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文檔簡介

年4月19日蛋白酶的工廠設(shè)計(jì)文檔僅供參考年產(chǎn)1500m3蛋白酶的工廠設(shè)計(jì)摘要蛋白酶是催化肽鍵水解的一類酶,它可迅速水解蛋白質(zhì)為胨、肽類,廣泛存在于動(dòng)物內(nèi)臟、植物莖葉、果實(shí)和微生物中。同時(shí)大多數(shù)微生物蛋白酶都是胞外酶。微生物蛋白酶按其作用的最適pH可分為酸性蛋白酶、中性蛋白酶、堿性蛋白酶三類。酸性蛋白酶是一種羧基蛋白酶,它的分子質(zhì)量為30-40kD,等電點(diǎn)(pH3.0-5.0)酸性蛋白酶現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、飼料、釀造、毛皮與皮革、醫(yī)藥、膠原纖維等各個(gè)行業(yè)之中。本設(shè)計(jì)采用豆餅粉、玉米粉、淀粉為主要的培養(yǎng)基原料,并選用黑曲霉(Aspergillusniger)3.350菌種發(fā)酵。其中豆餅粉3.75%,玉米粉0.625%,魚粉0.625%,氯化銨1%,氯化鈣0.5%,磷酸氫二鈉0.2%。本設(shè)計(jì)利用通風(fēng)攪拌式發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵,同時(shí)利用離子交換樹脂對母液進(jìn)行提取,提高了酸性蛋白酶的生產(chǎn)效率,減少了生產(chǎn)成本。設(shè)計(jì)還包括發(fā)酵罐,全廠平面圖,車間平面布置圖,工藝流程圖。關(guān)鍵詞:酸性蛋白酶發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)TheProcessDesignoftheProteaseusedforSectionwiththeCapacityof1500m3AnnuallyAbstractproteaseisakindofPeptoneandpeptide.Ithasbeendiscoveracrossinanimalgiblets,thestemofplant,fruit,microbialandsoon.MostoftheMicrobialproteaseareectoenzyme.AccordingtoitsbestOptimumpHfunction,MicrobialproteaseCanbedividedintoAcidprotease,Neutralproteaseandalkalineprotease.AcidproteaseisakindofCarboxylprotease,Itsmolecularweightis30-40kd,lowerisoelectricpoint(pH3.0-5.0)Acidproteaseinfood,medicine,textile,leather,feed,cosmetics,washingindustrieshaveapplications,naturalhealth,avirulentandharmless,quitesafe.Sointhispaperthebasiccontentofmoreacidprotease,productionprocessandapplicationdevelopmentwereintroduced.ThisdesignUSESthebeancakepowder,cornflour,starchasthemainmediumofrawmaterials,andselectstheAspergillusNiger,AspergillusNiger)3.350bacterialfermentation.Withbeancakepowder3.75%,cornflour3.75%,0.625%fishmeal,1%ammoniumchloride,calciumchloride0.5%,disodiumhydrogenphosphate0.2%.Thisdesignusingtheventilationagitatorinfermentor,usingionexchangeresininmotherliquidwasextractedatthesametime,improvetheefficiencyoftheacidproteaseproduction,reducetheproductioncost.ThedesignalsoincludesFermentor,Thefactoryplan,Shopfloorplan,FlowChart.KeyWords:Acidprotease;fermentation;plant-design;前言酸性蛋白酶是一類最適pH值為2.5?5.0的天冬氨酸蛋白酶,相對分子質(zhì)量為。酸性蛋白酶是一種羧基蛋白酶,在其活性中心有兩個(gè)天冬氨酸殘基,其代表性特征是能夠在酸性或中性環(huán)境條件下水解動(dòng)植物蛋白質(zhì),將兩個(gè)疏水氨基酸打斷,經(jīng)過內(nèi)切和外切作用將蛋白質(zhì)水解為小肽和氨基酸。因此,一般將天冬氨酸蛋白酶稱為酸性蛋白酶。酸性蛋白酶主要來源于動(dòng)物的臟器和微生物分泌物,包括胃蛋白酶、凝乳酶和一些微生物蛋白酶。根據(jù)其產(chǎn)生菌的不同,微生物酸性蛋白酶可分為霉菌酸性蛋白酶、酵母菌酸性蛋白酶和擔(dān)子菌酸性蛋白酶.根據(jù)作用方式可分為兩類:一類是與胃蛋白酶相似,主要產(chǎn)酶微生物是曲霉、青霉和根霉等;另一類是與凝乳酶相似,主要產(chǎn)酶微生物是毛霉和栗疫霉等。細(xì)菌中尚未發(fā)現(xiàn)產(chǎn)酸性蛋白酶的菌株.由于酸性蛋白酶具有較好的耐酸性,因此被廣泛地應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、輕工、皮革工藝以及飼料加工工業(yè)中。國外關(guān)于酸性蛋白酶的生產(chǎn)研究從20世紀(jì)初就開始了。19,德國科學(xué)家從動(dòng)物的胰臟中提取出胰蛋白酶,并將其用于皮革的鞣質(zhì)。19美國科學(xué)家從木瓜中提取木瓜蛋白酶(在酸性,堿性和中性的條件下都能分解蛋白質(zhì)的酶)并將木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白質(zhì)渾濁物。自1954年吉田首次發(fā)現(xiàn)黑曲霉可產(chǎn)生酸性蛋白酶以來,國內(nèi)外對微生物發(fā)酵生產(chǎn)酸性蛋白酶進(jìn)行了廣泛的研究。1964年外國科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)大孢子黑曲霉突變體能產(chǎn)生兩種不同的酸性蛋白酶,即酸性蛋白酶和酸性蛋白酶。1965年又從血紅色陀螺孔菌,中分離出了一種酸性蛋白酶,并對該酶進(jìn)行了純化和結(jié)晶。1968年從微小毛霉中篩選出了一種酸性蛋白酶,并對其進(jìn)行了純化和酶學(xué)性質(zhì)分析。1995年外國科學(xué)家對煙曲霉酸性蛋白酶的基因進(jìn)行了克隆和測序。又從假絲酵母中篩選出了一種酸性蛋白酶菌株,并對該酶進(jìn)行了核苷酸序列分析和功能分析。國外學(xué)者對曲霉酸性蛋白酶的結(jié)構(gòu)和功能等己經(jīng)研究的較為透徹。與國外相比,中國對酸性蛋白酶的研究相對較晚些。1970年上海工業(yè)微生物研究所首先從黑曲霉中篩選出一株產(chǎn)酸性蛋白酶菌株,并和上海酒精廠協(xié)作進(jìn)行中試生產(chǎn),填補(bǔ)了中國酸性蛋白酶制劑的空白.近年來國內(nèi)在酸性蛋白酶上的研究大都致力于選育產(chǎn)酶活力高、抗逆性好的菌種,并獲得了一些很有應(yīng)用前途的產(chǎn)酶菌株。當(dāng)前用于酸性蛋白酶生產(chǎn)的高產(chǎn)菌株主要有黑曲霉、宇佐美曲霉和青霉及它們的突變株。李永泉等,對宇佐美曲霉所產(chǎn)的酸性蛋白酶進(jìn)行了發(fā)酵過程動(dòng)力學(xué)研究.戚淑威等對青霉產(chǎn)酸性蛋白酶的適宜條件和酶學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析。謝必峰等,采用硫酸銨鹽析法和離子交換層析法分離純化了黑曲霉產(chǎn)酸性蛋白酶,并對其氨基酸組分進(jìn)行了分析。王云等,經(jīng)過質(zhì)譜指紋法對黑曲霉發(fā)酵液中所產(chǎn)蛋白進(jìn)行了分析比對和鑒定酸性蛋白酶分子生物學(xué)方面的研究,國內(nèi)僅僅集中于凝乳酶和胃蛋白酶方面,有關(guān)真菌酸性蛋白酶的分子生物學(xué)研究報(bào)道很少。此設(shè)計(jì)面臨的主要問題是食品級液體酸性蛋白酶的生產(chǎn),對蛋白酶的產(chǎn)量、蛋白酶的濃度有一定的要求,對發(fā)酵罐以及全套設(shè)備的要求較高。