蛋白酶的工廠設計

年4月19日蛋白酶的工廠設計文檔僅供參考年產(chǎn)1500m3蛋白酶的工廠設計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為胨、肽類，廣泛存在于動物內(nèi)臟、植物莖葉、果實和微生物中。同時大多數(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，它的分子質量為30-40kD，等電點（pH3.0-5.0）酸性蛋白酶現(xiàn)已廣泛應用于食品、飼料、釀造、毛皮與皮革、醫(yī)藥、膠原纖維等各個行業(yè)之中。本設計采用豆餅粉、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%。本設計利用通風攪拌式發(fā)酵罐進行發(fā)酵，同時利用離子交換樹脂對母液進行提取，提高了酸性蛋白酶的生產(chǎn)效率，減少了生產(chǎn)成本。設計還包括發(fā)酵罐，全廠平面圖，車間平面布置圖，工藝流程圖。關鍵詞：酸性蛋白酶發(fā)酵工廠設計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，相對分子質量為。酸性蛋白酶是一種羧基蛋白酶，在其活性中心有兩個天冬氨酸殘基，其代表性特征是能夠在酸性或中性環(huán)境條件下水解動植物蛋白質，將兩個疏水氨基酸打斷，經(jīng)過內(nèi)切和外切作用將蛋白質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。國外關于酸性蛋白酶的生產(chǎn)研究從20世紀初就開始了。19，德國科學家從動物的胰臟中提取出胰蛋白酶，并將其用于皮革的鞣質。19美國科學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的酶）并將木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白質渾濁物。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)酸性蛋白酶進行了廣泛的研究。1964年外國科學家首次發(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，并對該酶進行了純化和結晶。1968年從微小毛霉中篩選出了一種酸性蛋白酶，并對其進行了純化和酶學性質分析。1995年外國科學家對煙曲霉酸性蛋白酶的基因進行了克隆和測序。又從假絲酵母中篩選出了一種酸性蛋白酶菌株，并對該酶進行了核苷酸序列分析和功能分析。國外學者對曲霉酸性蛋白酶的結構和功能等己經(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)作進行中試生產(chǎn)，填補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用前途的產(chǎn)酶菌株。當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)的酸性蛋白酶進行了發(fā)酵過程動力學研究.戚淑威等對青霉產(chǎn)酸性蛋白酶的適宜條件和酶學性質進行了分析。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行了分析。王云等，經(jīng)過質譜指紋法對黑曲霉發(fā)酵液中所產(chǎn)蛋白進行了分析比對和鑒定酸性蛋白酶分子生物學方面的研究，國內(nèi)僅僅集中于凝乳酶和胃蛋白酶方面，有關真菌酸性蛋白酶的分子生物學研究報道很少。此設計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)酵罐以及全套設備的要求較高。本設計的重點解決問題有：1.設計酸性蛋白酶的生產(chǎn)工藝流程圖；2.整個流程的物料衡算及工藝計算；3.設計重點設備為發(fā)酵罐；4.畫工藝流程圖，重點車間布置，重點設備，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化學結構酸性蛋白酶的分子質量為30—40kD，等電點低（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)境條件下水解動植物蛋白質，將兩個疏水氨基酸打斷，經(jīng)過內(nèi)切和外切作用將蛋白質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。化學性質、物理性質酸性蛋白酶在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。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℃時酶活會急劇下降，70℃時酶活完全喪失。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)中的應用：酸性蛋白酶主要用于皮革軟化、羊毛細化及預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、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。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，這些沉淀物質主要為蛋白質冷凝固物、酵母細胞，造成啤酒的冷渾濁。酸性蛋白酶是非常有效的啤酒澄清劑，因為其作用環(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，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和風味物質等重要的作用。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物消化吸收的氨基酸和多肽，從而有利于動物的生長發(fā)育，縮短育肥時間。