年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计

...wd......wd......wd...课程设计题目：冬虫夏草生产工艺设计目录1前言..……………..2设计任务书..…………………..3产品方案..………4生产方法..………4.1斜面培养..………………4.2摇瓶培养..………………4.3摇瓶种子培养..………………4.4种子罐培养..………………4.5发酵罐培养..………………4.6发酵液后处理..………………5工艺流程..………5.1工艺流程的设计原则..………………5.2工艺流程方框图〔见附图1〕..…………6工艺消耗时间..…………………7物料及热量衡算..………………7.1物料衡算..………………7.1.1物料流程图..………………7.1.2工艺技术指标及基础数据……7.1.3发酵车间的物料衡算………7.2热量衡算..………………7.3发酵车间水衡算.………………7.4发酵无菌空气消耗量计算..…………8主要工艺设备的设计与选型.……………8.1设备设计与选型原则.………………8.2主要设备的选型〔发酵罐〕………8.2.1发酵罐容积确实定………8.2.2生产能力计算..………………8.2.3罐个数确实定..………………8.2.4主要尺寸的计算..………8.2.5冷却面积的计算..………8.2.6搅拌器的设计..…………8.2.7设备构造的工艺设计..………………8.2.8设备材料的选择………9参考文献..……………….…………….…………….………10附图..…………10.1附图1生产工艺流程图.………………10.2附图2主体设备图.………………10.3附图3车间平面图.………………10.4附图4工厂平面图.………………年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计1前言产品介绍冬虫夏草，又名中华虫草，是中国历史中传统的名贵中药材，是由肉座菌目蛇形虫草科蛇形虫草属的冬虫夏草菌寄生于高山草甸土中的蝠蛾幼虫，使幼虫身躯僵化。并在适宜条件下，夏季由僵虫头端抽生出长棒状的子座而形成，即冬虫夏草菌的子实体与僵虫菌核〔幼虫尸体〕构成的复合体。冬虫夏草主要产于中国大陆青海、xx、四川、云南、甘肃和贵州等省及自治区的高寒地带和雪山草原。冬虫夏草菌之子座出自寄主幼虫的头部，冬虫夏草单生，细长呈棒球棍状，长4－14厘米，不育顶部长3－8厘米，直径1．5－4厘米;上部为子座头部，稍膨大，呈窄椭圆形，长1．5－4厘米，褐色，除先端小部外，密生多数子囊壳，顶部不育部长1．5－5．5毫米;子囊壳近外表生基部大部陷入子座中，先端凸出于子座外，卵形或椭圆形，长250－500微米，直径80－200微米，每一个子囊内有8具有隔膜的子囊孢子。虫体外表深棕色，断面白色;有20－30环节，腹面有足8对，形略如蚕1.2临床应用临床上使用虫草素多为辅助治疗恶性肿瘤，病症得到改善的在91.7%以上；主要用于鼻癌、咽癌，肺癌，白血病，脑癌以及其他恶性肿瘤的患者。北冬虫夏草中虫草酸的含量为3.09克，野生的虫草为5.54克，虫草酸是一种D-甘露醇，甘露醇能提高血浆渗透压，导致组织内的水分进入血管内，从而减轻组织水肿，补充血浆。虫草酸多用于脑水肿，防治急性肾功能衰竭，有调节心、脑、血管的作用，促进人体的新陈代谢、改善人体的微循环、降血脂、降血压。虫草多糖的药理试验证明：虫草多糖具有抗肿瘤、抗传染病的成效、增强性功能、补肾壮阳、益精气、防止衰老、延年益寿；对老年人慢性支气管炎、肺源性心脏病有显著的成效。能提高肝脏的解毒能力，起到扶肝的作用。降血糖、降血脂，贫血的患者用于补血，增强脾脏的营养性血流量，虫草多糖、生物活性强，适应性广，还具耐缺氧、镇痛、镇静的作用。1.3研究意义在20世纪80年代,冬虫夏草的产量还很高.据资料记载[6~7],在冬虫夏草的两大主产区xx和青海,每年的均产量分别到达121,487kg和30,000kg.