年产4500吨碱性蛋白酶发酵工厂工艺设计.doc

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书题 目：年产4500吨碱性蛋白酶发酵工段工艺设计学生姓名：邬瑞学 号：0866121118专 业：生物工程班 级：081班指导教师：徐永斌年产4500吨碱性蛋白酶工厂发酵工段工艺设计摘要本次毕业设计的任务是年产4500吨碱性蛋白酶发酵工段工艺设计。在现代食品工业中, 酶的应用几乎涉及到食品加工的各个领域。随着酶制剂日益广泛的应用,经济效益显著。蛋白酶是水解蛋白质肽链的一类酶的总称, 而碱性蛋白酶则适宜在碱性条件( ph911) 下水解动植物蛋白质, 广泛存在于动植物及微生物中1。设计中首先根据参考资料选定了碱性蛋白酶发酵生产的具体工

2、艺流程，通过物料衡算确定需要-立方米发酵罐-台和-立方米种子罐-台，在此基础上得出发酵工段所需要的各种原料量，通过能量衡算确定水、无菌空气和蒸汽等的消耗量。然后对主要设备进行计算和选型，得出发酵罐、种子罐及通用设备、非标准设备等的结构尺寸、冷却装置、传动装置，根据工艺要求确定罐的附属设备和辅助设备以及发酵过程中的优化控制。最后设计了发酵工厂的车间布局，提出了相应的公用工程、安全卫生与环境保护等辅助工艺。根据计算结果，设计了六张图纸，分别为发酵罐装配图、种子罐装配图、工艺管道及仪表流程图、厂房车间布置图、物料流程图和设备一览表。关键词：碱性蛋白酶；发酵；工艺设计the process desig

3、n of the alkaline protease used for feed fermentation section with the capacity of 4500 tons annuallyabstract第一章 总论1.1设计依据：内蒙古科技大学数理与生物工程学院下达的毕业设计书。1.2指导思想： 生物技术产业化装置是由若干个单元设备以系统的、合理的方式组织起来的整体。过程设计依据生物工艺条件，选择合理的原料，确定最经济和安全的途径，使之生产出符合质量标准的生物产品。1.3设计要求： （1）生物产品的数量和质量指标。 （2）必须进行工艺流程化和参数优化，达到最经济地使用资金、原材

4、料公共设备和人员。 （3）必须充分考虑各种明显的和潜在的危险，保证生产人员的健康和安全，如生物反应器的压力容器，易燃易爆挥发性溶剂的管理以及微生物的扩散等。 (4）符合国家和地方的环境保护法规，按照工业生态学减少原料和能量的使用，物料的多层多级综合利用使用和废弃物资源化循环利用的“3r”原则，达到清洁生产。 (5）保证整套系统不仅可以正常操作，而且也能满足开停车等非常规操作。 (6) 保证系统能够适应和抑制外部扰动的影响，达到整套系统的可控性。1.4设计范围： 本设计主要针对碱性蛋白酶工厂发酵工段，主要包括：发酵罐设计、种子罐设计、补料罐设计、空气过滤器以及氨水储罐设计。设计过程中，要进行必要

5、的物料衡算和能量衡算。通过衡算的结果对主要设备进行选型，研究各个因素对发酵产量的影响，以及发酵生产中节能减排高产的实现。1.5设计目标：合理的车间产房布局，获得能源，产量和环保均为最优的碱性蛋白酶生产车间设计。要求根据选定的碱性蛋白酶发酵工艺，得出物料衡算和能量衡算的结果。由结果设计六张图纸，分别为：种子罐装配图，发酵罐装配图，工艺管道及仪表流程图，厂房车间布置图，物料流程图，设备一览表以及人员配备。第二章 产品介绍2.1 碱性蛋白酶概述碱性蛋白酶是由细菌原生质体诱变选育出的地衣芽孢杆菌2709，经深层发酵、提取及精制而成的一种蛋白水解酶，其主要成分为地衣芽孢杆菌蛋白酶，是一种丝氨酸型的内切蛋

6、白酶，它能水解蛋白质分子肽链生成多肽或氨基酸，具有较强的分解蛋白酶的能力。生产工艺是采用微滤超滤膜分离、喷雾干燥或真空冷冻干燥等先进技术，广泛应用于食品、医疗、酿造、洗涤、丝绸、制革等行业。碱性蛋白酶是目前市场上流行的洗涤添加剂，能大幅度提高洗涤去污能力，特别对血渍、汗渍、奶渍、油渍等蛋白类污垢，具有独特的洗涤效果。碱性蛋白酶在技术采用细菌原生质体诱变处理方法，从国内碱性蛋白菌生产菌2709枯草杆菌中研究选育出若干稳定高性能菌株，在后处理上，采用去渣盐析沉淀法，减少了蛋白酶的杂质含量和产品特有的气味，提高了溶解速度，与洗涤剂有更好的配伍性，延长了保质期。目前，在世界范围内蛋白分解酶是工业酶种中