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)解決問題有:1.設(shè)計(jì)酸性蛋白酶的生產(chǎn)工藝流程圖;2.整個(gè)流程的物料衡算及工藝計(jì)算;3.設(shè)計(jì)重點(diǎn)設(shè)備為發(fā)酵罐;4.畫工藝流程圖,重點(diǎn)車間布置,重點(diǎn)設(shè)備,全廠平面布置圖。第一章總論1.1產(chǎn)品概述1.1.1產(chǎn)品名稱:中文名:酸性蛋白酶英文名:acidprotease1.1.2化學(xué)結(jié)構(gòu)酸性蛋白酶的分子質(zhì)量為30—40kD,等電點(diǎn)低(pH3.0—5.0),酸性蛋白酶是一種羧基蛋白酶,在其活性中心有兩個(gè)天冬氨酸殘基,其代表性特征是能夠在酸性或中性環(huán)境條件下水解動(dòng)植物蛋白質(zhì),將兩個(gè)疏水氨基酸打斷,經(jīng)過內(nèi)切和外切作用將蛋白質(zhì)水解為小肽和氨基酸。因此,一般將天冬氨酸蛋白酶稱為酸性蛋白酶?;瘜W(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)酸性蛋白酶在pH2.0—6.0之間均是穩(wěn)定的,但不同微生物所產(chǎn)酶的最適作用稍有不同。曲霉屬酸性蛋白酶最適作用pH值為2.5—4.0,穩(wěn)定pH值為1.5—6.0。齋藤曲霉所產(chǎn)酸性蛋白酶最適作用pH值為2.0—3.0,穩(wěn)定pH值為1.5—6.0。米曲霉所產(chǎn)酸性蛋白酶最適作用pH值為3.0—4.0,穩(wěn)定pH值為3.0—6.0。宇佐美曲霉所產(chǎn)酸性蛋白酶最適作用pH值為2.5,穩(wěn)定pH值為2.0—3.5。青霉屬所產(chǎn)酸性蛋白酶最適用pH值為2.0—3.0,穩(wěn)定pH值為1.5—6.5。酸性蛋白酶對pH值的這種要求,與其酶活性中心的羧基有關(guān)。酸性蛋白酶一般在50℃以下較為穩(wěn)定,但也隨產(chǎn)酶微生物的不同而有所差異。如齋藤曲霉產(chǎn)生的酸性蛋白酶在50℃穩(wěn)定,55℃處理10min就會(huì)失活。黑曲霉HU53菌株產(chǎn)生的酸性蛋白酶,其最適作用溫度為50℃,低于45℃或高于60℃時(shí)酶活會(huì)急劇下降,70℃時(shí)酶活完全喪失。酵母菌所產(chǎn)酸性蛋白酶經(jīng)60℃處理后還剩少許酶活力,經(jīng)70℃處理后酶活則完全喪失。但黑曲霉Vs,V315菌株所產(chǎn)酸性蛋白酶在80℃保溫2h后仍有90%的酶活力存在。部分酸性蛋白酶不能耐受低溫,會(huì)隨溫度的降低而喪失活性,如根霉屬所產(chǎn)酸性蛋白酶在30℃下只能保持30min。5%—10%的多糖對許多酸性蛋白酶有穩(wěn)定作用。1.2主要用途1.2.1在毛皮與皮革工業(yè)中的應(yīng)用:酸性蛋白酶主要用于皮革軟化、羊毛細(xì)化及預(yù)處理羊毛低溫染色等方面。軟化是制革生產(chǎn)中唯一不能被化學(xué)過程代替的操作。軟化對成革的豐滿性、柔軟性、彈性、粒面光滑性和手感等方面都有十分重要的作用。軟化的作用就是清除毛發(fā)、浸灰后皮內(nèi)殘留的纖維間質(zhì)、類脂物、表皮分解物、毛球、毛根、小毛、色素、臟污等,以利于后面的鞣制、染色和修飾;使膠原纖維適度分離,利于鞣劑的滲透和結(jié)合;并適度破壞彈性纖維、豎毛肌,使成革具有柔軟、豐滿彈性、粒面光滑等優(yōu)點(diǎn)。酸性蛋白酶用于軟化過程,使皮革更加豐滿、柔軟。1.2.2在釀造上的應(yīng)用在啤酒釀造糖化階段,由于溫度下降,在貯酒期間,酒液中的各種懸浮物逐漸沉淀下來,這些沉淀物質(zhì)主要為蛋白質(zhì)冷凝固物、酵母細(xì)胞,造成啤酒的冷渾濁。酸性蛋白酶是非常有效的啤酒澄清劑,因?yàn)槠渥饔铆h(huán)境與啤酒糖化階段的條件相近,酸性蛋白酶能夠降解部分蛋白質(zhì),使酒體澄清利于啤酒的過濾。而在白酒釀造和酒精生產(chǎn)中,酸性蛋白酶起著促進(jìn)原料溶解、增值微生物、提高原料出酒率的作用,并提供白酒生香前體物質(zhì)和風(fēng)味物質(zhì)等重要的作用。1.2.3其它用途經(jīng)過在飼料中添加酸性蛋白酶來使蛋白酶降解成利于幼年動(dòng)物消化吸收的氨基酸和多肽,從而有利于動(dòng)物的生長發(fā)育,縮短育肥時(shí)間。蛋白酶在醫(yī)學(xué)上不可是一種有效的消化劑,也是良好的消炎劑??芍委熉灾夤苎?、矽肺炎以及促消化作用,酸性蛋白酶能有效分解致炎性多肽——舒緩激肽,從而達(dá)到消炎作用。酸性蛋白酶能使廢膠卷脫膠,回收銀粒和片基。酸性蛋白酶也能夠在中興條件下處理解凍魚類以脫除腥臭。用于面包制造,添加于面粉,使面團(tuán)柔軟,揉捏省力,烘焙品質(zhì)提高。另外還可用于肉類嫩化,改變腐乳質(zhì)量等方面。1.3生產(chǎn)規(guī)模及產(chǎn)品方案1.3.1生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn)量為1500m3的酸性蛋白酶,全年工作300天(60天檢修),1.3.2產(chǎn)品方案1、產(chǎn)品名稱:食品級液體酸性蛋白酶2、產(chǎn)品規(guī)格:50000U/mL3、廠址:廣西南寧市4、生產(chǎn)原料:豆餅粉、玉米粉、魚粉5、年生產(chǎn)天數(shù):300天6、生產(chǎn)規(guī)模:1500m37、罐發(fā)酵單位:2500U/mL8、總收率:76.95%1.4設(shè)計(jì)概述1.4.1設(shè)計(jì)依據(jù)所下達(dá)的設(shè)計(jì)任務(wù)書1.4.2設(shè)計(jì)原則(一)總平面設(shè)計(jì)的原則總平面設(shè)計(jì)的基本原則是:既要結(jié)合廠址自然條件因地制宜,又要注重技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、節(jié)約用地、節(jié)省投資和留有發(fā)展余地。為此,總平面設(shè)計(jì)的基本要求:1、總平面設(shè)計(jì)必須符合生產(chǎn)流程的要求。原料、半成品、成品的生產(chǎn)作業(yè)線應(yīng)順直、短捷,避免作業(yè)線的交叉和返回。2、總平面設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)將占地面積較大的生產(chǎn)主廠房布置在廠區(qū)的中心地帶,以便其它部門配合其服務(wù)。3、總平面設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地區(qū)主風(fēng)向的影響,以此合理布置各建、構(gòu)筑廠房及廠區(qū)位置。4、總平面設(shè)計(jì)應(yīng)將人流、貨流通道分開,避免交叉。5、總平面設(shè)計(jì)應(yīng)遵從城市規(guī)劃的要求。面向城市交通干道方向作業(yè)工廠的正面布置。6、總平面設(shè)計(jì)必須符合國家有關(guān)規(guī)范和規(guī)定。(二)工藝流程的設(shè)計(jì)原則1.保證產(chǎn)品質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn),外銷產(chǎn)品還必須滿足銷售地區(qū)的質(zhì)量要求。2.盡量采用成熟的、先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備。3.盡量減少三廢排放量,有完善的三廢治理措施,以減少或消除對環(huán)境的污染,并做好三廢的回收和綜合利用。4.確保安全生產(chǎn),以保證人身和設(shè)備的安全。5.生產(chǎn)過程盡量采用機(jī)械化和自動(dòng)化,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。(三)設(shè)備選型原則設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)考慮以下原則:1、工藝過程實(shí)施的安全可靠(包括設(shè)備材質(zhì)對產(chǎn)品質(zhì)量的安全可靠;設(shè)備材質(zhì)強(qiáng)度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠;生產(chǎn)過程清洗、消毒的可靠性)。2、經(jīng)濟(jì)上合理,技術(shù)上先進(jìn)。3、投資省,耗材少,加工方便,采購容易。