年产0吨青紫霉素发酵工厂设计设计Word文件下载.docx
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根据以上资料,本设计采用生物发酵法,大规模培养青紫链霉菌,利用其代谢产物精制青紫霉素。
4.2工艺流程
4.2.1工艺流程的设计原则
1.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。
2.尽量采用成熟的、先进的技术和设备。
努力提高原料的利用率,提高劳动生产率,降低水、电、汽及其他能量的消耗,降低生产成本,使工厂建成后能够迅速投入生产,使短期内达到设计生产能力和产品质量要求,并做到生产稳定、安全、可靠。
3.尽量减少三废的排放量,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。
4.确保安全生产,以保证人身和设备的安全。
5.生产过程尽量采用机械化和自动化操作,实现稳产、高产。
4.2.2生产菌株的选育
将土壤筛选所得的青紫链霉菌作为出发菌株,经高能电子的诱导,再移植斜面经自然分离,多次筛选,获得生产能力比出发菌株提高多倍的青紫链霉菌株。
4.2.3斜面孢子培养
培养基配方:
葡萄糖1%,蛋白胨0.5%,牛肉膏0.5%,氯化钠0.5%,琼脂2.4%,pH7.5条件下于冰箱内冷藏保存。
4.2.4种子液培养
淀粉1%,糊精1.5%,豆饼粉1.5%,NaNO30.05%,KH2PO40.02%,酵母粉0.5%,NaCl0.3%,CaCO30.5%,MgSO40.05%,pH自然,加消沫油0.1%
接种量:
100立升种子液接种4只茄子瓶
装量:
250立升液实装100立升种子液
出液控制:
培养液浓厚,外观转絮状,菌丝呈网状
4.2.5发酵液培养
葡萄糖1%,淀粉1%,糊精1%,豆饼粉2%,酵母粉0.5%,NaNO30.1%,KH2PO40.015%,CaCO30.05%,MgSO40.05%,pH自然,加消沫油0.1%
15%
2500立升液实装1000立升
外观微红,菌丝浓度24%-26%,菌丝呈网状
4.2.6发酵液的后处理
发酵液处理732-Na树脂吸附解脱
发酵液酸化液
饱和树脂
脱色薄膜浓缩细110-NH3树脂
解脱液
脱色液
浓缩液
梯度洗脱调pH,加硅藻土细110树脂吸附
收集A组分
A组分滤液
2NH40H洗脱减压浓缩中和,无水酒精结晶
洗脱液
浓缩液
A结晶液
过滤,真空干燥
硫酸青紫霉素
5.发酵车间的组成和生产制度
5.1发酵车间组成及其所需时间
配料
搅拌
投料
蒸汽灭菌
冷却接种
发酵反应
清洗罐体
0.8h
0.5h
1h
1.2h
48h
1.5h
5.2发酵车间人员配置
工段
名称
岗位
人员配置
值班制
人数
每班
轮休
合计
发酵工段
配料罐
2
1
发酵罐
7
3
4
过滤烘干
6
其他
车间主任
/
车间副主任
15
8
9
17
6.物料及热量衡算
6.1物料衡算
6.1.1物料流程图
发酵罐种子罐
葡萄糖1%
淀粉1%
糊精1%
豆饼粉2%
酵母粉0.5%
NaNO30.1%
KH2PO40.015%
CaCO30.05%
MgSO40.05%
消沫油0.1%
糊精1.5%
豆饼粉1.5%
NaNO30.05%
KH2PO40.02%
NaCl0.3%
CaCO30.5%
料水比1:
4料水比1:
自来水
25℃
升温升温
65-100℃121℃
液化灭菌
30min30min
加消沫剂及微量物料维持0.05-0.1MPa
灭菌30min121℃0.1-0.12MPa
降温至36℃降温至36℃
发酵罐接种量15%
6.1.2发酵车间物料衡算
发酵液量生产10吨纯度为82.5%青紫霉素,絮耗用原辅材料及其他物料量如下:
(1)发酵液量:
V1=10000÷
(0.825×
99%)=12244(m3)
式中0.825---青紫霉素产量(kg/m3)
99%---除去倒罐率1%后的发酵成功率
(2)发酵液配置需制糖量(以纯糖计):
m1=V1×
100=1224400(kg)
(3)种子液量:
V2=15%×
V1=1836.6(m3)
式中15%---接种量
(4)种子培养液所需糖量:
m2=40×
V2=40×
1836.6=73464(kg)
(5)生产10吨青紫霉素需糖量:
m=m1+m2=1297864(kg)
(6)葡萄糖耗用量:
m(葡萄糖)=1000×
1%×
V1=1.22×
105(kg)
(7)淀粉耗用量:
m(淀粉)=1000×
(V1+V2)=1.41×
(8)糊精耗用量:
m(糊精)=1000×
V1+1000×
1.5%×
V2=1.5×
(9)豆饼粉耗用量:
m(豆饼粉)=1000×
2%×
V2=2.72×
(10)酵母粉耗用量:
m(酵母粉)=1000×
0.5%×
(V1+V2)=7.04×
104(kg)
(11)NaNO3耗用量:
m(NaNO3)=1000×
0.1%×
0.05%×
V2=1.32×
(12)KH2PO4耗用量:
m(KH2PO4)=1000×
0.015%×
0.02%×
V2=2.2×
103(kg)
(13)CaCO3耗用量:
m(CaCO3)=1000×
0.05%×
0.5%×
V2=1.53×
(14)MgSO4耗用量:
m(MgSO4)=1000×
(15)NaCl耗用量:
m(NaCl)=1000×
0.3%×
V2=5.51×
(16)消沫油耗用量:
m(消沫油)=1000×
0.1%×
10T/a青紫霉素发酵车间的物料衡算表如下:
物料名称
生产10吨青紫霉素物料用量
每日物料用量(300天计)
发酵液量(m3)
12244
41
种子液量(m3)
1836.6
发酵用糖量(kg)
1224400
4081
种子用糖量(kg)
