕d-P

式中P=0.4MPaD=450cm〔o〕=113MPa申=0.7C=0.08+0.2+0.1=0.38

S=—0.4%450—+0.38

2x113x0.7x0.4

=15.2(cm)

查鋼材手冊(cè)圓整為16cm

接管直徑和長(zhǎng)度的確定：排料管(通風(fēng)管)

按排料管計(jì)算，該罐實(shí)際裝罐量為102.4m3，設(shè)兩小時(shí)內(nèi)排空，貝幽料體

積流量：

102.14

Q==0.0142(m3/s)

3600x2

發(fā)酵醪流速為v=1m/s；貝物料管截面積為A：A物物

Q0.0142

==0.0142(m2)

v1

S=0.785d2fd「瓦＜0.785={0.0142/0.785=0.134(m)排排

按通風(fēng)管計(jì)算，壓縮空氣在0.4MPa下，在常溫20°C,0.1MPa的情況下通風(fēng)比為0.18vvm,現(xiàn)折算到4MPa、37C狀態(tài)，取風(fēng)速Q(mào)1=25m/so

Q]=102.14x0.18=18.39(m3/min)=0.31(m3/s)

利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)下的風(fēng)量QA：

0.1273+37

Q.=0.31xx=0.082(m3/s)

A0.4273+20

風(fēng)管截面積Sa：Sa=牛二罟^如10-3?)

dA=、0.00328/0.785=0.065(m)

故取d=0.134(m)，選擇管徑為申135x40(mm)

支座選擇對(duì)于大型發(fā)酵罐，選擇裙式支座。

6.2種子罐

種子罐的選型：采用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。

種子罐容積和數(shù)量的其確定：

種子罐容積的確定：接種量按1%計(jì)算，則種子罐容積V為：

種

V=Vx1%=168.49x1%=1.68m3

種總

式中V總一發(fā)酵罐總?cè)莘e(m3)

種子罐個(gè)數(shù)的確定：種子罐周期16h，故只需一個(gè)。

主要尺寸的確定:種子罐仍采用幾何相似的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐°H:D=2:1,則種子罐容積V＇=2V+V，簡(jiǎn)化計(jì)算方程式如下：

總封筒

,nn

V=_D3+D3=1.68m3總212

D=0.97m圓整到推薦的系列尺寸，取D=1m,則H=2D=2(m)。

查相應(yīng)的封頭高H＇=250+25=275(mm)

封

罐總體高H＇：H＇=2H＇+H＇=2x275+2000=2550(mm)

罐罐封筒

單個(gè)封頭的容量：V＇=0.15(m3)

封

封頭表面積：S=1.16m2

封

圓筒容量：V'=0.785D2x2D=0.785x12x2=1.57(m3)

筒

不計(jì)上封頭容積：V'=V+V'=2x0.15+1.57=1.87(m3)>1.68m3，可

有效封筒

滿足設(shè)計(jì)要求。

冷卻面積的計(jì)算：當(dāng)罐的容積V<5m3用夾套冷卻，可滿足生產(chǎn)要求。

發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：

Q=4.18x6000x1.0214=2.56x104(kJ/h)

夾套的傳熱系數(shù)：

K=4.18x(150-250)kJ/(m3.h.°C)現(xiàn)取4.18x220kJ/(m3.h

?°C)

平均溫差：發(fā)酵溫度37C；水初溫取23C；水終溫取27C，則

平均溫差A(yù)t=!!岀=12C

2

需冷卻面積A：A=總一==2.31(m3)

KAt4.18x220x12

m

核算夾套冷卻面積：按靜止液深確定夾套高度：

V-V10214一015

靜止液體浸沒(méi)筒體高度H0=-醪一封=二=1.11(m)

0S0.785x12

罐

液深HL=H'+H0=275+1110=1385(mm)