但近来由于生态环境的退化和人为的过度采挖,虫草的产量大幅下降,而且个体变小,质量也有所下降.大量分析说明，野生虫草子实体与人工培养的虫草菌丝体之间，无论是甘露醇、游离氨基酸、W醇、生物碱及有机酸类等的含量几乎一样或基本一致。药理和毒理试验也证实人工发酵虫草和野生虫草具有类似或更优的效果，说明人工培养的虫草菌丝体基本上可以代替野生虫草的子实体。鉴于液体发酵具有周期短，原料及培养条件易得，造价低，收率高和较稳定等特点，对虫草菌丝体的人工发酵培养应该是主要开展方向。2设计任务书设计工程名称：年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计生产方法：以冬虫夏草菌种为原料,发酵生产冬虫夏草菌丝体。生产能力：年产50吨冬虫夏草菌粉。主要原、辅料：蝙蝠蛾拟青霉菌种、葡萄糖、豆粕、硫酸镁、磷酸二氢钾、蛋白胨。发酵工段产品：未烘干前呈浅黄色，烘干后呈棕黄色，深棕色，色泽均匀的冬虫夏草菌粉。3产品方案产品名称和性质：发酵蝙蝠蛾拟青霉冬虫夏草菌粉，为黄色粉末，气香,味微苦。产品的质量规格：虫草干品含粗蛋白25.32%,粗脂肪8.4%，粗纤维18.53%，碳水化合物28.9%，灰分4.1%，水分10.84%。另外含虫草酸约7%，还含有游离氨基酸12种，水解后有氨基酸18种，其中成年人必需从食物中供应的8种氨基酸均具备，还有幼儿生长发育所必需的组氨酸。此外，尚含有维生素B12、麦角脂醇、六碳糖醇、生物碱等。产品规模：50T/a。产品包装方式：桶装。4生产方法4.1斜面培养以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%，KH2PO40.1%为培养基(pH6～7)。于121℃灭菌30min,接种于固体培养基上于27±1℃4.2摇瓶培养以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基(pH6～7),采用250ml三角瓶装培养基50ml,采用27±14.3摇瓶种子培养以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基(pH6～7),采用500ml三角瓶,装培养基120ml,采用27±1℃4.4种子罐培养葡萄糖25kg/m3,豆粕20kg/m3,豆油0.6kg/m3,硫酸镁0.6kg/m3,磷酸二氢钾0.1kg/m3,蛋白胨3kg/m3为发酵液(pH6～7),采用1m3种子罐,装料系数为0.4.5发酵罐培养葡萄糖100kg/m3,豆粕25kg/m3,豆油0.9kg/m3,硫酸镁0.9kg/m3,磷酸二氢钾0.2kg/m3,蛋白胨6kg/m3，消泡剂0.6kg/m3为培养基(pH6～7),采用14.6发酵液后处理发酵液离心过滤菌丝体80℃成品菌粉粉碎包装5工艺流程5.1工艺流程的设计原则进展工艺设计，必须考虑以下几项原则：◆保证产品质量符合国家标准，外销产品还必须满足销售地区的质量要求。◆尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产本钱，使工厂建成后能够迅速投入生产，使短期内到达设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。◆尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用。◆确保安全生产，以保证人身和设备的安全。◆生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。5.2工艺流程方框图(见附图4.1)6工艺消耗时间发酵配料0.8h搅拌0.5h投料0.5h蒸汽灭菌1h共耗时约48h冷却到27℃约1h接种0.20h发酵44h7物料及热量衡算7.1物料衡算7.1.1物料流程图发酵罐种子罐葡萄糖20kg葡萄糖20kg