蛋白酶在醫(yī)學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，使面團柔軟，揉捏省力，烘焙品質提高。另外還可用于肉類嫩化，改變腐乳質量等方面。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設計概述1.4.1設計依據(jù)所下達的設計任務書1.4.2設計原則（一）總平面設計的原則總平面設計的基本原則是：既要結合廠址自然條件因地制宜，又要注重技術經(jīng)濟性、節(jié)約用地、節(jié)省投資和留有發(fā)展余地。為此，總平面設計的基本要求：1、總平面設計必須符合生產(chǎn)流程的要求。原料、半成品、成品的生產(chǎn)作業(yè)線應順直、短捷，避免作業(yè)線的交叉和返回。2、總平面設計應當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。3、總平面設計應充分考慮地區(qū)主風向的影響，以此合理布置各建、構筑廠房及廠區(qū)位置。4、總平面設計應將人流、貨流通道分開，避免交叉。5、總平面設計應遵從城市規(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、總平面設計必須符合國家有關規(guī)范和規(guī)定。（二）工藝流程的設計原則1.保證產(chǎn)品質量符合國家標準，外銷產(chǎn)品還必須滿足銷售地區(qū)的質量要求。2.盡量采用成熟的、先進的技術設備。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)，以保證人身和設備的安全。5.生產(chǎn)過程盡量采用機械化和自動化，實現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。（三）設備選型原則設備的工藝設計和選型時應考慮以下原則：1、工藝過程實施的安全可靠（包括設備材質對產(chǎn)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(chǎn)過程清洗、消毒的可靠性）。2、經(jīng)濟上合理，技術上先進。3、投資省，耗材少，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(jīng)過實踐考驗證明確實性能優(yōu)良的設備。7、考慮生產(chǎn)波動與設備平衡，留有一定裕量。8、考慮設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，廠址處于居民下風處，遠離有毒工廠和有機廢物、化學廢料堆放地區(qū)及傳染病中心。地形、地勢和地質、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)交通運輸、地質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，水質要滿足生產(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。風向1-1南寧市風玫瑰圖1.4.4車間組成和生產(chǎn)制度本設計的重點車間是發(fā)酵車間和提取車間。發(fā)酵車間的根據(jù)工藝設計的要求分成以下幾個方面：車間辦公室（具體負責車間的考核與各項工作的安排）、發(fā)酵工段工作班（內(nèi)設班長和小組長，班長對整個發(fā)酵車間均要負責和管理），化驗組以及機修組。其中發(fā)酵工段包括若干項，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1三班制會計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2二班制化驗組化驗員3二班制機修機修員2二班制提取車間根據(jù)工藝規(guī)程可分為以下幾個工段：辦公室、離子交換組、濃縮組、工藝組、化驗組、制水工段、化驗工段。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1二班制會計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2二班制化驗組化驗員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)工藝流程設計是整個工藝設計的基礎。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，同時還有廢液、廢渣等生成。生產(chǎn)工藝流程設計在工藝設計進行必要的修改，往往最后才完成。生產(chǎn)工藝流程圖見下斜面培養(yǎng)搖瓶擴大培養(yǎng)黑曲霉玉米粉斜面培養(yǎng)搖瓶擴大培養(yǎng)黑曲霉玉米粉魚粉無機鹽配料種子罐擴大培養(yǎng)原料豆餅粉空氣空氣壓縮機冷卻氣液分離過濾除菌原料預處理預處理離心過濾淀粉水解糖配料種子罐擴大培養(yǎng)過濾離心過濾淀粉水解糖配料種子罐擴大培養(yǎng)過濾淀粉水解糖配料種子罐擴大培養(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調節(jié)5.5通氧，PH調節(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，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，菌種濃度達到。3.發(fā)酵罐培養(yǎng)將擴大培養(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)酵時間為35.5h。發(fā)酵過程中采用自動攪拌器，將轉速控制在，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，嚴格控制通風量。