4、運(yùn)行費(fèi)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(yīng)可靠,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)施機(jī)械化和自動(dòng)化方便。6、結(jié)構(gòu)緊湊,盡量采用經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)證明確實(shí)性能優(yōu)良的設(shè)備。7、考慮生產(chǎn)波動(dòng)與設(shè)備平衡,留有一定裕量。8、考慮設(shè)備故障及檢修的備用。1.4.3廠址選擇地理位置本廠廠址位于南寧市郊區(qū),廠區(qū)周圍清潔衛(wèi)生,廠址處于居民下風(fēng)處,遠(yuǎn)離有毒工廠和有機(jī)廢物、化學(xué)廢料堆放地區(qū)及傳染病中心。地形、地勢和地質(zhì)、廠區(qū)所在位置,地勢平坦,自然坡度基本在以下,有利于排泄雨水。廠區(qū)交通運(yùn)輸、地質(zhì)條件符合建筑工程要求,廠址范圍內(nèi)沒有地下礦藏、流沙、淤泥等。地面地耐力在以上,地震基本烈度在六級以下,地下水位最高在-2.5m。水文南寧地區(qū)有豐富的水源,包括地表水、深層水(深井水)、水庫水(雨水)、江河水(露天水)、泉水(有壓水)還有城市自來水等。根據(jù)蛋白酶的發(fā)酵工廠的特點(diǎn),水質(zhì)要滿足生產(chǎn)工藝的要求,本廠選用深井水和泉水。廠址附近的洪水水位低,廠址的相對標(biāo)高在最高洪水水位的0.5m以上。氣象情況南寧地區(qū)的溫濕度南寧地區(qū)的溫濕度,見下表項(xiàng)目數(shù)據(jù)全年平均相對溫度(℃)21.7全年平均相對濕度(%)79%最熱月平均氣溫(℃)28.4(7月)最冷月平均氣溫(℃)12.9(1月)最濕月平均相對濕度(%)83(3月,8月)最干月平均相對濕度(%)72(1月)最高氣溫(℃)40.1最低氣溫(℃)-2.1降雨量南寧地處北回歸線以南,屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,陽光充分,雨量豐富,氣候溫和。年平均降雨量1300mm,全年無霜期345—360天。風(fēng)向1-1南寧市風(fēng)玫瑰圖1.4.4車間組成和生產(chǎn)制度本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)車間是發(fā)酵車間和提取車間。發(fā)酵車間的根據(jù)工藝設(shè)計(jì)的要求分成以下幾個(gè)方面:車間辦公室(具體負(fù)責(zé)車間的考核與各項(xiàng)工作的安排)、發(fā)酵工段工作班(內(nèi)設(shè)班長和小組長,班長對整個(gè)發(fā)酵車間均要負(fù)責(zé)和管理),化驗(yàn)組以及機(jī)修組。其中發(fā)酵工段包括若干項(xiàng),具體情況見表1-2工段名稱組別名稱定員(人)班制車間主任1二班制副主任1三班制辦公室文員1三班制會(huì)計(jì)1二班制發(fā)酵工段種子3長日制無菌3三班制配料4長日制消毒2二班制看罐6三班制工藝2二班制化驗(yàn)組化驗(yàn)員3二班制機(jī)修機(jī)修員2二班制提取車間根據(jù)工藝規(guī)程可分為以下幾個(gè)工段:辦公室、離子交換組、濃縮組、工藝組、化驗(yàn)組、制水工段、化驗(yàn)工段。具體情況見下表1-3:提取車間生產(chǎn)班制和定員工段名稱組別名稱定員(人)班制車間主任1二班制副主任1二班制辦公室文員1二班制會(huì)計(jì)1二班制提取車間離子交換3二班制洗脫3二班制濃縮2二班制工藝2二班制化驗(yàn)組化驗(yàn)員3二班制制水制水員2二班制第二章2.1生產(chǎn)工藝流程2.1.1工藝流程生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)是整個(gè)工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。原料不是直接變成產(chǎn)品,而是經(jīng)過一系列的半成品或中間產(chǎn)品,同時(shí)還有廢液、廢渣等生成。生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)在工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修改,往往最后才完成。生產(chǎn)工藝流程圖見下斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)黑曲霉玉米粉斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)黑曲霉玉米粉魚粉無機(jī)鹽配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)原料豆餅粉空氣空氣壓縮機(jī)冷卻氣液分離過濾除菌原料預(yù)處理預(yù)處理離心過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過濾離心過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過濾淀粉水解糖配料種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)除鐵過濾,濾液加入硫酸銨至濃度55%過濾,濾液加入硫酸銨至濃度55%,壓濾,酶泥種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)溶于pH2.5,0.005mol/L乳酸緩沖液溶于pH2.5,0.005mol/L乳酸緩沖液,離子交換樹脂脫色使用刮板式薄膜蒸發(fā)器40使用刮板式薄膜蒸發(fā)器40℃濃縮3-4倍發(fā)酵發(fā)酵食品級液體酸性蛋白酶食品級液體酸性蛋白酶通氧,PH調(diào)節(jié)5.5通氧,PH調(diào)節(jié)5.5溶解溶解母液母液粗酸性蛋白酶粗酸性蛋白酶圖1酸性蛋白酶生產(chǎn)總工藝流程圖圖1酸性蛋白酶生產(chǎn)總工藝流程圖2.1.2工藝流程簡述生產(chǎn)工藝采用購買的成熟的工藝技術(shù),砂土孢子經(jīng)過斜面,搖瓶,一級種子罐,二級種子罐,到發(fā)酵罐培養(yǎng)72h,放罐。發(fā)酵液經(jīng)過過濾后,采用刮板式薄膜蒸發(fā)器濃縮而得到成品液體酶。發(fā)酵工藝2.2工藝流程:砂土管→斜面菌種→三角瓶麩曲→孢子懸浮液→種子罐→發(fā)酵罐→發(fā)酵液儲(chǔ)罐2.3培養(yǎng)基配方1.斜面培養(yǎng)基:蔗糖,,,0.5g,0.01g,1g,瓊脂20g,將上述各組分溶于1000水中,121℃滅菌20min,備用。2.種子培養(yǎng)基(g/L):葡萄糖40.0,蛋白胨10.0,瓊脂20.0,pH值5.6±0.2,3.發(fā)酵培養(yǎng)基(%):豆餅粉:3.75%玉米粉:0.625%魚粉:0.625%氯化銨:1.0%氯化鈣:0.5%磷酸氫二鈉:0.2%pH5.54.麩曲培養(yǎng)基:新鮮麩皮和豆餅粉按質(zhì)量比5:5比例攪拌均勻,加水6份,分裝三角瓶,500mL三角瓶20g,0.1Mpa滅菌30min,冷卻后接種黑曲霉AS3.350孢子或孢子懸液在30℃培養(yǎng)72h。2.4操作要點(diǎn)1.孢子懸浮液制備在1000mL三角瓶內(nèi)裝新鮮粗片麩皮40g,加入水40mL,混勻,121℃滅菌30min。接種后放入37℃培菌室培養(yǎng)4-5d,前3d每天混勻兩次。待孢子較豐富且完全成熟時(shí)不必混勻。使用前用無菌水將麩曲中孢子洗下倒入接種瓶,接入接種罐。一般每升種子培養(yǎng)液麩曲用量折成干麩曲為0.3-0.5g。2.種子罐培養(yǎng)一般見麩曲孢子即可進(jìn)行發(fā)酵,但為了縮短發(fā)酵周期,提高發(fā)酵罐利用率,能夠加入一級種子罐。種子培養(yǎng)基滅菌條件為121℃10min。待罐冷卻至37℃時(shí)接入孢子懸浮液培養(yǎng)。將菌種接種于活化斜面培養(yǎng)基培養(yǎng),30℃活化24h?;罨蟮木N用生理鹽水洗下,轉(zhuǎn)接于搖瓶種子培養(yǎng)基,接種量,30℃培養(yǎng)12h。經(jīng)搖瓶培養(yǎng)后的種子,以接種量8%接種于種子罐,30℃培養(yǎng)12h,菌種濃度達(dá)到。3.發(fā)酵罐培養(yǎng)將擴(kuò)大培養(yǎng)后的菌種以5%的接種量接入發(fā)酵罐中,發(fā)酵溫度控制在30℃,罐壓0.5㎏/cm2,發(fā)酵過程中經(jīng)過流加Na0H溶液控制發(fā)酵液pH。根據(jù)菌體濃度、pH決定具體發(fā)酵時(shí)間為35.5h。