豆粕16kg

豆油0.48kg

硫酸镁0.48kg

磷酸二氢钾0.08kg

蛋白胨2.4kg

25ºC，30min

葡萄糖800kg

豆粕200kg

豆油7.2kg

硫酸镁7.2kg

磷酸二氢钾1.6kg

蛋白胨48料水比1：4料水比1：4自来水2530min30min121121℃，30min1211h冷却至27ºC冷却至27ºC接种量12%发酵罐图7.1物料流程图7.1.2工艺技术指标及基础数据〔1〕主要技术指标如表所示：表7.1冬虫夏草发酵工艺主要技术指标指标名称单位指标数指标名称单位指标数生产规模t/a50葡萄糖转化率%48生产方法发酵倒罐率%1生产天数d/a300发酵周期h48发酵初糖kg/m3100冬虫夏草提取率%16.5%〔2〕二级种子培养基二级种子培养基〔kg/m3〕配方如下：葡萄糖25，豆粕20，豆油0.6，硫酸镁0.6，磷酸二氢钾0.1，蛋白胨3，接种量12%。发酵罐培养液〔kg/m3〕配方如下：葡萄糖100，豆粕25，豆油0.9，硫酸镁0.9，磷酸二氢钾0.2，蛋白胨6，消泡剂0.6，接种量12%。7.1.3发酵车间的物料衡算发酵液量生50吨纯度100%的冬虫夏草菌粉，需耗用的原辅材料及其他物料量发酵液量:V1=50000÷(100×48%×16.5%×99%)=6.4×103(m3)式中100——发酵培养基初糖浓度〔kg/m3〕48%——葡萄糖转化率16.5%——冬虫夏草提取率99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率发酵液配制需糖量〔以纯糖计〕:m1=V1×100=6.4×105(kg)二级种子液量:V2=12%×V1=8.0×102(m3)式中12%——接种量二级种子培养液所需糖量:m2=25×V2=2.0×104(kg)式中25——二级种液含糖量〔kg/m3〕生产50吨冬虫夏草需糖总量:m=m1+m2=6.6×105(kg)硫酸镁耗用量:m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=6.24×103(kg)磷酸二氢钾耗用量:m(KH2PO4)=0.1V2+0.2V1=1.36×103(kg)消泡剂耗用量:m〔消泡剂〕=0.6V1=3.84×103(kg)豆油耗用量:m〔豆油〕=0.6V2+0.9V1=6.24×103(kg)(10)蛋白胨耗用量:m〔蛋白胨〕=3V2+6V1=4.08×104(kg)(11)豆粕耗用量:m〔豆粕〕=20V2+25V1=1.76×105(kg)(12)冬虫夏草菌丝体量:发酵液冬虫夏草菌丝体含量为：m〔冬虫夏草〕=6.6×105×48%×〔1－1%〕=3.1×105(kg)实际生产的冬虫夏草〔提取率16.5%〕菌丝体为：m〔实际〕=3.1×105×16.5%=51150(kg)=50.2〔t〕50t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：表7.250t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表物料名称生产50t冬虫夏草的物料量每日物料量发酵液量〔m3〕6.4×10321.33二级种液量(m3)8×1022.67发酵用糖量(kg)6.4×1052133.33二级种子液用糖量(kg)2.0×10466.67糖液总量(kg)6.6×1052200硫酸镁(kg)6.24×10320.8磷酸二氢钾(kg)1.36×1034.53消泡剂(kg)3.84×10312.8豆油(kg)6.24×10320.8豆粕(kg)1.76×105586.67蛋白胨(kg)4.08×104136冬虫夏草菌粉(kg)50.2167.337.2热量衡算〔一〕发酵罐需配料量为：G1=800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6(kg)〔二〕种子罐需配料量为：G2=20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44(kg)〔三〕根据工艺，需加水量为：GW=〔1061.6+39.44〕×4=4404.16(kg)〔四〕料液总量为：G=G1+G2+GW=1061.6+39.44+4404.16=5505.2(kg)〔五〕醪液煮沸耗热量Q总由发酵工艺流程〔图7.1〕可知，Q总=Q’+Q’’+Q’’’发酵罐内料液由初温t0=25℃加热至t1=121℃耗热，料液总量GQ’=Gc〔t1-t0〕=5505.2×3.7×〔121-25〕=1.96×106〔kJ〕式中c——发酵液的比热容,3.7kJ/(kg·K)煮沸过程中蒸汽带出的热量煮沸时间30min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为V1=G×5%×30÷60=5505.2×5%×30÷60=137.63(kg)故Q’’=V1·I=137.63×2198.91kJ/kg=3.03×105〔kJ〕式中I——为在温度121℃下的水的汽化潜热，为2198