L封0

夾套可能實(shí)現(xiàn)的冷卻面積為封頭表面積A與圓筒被液體浸沒(méi)的筒封

體外表面A之和：

筒

S==S+S=nDh0+S=3.14xlxl.ll+1.16=4.65(m2)

夾筒封0封

綜上，傳熱需要的面積A=2.31m2,A>A,故滿足要求。

實(shí)

設(shè)備材料選擇：不銹鋼(0Cr18Ni9Ti)

壁厚計(jì)算：對(duì)于帶夾套的容器應(yīng)按外壓容器計(jì)算壁厚?？紤]大冷卻水

壓力與容器內(nèi)的壓力有不同時(shí)存在的情況，取水壓作為容器外壓。

夾套內(nèi)罐的壁厚：

SPD內(nèi)+C

2(0〕?

P—設(shè)計(jì)壓力，與水壓有關(guān)，P=0.4MPa

C—壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.5+0+0=0.5(mm)

申一焊縫系數(shù)，取0.7

D—發(fā)酵罐直徑，100(mm)

內(nèi)

〔°〕一許用應(yīng)力，取137MPa

+0.5=0.71(cm)=8(mm)

「0.4x100

S=

2x137x0.7

封頭的厚度8:

封

對(duì)于上封頭8=6mm

封

對(duì)于下封頭8=8mm

封

冷卻外套壁厚8：

套封

夾套直徑與筒體直徑的關(guān)系為：

D=D+100=1100(mm)夾內(nèi)

查表得8=4mm。夾套內(nèi)有導(dǎo)流板。套

iv.外套封頭壁厚8：8=6mm

套封套封

設(shè)備結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)

1)擋板：根據(jù)全擋板條件，蘭-Z=0.5

D

式中B—擋板寬度B=0.1D=0.1x1000=100(mm)

D—罐徑D=1000mm

Z—擋板數(shù)：

Z=0.5D=0.5x^°°=5塊，取Z=6塊B100

2)攪拌器：種子罐仍采用六彎葉渦輪攪拌器。比例尺寸如下

直徑Di=0.35D=0.35x1000=350mm葉片寬度h=0.2Di=0.2x350=70mm弧長(zhǎng)r=0.375Di=131.3mm

盤(pán)徑9=0.75Di=0.75x350=262.5mm

葉旋長(zhǎng)l=0.25Di=87.5mm攪拌器間距Y=D=350mm

底距b=—=150mm

3

攪拌器轉(zhuǎn)速比=叫(#)2/3=470(

2

112)2/3=220r/min

350

兩檔攪拌。

攪拌功率為：

進(jìn)風(fēng)管(進(jìn)出料管)：該管為物料與通風(fēng)共用，管底距罐底30mm。

按通風(fēng)管設(shè)計(jì)：設(shè)罐壓為0.4MPa，發(fā)酵溫度t=32°C，風(fēng)速v=20m/s,通風(fēng)量為Q=0.18vvm,常壓下t0=2OC,送風(fēng)量V為:

V=1.O2xO.18=O.18(m3/min)

將通風(fēng)換算成工作狀態(tài)，求通風(fēng)管直徑d1:

273+1

273+1

O=

.0.18x巴x豈

I0.4293

0.785xvx60

0.785x20x60

=7.1(mm)

按輸送物料算：20min送完1.0214m3物料，則物料流量為

V=1.0214

物20x60

=8.51x10-4m3/s

V

A=^物=

v

8.51x104

0.5

=0.0017(m2)

In0017

取水流速為v=1m/s，g=:話=47(mm)

故取申57x3.5(mm)

4)冷卻水管由于所需冷卻熱量Qmax=2.56x104kJ/h，冷卻水水溫變化

max

23C—27C，水的比熱容cw=1x4.18kJ/(kg.C).