發(fā)酵過程中采用自動(dòng)攪拌器,將轉(zhuǎn)速控制在,使流加堿液與發(fā)酵液快速混合均勻。2.5影響發(fā)酵的因素1.PH值:曲霉屬酸性蛋白酶最適作用pH值為2.5-4.0,穩(wěn)定pH值為1.5-6.0,因此在發(fā)酵過程中要控制發(fā)酵液的pH值,,有利于蛋白酶的生產(chǎn)。2.溶解氧:以空氣為氧源,嚴(yán)格控制通風(fēng)量。根據(jù)國家藥品質(zhì)量管理規(guī)范的要求,生物制品、藥品的生產(chǎn)場地業(yè)需要符合空氣潔凈度的要求。獲得無菌空氣的方法有:輻射滅菌、化學(xué)滅菌、加熱滅菌、靜電除菌、過濾介質(zhì)除菌等。過濾介質(zhì)除菌是當(dāng)前發(fā)酵工業(yè)中空氣除菌的主要手段,常見的過濾介質(zhì)有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、有機(jī)和無機(jī)燒結(jié)材料等。而我們也將對這些無菌空氣進(jìn)行檢查,檢查的方法有:肉湯培養(yǎng)法、斜面培養(yǎng)法和雙碟培養(yǎng)法。這里采用斜面培養(yǎng)法進(jìn)行無菌空氣的檢查,具體方法為:500ml三角瓶內(nèi)裝斜面培養(yǎng)基50ml,接種后置旋轉(zhuǎn)式搖床上,30℃下培養(yǎng)24h后觀察有無菌落形成。3.溫度:黑曲霉所產(chǎn)的酸性蛋白酶在50℃左右時(shí)穩(wěn)定,低于45℃或高于60℃時(shí)酶活性會(huì)急劇下降,70℃時(shí)酶活則會(huì)完全喪失。要保證獲得好的成品收益,則需嚴(yán)格控制發(fā)酵過程中的溫度。4.金屬離子對酶活力的影響:酸性蛋白酶可被、、離子激活,被、、離子抑制,液體酸性蛋白酶,長時(shí)間存放碳鋼罐中失活較多。2.6提取過程2.6.1酸性蛋白酶提取的制備1、發(fā)酵液的預(yù)處理由于發(fā)酵液中菌體較多,因此需要對發(fā)酵液進(jìn)行離心去除菌體。刮板式薄膜蒸發(fā)器對醪液進(jìn)行蒸發(fā)時(shí)收率很高,適合運(yùn)用此方法對粗酶液進(jìn)行濃縮以獲得最大效益。2、離子交換離子交換技術(shù)具有相當(dāng)長的歷史,在工業(yè)應(yīng)用中,離子交換樹脂的優(yōu)點(diǎn)主要是處理能力大,脫色范圍廣,脫色容量高,能除去各種不同的離子,能夠重復(fù)再生使用,工作壽命長,運(yùn)行費(fèi)用較低(雖然一次投入費(fèi)用較大)。離子交換樹脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工業(yè)裝置上,其在食品工業(yè)中的消耗量僅次于水處理。本次離子交換過程的反應(yīng)如下:吸附:洗脫:轉(zhuǎn)型:離子交換過程主要利用701弱堿型陰離子交換樹脂和732強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂。第三章工藝計(jì)算第一節(jié)物料平衡計(jì)算物料衡算是工藝計(jì)算的基礎(chǔ),它是質(zhì)量守恒的一種表現(xiàn)形式。物料衡算是指:根據(jù)質(zhì)量守恒定律,凡引入某一系統(tǒng)或設(shè)備的物料重量Gm,必等于所得到的產(chǎn)物重量Gp和物料損失量G1之和,即:(3-1)這一運(yùn)算法則,既適用于每一個(gè)單元操作過程,也適用于整個(gè)生產(chǎn)過程;既可進(jìn)行總的物料衡算,也可對混合物中某一組分做部分物料衡算。經(jīng)過物料平衡計(jì)算,能夠求出引入和離開設(shè)備的物料(包括原料、中間體和成品等)組分的成分、重量和體積,進(jìn)而計(jì)算產(chǎn)品的原料消耗定額、每日或每年消耗量以及成品、產(chǎn)物、廢物等排出物料量。3.1設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)3.1.1生產(chǎn)原料1、種子培養(yǎng)基(g):葡萄糖40.0,蛋白胨10.0,瓊脂20.0,pH值5.6±0.2,2、發(fā)酵培養(yǎng)基(%):豆餅粉:3.75%玉米粉:0.625%魚粉:0.625%氯化銨:1.0%氯化鈣:0.5%磷酸氫二鈉:0.2%pH5.53.1.2主要參數(shù)1、生產(chǎn)規(guī)模:1500m3/n2、生產(chǎn)天數(shù):300d3、產(chǎn)品規(guī)格:50000u/mL4、罐發(fā)酵單位:2500u/mL5、發(fā)酵液預(yù)處理收率:90%6、提取收率:95%7、濃縮收率:90%8、裝料系數(shù):60%9、總提取收率:76,95%10、發(fā)酵時(shí)間:72h11、接種比:8%3.1.3其它數(shù)據(jù)、種子液密度:ρ=1005Kg/m3發(fā)酵液密度:ρ=1010Kg/m3消泡劑:發(fā)酵液量的0.02%添加。3.1.4發(fā)酵車間物料衡算1.液量計(jì)算年產(chǎn)1500m3的酸性蛋白酶每天發(fā)酵罐放罐體積(3-2)式中:發(fā)酵罐放罐體積年產(chǎn)量產(chǎn)品效價(jià)年工作日發(fā)酵平均水平收率=324.89m3取每天放罐數(shù)=3時(shí),2.發(fā)酵罐的體積=(3-3)式中——發(fā)酵罐公稱體積m3——裝料系數(shù)%根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)=60%,根據(jù)參考文獻(xiàn),調(diào)整到國內(nèi)常見發(fā)酵罐體積系列則=200校核:則發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為54.15%符合要求3.發(fā)酵工段所需的發(fā)酵罐臺數(shù)(3-4)式中——每天放罐數(shù)罐/天T——發(fā)酵周期小時(shí)則可得出:取4.發(fā)酵罐的物料衡算物料流入=基礎(chǔ)培養(yǎng)基(消后)+種子液量+補(bǔ)料量+氨水用量+鹽酸用量物料流出=成品夜+損失掉的料液量(損失掉的料液量=尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣)發(fā)酵過程物料衡算圖:泡敵油損失種子罐發(fā)酵罐放罐初料補(bǔ)料發(fā)酵罐物料衡算示意圖放罐料液占總料液的90%,則總發(fā)酵料液體積初裝料液體積占總料液的40%,則接種量為初裝料液的20%(占總發(fā)酵液的10%),則5.發(fā)酵罐物料消耗計(jì)算每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次已知假設(shè)運(yùn)輸過程中損失0.5%,則實(shí)際用即每臺發(fā)酵罐每批次需要50.67的培養(yǎng)基公式:二級種子液一級種子罐3.1.5發(fā)酵液培養(yǎng)基各成分日耗量(kg)豆餅粉:玉米粉:魚粉:氯化鈉:氯化鈣:磷酸氫二鈉:PH值:5.53.1.6種子培養(yǎng)基各成分日耗量(Kg)葡萄糖:蛋白胨:瓊脂:種子液日耗總體積:分類原料名稱每日消耗量(kg)每年消耗量(kg)種子液培養(yǎng)基成分葡萄糖649.82194946蛋白胨162.44548733.5瓊脂324.8997467發(fā)酵液培養(yǎng)基成分豆餅粉11689.953506985玉米粉1948.325584497.5魚粉1948.325584497.5氯化銨3117.32935196氯化鈣1558.66467598磷酸氫二鈉623.464187039.23.1.6提取車間的物料衡算提取車間的物料情況如下酸性蛋白酶發(fā)酵液母液→過濾濾除菌體→加入硫酸銨至濃度55%,壓濾成為酶泥→溶于pH2.5,0.005mol/L乳酸緩沖溶液→701弱堿型陰離子交換樹脂→732強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂→刮板式薄膜蒸發(fā)器→成品(一)701弱堿型陰離子交換樹脂:每天需要處理的發(fā)酵液的量為:324.89m3,發(fā)酵車間周期為72h。(二)732強(qiáng)酸型陽離子交換樹脂:第二節(jié)種子罐的物料衡算3.2.1種子罐物料衡算在種子罐培養(yǎng)過程中,物料流入主要是接種,接種比為5%,而流出物料主要包括逃液、蒸發(fā)和取樣。逃液損失4%,則放罐時(shí)的種子液占總料液的96%本設(shè)計(jì)采用一臺種子罐供應(yīng)一臺發(fā)酵罐,故要求種子罐每天放兩罐種子罐放罐液量為種子罐物料衡算圖:由下圖知即則損失初料種子罐放罐初料油菌種種子罐物料衡算圖3.2.2種子罐公稱體積種子罐培養(yǎng)過程中,裝料系數(shù)較低,一般為,本設(shè)計(jì)取=65%(3-5)調(diào)整到國內(nèi)常見發(fā)酵罐校核:則種子罐的裝料系數(shù)為60.17%符合要求。