根據(jù)國家藥品質量管理規(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、化學滅菌、加熱滅菌、靜電除菌、過濾介質除菌等。過濾介質除菌是當前發(fā)酵工業(yè)中空氣除菌的主要手段，常見的過濾介質有棉花、活性炭或玻璃纖維、有機合成纖維、有機和無機燒結材料等。而我們也將對這些無菌空氣進行檢查，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℃左右時穩(wěn)定，低于45℃或高于60℃時酶活性會急劇下降，70℃時酶活則會完全喪失。要保證獲得好的成品收益，則需嚴格控制發(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)酵液的預處理由于發(fā)酵液中菌體較多，因此需要對發(fā)酵液進行離心去除菌體。刮板式薄膜蒸發(fā)器對醪液進行蒸發(fā)時收率很高，適合運用此方法對粗酶液進行濃縮以獲得最大效益。2、離子交換離子交換技術具有相當長的歷史，在工業(yè)應用中，離子交換樹脂的優(yōu)點主要是處理能力大，脫色范圍廣，脫色容量高，能除去各種不同的離子，能夠重復再生使用，工作壽命長，運行費用較低(雖然一次投入費用較大)。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如下：吸附：洗脫：轉型：離子交換過程主要利用701弱堿型陰離子交換樹脂和732強酸型陽離子交換樹脂。第三章工藝計算第一節(jié)物料平衡計算物料衡算是工藝計算的基礎，它是質量守恒的一種表現(xiàn)形式。物料衡算是指：根據(jù)質量守恒定律，凡引入某一系統(tǒng)或設備的物料重量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)這一運算法則，既適用于每一個單元操作過程，也適用于整個生產(chǎn)過程；既可進行總的物料衡算，也可對混合物中某一組分做部分物料衡算。經(jīng)過物料平衡計算，能夠求出引入和離開設備的物料（包括原料、中間體和成品等）組分的成分、重量和體積，進而計算產(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設計的基礎數(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)品效價年工作日發(fā)酵平均水平收率=324.89m3取每天放罐數(shù)=3時，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)設計指標=60%，根據(jù)參考文獻，調整到國內(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)酵周期小時則可得出：取4.發(fā)酵罐的物料衡算物料流入=基礎培養(yǎng)基（消后）+種子液量+補料量+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)酵罐物料消耗計算每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次已知假設運輸過程中損失0.5%，則實際用即每臺發(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%，則放罐時的種子液占總料液的96%本設計采用一臺種子罐供應一臺發(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，本設計取=65%（3-5）調整到國內(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)酵周期小時發(fā)酵周期=輔助時間+發(fā)酵時間輔助時間=出料時間+滅菌時間+移種時間+放罐時間+清洗檢修時間根據(jù)文獻得知發(fā)酵時間為30小時，設輔助時間為6小時，發(fā)酵周期為24小時得出取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算每臺種子罐年培養(yǎng)批次已知，假設運輸損失0.5%，則實際用量為則每批種子罐需要30.735培養(yǎng)基第三節(jié)熱量平衡計算熱量衡算的目的在于定量研究生產(chǎn)過程，為過程設計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，計算生產(chǎn)過程能耗定額指標。應用蒸汽等熱量消耗指標，可對工藝設計的多種方案進行比較，以選定先進的和最優(yōu)的生產(chǎn)工藝；或對已投產(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)濟合理性，過程的先進性，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)濟核算和最優(yōu)化的基礎。熱量衡算的結果有助于工藝流程和設備的改進，達到節(jié)約能源，降低生產(chǎn)成本的目的。3.3.2熱量平衡計算值得注意的幾個問題下面列舉的是有關熱量衡算值得注意的幾個問題：1、確定熱量衡算系統(tǒng)所涉及所有熱量或可能轉化成熱量的其它能量，不要遺漏。但對衡算影響很小的項目能夠忽略不計，以簡化計算。2、確定物料計算的基準、熱量計算的基準溫度和其它能量基準。有相變時，必須確定相態(tài)基準，不要忽略相變熱。3、正確選擇與計算熱力學數(shù)據(jù)。4、在有相關條件約束，物料量和能量參數(shù)有直接影響時，宜將物料平衡和熱量平衡計算聯(lián)合進行，才能獲得準確結果。3.3.3熱量平衡計算1.直接加熱蒸汽耗量