則耗水量W為：

設(shè)水流速

=1531(kg/h)

w=Q=2.56x104

c(t-1)4.18(27-23)

w21

=0.42x10-3(m3/s)

v=1m/s；則冷卻管直徑為

h04船=0.023(m)=23(mm)，查金屬材料表，取焊接管

D申32x3.5(mm)取冷卻水管接管長(zhǎng)度為100mm。g

支座選擇選用支撐式支座。

6.3空氣分過(guò)濾器

6.3.1種子罐分過(guò)濾器

分過(guò)濾器過(guò)濾層直徑的計(jì)算：

nv

TOC\o"1-5"\h\z

D=(m)

濾層\inv

式中v—通過(guò)分過(guò)濾器的空氣(在0.4MPa)流量(m3/s)

01273+371

V=1.0214x0.18xxx=0.00081(m3/s)

0.429360

vs—通過(guò)分過(guò)濾器的氣速，現(xiàn)取vs=0.2m/s代入上式。

D=：4%°.0008l=72(mm)取D=75(mm)濾層3.14x0.2濾層'丿

分過(guò)濾器直徑的計(jì)算：

取D=1.3D。則D=1.3x75=97.5(mm),圓整后取D=100mm

過(guò)濾器濾層過(guò)濾器過(guò)濾器

分過(guò)濾器強(qiáng)度的計(jì)算：

取P=0.4xl.25=0.5MPa申=0.7:

設(shè)計(jì)

〔0〕=137.2MPaC=0.5(mm)，則分過(guò)濾器厚度S為：

PD0.5x1000

S=內(nèi)+C=+0.5=0.76(mm)

2?！?-P2x137.2x0.7—05

取S=2mm。

進(jìn)出氣管：與種子罐進(jìn)出氣管相配合，取申57x3.5(mm)。

數(shù)量：一個(gè)種子罐，所以配一個(gè)分過(guò)濾器。

濾層厚度：使用經(jīng)樹(shù)脂處理過(guò)的濾紙5-6層，夾持在兩花板中。花板孔

申8mm,孔間距14mm，開(kāi)孔率40%左右。為了加強(qiáng)濾紙耐用性，可在紙層兩側(cè)加金屬絲網(wǎng)。

分過(guò)濾器的高度：一般取筒體部分高度為直徑尺寸的1.1-1.5倍:

現(xiàn)取h=Dx1.5=100x1.5=150(mm)

筒過(guò)濾器

6.3.2發(fā)酵罐分過(guò)濾器

分過(guò)濾器濾層直徑的計(jì)算：

,r4^

TOC\o"1-5"\h\z

D=(m)

濾層nv

1s

式中v—通過(guò)分過(guò)濾器的空氣(在0.4MPa)流量(m3/s)

01273+371

V=102.14x0.18xxx=0.081(m3/s)

0.429360

vs—通過(guò)分過(guò)濾器的氣速，現(xiàn)取vs=0.2m/s代入上式。

D=J4x0.00081=0.72(m)取D=0.75(m)

濾層3.14x0.2濾層

分過(guò)濾器直徑：

D=1.3D=1.3x0.75=0.975(m)

過(guò)濾器濾層

查金屬材料表，選無(wú)縫鋼板。圓整到推薦值：D=1000(mm)o

過(guò)濾器

分過(guò)濾器的壁厚：設(shè)計(jì)壓力為0.5MPa

cPD,c0.5X1000cur-、

S=內(nèi)+C=+0.5=7.6(mm)

2。〕?-P2x137.2x0.7—05

取S=8mm。

進(jìn)出氣管：進(jìn)出氣管直徑可取與設(shè)備通風(fēng)管一致，即

數(shù)量：分過(guò)濾器與發(fā)酵罐相配合，每罐一個(gè)，共需2臺(tái)。

濾層厚度：同種子罐，分過(guò)濾器5-6層超細(xì)玻璃纖維濾紙，經(jīng)樹(shù)脂處理過(guò)使用。

分過(guò)濾器高度：比例參數(shù)同種子罐分過(guò)濾器。

h=1.5xD=1.5x1000=1500(mm)