.91kJ热损失Q’’’料液升温和煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即：Q’’’=15%〔Q’+Q’’〕=15%×(1.96×106+3.03×105)=3.39×105〔kJ〕由上述结果可得：Q总=Q’＋Q’’＋Q’’’=1.96×106+3.03×105+3.39×105=2.60×106〔kJ〕故单罐耗用蒸汽量D使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kg，则D=Q总/[(I-i)η]=2.60×106/[(2737.23－601.53)×95%]=1282.65(kg)式中i——相应冷凝水的焓〔601.53kJ/kg〕η——蒸汽的热效率，取η=95%发酵过程单罐每小时最大蒸汽耗量Qmax在各步骤中，加热过程耗热量最大，且知加热时间为30min，热效率为95%，故Qmax=Q总/〔30/60×95%〕=2.60×106/(0.5×95%)=5.47×106(kJ/h)相应的最大蒸汽耗量为：Dmax=Qmax/(I-i)=5.47×106/(2737.23－601.53)=2562.95(kg/h)式中I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kgi——相应冷凝水的焓〔601.53kJ/kg〕蒸汽耗量发酵需要48h，放罐、洗罐、维修的时间要60天，一年生产300天，60天用于维修，48小时发酵，大概4天生产一批产品，每年生产75批产品。经过计算，总共需要5个发酵罐。据设计，每年发酵次数为75批，共产生冬虫夏草50.2吨。年耗蒸汽总量为：DT=D×75×11=1282.65×75×5=4.81×105(kg)每吨成品耗蒸汽量：DS=4.81×105/50.2=9.6×103kg/t最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如表所示。表7.350t/a冬虫夏草发酵车间总热量衡算表名称规格每吨产品消耗定额〔kg〕每小时最大用量(kg/h)〔为单罐〕年消耗量〔kg/a)蒸汽0.4〔表压〕9.6×1032562.954.81×1057.3.发酵车间水衡算原料预处理用水量一次发酵原料预处理用水量为4404.16kg，每年发酵次数为75次。共有5个发酵罐，故发酵原料预处理总用水量GW为：GW=4404.16×75×5=1.65×106(kg)单罐发酵工序用水量蒸汽灭菌用水量由上述热量衡算可知D=Q总/[(I-i)η]=1282.65(kg)式中η——蒸汽的热效率，取η=95%I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kgi——相应冷凝水的焓〔601.53kJ/kg〕冷却水用量发酵一次，料液总量为G=5505.2kg，把醪液从t1=121℃冷却至t2=25℃，冷却水使用t3=20℃的深井水，终温为t4=70℃W=Gc〔t1-t2〕/(c水t(t4-t3))=5505.2×3.7×(121-25)/(4.18×(70-20)×1)=9356.2(kg)式中3.7——发酵液的比热容〔kJ/(kg·K)〕4.18——水的比热容〔kJ/(kg·K)〕年发酵工序用水量据设计，每年发酵次数为75次，罐子数为11，年发酵工序用水量G：G=D+W=(9356.2+1282.65)×75×5=3.99×106(kg)发酵车间总用水量G总=G原料+G=1.65×106+3.99×106=5.64×106(kg)表7.550t/a冬虫夏草发酵车间用水量衡算表名称规格每吨产品消耗定额〔t/t〕每小时用量〔kg/h)每天用量(t/d)年耗量〔t/a)水自来水或深井水112.5783.318.85.64×1067.4.发酵过程无菌空气消耗量计算发酵车间无菌空气消耗量主要用于菌丝体发酵过程中通风供氧。7.4.1.单罐发酵无菌空气耗用量10m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20-0.25vvm,取最高值0.单罐发酵过程用气量〔常压空气〕V=10×80%×0.25×60=120〔m3/h〕式中80%——发酵罐装料系数单罐年用气量Va=V×48×75=4.32×105〔m3〕式中75——每年单罐发酵批次48——发酵周期〔h〕7.4.2.种子培养等其他无菌空气耗量一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气的耗量的25%。故这项无菌空气耗量为：V’=25%V=25%×120=30〔m3/h〕每年用气量为：Va’=25%Va×5=25%×4.32×105×5=5.4×105〔m3/a〕式中5——发酵罐个数7.4.3.发酵车间顶峰无菌空气消耗量Vmax=5〔V+V’〕=5×〔120+30〕=750〔m3/h〕7.4.4.发酵车间无菌空气年耗量Vt=5×75×〔V+V’〕×48=2.7×106〔m3/a〕式中5——发酵罐个数75——每年单罐发酵批次48——发酵周期〔h〕7.4.5.