式中，—蒸汽的熱焓，KJ/kg—培養(yǎng)基質量，Kg—培養(yǎng)基比熱容，KJ/(Kg·℃)—熱損失，5%~10%—加熱結束時的料液溫度，℃—加熱開始時的料液溫度，℃已知：在0.5MPa時，，η取7%，=121℃，=20℃發(fā)酵罐：種子罐：補料罐：2.滅菌保溫時間內(nèi)蒸汽用量實罐滅菌操作中，蒸汽就是從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出（進氣的閥門開的很大，排氣的閥門開的很?。捎诓僮魅藛T的操作習慣不一樣，因此蒸汽消耗量很難準確計算，在此根據(jù)經(jīng)驗進行估算：（3-6）本設計取40%則發(fā)酵罐：種子罐：補料罐：蒸汽總耗量發(fā)酵罐：種子罐：補料罐：第四節(jié)熱量計算3.4.1發(fā)酵過程中的熱效應計算式中發(fā)酵罐的發(fā)酵熱效應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)本設計取=8000KJ/(m3·h)發(fā)酵罐的熱效應：種子罐的熱效應：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KJ/h；——攪拌產(chǎn)生的熱量KJ/h；其中[14](3-8)式中——設備總表面積，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，設備清洗等都需要大量的水。因此，水平衡在設計過程中是十分重要的一個設計步驟。水平衡與工藝計算以及設備的計算和選型、成本核算、技術經(jīng)濟等有十分密切的關系。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)基冷卻過程在某時刻的溫度，℃—對應培養(yǎng)基t1溫度時冷卻水出口溫度，℃—冷卻水進口溫度，℃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料罐用水第六節(jié)無菌壓縮空氣消耗量計算大多數(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。而溶氧速率與反應器類型，通氣速率，攪拌條件有關。對同一類型的發(fā)酵反應，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算是非常重要的設計任務。壓縮空氣耗量通風比計算法：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%，取通風比1:1.32，則壓縮空氣需要量：第四章設備的設計與選型從設備的設計選型的情況，能夠反映出設計工廠的先進性和生產(chǎn)的可靠性。因此，在設備的工藝設計和選型過程中應考慮如下的原則：1.保證工藝過程實施的完全可靠（包括設備材料對產(chǎn)品質量的安全可靠；設備強度的耐溫，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)濟上合理，技術上先進；3.投資省，耗材少，加工方便，采購容易；4.運行費用低，水電汽水耗水量少；5.操作清洗方便，耐用易維修，備品配件供應可靠，減輕工人勞動強度，實施機械化和自動化方便；結構緊湊，盡量采用經(jīng)過實踐考驗證明確實性能優(yōu)良的設備；6.考慮生產(chǎn)波動與設備平衡，留有一定裕量；7.考慮設備故障及檢修的備用。第一節(jié)發(fā)酵罐的設計4.1.發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐幾何尺寸比例關系如下：=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、直徑及壁厚從有關化工設計手冊中查得。(4-1)(4-2)式中：ha—封頭曲邊高度，mhb—封頭直邊高度，m對標準橢圓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，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算1.攪拌裝置發(fā)酵罐上常見的攪拌器是推進式攪拌器和渦輪式攪拌器，這兩種攪拌器各有特色：推進式攪拌器由于葉片的結構，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，本設計采用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器，能夠有利于粉碎氣泡，強化氧的傳遞，以達到最佳混合效果。2.攪拌器尺寸設計本設計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.攪拌軸功率計算不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學實驗和生產(chǎn)實踐總結功率準數(shù)和攪拌雷諾準數(shù)之間的函數(shù)關系：（4-6）（4-7）式中：—攪拌功率特征數(shù)—攪拌功率，W—攪拌器轉速，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速n可根據(jù)200m3罐，攪拌器直徑1.57m，轉速N=90r/min，以等P0/V為基準放大求得：已知：，，，∴此式根據(jù)，，，的條件求的，由于發(fā)酵反應器的，故實際反應器的攪拌功率可用式(4-8)計算：（4-8）式中：、為實際值，、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)的計算：取m=1當發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時，軸功率可按下式估算：（4-10）式中：m—攪拌器層數(shù)則通風條件下的攪拌功率通風條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗公式計算：（4-11）式中——通風時的攪拌功率Kw——不通風時的攪拌功率Kw——攪拌軸轉速m/s——攪拌器直徑m——通風量已知，，隨攪拌器形式不同而不同，對通用渦輪攪拌器。則電動機功率的確定（4-12）式中：PN—電動機功率KwP′—攪拌器功率KwPT—軸封裝置的摩擦損失功率Kwη—傳動裝置的機械效率一般端面軸封摩擦損失的功率取（1%~2%）Pm，本設計取2%Pm，圓柱齒輪減速傳動時η可取0.98-99.5%，本設計取98%。