7、用得最多的一种酶，约占酶总量的60%，其中碱性蛋白酶就占25%.它在商业中的巨大应用前景及在基础研究中的重要作用，吸引着国际国内的许多公司及研究单位竞相对其进行多方面的研究。22.2 碱性蛋白酶的性质碱性蛋白酶外观为褐色粉末，有酵曲的特殊臭味，能够分解蛋白质分子中的肽键成为小分子的氨基酸和肽。碱性蛋白酶在配置洗涤剂中，50时，除去蛋白质的污渍、汗迹以及蛋白质类的食品污渍。粉状洗涤剂用的颗粒碱性蛋白酶的质量要求为无粉尘、安全卫生，同洗涤剂相容性好，在洗涤剂中稳定性好等。碱性蛋白酶是由造育的地衣芽孢杆菌发酵而得，主要成分为枯草杆菌蛋白酶，是一种内切酶，催化部位为丝氨酸，分子量约为27300.2.3

8、 碱性蛋白酶的使用条件 底物浓度1025%，温度5060（4060），ph值911（710），反应时间36小时（根据要求可长可短），添加酶0.030.06%（以水解溶液重量计）。2.4 碱性蛋白酶的保存5保藏，保质期一年；25储存，酶活保存期至少3个月以上。2.5 碱性蛋白酶的应用工艺1、用于干素钠和软骨素：可以根据所用原料的优劣和实际生产条件适当调整酶量的酶解条件。2、用于丝绸脱胶：预处理脱水酸处理蛋白酶1824u/ml,肥皂0.75%，4850,3060分钟，ph（78）脱水扯皮冲洗脱水抖松烘干抖松。3、用于皮革脱毛：原料皮水洗脱脂碱膨胀拔毛剖层脱碱酶脱毛水洗浸酸鞣制。4、用于洗涤剂：去除

9、汗渍、血渍、食品蛋白类污垢、奶渍、粘液、食品等杂物，从而达到独特的洗涤效果。2.6 注意事项1、此产品可完全溶于水，使用安全可靠。操作时请勿直接与酶制剂接触，若有接触需及时用清水冲洗。2、原包装打开后尽快食用，剩余部分需扎口保存。3、本品在贮存中要避免雨淋和曝晒，禁止与有毒有害物质混运混存。2.7碱性蛋白酶的主要应用酶作为生物催化剂，在许多化学反应中具有不可低估的作用。酶催化剂作为生物进化的高级形式，与一般的化学催化剂相比，它可以在非常温和的条件下高效、专一地催化底物转变为产物。酶工程技术已成为生物工程技术的重要组成部分，无论是基因工程、蛋白质工程、细胞工程和发酵工程都需要酶分子的参与。酶催化

10、的高效性、特异性及产品的高效回收、简单的反应体系等优点使酶工程技术成为现代生物技术的主要支柱之一。自20世纪中叶以来，工业用酶制剂市场得到了蓬勃发展。据统计数据表明，1981年工业酶制剂生产量约65,000吨，产值4亿美元;1985年工业酶制剂约生产75,000吨，产值约6亿美元。1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元。进入20世纪90年代后，市场对酶制剂的需求进一步增强，以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的novo nordisk公司为例，1993年的酶制剂销售额为9亿美元。1998年产业用酶的销售额为15.18亿美元。世界酶制剂的生产量正以每年8%左右的速度递增，酶制剂的生产品种已由原

11、来的十多个发展为数十个。1994年以来，酶制剂市场量最大的是洗涤剂用酶，第二位是淀粉加工用酶，以后依次为乳制品加工、制酒工业、纤维工业和饮料业等。 自然界发现的酶已达数千种，工业上常用的酶只有数十种，而目前大量生产的酶仅有十余种。其中，蛋白分解酶是工业酶种中用得最多的一种酶，约占酶总量的60%，其中碱性蛋白酶就占25%。 碱性蛋白酶可以在碱性条件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、丝绸、医药、食品和生物化学试剂等领域，其最大用途是作为添加剂生产加酶洗涤剂。碱性蛋白酶最早在猪的胰脏中发现。1913年，rohm首先将胰蛋白酶作为洗涤浸泡剂使用。1945年瑞士的dr. jaag等发现了微生