筒過(guò)濾器

h錐J5"過(guò)濾器=1.5x1000=1500(mm)

6.4連續(xù)操作設(shè)備的設(shè)計(jì)選型滅菌流程：連消塔—噴淋冷卻流程。該流程主要由連消塔、螺旋板換熱器、維持罐、噴淋冷卻組成。利用熱發(fā)酵液預(yù)熱冷發(fā)酵液，以節(jié)省熱量。

6.4.1連消塔

連消塔的選型選噴孔型。

生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定

生產(chǎn)能力：8h處理102.14m3的發(fā)酵液，該發(fā)酵液的密度為1.05t/m3。數(shù)量：一套。

主要尺寸及接管的計(jì)算

滅菌是假的確定：滅菌時(shí)間的確定可用阿倫里烏斯方程計(jì)算得經(jīng)驗(yàn)值，一般取10min。培養(yǎng)基在連消塔中的停留時(shí)間取10s。

連消塔的長(zhǎng)度：現(xiàn)取培養(yǎng)基流速v=0.3m/s，在連消塔內(nèi)的滯留時(shí)間t=10s；則連消塔長(zhǎng)度L：

L=vt=0.3x10=3(m)

連消蒸汽耗量：設(shè)8h處理一罐發(fā)酵液，則質(zhì)量流量G為：

糖

G糖=102.4；1.05=13.4(t/h)=13406(kg/h)

發(fā)酵液固形物含量x=10.4%，則比熱容Cp為：

c=^xBcB=(100-10.4)%x4.18+10.4%x1.55

pBp，B

=3.75+0.16=3.91[kg/(kg.°C)]

連消終溫取t2=115C，預(yù)熱溫度取70C，加熱蒸汽P=0.42MPa,相應(yīng)飽和

蒸汽溫度145C，干飽和蒸汽熱焓九=654.3x4.18kJ/kg,比容v”=0.45m3/kg。115C飽和蒸汽熱含量I=115.2x4.18kJ/kg，則蒸汽耗量D為：

D=

Gc(t-1)

21

入一I

13406x3.91x(115-70)

4.18x(654.3-115.18)

=1046.8(kg/h)

因熱損失蒸汽增加耗量10%，則蒸汽的質(zhì)量流量為：

D'=Dxl.l=1046.8xl.l=1151.4(kg/h)

蒸汽的體積流量為：V=D'=1151^=2558.7(m3/h)

蒸汽v"0.45

進(jìn)氣管直徑的計(jì)算：在此壓力下，取氣速為42m/s,則進(jìn)氣管截面積為A：

V'2558.7

A=——蒸==0.017(m2)

v42x3600

進(jìn)氣管直徑d=

i1F=i'0.017

Y0.785=\'0.785

=0.13(m)=130(mm)

取無(wú)縫鋼管申140x4(mm)

進(jìn)料管直徑的計(jì)算：進(jìn)料體積流量V料=12.7加訕；物料流速范圍為

V19.4

v=0.4皿則進(jìn)料管截面積人=十碩而=0.0089(m2)

進(jìn)料管直徑d進(jìn)：d

=]F='0.0089進(jìn)=Y0.785一0.785

=0.106(m)

取無(wú)縫鋼管申114x3.5(mm)

出料管直徑的計(jì)算：出料量為進(jìn)料量加上蒸汽冷凝量D，,則出料量為

G=G+1.1D=13.4+1.1x1.05=14.56(t/h)出進(jìn)

換成體積流量為V=￡出=1456=13.87(m3/h)，取流速為0.4m/s,出料出P1.05

管截面積為A出:A出十啟礦°.0096(m2)

則出料管直徑d=A;0.0096=0.11(m)，選取無(wú)縫管申127x4(mm)出\0.785\0.785

連消塔外圓尺寸的計(jì)算：已知出料體積流量為13.87m3/h,無(wú)物料在連消塔中的移動(dòng)速度取0.1m/s，則連消塔下面積A為：

環(huán)