查資料（化工工藝手冊5-220），選取電動機功率為45Kw，其型號為Y280S-6。減速機選用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，當安置外盤管傳熱面積仍不夠時，罐內(nèi)還要安置豎式蛇管來加大傳熱面積。本設計采用豎式蛇管的冷卻裝置。1.冷卻面積計算用牛頓傳熱定律公式計算：(4-13)式中：Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量，KJ/hK—傳熱系數(shù)，KJ/(m2·h·℃)—兩流體傳熱時平均溫度差，℃由前面計算可知：Q=856991.75KJ/h，K值取1400KJ/(m2·h·℃)，發(fā)酵溫度為35℃，冷卻水進出口溫度分別為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，能滿足本設計要求。2.進水管總管直徑按用水量大的夏季通水量計算。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。豎式蛇管設計（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大于100mm，主要考慮便于安裝，清洗和良好的傳熱。《發(fā)酵工廠設計》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。設兩端彎管總長度為l0，則：（2）冷卻管總長度計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：，滿足設計要求。依據(jù)蛇管與攪拌器最小間距為250mm進行校核：取管間距為0.09m，豎式蛇管與罐壁的距離取0.15m，則，符合設計要求在滿足各種指標的前提下，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，不會產(chǎn)生碰撞，不會對其它部分產(chǎn)生影響。冷卻管的實際傳熱面積：滿足設計要求。4.1.4發(fā)酵罐壁厚的計算對生物加工工業(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。材料在設計溫度下的許用壓力[]=127MPa。1.筒體壁厚計算取設計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)。即筒體的設計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：—設計壓力—罐內(nèi)徑mm[]—材料在設計溫度下的許用壓力MPa—焊縫系數(shù)，取—壁厚附加量—鋼板負偏差。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，圓整到標準規(guī)格取16mm。2.上封頭壁厚計算上封頭為標準橢圓形封頭，其壁厚計算公式：標準規(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.下封頭壁厚計算則圓整到標準規(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接管設計各接管的長度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，計算出管徑。計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（也是通風管）管徑計算本罐實裝料液量為108.297m3，設2h內(nèi)排空。則物料流量由前設定發(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.通風管計算壓縮空氣在0.55MPa下，支管風速為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：取風速v=25m/s，則通風管截面積為由推得氣管直徑因為通風管也是排料管，故取兩者的大值，取無縫鋼管Φ133×4，可滿足工藝要求。排料時間復核：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算結果大，則相應時間比：排料時間4.1.6支座的選擇設備支座是用來支撐設備的重量和固定設備的位置的。發(fā)酵工廠設備常見支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式設備支座有鞍式支座、圈式支座和支腳三種；立式設備支座有懸掛式、支撐式和裙式支座。由于設備總重量較大，本設計選用裙式支座。查閱資料，選取Ds=5000mm的圓筒形裙式支座，并根據(jù)工廠實際情況做適當?shù)母淖?。第二?jié)種子罐的設計4.2.1種子罐尺寸計算種子罐也為通用式發(fā)酵罐，其計算方法同發(fā)酵罐。由前面計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，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計中的一個關鍵，中國由于種種原因，普遍采用六彎葉或六箭葉圓盤渦輪式。為了增強發(fā)酵液中的氣含率，本設計選用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器。攪拌器尺寸設計本設計采用的六彎葉渦輪攪拌器的各種尺寸與罐徑D存在一定的比例關系。現(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.