種子罐臺數(shù)式中——每天放罐數(shù)罐/天——發(fā)酵周期小時(shí)發(fā)酵周期=輔助時(shí)間+發(fā)酵時(shí)間輔助時(shí)間=出料時(shí)間+滅菌時(shí)間+移種時(shí)間+放罐時(shí)間+清洗檢修時(shí)間根據(jù)文獻(xiàn)得知發(fā)酵時(shí)間為30小時(shí),設(shè)輔助時(shí)間為6小時(shí),發(fā)酵周期為24小時(shí)得出取n=3臺考慮到生產(chǎn)過程中種子罐因生產(chǎn)不良或染菌造成發(fā)酵罐停工待種,取4臺發(fā)酵罐,一臺備用種子罐物料消耗計(jì)算每臺種子罐年培養(yǎng)批次已知,假設(shè)運(yùn)輸損失0.5%,則實(shí)際用量為則每批種子罐需要30.735培養(yǎng)基第三節(jié)熱量平衡計(jì)算熱量衡算的目的在于定量研究生產(chǎn)過程,為過程設(shè)計(jì)和操作提供最佳依據(jù)。3.3.1熱量衡算的意義:1.經(jīng)過熱量衡算,計(jì)算生產(chǎn)過程能耗定額指標(biāo)。應(yīng)用蒸汽等熱量消耗指標(biāo),可對工藝設(shè)計(jì)的多種方案進(jìn)行比較,以選定先進(jìn)的和最優(yōu)的生產(chǎn)工藝;或?qū)σ淹懂a(chǎn)的生產(chǎn)系統(tǒng)提出改革和創(chuàng)新,分析生產(chǎn)過程的經(jīng)濟(jì)合理性,過程的先進(jìn)性,并找出生產(chǎn)上存在的問題。2.熱量衡算的數(shù)據(jù)是設(shè)備類型的選擇及確定其尺寸,臺數(shù)的依據(jù)。3.熱量衡算是組織和管理,生產(chǎn),經(jīng)濟(jì)核算和最優(yōu)化的基礎(chǔ)。熱量衡算的結(jié)果有助于工藝流程和設(shè)備的改進(jìn),達(dá)到節(jié)約能源,降低生產(chǎn)成本的目的。3.3.2熱量平衡計(jì)算值得注意的幾個(gè)問題下面列舉的是有關(guān)熱量衡算值得注意的幾個(gè)問題:1、確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉(zhuǎn)化成熱量的其它能量,不要遺漏。但對衡算影響很小的項(xiàng)目能夠忽略不計(jì),以簡化計(jì)算。2、確定物料計(jì)算的基準(zhǔn)、熱量計(jì)算的基準(zhǔn)溫度和其它能量基準(zhǔn)。有相變時(shí),必須確定相態(tài)基準(zhǔn),不要忽略相變熱。3、正確選擇與計(jì)算熱力學(xué)數(shù)據(jù)。4、在有相關(guān)條件約束,物料量和能量參數(shù)有直接影響時(shí),宜將物料平衡和熱量平衡計(jì)算聯(lián)合進(jìn)行,才能獲得準(zhǔn)確結(jié)果。3.3.3熱量平衡計(jì)算1.直接加熱蒸汽耗量

式中,—蒸汽的熱焓,KJ/kg—培養(yǎng)基質(zhì)量,Kg—培養(yǎng)基比熱容,KJ/(Kg·℃)—熱損失,5%~10%—加熱結(jié)束時(shí)的料液溫度,℃—加熱開始時(shí)的料液溫度,℃已知:在0.5MPa時(shí),,η取7%,=121℃,=20℃發(fā)酵罐:種子罐:補(bǔ)料罐:2.滅菌保溫時(shí)間內(nèi)蒸汽用量實(shí)罐滅菌操作中,蒸汽就是從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出(進(jìn)氣的閥門開的很大,排氣的閥門開的很?。?,由于操作人員的操作習(xí)慣不一樣,因此蒸汽消耗量很難準(zhǔn)確計(jì)算,在此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算:(3-6)本設(shè)計(jì)取40%則發(fā)酵罐:種子罐:補(bǔ)料罐:蒸汽總耗量發(fā)酵罐:種子罐:補(bǔ)料罐:第四節(jié)熱量計(jì)算3.4.1發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)計(jì)算式中發(fā)酵罐的發(fā)酵熱效應(yīng)KJ/h單位體積發(fā)酵液所產(chǎn)生的熱量,也稱發(fā)酵熱KJ/(m3·h)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的體積m3黑曲霉發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱為5500~10050KJ/(m3·h)本設(shè)計(jì)取=8000KJ/(m3·h)發(fā)酵罐的熱效應(yīng):種子罐的熱效應(yīng):由能量守恒得:(3-7)式中——待冷卻的熱量KJ/h;——向環(huán)境中散發(fā)的熱量KJ/h;——蒸汽耗熱量KJ/h;——發(fā)酵熱效應(yīng)KJ/h;——攪拌產(chǎn)生的熱量KJ/h;其中[14](3-8)式中——設(shè)備總表面積,m2——壁面對空氣聯(lián)合絕熱系數(shù),——壁面溫度,℃——環(huán)境溫度,℃(3-9)(3-10)式中——攪拌功率Kw——功熱轉(zhuǎn)化率92%3.4.2發(fā)酵罐:得種子罐得第五節(jié)水的用量發(fā)酵生產(chǎn)過程中,水是必不可少的原料。原料處理、培養(yǎng)基制備、加熱和冷卻,設(shè)備清洗等都需要大量的水。因此,水平衡在設(shè)計(jì)過程中是十分重要的一個(gè)設(shè)計(jì)步驟。水平衡與工藝計(jì)算以及設(shè)備的計(jì)算和選型、成本核算、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等有十分密切的關(guān)系。3.5.1自來水自來水消耗主要用于配料和洗罐1、配料用水(約為消前培養(yǎng)基體積)每批次配料用水量:每天配料用水量:2、洗罐水(從人孔直接沖洗用水量取罐體積的10%)補(bǔ)料每天消耗料液為42.72,取公稱容積為50,每天放一罐,每批次洗罐用水量每天洗罐用水3、自來水總用量考慮到日常見水、種子室用水及清洗車間用水,取裕量系數(shù)為1.2,則每天自來水總用量為3.5.2冷卻用水(3-11)式中——待冷卻熱量KJ/h——水的比熱容KJ/(Kg·℃)——冷卻水進(jìn)口溫度℃——冷卻水出口溫度℃取裕量系數(shù)為1.2,則夏季冷卻水用量已知c=4.2KJ/(kg·℃)發(fā)酵罐用水:種子罐用水:總水量:冬季冷卻水用量=3℃=15℃已知c=4.2KJ/(kg·℃)發(fā)酵罐用水:種子罐用水:總用水量:3.5.3實(shí)消過程冷卻水用量式中:W—冷卻水的用量,KJ/hA—冷卻水的流量C—冷卻水的比熱容,KJ/(Kg·℃)F—傳熱面積,m2K—平均傳熱系數(shù),KJ/(m2?h?℃)—培養(yǎng)基冷卻過程在某時(shí)刻的溫度,℃—對應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度時(shí)冷卻水出口溫度,℃—冷卻水進(jìn)口溫度,℃其中夾套的傳熱系數(shù)一般為630-1050KJ/(m2?h?℃),蛇管和外盤管的傳熱系數(shù)為1260-1680KJ/(m2?h?℃)。這里采用后者,取1400KJ/(m2?h?℃)。已知,=80℃=26℃=18℃C=4.18KJ/(Kg·℃)得發(fā)酵罐用水種子罐用水補(bǔ)料罐用水第六節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計(jì)算大多數(shù)微生物的生長,增殖都需要氧,代謝和產(chǎn)物的生物合成過程也往往有氧參加。特別是通氣發(fā)酵生產(chǎn),溶氧速率更顯重要,有時(shí)甚至是發(fā)酵生產(chǎn)效率的制約因素。在需氧發(fā)酵的生產(chǎn)中,要使發(fā)酵液保持一定的溶氧濃度,必須向反應(yīng)系統(tǒng)通入大量的無菌空氣??墒?,不同類型的發(fā)酵生產(chǎn),適宜的溶氧濃度和耗氧速率往往不一樣。而溶氧速率與反應(yīng)器類型,通氣速率,攪拌條件有關(guān)。對同一類型的發(fā)酵反應(yīng),由于使用的發(fā)酵罐形式不同,通氣速率即無菌壓縮空氣消耗量也不一樣。另外,還常見無菌壓縮空氣壓送培養(yǎng)基和其它料液,壓縮空氣消耗量也不一樣。故壓縮空氣消耗量的計(jì)算是非常重要的設(shè)計(jì)任務(wù)。