12、物碱性蛋白酶，使蛋白酶有可能广泛应用于洗涤剂工业。1963年，诺和诺德公司(现诺维信公司)发现了更适用于洗涤剂的碱性蛋白酶alcalase,酶制剂被广泛地应用于洗涤剂产品中，出现了加酶洗衣粉;随后的20年中，细菌类蛋白酶是唯一被应用于洗涤剂中的商品化酶制剂。2.7.1 在涤剂中的应用 洗涤剂借助于生物酶使其质量和性能获得了全面发展，洗涤剂用酶制剂也在含酶洗涤剂的普及和生物工程技术进步的推动下得到了飞速发展。1962年丹麦novo公司首次推出了加酶洗衣粉，但在使用的初期由于粉尘的影响，应用一时中断。后来采用了颗粒化洗涤剂形式，加酶洗衣粉得到了普及。据统计，1998年全球洗涤剂用酶销售额达4.98

13、亿美元，己成为工业用酶的最大应用领域。洗涤剂加酶是国际发展趋势，世界洗涤剂产量2700万吨，西欧人均24公斤，日本人均9公斤，美国人均32公斤，世界人均7公斤，亚洲人均2.5公斤，我国人均只有2.05公斤，因此洗涤用品发展潜力很大。日常生活中遇到的污垢，特别是衣服上的污垢组成是十分复杂的，一般来说，主要有尘土的微粒、人体分泌的皮脂和汗液、食物的汁液和残余物等，有机污垢是以蛋白质与纤维结合的方式存在的。用于洗涤这些污物的洗涤剂是由表面活性剂、纯碱、水玻璃(硅酸盐)、三磷酸盐等配制而成，洗涤时水溶液显示出较高的碱性ph一般在9-11之间，在这种条件下，碱性蛋白酶正好可以发挥其催化活性，催化污物中的

14、蛋白质水解，使复杂的蛋白质分解成结构简单、相对分子量较小的水溶性肤，或者进一步分解为氨基酸。这样，原来粘在衣物上的其它污物也可以一起被洗下来。在整个洗涤过程中，碱性蛋白酶可反复起分解蛋白质的作用，只是酶活越来越低。洗涤剂中加入碱性蛋白酶以后具有以下优点(1)提高产品的去污效果，保持被洗衣物的原有色彩(2)减少了洗涤剂中表面活性剂和某些助剂的用量(3)增加了节水、节能和环境保护的效益。在洗涤过程中，通过酶的作用，可减少漂洗次数、降低洗涤温度，而酶本身又是极易生物降解的物质。因此加酶洗涤剂是近十几年来的热门产品，在整个洗涤剂中所占的比例日渐增加，据统计，日本为95%，西欧为90%，美国为70%。仅

15、美国在1994年至2000年间，洗涤剂酶市场销售额增长了近一倍，达到2.4亿美元。2.7.2 在皮革中的应用我国皮革工业资源丰富，发展十分迅速，猪、羊皮产量居世界之首。猪、牛、羊皮制革时，首先要除去皮上的毛，然后才能进一步加工蹂制成革。过去脱毛:_工艺沿用石灰、硫化钠浸渍，不仅时间长，工序多，而且劳动强度大，污染严重。采用蛋白酶脱毛是利用酶分解毛、表皮同真皮层连接处的蛋白质，从而使毛同皮的联结松开而脱毛。目前，我国的皮革制品不仅满足了国内市场的需求，还大量出口创汇。另外，在猪皮加工的包酶阶段，因皮液系统ph值约在10士0.5之间，故常用碱性蛋白酶进行局部处理2.7.3 在饲料添加剂中的应用 据

16、商业信息公司调查统计，饲料用酶销售额1994-1998年平均增长率为11%，高于同期工业用酶制剂总体增长率5%的一倍。酶应用于饲料，主要为补充畜禽内源酶的不足。猪、禽等单胃动物消化道的内源酶系不全;幼龄畜禽缺乏淀粉酶、糖化酶和蛋白酶:处于疾病的畜禽，其内源酶(如淀粉酶、蛋白酶等)急剧下降。动物饲料是以淀粉、蛋白质等大分子化合物作为营养源，不同动物消化道中的酶系不同，数量也很有限，再加上饲料在消化道中停留的时间一般都很短，饲料往往未被充分消化就随粪便排出体外，造成部分浪费。据研究，不少动物对饲料的消化吸收率仅20%左右。在饲料中添加酶制剂就可以与动物内源酶发挥协同作用，将难消化吸收的蛋白质、淀粉

17、等大分子化合物降解为氨基酸、肤、脉、单糖、寡糖等小分子物质，从而提高饲料的消化率和利用率，并提高畜禽及鱼类的生产性能，同时可以减少畜禽排泄物中氮、磷的排泄量，保护水体和土壤免受污染。饲用酶制剂多为复合酶，由非内源消化酶和内源消化酶两大类组成。非内源消化酶包括木聚糖酶、p-葡聚糖酶、纤维素酶、果胶酶、甘露聚糖酶等，内源消化酶包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。其中蛋白酶是主要成分，可将饲料中的蛋白质分解多肽及游离氨基酸，从而提高饲料的利用率。2.7.4 在纺织行业中的应用 在纺织工业中应用碱性蛋白酶可一定程度的取代强碱等有毒有害物质，为减少污染、保护生态环境提供经济有效的方法。特别是在羊毛减量加工和丝