攪拌軸功率計算（1）不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學實驗和生產(chǎn)實踐總結出功率準數(shù)和攪拌雷諾準數(shù)之間的函數(shù)關系為：式中：Np—攪拌功率特征數(shù)P—攪拌功率，Wn—攪拌器轉速，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攪拌轉速n可根據(jù)50m3罐，攪拌器直徑1050mm，轉速N=180r/min，以等P0/V為基準放大求得：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)酵反應器的，故實際反應器的攪拌功率可用式(5-8)計算：∴式中：、為實際值，、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)的計算：取m=2當發(fā)酵罐中裝入多層攪拌器時，軸功率可按下式估算：式中：m—攪拌器層數(shù)則（2）通風條件下的攪拌功率可用經(jīng)驗公式計算：式中——通風時的攪拌功率Kw——不通風時的攪拌功率Kw——攪拌軸轉速m/s——攪拌器直徑m——通風量已知，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）電動機功率的確定式中：PN—電動機功率，KWP′—攪拌器功率，KWPT—軸封裝置的摩擦損失功率，KWη—傳動裝置的機械效率一般端面軸封摩擦損失的功率取(1%~2%)P′，本設計取2%P′，齒輪減速傳動時η可取0.98。則《化工手冊》選取電動機功率為30KW，電動機型號為Y225M-6型；減速機型號：選用LPJ系列，根據(jù)要求選用LPJ500系列。4.2.3種子罐的換熱設備本種子罐選用蛇管冷卻裝置。1.冷卻面積計算用牛頓傳熱定律公式計算：F=式中：Q—發(fā)酵罐待冷卻熱量，KJ/hK—傳熱系數(shù)，KJ/(m2·h·℃)—兩流體傳熱時平均溫度差，℃由前面計算可知：Q=147946.53KJ/h，K值取1400KJ/(m2·h·℃)，發(fā)酵溫度為35℃，冷卻水進出口溫度分別為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50m3種子罐的可用傳熱外表面積F′為：，則個可選擇外盤管或內(nèi)置蛇管，本設計選擇內(nèi)置蛇管2.進水管總管直徑按用水量大的夏季通水量計算。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.豎式蛇管設計（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。現(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。設兩端彎管總長度為l0，則：（2）冷卻管總長度計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：滿足設計要求。依據(jù)蛇管與攪拌器最小間距為200mm進行校核：取管間距為0.09m，豎式蛇管與罐壁的距離取0.15m，則，符合設計要求在滿足各種指標的前提下，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，不會產(chǎn)生碰撞，不會對其它部分產(chǎn)生影響。冷卻管的實際傳熱面積：，滿足設計要求。4.2.4種子罐壁厚的計算1、筒體壁厚計算取設計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—設計壓力，MPaD—罐內(nèi)徑，mm[]—材料在設計溫度下的許用壓力，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)圓整到標準規(guī)格取10mm。2、上封頭壁厚計算上封頭為標準橢圓形封頭，其壁厚計算公式：圓整到標準規(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.下封頭壁厚計算則圓整到標準規(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接管設計各接管的長度h根據(jù)直徑的大小和有無保溫層，一般取100~200mm。1.排料管（也是通風管）管徑計算本罐實裝料液量為5.69m3，設2.5h內(nèi)排空。則物料流量由前設定發(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.通風管設計壓縮空氣在0.55MPa下，支管風速為20-25m/s工作條件下的通氣量=0.67(m3)，利用氣態(tài)方程：取風速v=25m/s，則通風管截面積為由推得氣管直徑：因為通風管也是排料管，故取兩者的大值，取無縫鋼管Φ83×4，可滿足工藝要求。排料時間復核：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算結果大，則相應時間比：(倍)排料時間4.2.6支座的選擇設備支座是用來支撐設備的重量和固定設備的位置的。發(fā)酵工廠設備常見支座分為臥式支座和立式支座。其中臥式設備支座有鞍式支座、圈式支座和支腳三種（應用較多的為鞍式支座和支腳）；立式設備支座有懸掛式、支撐式和裙式支座（應用較多的為裙式和懸掛式）。根據(jù)工藝要求和載荷特點，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)工廠實際情況做適當?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，她們一般隨空氣進入培養(yǎng)液，在適宜的條件下就會迅速的大量繁殖，干擾甚至破壞預定發(fā)酵液的正常進行，造成發(fā)酵徹底失敗等嚴重事故。因此，通風發(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，這就要求對空氣進行凈化除菌和調節(jié)處理。4.3.2空氣過濾除菌原理空氣過濾是當前生物技術生產(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。常見的過濾介質按空隙的大小能夠分為兩類：一類是介質空隙大于微生物，因此必須有一定的厚度的介質濾層才能達到過濾除菌的作用；而另一