V13.87

A=^總=0.039(m2)

環(huán)v3600x0.1

又：A=0.785x(D2-D2)

環(huán)外內(nèi)內(nèi)外

式中D—外筒直徑(m)

外內(nèi)

D—內(nèi)氣管外徑。

內(nèi)外

以上兩式聯(lián)立，則得D：D=

外內(nèi)外內(nèi)

丄+D2

0.785

=；0.039外內(nèi)=\：0.785

+0.142=0.26(mm)

Dg=D=0.3m。

g外內(nèi)

外筒有效長(zhǎng)度校核：由于連消塔內(nèi)徑因圓整，尺寸擴(kuò)大，應(yīng)重新確定有效

長(zhǎng)度：申260mm時(shí)，=0.785x(0.262-0.142)=0.038m2

1環(huán)

申300mm時(shí)，A2=0.785x(0.32-0.142)=0.055m2

2環(huán)

0.038x3

0.055

=2.1(m)

AxL

L=-1環(huán)i

2F

2

連消塔設(shè)計(jì)有效長(zhǎng)度取2.1m。

設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)連消塔內(nèi)開(kāi)孔一般取申=6mm，設(shè)總開(kāi)孔面積等孔

于進(jìn)氣管面積S，開(kāi)孔總數(shù)為N，單位面積為S0。則有：

汽孔0

S0.785x0.1322

N=二==484(個(gè))

孔S0.785x0.0062

0

汽管申140x4(mm)，外管周長(zhǎng)C=nD=3.14xl40=439.6(mm)，取弦長(zhǎng)

C439.6

20mm為孔中心距；則一個(gè)圓周上可排孔數(shù)N產(chǎn)—4396=21(個(gè))

12020

在有效長(zhǎng)度內(nèi)，去除上、下兩部分不開(kāi)孔區(qū)，可開(kāi)孔的長(zhǎng)度為

2.1-0.20-0.15=1.75(m)。

484

需開(kāi)孔的環(huán)數(shù)：484=23(環(huán))，即將1.75m分成23份。則環(huán)距為

21

1.75

=0.076(m)

23

設(shè)備材料的選擇選擇不銹鋼(0Cr18Ni9Ti)。

壁厚確定應(yīng)用查表法得壁厚8=5mm；申300mm封頭，6=6mm。

支座選擇由于有保溫層，可選用懸掛式支座，應(yīng)取B型。安裝懸掛支座重心偏上100mm處。

6.4.2維持罐

維持罐的選型選用罐式。

生產(chǎn)能力，數(shù)量和容積的確定

生產(chǎn)能力同前，質(zhì)量流量為G=13.406t/h,體積流量為V=12.77m3/h。

出出

數(shù)量：取一個(gè)

容積：根據(jù)前述滅菌時(shí)間，扣除在連消塔逗留的時(shí)間，即為在維持中

逗留的時(shí)間，。因設(shè)備有一定溫度和壓力，按受壓容器設(shè)計(jì)，采用橢圓

封頭。

t維=600-10=590s=9.83min,有維持罐填充系數(shù)申取84%，則維持罐總?cè)萘縑維為：V維=V出-t維妒12?加晉罟=2.5(m3)

設(shè)備主要尺寸的確定維持罐考慮反混問(wèn)題，擬取H/D=3。因設(shè)備有一定的溫度和壓力，按受壓容器設(shè)計(jì)，采用橢圓封頭。

n

V=2V+V=2xD3+0.785D2xD=2.5(m2)

維封筒24

解方程，D=lm,貝VH=3D=3m,封頭高度：h=h+hb=250+25=275(mm)；ab

V=0.151m2；總高H=H+2h=3+2x275=3.55(m)。封總

核算其總?cè)萘浚篤=V+2V=0.785x12x3+2x0.151=2.66(m3)>V=2.5(m3),筒封維

滿足要求。V=V+V=0.785x12x3+0.151=2.51(m3)

有效筒封

上部出料管的開(kāi)孔位置：HL=H+h=3.6+0.275=3.875(m)，出料管開(kāi)孔位置取離下風(fēng)頭底3.875m處。

4.