18、绸精炼脱胶等方面具有广泛应用，使用碱性蛋白酶可以解决羊毛仿羊绒物质的生硬、粗糙等问题，并能改善和提高丝绸与棉、麻、毛等纤维混纺产品的手感和风格，增加羊毛产品的附加值。2.7.5 在玉米深加工中的应用 玉米黄粉是玉米湿法淀粉厂的副产品，其中含有40%-60%的蛋白质，这些蛋白质大部分是醇溶蛋白、谷蛋白和球蛋白。玉米醇蛋白具有大区域的a-螺旋结构，n-末端有很强的疏水性，是高憎水蛋白，因此只能溶于异丙酮和乙醇中，不溶于水。谷蛋白只溶于碱水溶液。因此与其它商业化蛋白源相比，玉米蛋白的疏水性使得其食品功能特性极差。要想使蛋白质具有理想的食品功能，就必须使其成为水溶解状态或处于较好的悬浮状态。为了提高玉

19、米蛋白的水溶性以制备一些特殊产品，用碱性蛋白酶修饰玉米蛋白使其成为可溶性肤的研究成为热点。王梅谷等对碱性蛋白酶水解玉米蛋白的反应动力学进行了研究，探索了酶法修饰玉米蛋白的可行性，在适宜的反应体系中，可大幅度提高酶促玉米蛋白的溶解量。为玉米黄粉的食品工业应用和饲料营养的特殊要求提供可靠的依据。玉米鼓质白质具有独特的氨基酸组成，使它成为多种生理活性功能肤的良好天然来源。2.7.6 在高营养盐水中的应用 美国创造了利用碱性蛋白酶在等电点溶解大豆提取高浓度溶解性蛋白水解质的工艺路线，获得的浓缩蛋白质浓度达到70干物质基础。这种浓缩蛋白用于配制注射用盐水时，可以获得ph=7的澄清注射用盐水，营养学研究证

20、明，人对大豆蛋白水解质的真正消化度高达93%，高于大豆加工所得到的其他蛋白质产品的消化吸收率。该工艺己在美国得到普遍应用。2.7.7 在血加工中的应用 在动物血中，血红蛋白占血液蛋白质的2/3，血红蛋白的颜色限定了血制品的色泽，使血制品呈现暗红色的不良感官性质，限制了血粉食品的消费市场。美国的酶法脱色技术利用碱性蛋白酶对血红蛋白进行脱色处理，得到无色血粉，解决了这一难题。无色的水解浓缩液也可以直接用作灌肠的蛋白液成分，从而为大量动物血液的综合利用开发了新途径。2.7.8 在水解米渣制备氨基酸营养液中的应用渣常是味精厂制糖后的下脚料。制糖后米渣中的蛋白质含量高达50% (干基)，是大米中蛋白质含

21、量的5-8倍，且高于大豆中蛋白含量。米渣虽然具有如此高的蛋白质含量，但在我国却未能得到良好的开发利用。截至目前，以大米为原料发酵生产乳酸、谷氨酸、柠檬酸及生化药品的糖化工序产生的大量米渣，大部分只是被用作饲料，造成了蛋白质资源的极大浪费。据文献资料介绍，米渣蛋白可制成酱油、高蛋白粉、蛋白饮料、蛋白陈和蛋白发泡粉，若将其降解成短肤或氨基酸，可制成营养价值极高的氨基酸营养液等。这种营养液可用于配制保健饮料、调味品、化妆品及洗涤剂等。还可将其干燥制成粉剂，作为保健食品的基料。由于米渣蛋白的低过敏性，非常适合开发婴幼儿食品。2.7.9 在水解玉米皮蛋白中的应用 玉米皮是玉米加工副产品，其蛋白质含量为1

22、2%左右。经碱性蛋白酶水解后，蛋白溶出率为89.3，水解度dh为9.0，也就是说，被切断的蛋白质分子肤键很多，同时生成了许多游离氨基酸和低分子量肽。2.7.10 在酪蛋白磷酸盐生产中的应用 乳制品在加工处理和胃肠道消化过程中会释放出酪蛋白磷酸aa(cpp),cpp能形成可溶性的有机磷酸盐，其上高密度的负电荷赋予它们抵制进一步被水解的能力，在体内可以防止不溶性的磷酸钙在小肠沉积，并促进小肠粘膜细胞吸收钙。甚至对于维生素d缺乏的动物，它也可以促进肠道钙的吸收。此外cpp能增加牙齿牙菌斑上磷酸钙的含量，有助于防止牙釉质的去矿化。综上所述，碱性蛋白酶以其在诸多领域的广泛应用而在我国的酶制剂工业中占有极