壓縮空氣耗量通風(fēng)比計(jì)算法:已知:發(fā)酵罐為200m3,9臺,培養(yǎng)液體積108.297m3,裝料系數(shù)60.00%,取通風(fēng)比1:0.66,則壓縮空氣需要量:式中:—單位體積培養(yǎng)液在單位時(shí)間內(nèi)通入壓縮空氣—培養(yǎng)液體積,m3—發(fā)酵罐臺數(shù)種子罐:50m3,3臺,培養(yǎng)液體積30.383m3,裝料系數(shù)65%,取通風(fēng)比1:1.32,則壓縮空氣需要量:第四章設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型從設(shè)備的設(shè)計(jì)選型的情況,能夠反映出設(shè)計(jì)工廠的先進(jìn)性和生產(chǎn)的可靠性。因此,在設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)和選型過程中應(yīng)考慮如下的原則:1.保證工藝過程實(shí)施的完全可靠(包括設(shè)備材料對產(chǎn)品質(zhì)量的安全可靠;設(shè)備強(qiáng)度的耐溫,耐壓性,耐腐蝕的安全可靠;生產(chǎn)過程的清洗,消毒的可靠性等。)2.經(jīng)濟(jì)上合理,技術(shù)上先進(jìn);3.投資省,耗材少,加工方便,采購容易;4.運(yùn)行費(fèi)用低,水電汽水耗水量少;5.操作清洗方便,耐用易維修,備品配件供應(yīng)可靠,減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度,實(shí)施機(jī)械化和自動(dòng)化方便;結(jié)構(gòu)緊湊,盡量采用經(jīng)過實(shí)踐考驗(yàn)證明確實(shí)性能優(yōu)良的設(shè)備;6.考慮生產(chǎn)波動(dòng)與設(shè)備平衡,留有一定裕量;7.考慮設(shè)備故障及檢修的備用。第一節(jié)發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)4.1.發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐幾何尺寸比例關(guān)系如下:=1.7-3.0,=-,=-,=0.8-1.0,=1-2.5式中:H—筒身高度,mD—罐徑,mW—擋板寬度,mC—下攪拌器距底間距,mS—兩攪拌器間距,mh—封頭高度,mHL—液位高度,m4.1.1尺寸計(jì)算發(fā)酵罐的“公稱體積”是指罐的筒身體積Vc與下封頭體積Vb之和。其中封頭體積可根據(jù)封頭形狀、直徑及壁厚從有關(guān)化工設(shè)計(jì)手冊中查得。(4-1)(4-2)式中:ha—封頭曲邊高度,mhb—封頭直邊高度,m對標(biāo)準(zhǔn)橢圓ha=,則發(fā)酵罐的公稱體積為(4-3)hb相對于D與H很小,可忽略不計(jì),故(4-4)已知V0=100m3,取H=2D,代入上式得100=D2×2D+D3得,D=4.89m參考資料《發(fā)酵工廠》,將直徑圓整到國內(nèi)常見發(fā)酵罐系列,取D=5000mm。將直徑D=5000mm代入下式,可計(jì)算筒身高度:(4-5)查表知公稱直徑D=5000mm,ha=1050mm,hb=50mm,Vb=16.4m3則圓整后取校核:(符合:=1.7-3.0)即:發(fā)酵罐公稱體積為200m3,全容積為230m3,直徑為5m。罐體總高度:圓筒部分裝液量:則圓筒部分液面高:發(fā)酵液體總高度:4.1.2發(fā)酵罐攪拌裝置及軸功率計(jì)算1.攪拌裝置發(fā)酵罐上常見的攪拌器是推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器,這兩種攪拌器各有特色:推進(jìn)式攪拌器由于葉片的結(jié)構(gòu),物料流向主要為軸向,出物料量大,整體混合程度好,所需功率小,但剪切力較小,對氣泡的細(xì)化和分散作用弱,在發(fā)酵中不利于氧的傳遞,因此渦輪式攪拌器被大量地應(yīng)用于發(fā)酵罐中;但渦輪式攪拌器的功率消耗大,在相同條件下,渦輪式攪拌器的功率消耗是推進(jìn)式攪拌器的5-6倍。根據(jù)堿性蛋白酶發(fā)酵工藝的需要,本設(shè)計(jì)采用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器,能夠有利于粉碎氣泡,強(qiáng)化氧的傳遞,以達(dá)到最佳混合效果。2.攪拌器尺寸設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用六彎葉渦輪攪拌器,該攪拌器的各種尺寸與罐徑D存在一定的比例關(guān)系。將主要尺寸列舉如下:攪拌器直徑葉寬葉弦長弧長底距盤徑葉距彎葉板厚度3.攪拌軸功率計(jì)算不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)功率準(zhǔn)數(shù)和攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系:(4-6)(4-7)式中:—攪拌功率特征數(shù)—攪拌功率,W—攪拌器轉(zhuǎn)速,r/s—攪拌器直徑,m—液體密度,Kg/m3查資料得,六平葉渦輪槳六彎葉渦輪槳六箭葉渦輪槳攪拌轉(zhuǎn)速n可根據(jù)200m3罐,攪拌器直徑1.57m,轉(zhuǎn)速N=90r/min,以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得:已知:,,,∴此式根據(jù),,,的條件求的,由于發(fā)酵反應(yīng)器的,故實(shí)際反應(yīng)器的攪拌功率可用式(4-8)計(jì)算:(4-8)式中:、為實(shí)際值,、為理論值均為3?!啵?-9)已知D=5m,d=1.67m,HL=6.02m,代入式中得攪拌器層數(shù)的計(jì)算:取m=1當(dāng)發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時(shí),軸功率可按下式估算:(4-10)式中:m—攪拌器層數(shù)則通風(fēng)條件下的攪拌功率通風(fēng)條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:(4-11)式中——通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Kw——不通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Kw——攪拌軸轉(zhuǎn)速m/s——攪拌器直徑m——通風(fēng)量已知,,隨攪拌器形式不同而不同,對通用渦輪攪拌器。則電動(dòng)機(jī)功率的確定(4-12)式中:PN—電動(dòng)機(jī)功率KwP′—攪拌器功率KwPT—軸封裝置的摩擦損失功率Kwη—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率一般端面軸封摩擦損失的功率取(1%~2%)Pm,本設(shè)計(jì)取2%Pm,圓柱齒輪減速傳動(dòng)時(shí)η可取0.98-99.5%,本設(shè)計(jì)取98%。查資料(化工工藝手冊5-220),選取電動(dòng)機(jī)功率為45Kw,其型號為Y280S-6。減速機(jī)選用LPJ系列,根據(jù)要求選用LPJ600系列。4.1.3發(fā)酵罐的換熱設(shè)備發(fā)酵罐的傳熱裝置有夾套、內(nèi)蛇管和外盤管,一般容積為5m3以下的罐可用夾套為傳熱裝置,大于10m3的用蛇管、外盤管。夾套的傳熱系數(shù)一般為630-1050KJ/(m2·h·℃),蛇管,外盤管的傳熱系數(shù)一般為1260-1680KJ/(m2·h·℃)[14]。對于生產(chǎn)菌種發(fā)酵熱較大的發(fā)酵罐,當(dāng)安置外盤管傳熱面積仍不夠時(shí),罐內(nèi)還要安置豎式蛇管來加大傳熱面積。本設(shè)計(jì)采用豎式蛇管的冷卻裝置。1.冷卻面積計(jì)算用牛頓傳熱定律公式計(jì)算:(4-13)式中:Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量,KJ/hK—傳熱系數(shù),KJ/(m2·h·℃)—兩流體傳熱時(shí)平均溫度差,℃由前面計(jì)算可知:Q=856991.75KJ/h,K值取1400KJ/(m2·h·℃),發(fā)酵溫度為35℃,冷卻水進(jìn)出口溫度分別為10℃、30℃。則則考慮到消毒后培養(yǎng)基冷卻等因素,乘以系數(shù)1.1,得:圓整為50此時(shí)40m3發(fā)酵罐的可用傳熱外表面積為:,則可選擇內(nèi)部蛇管,能滿足本設(shè)計(jì)要求。2.進(jìn)水管總管直徑按用水量大的夏季通水量計(jì)算。