5.

6.

設(shè)備材料選擇不銹鋼。

壁厚計(jì)算設(shè)計(jì)壓力取P=0.5MPa,〔0〕=137.2MPa,申=0.7,C=0.5mm,則壁厚S為：S=PD+C=0.5%120+0.5=3.1(mm)

2(。〕?—P2x137.2x0.7-0.5

圓整后取S=4(mm)

接管計(jì)算進(jìn)出料管直徑,應(yīng)取與連消塔出料管相同尺寸

9127x4mm,可保證生產(chǎn)順利進(jìn)行。

校檢醪在管中的流速：v=^出=12.77=0.32(m/s)

A3600x0.785x0.1192

支座選擇選用支撐式支座。

6.4.3螺旋板換熱器

1.換熱面積的計(jì)算

熱糖液可能放出的熱量Q1(設(shè)熱糖液從115°C降到72°C)：

Q1=G1cw(t2-t1)=1.46x104x3.91x(115-72)=2.45x106(kJ/h)

設(shè)熱損失為(1-0.96)=0.04，貝M專(zhuān)給冷糖液的實(shí)際熱量為Q]'：

Q1'=Q1x0.96=2.45x106x0.96=2.35x106(kJ/h)

冷糖液可能被加熱的溫度t2：

Q2=G2cw(t2-t1)=1.34x3.91x(t2-25)x104=2.35x106

得t2=70C

求平均溫差A(yù)t：

熱糖液溫度變化72—115

冷糖液溫度變化25—70

47-45

At=頁(yè)=46(C)

In

45

4)螺旋板換熱器面積A:現(xiàn)取K=1200x4.18kJ/(m?h?C),換熱量取

Q=4.1x106kJ/(m?h?C),則:

A=

紅=

2.35x106

KAt1200x4.18x46

=10.2(m2)

5)設(shè)備選型選用I型。

6.4.4噴淋冷卻裝置

將已被螺旋板冷卻的糖液繼續(xù)冷卻到發(fā)酵罐接種溫度，即從72°C降至37°C。

1.冷卻面積的計(jì)算

冷卻熱負(fù)荷Q3：

Q3=G1Cw(t2-t1)=1.46x104x3.91x(72-37)=2x106(kJ/h)

求溫差A(yù)t：耳將發(fā)酵罐排出的冷卻水用于噴淋冷卻，水溫為28C，設(shè)升溫至40C。而發(fā)酵液從72C降至37Co

At=

lnt

=18.1C

32-9

732

ln-

9

3)冷卻面積A的計(jì)算：現(xiàn)取噴淋冷卻的總傳熱系數(shù)

K=300x4.18kJ/(m?h?C),則:

A=

KAt

2x106

300x4.18x18.1

=88.1(m2)

88.1

合=6.03[m2/(m3?h)],在6-8之間，與經(jīng)驗(yàn)值吻合。

14.6

設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝計(jì)算根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模確定冷卻管直徑?，F(xiàn)取申108x4。

求冷卻排管總長(zhǎng)L:9108x4鋼管，每米長(zhǎng)冷卻面積為

A0=3.14x108+100xl=0.33(m2)，貝廿L=△=88丄=267(m)國(guó)產(chǎn)鋼管長(zhǎng)02A0.33

0

3-12.5m每根?，F(xiàn)知9108x4鋼管的最小曲徑R=270mm,則一個(gè)U型彎頭的長(zhǎng)度為L(zhǎng)u=0.27x3.14=0.85(m)。

現(xiàn)取單根直管長(zhǎng)度為10m,則一閉合回程管長(zhǎng)L0=2xl0+0.85x2=21.7(m)