23、其重要的地位，在改善人民生活质量、降低劳动强度、节约原料和能源、保护环境等方面发挥着重要作用，并产生了巨大的经济效益和社会效益。在高技术日新月异的今天，碱性蛋白酶在日用化工、食品、环保、医药及一些新兴产业中更是具有巨大的市场潜力，发展前景极其广阔，大力开发碱性蛋白酶的应用基础研究及生产研究势在必行。2.8 碱性蛋白酶研究进展 蛋白酶是一种重要的工业用酶，占世界酶制剂销售量的60%以上。上世纪五十年代蛋白酶的主要来源是植物的木瓜蛋白酶，菠萝蛋白酶和动物内脏，而微生物来源的蛋白酶一经研究，因具有培养简便，耗时短，产量丰富等优点，应用尤为广泛，被认为是最重要的酶资源。水解蛋白的最适ph在碱性范围内的

24、蛋白酶称为碱性蛋白酶。它在工业上具有巨大的应用潜力，如洗涤剂、皮革制造、食品加工、制药以及废物处理等工业中，碱性蛋白酶的使用能显著改善产品品质，大大减少了对环境的污染，节约成本，为传统的行业和生产带来了一场革命。尤其是作为无磷洗衣粉的添加剂使用，已使碱性蛋白酶商业制剂的销售占整个蛋白酶市场的1/3.由于碱性蛋白酶作用环境的特殊性，要求其在极端的条件下具有较高的蛋白质水解活力。其克服不良环境的能力愈强，应用愈广泛，愈能耐受恶劣的工业条件。第三章 碱性蛋白酶发酵工艺3.1碱性蛋白酶生产流程简介碱性蛋白酶生产工艺分为：一级液体培养二级液体培养发酵罐发酵接种离心菌种培养分离纯化菌种的选育碱性蛋白酶生产

25、工艺分为：菌种的选育菌种培养接种一级液体培养二级液体培养发酵罐发酵离心分离纯化3.2发酵工艺具体方法3.2.1 产碱性蛋白酶菌种的选育 虽然有许多微生物可以分泌碱性蛋白酶，但只有那些产酶活力高的菌株受到关注。因为只有碱性蛋白酶产量高的菌株才可能在实际的工业生产得到应用。目前提高菌株碱性蛋白酶产量的途径主要有两条，一是对菌株进行改造，二是对菌体产酶的培养基及培养条件进行优化。在本实验中以嗜碱性枯草芽孢杆菌为生产菌种。3.2.2一级液体培养：将平板上单菌落接入种子培养基，35摇床培养12小时，进行一级液体培养；3.2.3发酵罐发酵：以2的接种量接种于发酵培养基，35培养56小时，进行液体深层发酵培

26、养；在发酵过程中，采取调节ph的方法控制发酵，即：将种子接种于发酵培养基后，使发酵液初始ph为7；在发酵期间，当发酵液酸性逐渐增加时，应控制发酵液ph不低于6.0；随后，当发酵液碱性逐渐增加时，应控制发酵液的ph不高于8.0。3.3 碱性蛋白酶的分离纯化工业中使用的基本都是碱性蛋白酶的粗制品，进一步的分离纯化有助于更好地确定酶的性质及作用机制。 以菌株的发酵液为处理对象，首先离心除去菌体细胞及其它不溶性物质，对无细胞发酵液进行沉淀，达到分离和浓缩的目的。再通过等电层析、亲和层析等不同的色谱层析手段对碱性蛋白酶进一步纯化。附：培养基 表3.1培养基配比斜面培养基：种子培养基发酵培养基牛肉膏5g酵

27、母浸粉1g3g10g氯化钠2g酪素5g多聚蛋白胨5g琼脂18g水1000ml1000ml1000ml胰蛋白胨3g葡萄糖5g棉籽饼粉40g麦芽糊精130g柠檬酸钠3.5g氯化钙3.5g年产量：m=4500t年工作日：m=330d发酵周期t=66h 辅助时间12h发酵培养时间54h产品效价：vp=180单位/毫克发酵平均水平：vl=35000单位/毫升装料系数： =70%收率：=70%参考文献：1、多羟基化合物对碱性蛋白酶热失活半寿期的影响 吴京平 北京联合大学师范学院2、2、化工工艺手册 江体乾主编，上海科学技术出版社3、皮革化学品 李小瑞、李刚辉主编，化学工业出版社4、碱性蛋白酶的发酵与酶学性