发酵车间无菌空气单耗根据设计，实际冬虫夏草年产量m〔实际〕=50.2(t)，故发酵车间无菌空气单耗为：Vo=Vt/G=2.7×106/50.2=5.38×104〔m3/t〕根据上述计算结果，可得出50t/a冬虫夏草厂无菌空气用量衡算表，如表所示。表7.6发酵车间无菌空气衡算表发酵罐公称容积〔m3〕单罐通气量〔m3/h〕种子培养耗气量〔m3/h〕顶峰空气消耗量〔m3/h〕年空气耗量m3空气单耗〔m3/t虫草〕10120307502.7×1065.38×1048主要工艺设备的设计和选型8.1设备设计与选型的原则从设备的设计选型情况，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则：保证工艺过程实施的安全可靠〔包括设备材质对产品质量的安全可靠；设备材质强度的耐温、耐压、耐腐蚀的安全可靠；生产过程清洗、消毒的可靠性等〕。经济上合理，技术上先进。投资省，耗材料少，加工方便，采购容易。运行费用低，水电汽消耗少。操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人劳动强度，实施机械化和自动化方便。构造紧凑，尽量采用经过实践考验证明确定性能优良的设备。考虑生产波动与设备平衡，留有一定裕量。考虑设备故障及检修的备用。发酵罐生产能力、数量和容积确实定。8.2主要设备的选型[6]8.2.1发酵罐8.2.1.1发酵罐容积确实定由《发酵工厂工艺设计概论》表6-2可知10m3发酵罐，公称容积为10m8.2.1.2生产能力计算每天需要发酵液量V＝21.33m3设发酵罐的填充系数φ＝0.8，则每天需要发酵罐的总容积V0＝21.33/φ＝26.66m38.2.1.3罐个数确实定使用单罐公称容量为10m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐，则需要发酵罐的个数为N1。公称容积为10mN1＝V0τ/〔V总·24〕＝26.66×48/(10.8×24)=5〔个〕其中：τ＝48h——发酵生产周期V0——每天需要发酵罐的总容积24——一天有24h故取公称容积10m3发酵罐8.2.1.4主要尺寸的计算V全=V筒+2V封=10.8V全=0.785D2×2D＋(π/24)D3×2=10.8,H=2D；解方程得：1.57D3＋0.26D3=10.8D=1.8,故H=2D=3.6m据《发酵工厂工艺设计概论》附录一表15，知封头高H封=ha+hb=450＋50=500(mm)验算全容积V全：V’全=V筒+2V封=0.785D2×2D＋(π/24)D3×2+0.785D2×0.05×2=0.785×1.82×3.6+π/12×1.83+0.785×1.82×0.05×2=10.9与V全=10.88.2.1.5冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多及环境气温最高时也能冷却下来，必须按照发酵生成热最顶峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能到达最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即F=Q/〔K·△tm〕对于冬虫夏草发酵，每1m3发酵液，每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/〔m3·h〕。采用竖式列管换热器，取经历值K=4.18×500kJ/〔m3·h·℃〕平均温差△tm：△tm=〔△t1－△t2〕/〔ln〔△t1/△t2〕〕32℃→20℃→代人，得△tm=〔12－5〕/〔ln12/5〕=8对公称容量10m3的发酵罐，每天装2.5罐，每罐实际装液量为21.33/2.5=8.53(m换热面积F=Q/〔K·△tm〕=4.18×6000×8.53/(4.18×500×8)=12.8(m2)8.2.1.6搅拌器设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。由于冬虫夏草发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的主要尺寸如下：搅拌器叶径Di=D/3=1.8/3=0.6(m)取d=0.6〔m〕弧长l=0.375d=0.375×0.6=0.225(m)底距C=D/3=1.8/3=0.6(m)盘径di=0.75Di=0.75×0.6=0.45(m)叶弦长L=0.25d=0.25×0.6=0.15(m)叶距Y=D=1.8(m)弯叶板厚δ=12〔mm〕取两档搅拌，搅拌转速N2可根据10m3罐，搅拌器直径0.63m，转速N1=145r/min，以等P0/V为基准放大求得：N2=N1(D1/D2)2/3=145×〔0.63/0.6〕2/3=150(r/min)8.2.1.7设备构造的工艺设计设备构造的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。其内容包括：空气分布器、挡板、密封方式、搅拌器及冷却管布置等