冷卻水用量:冷卻水體積流量:取冷卻水在管中流速為冷卻管總截面積:進(jìn)水總管直徑:查表(吳思方),選取Ф108×4的無縫鋼管,符合要求。豎式蛇管設(shè)計(jì)(1)冷卻管組數(shù)和管徑(4-14)式中:—冷卻管總截面積,m2—豎式蛇管組數(shù)—豎式蛇管管徑,m豎式蛇管的組數(shù)n,根據(jù)罐的大小一般3、4、6、8、12……組。一般每組管圈數(shù)不超過6圈,增加組數(shù)可排下更多冷卻管;管與攪拌器的最小距離不應(yīng)小于250mm;每圈管子的中心距離為2.5D外-3.5D外,管兩端U型或V型彎管,可彎制或焊接。安裝時(shí)每組豎式蛇管用專用夾板加緊,懸掛在托架上。夾板和托架則固定在罐壁上。管子與罐壁的最小距離應(yīng)大于100mm,主要考慮便于安裝,清洗和良好的傳熱?!栋l(fā)酵工廠設(shè)計(jì)》現(xiàn)根據(jù)本罐情況,取n=6,由(4-14)得管徑查表取Ф45×3.5的無縫鋼管,符合要求?,F(xiàn)在取豎式蛇管圓端部U型彎管,曲徑為200mm,則兩直管間距離為400mm。設(shè)兩端彎管總長度為l0,則:(2)冷卻管總長度計(jì)算已知豎式蛇管的傳熱面積每組蛇管需接管1m則每組蛇管長=可排豎式蛇管的高度設(shè)為靜液面高度,下部可深入封頭250mm,則豎式蛇管的高度等于圓柱部分液面高度加上可深入封頭以下高度。筒體部分液深:豎式蛇管高度:兩彎管總長:故豎式蛇管豎直部分長:則一圈管長:故每組蛇管可繞圈數(shù),取6圈。校核:管總長:,滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)蛇管與攪拌器最小間距為250mm進(jìn)行校核:取管間距為0.09m,豎式蛇管與罐壁的距離取0.15m,則,符合設(shè)計(jì)要求在滿足各種指標(biāo)的前提下,排兩組蛇管所占長度、蛇管與兩邊罐的距離、兩面蛇管與攪拌器的距離及攪拌器葉徑之和小于罐徑,故蛇管可放入,不會(huì)產(chǎn)生碰撞,不會(huì)對其它部分產(chǎn)生影響。冷卻管的實(shí)際傳熱面積:滿足設(shè)計(jì)要求。4.1.4發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算對生物加工工業(yè)來說,發(fā)酵罐的制造材料能夠選用碳鋼、不銹鋼、合金鋼等。相對于其它工業(yè)來說,堿性蛋白酶發(fā)酵液對鋼材的腐蝕性不大,溫度在34℃左右,壓力為低壓,故能夠選用16Mn鋼材。材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力[]=127MPa。1.筒體壁厚計(jì)算取設(shè)計(jì)壓力等于最高工作壓力的1.1倍,即1.1×0.5=0.55(Mpa)。判斷是否考慮液體靜壓力:已知發(fā)酵液密度ρ=1010Kg/m3,筒身部分液面高度為4.92m。故筒體底部產(chǎn)生的靜壓力為:,故須考慮在內(nèi)。即筒體的設(shè)計(jì)壓力筒體的焊接采用帶墊板的單面對接焊縫,局部無損傷,則焊縫系數(shù)Φ=0.8。(4-15)式中:—設(shè)計(jì)壓力—罐內(nèi)徑mm[]—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力MPa—焊縫系數(shù),取—壁厚附加量—鋼板負(fù)偏差。視鋼板厚度查表確定,取mm?!g余量,取—加工減薄兩,對冷加工,熱加工封頭C3=X0×10%即則,圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取16mm。2.上封頭壁厚計(jì)算上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,其壁厚計(jì)算公式:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取X上=16mm有效壁厚:校核:,故該橢圓形封頭的名義厚度取16mm合適。3.下封頭壁厚計(jì)算則圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取X下=16mm有效壁厚:校核:,故該橢圓形封頭的名義厚度取16mm合適。4.1.5接管設(shè)計(jì)各接管的長度h根據(jù)直徑的大小和有無保溫層,一般取100~200mm,具體值見表4-1:表4-1接管長度(mm)公稱直徑(Dg)不保溫接管長保溫接管長適用公稱壓力(MPa)≤1520~5070~35070~50080100150150130150200200≤40≤16≤16≤10已知物料的體積流量,又已知各種物料在不同情況下的流速,即能夠求出管道截面積,計(jì)算出管徑。計(jì)算出再圓整到相近似的鋼管尺寸即可,也能夠用圓算法求管徑。1.排料管(也是通風(fēng)管)管徑計(jì)算本罐實(shí)裝料液量為108.297m3,設(shè)2h內(nèi)排空。則物料流量由前設(shè)定發(fā)酵液流速v=1.1m/s,則排料管截面積為由取無縫鋼管Φ133×42.通風(fēng)管計(jì)算壓縮空氣在0.55MPa下,支管風(fēng)速為20-25m/s工作條件下的通氣量Qg=71.48m3/min=1.19m3/s利用氣態(tài)方程:取風(fēng)速v=25m/s,則通風(fēng)管截面積為由推得氣管直徑因?yàn)橥L(fēng)管也是排料管,故取兩者的大值,取無縫鋼管Φ133×4,可滿足工藝要求。排料時(shí)間復(fù)核:物料流量Q=0.015m3/s,流速v=1.1m/s。管道截面積:在相同流速下,流過物料因管徑較原來計(jì)算結(jié)果大,則相應(yīng)時(shí)間比:排料時(shí)間4.1.6支座的選擇設(shè)備支座是用來支撐設(shè)備的重量和固定設(shè)備的位置的。發(fā)酵工廠設(shè)備常見支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式設(shè)備支座有鞍式支座、圈式支座和支腳三種;立式設(shè)備支座有懸掛式、支撐式和裙式支座。由于設(shè)備總重量較大,本設(shè)計(jì)選用裙式支座。查閱資料,選取Ds=5000mm的圓筒形裙式支座,并根據(jù)工廠實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)母淖?。第二?jié)種子罐的設(shè)計(jì)4.2.1種子罐尺寸計(jì)算種子罐也為通用式發(fā)酵罐,其計(jì)算方法同發(fā)酵罐。由前面計(jì)算得種子罐的公稱容積為50m3,取H=2.5D。得參考資料,將直徑圓整到國內(nèi)常見發(fā)酵罐系列,取D=3000mm。查表知D=3000mm時(shí),ha=750mm,hb=50mm,Vb=3.89m3則圓整后取H=6500mm則,符合要求。罐體總高度:圓筒部分裝液量:圓筒部分液面高:則罐內(nèi)液體總高度:4.2.2攪拌裝置及軸功率1.攪拌裝置種子罐的攪拌器一般都采用具有圓筒的渦輪攪拌器,攪拌葉的型式有平葉、彎葉和箭葉三種,一般有六個(gè)葉片均勻排列在圓盤上,三種攪拌器型式比較如下:功率消耗:平葉>彎葉>箭葉發(fā)酵液中氣含率:平葉>彎葉>箭葉軸向混合效果:箭葉>彎葉>平葉攪拌葉型式的選擇是種子罐設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵,中國由于種種原因,普遍采用六彎葉或六箭葉圓盤渦輪式。為了增強(qiáng)發(fā)酵液中的氣含率,本設(shè)計(jì)選用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器。攪拌器尺寸設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的六彎葉渦輪攪拌器的各種尺寸與罐徑D存在一定的比例關(guān)系?,F(xiàn)將主要尺寸列舉如下:攪拌器直徑葉寬葉弦長弧長底距盤徑葉距彎葉板厚度2.攪拌軸功率計(jì)算(1)不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)出功率準(zhǔn)數(shù)和攪拌雷諾準(zhǔn)數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系為:式中:Np—攪拌功率特征數(shù)P—攪拌功率,Wn—攪拌器轉(zhuǎn)速,r/sd—攪拌器直徑,mρ—液體密度,Kg/m3查資料得,六平葉渦輪槳Np=6.2六彎葉渦輪槳Np=4.8六箭葉渦輪槳Np=3.9攪拌轉(zhuǎn)速n可根據(jù)50m3罐,攪拌器直徑1050mm,轉(zhuǎn)速N=180r/min,以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得:已知:n=2.58r/s,d=1.0m,ρ=1005Kg/m3,Np=4.8校正:此式根據(jù),,,的條件求的,由于發(fā)酵反應(yīng)器的,故實(shí)際反應(yīng)器的攪拌功率可用式(5-8)計(jì)算:∴式中:、為實(shí)際值,、為理論值均為3。