28、质的研究d 苑琳，天津科技大学，20046、第四章 工艺计算4.1发酵罐4.1.1每天发酵罐放罐体积 (4-1)式中：vd-发酵罐放罐体积 m-年产量 vp-产品效价 m-年工作日 vl-发酵平均水平 -收率取每天放罐数nd=2时， 4.1.2发酵罐的体积 = （4-2）式中 发酵罐公称体积 m3 装料系数 %根据设计指标=70%，=91.43根据参考文献，调整到国内常用发酵罐体积系列 则=100 m3校核： 则发酵罐的装料系数为64.00% 符合要求4.1.3发酵工段所需的发酵罐台数 （4-3）式中 每天放罐数 罐/天 t 发酵周期 小时则可得出：(台) 取n=6(台)4.1.4发酵罐的物料

29、衡算物料流入=基础培养基（消后）+种子液量+补料量+氨水用量+盐酸用量物料流出=成品夜+损失掉的料液量（损失掉的料液量=尾气+逃液+蒸发+取样）发酵过程物料衡算图： 泡敌 油 损失 种子罐 发酵罐 放罐 初料 补料 氨 盐酸 图4.1 发酵罐物料衡算示意图放罐料液占总料液的90%，则总发酵料液体积 初装料液体积占总料液的40%，则 接种量为初装料液的20%（占总发酵液的10%），则 4.1.5发酵罐物料消耗计算 每台发酵罐年发酵批次 取n=117次已知，假设运输过程中损失0.5%，则实际用即每台发酵罐每批次需要29.78的培养基 公式 ： （5-4）表4.2 各种培养基配比（单位：kg/m3）

30、物料名称发酵培养基种子培养基补料棉籽饼粉酵母浸粉麦芽糊精柠檬酸氯化钙胰蛋白胨葡萄糖磷酸氢二钾40101303.53.5153518401010403.53.515每年6台发酵罐棉籽饼粉的消耗量每年6台发酵罐酵母浸粉的消耗量每年6台发酵罐麦芽糊精的消耗量每年6台发酵罐柠檬酸的消耗量每年6台发酵罐氯化钙的消耗量每年6台发酵罐磷酸氢二钾的消耗量每台消泡用植物油0.36，植物油密度为915-937.5,取油的密度920每年6台发酵罐植物油的消耗量每台消泡用泡敌1.07，泡敌密度1000每年6台发酵罐泡敌的用量表4.3 发酵罐各物质消耗一览表（单位：kg）物料名称每罐每批次消耗量年消耗量棉籽饼粉酵母浸粉

31、麦芽糊精柠檬酸氯化钙磷酸氢二钾植物油泡敌1191.20297.83871.40104.23104.23446.70331.21420.00836222.40209055.62717722.8073169.4673169.46313583.40232502.4996840.004.1.6补料液中各物料的消耗量每台发酵罐年发酵批次 n=117次已知 ，假设运输过程中损失0.5%，则实际用量为即每台发酵罐每批次需要补料液公式：补料罐料液配比见表4-1每年6台发酵罐棉籽饼粉的消耗量每年6台发酵罐酵母浸粉的消耗量每年6台发酵罐麦芽糊精的消耗量每年6台发酵罐柠檬酸的消耗量每年6台发酵罐氯化钙的消耗量每年6

32、台发酵罐磷酸氢二钾的消耗量表4.4 补料罐各物质消耗一览表（单位：kg）物料名称每罐每批次消耗量年消耗量棉籽饼粉酵母浸粉麦芽糊精柠檬酸氯化钙磷酸氢二钾1013.60253.726384.888.8088.80380.55711547.2178097.418522129.662337.662337.6267146.14.2种子罐4.2.1种子罐物料衡算在种子罐培养过程中，物料流入主要是接种，接种比为2%，而流出物料主要包括逃液、蒸发和取样。逃液损失4%，则放罐时的种子液占总料液的96%本设计采用一台种子罐供应一台发酵罐,故要求种子罐每天放两罐种子罐放罐液量为种子罐物料衡算图： 损失 初料 种子罐

33、 放罐 初料 油 菌种图4.5 种子罐物料衡算图由图5-2知 即 则 4.2.2种子罐公称体积种子罐培养过程中，装料系数较低，一般为55%65%，本设计取=60% （4-5）调整到国内常用发酵罐 校核： 则种子罐的装料系数为59.25% 符合要求。种子罐台数 式中 每天放罐数 罐/天 t 发酵周期 小时发酵周期=辅助时间+发酵时间辅助时间=出料时间+灭菌时间+移种时间+放罐时间+清洗检修时间根据文献得知发酵时间为20小时，设辅助时间为8小时，发酵周期为12小时得出 取n=2台考虑到生产过程中种子罐因生产不良或染菌造成发酵罐停工待种，取3台发酵罐，一台备用种子罐物料消耗计算每台种子罐年培养批次