已知D=3m,d=1m,HL=4.5m,代入式中得攪拌器層數(shù)的計(jì)算:取m=2當(dāng)發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時(shí),軸功率可按下式估算:式中:m—攪拌器層數(shù)則(2)通風(fēng)條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:式中——通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Kw——不通風(fēng)時(shí)的攪拌功率Kw——攪拌軸轉(zhuǎn)速m/s——攪拌器直徑m——通風(fēng)量已知,n=154.96r/min,k隨攪拌器形式不同而不同,對通用渦輪攪拌器k=0.157。(3)電動(dòng)機(jī)功率的確定式中:PN—電動(dòng)機(jī)功率,KWP′—攪拌器功率,KWPT—軸封裝置的摩擦損失功率,KWη—傳動(dòng)裝置的機(jī)械效率一般端面軸封摩擦損失的功率取(1%~2%)P′,本設(shè)計(jì)取2%P′,齒輪減速傳動(dòng)時(shí)η可取0.98。則《化工手冊》選取電動(dòng)機(jī)功率為30KW,電動(dòng)機(jī)型號為Y225M-6型;減速機(jī)型號:選用LPJ系列,根據(jù)要求選用LPJ500系列。4.2.3種子罐的換熱設(shè)備本種子罐選用蛇管冷卻裝置。1.冷卻面積計(jì)算用牛頓傳熱定律公式計(jì)算:F=式中:Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量,KJ/hK—傳熱系數(shù),KJ/(m2·h·℃)—兩流體傳熱時(shí)平均溫度差,℃由前面計(jì)算可知:Q=147946.53KJ/h,K值取1400KJ/(m2·h·℃),發(fā)酵溫度為35℃,冷卻水進(jìn)出口溫度分別為10℃、30℃。則則考慮到消毒后培養(yǎng)基冷卻等因素,乘以系數(shù)1.1,得:圓整為10m2此時(shí)50m3種子罐的可用傳熱外表面積F′為:,則個(gè)可選擇外盤管或內(nèi)置蛇管,本設(shè)計(jì)選擇內(nèi)置蛇管2.進(jìn)水管總管直徑按用水量大的夏季通水量計(jì)算。冷卻水用量:冷卻水體積流量:取冷卻水在管中流速為v=0.97m/s冷卻管總截面積:進(jìn)水總管直徑:查表,選取Ф57×3.5的無縫鋼管,符合要求。3.豎式蛇管設(shè)計(jì)(1)冷卻管組數(shù)和管徑式中:S總—冷卻管總截面積,m2n—豎式蛇管組數(shù)d0—豎式蛇管管徑,m取n=6查表取Ф25×3的無縫鋼管,符合要求?,F(xiàn)在取豎式蛇管圓端部U型彎管,曲徑為250mm,則兩直管間距離為500mm。設(shè)兩端彎管總長度為l0,則:(2)冷卻管總長度計(jì)算已知豎式蛇管的傳熱面積F=10m2每組蛇管需接管1m則每組蛇管長可排豎式蛇管的高度設(shè)為靜液面高度,下部可深入封頭250mm,則豎式蛇管的高度等于圓柱部分液面高度加上可深入封頭以下高度。筒體部分液深:豎式蛇管高度:兩彎管總長:故豎式蛇管豎直部分長:則一圈管長:故每組蛇管可繞圈數(shù)(圈),取3圈。校核:管總長:滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)蛇管與攪拌器最小間距為200mm進(jìn)行校核:取管間距為0.09m,豎式蛇管與罐壁的距離取0.15m,則,符合設(shè)計(jì)要求在滿足各種指標(biāo)的前提下,排兩組蛇管所占長度、蛇管與兩邊罐的距離、兩面蛇管與攪拌器的距離及攪拌器葉徑之和小于罐徑,故蛇管可放入,不會(huì)產(chǎn)生碰撞,不會(huì)對其它部分產(chǎn)生影響。冷卻管的實(shí)際傳熱面積:,滿足設(shè)計(jì)要求。4.2.4種子罐壁厚的計(jì)算1、筒體壁厚計(jì)算取設(shè)計(jì)壓力等于最高工作壓力的1.1倍,即1.1×0.5=0.55(Mpa)。判斷是否考慮液體靜壓力:已知發(fā)酵液密度ρ=1005Kg/m3,筒身部分液面高度為3.7m。故筒體底部產(chǎn)生的靜壓力為:故不須考慮在內(nèi)。式中:P—設(shè)計(jì)壓力,MPaD—罐內(nèi)徑,mm[]—材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用壓力,取127MPaΦ—焊縫系數(shù),取Φ=0.8C—壁厚附加量,C=C1+C2+C3C1—鋼板負(fù)偏差。視鋼板厚度查表確定,其范圍為0.13-1.3,現(xiàn)取C1=0.8mmC2—腐蝕余量,取C2=2mmC3—加工減薄兩,對冷加工C3=0,熱加工封頭C3=X0×10%即C=C1+C2+C3=0.8+2+0=2.8(mm)圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取10mm。2、上封頭壁厚計(jì)算上封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,其壁厚計(jì)算公式:圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取X上=10mm。有效壁厚:校核:,故該橢圓形封頭的名義厚度取10mm合適。3.下封頭壁厚計(jì)算則圓整到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格取X下=10mm。有效壁厚:校核:,故該橢圓形封頭的名義厚度取10mm合適4.2.5接管設(shè)計(jì)各接管的長度h根據(jù)直徑的大小和有無保溫層,一般取100~200mm。1.排料管(也是通風(fēng)管)管徑計(jì)算本罐實(shí)裝料液量為5.69m3,設(shè)2.5h內(nèi)排空。則物料流量由前設(shè)定發(fā)酵液流速v=1.1m/s,則排料管截面積F排為取無縫鋼管Φ76×42.通風(fēng)管設(shè)計(jì)壓縮空氣在0.55MPa下,支管風(fēng)速為20-25m/s工作條件下的通氣量=0.67(m3),利用氣態(tài)方程:取風(fēng)速v=25m/s,則通風(fēng)管截面積為由推得氣管直徑:因?yàn)橥L(fēng)管也是排料管,故取兩者的大值,取無縫鋼管Φ83×4,可滿足工藝要求。排料時(shí)間復(fù)核:物料流量Q=0.0033m3/s,流速v=1.1m/s。管道截面積:在相同流速下,流過物料因管徑較原來計(jì)算結(jié)果大,則相應(yīng)時(shí)間比:(倍)排料時(shí)間4.2.6支座的選擇設(shè)備支座是用來支撐設(shè)備的重量和固定設(shè)備的位置的。發(fā)酵工廠設(shè)備常見支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式設(shè)備支座有鞍式支座、圈式支座和支腳三種(應(yīng)用較多的為鞍式支座和支腳);立式設(shè)備支座有懸掛式、支撐式和裙式支座(應(yīng)用較多的為裙式和懸掛式)。根據(jù)工藝要求和載荷特點(diǎn),發(fā)酵車間種子罐多采用懸掛式支座,又稱耳座。查閱資料,選取Ds=2200的懸掛式支座,并根據(jù)工廠實(shí)際情況做適當(dāng)?shù)母淖?。第三?jié)空氣過濾器4.3.1空氣過濾器的選因黑曲霉AS3.350是以空氣作為氧源,但空氣中含有各種各樣的微生物,她們一般隨空氣進(jìn)入培養(yǎng)液,在適宜的條件下就會(huì)迅速的大量繁殖,干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵液的正常進(jìn)行,造成發(fā)酵徹底失敗等嚴(yán)重事故。因此,通風(fēng)發(fā)酵所需要空氣必須是潔凈的無菌空氣,并有一定的溫度和壓力,這就要求對空氣進(jìn)行凈化除菌和調(diào)節(jié)處理。4.3.2空氣過濾除菌原理空氣過濾是當(dāng)前生物技術(shù)生產(chǎn)中最常見的空氣除菌方法。它采用定期滅菌的干燥介質(zhì)來阻止節(jié)流過程的空氣中所含的微生物,從而獲得無菌空氣。常見的過濾介質(zhì)按空隙的大小能夠分為兩類:一類是介質(zhì)空隙大于微生物,因此必須有一定的厚度的介質(zhì)濾層才能達(dá)到過濾除菌的作用;而另一

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