34、已知，假设运输损失0.5%，则 实际用量为则每批种子罐需要11.56m3培养基公式：由表4.1各种培养基配比计算 一批产品一台发酵罐所需补入各物质的质量每年2台种子罐酵母浸粉的消耗量每年2台种子罐胰蛋白胨的消耗量每年2台种子罐葡萄糖的消耗量每年2台种子罐磷酸氢二钾的消耗量种子罐消泡用植物油0.12m3，植物油密度为920kg/m3 则 每年2台种子罐植物油的消耗量表4.6 种子罐各物质消耗一览表（单位：kg）物料名称每罐每批次消耗量年消耗量胰蛋白胨酵母浸粉葡萄糖磷酸氢二钾植物油34.6834.6851.80208.08110.427466.5627466.5645777.60164799.36

35、87436.8总物料消耗计算由公式可得出年物料消耗总量 可得出每天物料的消耗量表4.7.物料总消耗量一览表（单位：kg）物料名称年消耗量日消耗量棉籽饼粉酵母浸粉麦芽糊精柠檬酸磷酸氢二钾胰蛋白胨葡萄糖氯化钙植物油泡敌1547769.6414619.5621239852.4135507.06745528.8627466.5645777.6135507.06319939.29968404690.211256.4264363.19410.632259.1883.23138.72410.63969.513020.734.3热量计算发酵过程中的热效应计算 （4-6）式中 - 发酵罐的发酵热效应 kj/h

36、- 单位体积发酵液所产生的热量，也称发酵热 kj/(m3h) - 发酵罐内发酵液的体积 m3芽孢杆菌发酵过程中的发酵热为550010050 kj/(m3h) 本设计取=8000 kj/(m3h)发酵罐的热效应：=800064.00 =512000( kj/h)种子罐的热效应：=80005.69=45520 (kj/h)由能量守恒得： (4-7) 式中 待冷却的热量 kj/h 向环境中散发的热量 kj/h 蒸汽耗热量 kj/h 发酵热效应 kj/h 搅拌产生的热量kj/h其中 14 (4-8) 式中 设备总表面积 m2 壁面对空气联合绝热系数， 壁面温度 环境温度 (4-9) (4-10) 式中

37、 搅拌功率 kw 功热转化率 92%发酵罐： 得 种子罐 得 4.4水的用量4.4.1自来水自来水消耗主要用于配料和洗罐1、配料用水(约为消前培养基体积)每批次配料用水量： 每天配料用水量： 2、洗罐水（从人孔直接冲洗用水量取罐体积的10%）补料每天消耗料液为24.18 m3，取公称容积为30 m3，每天放一罐，每批次洗罐用水量 每天洗罐用水 3、自来水总用量考虑到日常用水、种子室用水及清洗车间用水，取裕量系数为1.2，则每天自来水总用量为4.4.2冷却用水 (4-11)式中 待冷却热量 kj/h 水的比热容 kj/(kg) 冷却水进口温度 冷却水出口温度 取裕量系数为1.2，则 夏季冷却水用

38、量 =20 =30 已知c=4.2kj/(kg)发酵罐用水： 种子罐用水： 总水量： 冬季冷却水用量 =3 =15 已知c=4.2kj/(kg)发酵罐用水： 种子罐用水： 总用水量： 4.4.3实消过程冷却水用量 (4-12) (4-13)式中：w冷却水的用量，kj/ha冷却水的流量c冷却水的比热容，kj/(kg)f传热面积，m2k平均传热系数，kj/( m2h)培养基冷却过程在某时刻的温度，对应培养基t1温度时冷却水出口温度，冷却水进口温度，其中夹套的传热系数通常为630-1050 kj/( m2h)，蛇管和外盘管的传热系数为1260-1680 kj/( m2h)。这里采用后者，取1400

39、kj/( m2h)。已知，=80 =26 =18 c=4.18 kj/(kg)得发酵罐用水 种子罐用水 补料罐用水 4.5蒸汽耗量计算发酵蒸汽消毒有实消和连消两种，发酵过程中实罐消毒蒸汽用量较大，蒸汽直接进入罐内与溶液混合加热使罐温快速升高至一定温度后再进行保温灭菌，灭菌操作不同，蒸汽消耗量差别很大。我们在设计时经常考虑采用实消。通过通入蒸汽使罐温从预热的75-85迅速上升到1202，然后在此温度和0.100.05mpa上进行保温灭菌。在计算过程中，我们首先计算直接蒸汽混合加热用气量，然后保温时间内的蒸汽耗用量按升温用气量的30-50%进行计算。4.5.1直接加热蒸汽耗量 （4-14）式中，

40、蒸汽的热焓，kj/kg g培养基质量，kg c培养基比热容，kj/(kg) 热损失，5%10% 加热结束时的料液温度， 加热开始时的料液温度，已知：在0.5mpa时=2748kj/kg，c=4.2kj/(kg)，取7%，=121，=20发酵罐： 种子罐： 补料罐： 4.5.2灭菌保温时间内蒸汽用量实罐灭菌操作中，蒸汽就是从与培养基相接触的管道连续排出（进气的阀门开的很大，排气的阀门开的很小），由于操作人员的操作习惯不一样，因此蒸汽消耗量很难准确计算，在此根据经验进行估算： 14 （4-15）本设计取 40% 则 发酵罐： 种子罐： 补料罐：蒸汽总耗量 发酵罐： 种子罐： 补料罐：4.6压缩空气

41、耗量通风比计算法：已知：发酵罐为100m，6台，培养液体积64.00m，装料系数64.00%，取通风比1:0.7，则压缩空气需要量： qg=n(vvm)v (4-16)式中：(vvm)单位体积培养液在单位时间内通入压缩空气 v培养液体积，m n发酵罐台数种子罐：20m，2台，培养液体积11.38m，装料系数60%，取通风比1:1.4，则压缩空气需要量： 4.7用电量的计算1、发酵罐用电量发酵罐电机的额定功率为55kw，故发酵罐的单批次用电量为 55566=18480(kwh)年用电量 18480117=2.16106(kwh)2、种子罐用电量种子罐电机的额定功率为37kw，故种子罐的单批次用电

42、量为 37122=888(kwh)年用电量 888396=3、补料罐用电量补料罐电机的额定功率为110kw，故种子罐的单批次用电量为 110561=6160(kwh)年用电量 6160117=4、泵的用电量根据补料泵、氨水泵、油泵、泡敌泵、盐酸泵选型中电机功率及轴功率计算用电量的5、照明、监控室及其他取20kwh 则年用电量为6、年总用电量（取裕量系数为1.1）第五章 典型设备5.1发酵罐通用式发酵罐几何尺寸比例关系如下：=1.7-3.0， =-，=-,=0.8-1.0, =1-2.5式中： h筒身高度，m d罐径，m w挡板宽度，m c下搅拌器距底间距，m s两搅拌器间距，m h封头高度，m

43、 hl液位高度，m5.1.1尺寸计算发酵罐的“公称体积”是指罐的筒身体积vc与下封头体积vb之和。其中封头体积可根据封头形状、直径及壁厚从有关化工设计手册中查得。 (5-1) (5-2)式中：ha封头曲边高度，mhb封头直边高度，m对标准椭圆ha =,则发酵罐的公称体积为 (5-3)hb相对于d与h很小，可忽略不计，故 (5-4)已知v0=100m，取h=2d,代入上式得100=d22d+d3得，d=3.89m参考资料（发酵工厂 吴思方），将直径圆整到国内常用发酵罐系列，取d=4000mm。将直径d=4000mm代入下式，可计算筒身高度： （5-5）查表知公称直径d=4000mm，ha =10

44、00mm，hb =50mm，vb=9.02 m则 圆整后取h=7300mm.校核： (符合：=1.7-3.0)即：发酵罐公称体积为101m，全容积为110m，直径为4m。罐体总高度：圆筒部分装液量：则圆筒部分液面高：发酵液体总高度：5.1.2发酵罐搅拌装置及轴功率计算1、 搅拌装置发酵罐上常用的搅拌器是推进式搅拌器和涡轮式搅拌器，这两种搅拌器各有特色：推进式搅拌器由于叶片的结构，物料流向主要为轴向，出物料量大，整体混合程度好，所需功率小，但剪切力较小，对气泡的细化和分散作用弱，在发酵中不利于氧的传递，因此涡轮式搅拌器被大量地应用于发酵罐中；但涡轮式搅拌器的功率消耗大，在相同条件下，涡轮式搅拌器的功率消耗是推进式搅拌器的5-6倍。根据碱性蛋白酶发酵工艺的需要，本设计采用六弯叶圆盘涡轮式搅拌器，可以有利于粉碎气泡，强化氧的传递，以达到最佳混合效果。2、 搅拌器尺寸设计本设计采用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器的各种尺寸与罐径d存在一定的比例关系。将主要尺寸列举如下：搅拌器直径 叶宽b=0.2d=0.21333.33=266.66(mm)叶弦长l=0.25d=0.251333.33=333.33(mm)弧长r=0.375d=0.3751333.33=500(mm)底距c=0.8d=0.84000=3200(mm)盘径=0.75d=0.751333.33=1000 (mm)叶距