73464
245
糖液总量(kg)
1297864
4326
葡萄糖(kg)
1.22×
105
408
淀粉(kg)
1.41×
469
糊精(kg)
1.5×
500
豆饼粉(kg)
2.72×
908
酵母粉(kg)
7.04×
104
235
NaNO3(kg)
1.32×
44
KH2PO4(kg)
2.2×
103
CaCO3(kg)
1.53×
51
MgSO4(kg)
23
NaCl(kg)
5.51×
18
消沫油(kg)
47
6.2热量衡算
(一)发酵罐需配料量为:
G1=1000×
(1%+1%+1%+2%+0.5%+0.1%+0.015%+0.05%+0.05%+0.1%)=5815(kg)
(二)种子罐需配料量为:
G2=100×
(1%+1.5%+1.5%+0.02%+0.05%+0.5%+0.3%+0.5%+0.05%+0.1%)=552(kg)
(三)根据工艺需加水量为:
Gw=4×
(5815+552)=25468(kg)
注:
料水比为1:
(四)料液总量为:
G=G1+G2+Gw=5815+552+25468=31835(kg)
(五)醪液煮沸耗热量Q总(由发酵工艺流程可知:
Q总=Q’+Q’’+Q’’’)
(1)发酵罐内料液由初始温度t0=25℃加热至t1=121℃耗热Q’:
Q’=G×
c×
(t1-t0)=31835×
3.7×
(121-25)=1.13×
107(KJ)
其中料液总量G=31835kg,
(2)煮沸过程中蒸汽带出的热量Q’’:
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=31835×
60=795.9(kg)
故Q’’=V1×
I=795.9×
2198.91=1.75×
106(KJ)
其中在温度121℃下水的汽化潜热I=2198.91KJ/kg
(3)热量损失Q’’’:
醪液升温和煮沸过程的热损失约为前两次耗热量的15%,即:
Q’’’=15%(Q’+Q’’)=15%×
(1.13×
107+1.75×
106)=1.94×
(4)由上述结果可得:
Q总=Q’+Q’’+Q’’’=1.13×
106+1.94×
106=1.49×
(5)故耗用蒸汽量D
使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽I=2737.23KJ/kg
D=Q总/[(I-i)η]=1.49×
107÷
[(2737.23-601.53)×
95%]=7343.83(kg)
其中相应冷凝水的焓i=601.53KJ/kg,蒸汽的热效率η=95%
(6)发酵过程每小时最大蒸汽耗量Qmax:
在各步骤中,加热过程耗热量最大,且已知加热时间为30min,热效率为95%,故
Qmax=Q总÷
(30÷
60×
95%)=1.49×
(0.5×
95%)=3.14×
107(KJ/h)
相应的最大蒸汽耗量为:
Dmax=Qmax÷
(I-i)=3.14×
(2737.23-601.53)=14702(Kg/h)
其中:
使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽I=2737.23KJ/kg
相应冷凝水的焓i=601.53KJ/kg
(7)蒸汽单耗
已知发酵需要48小时,放罐,洗罐,维修的时间为60天,一年生产300天,30天用于维修,大概4天生产一批,每年生产75批产品。
据设计,每年发酵次数为75批,供生产青紫霉素10吨。
年耗蒸汽总量为:
DT=D×
75=7343.83×
75=5.5×
每吨成品耗蒸汽量Ds=5.5×
105/10=5.5×
10T/a青紫霉素发酵车间的热量总衡算表
规格
每吨产品消耗定额(kg)
每小时最大用量(kg/h)
年消耗量(kg/a)
蒸汽
0.4(表压)
5.5×
14702
6.3发酵车间水衡算
(1)原料预处理用水量
已知一次发酵原料预处理用水量为25468kg,每年发发酵原料预酵次数为75次。
故发酵原料预处理总用水量Gw为:
Gw=25468×
75=1.91×
106(kg)
(2)发酵工序用水量
①蒸汽灭菌用水量
由上述热量衡算可知
D=Q总/[(I-i)η]=1.49×
相应冷凝水的焓i=601.53KJ/kg,蒸汽的热效率η=95%
②冷却水用量
已知发酵一次,料液总量G=31835kg,把醪液从t1=121℃冷却至t2=25℃,冷却水使用t3=20℃的深井水,终温t4=70℃,逆流操作,冷却时间t=1h。
则每小时耗水量为:
W=G×
(t1-t2)÷
[c水×
t×
(t4-t3)]
=31835×
(121-25)÷
[4.18×
1×
(70-20)]=5.4×
发酵液的比热容c=3.7KJ/(kg.K),水的比热容c=4.18KJ/(kg.K)
③年发酵工序用水量
据设计,每年发酵次数为75次,年发酵工序用水量G:
G=(D+W)×
75=(7343.83+5.4×
104)=4.6×
④发酵车间总用水量G总:
G总=G原料+G=1.91×
106+4.6×
106=6.51×
6.4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。
6.4.1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0.25vvm进行计算。
(1)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
(2)单罐年用气量
Va=V×
48×
75=4.32×
105(m3)
6.4.2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%×
10×
Va=25%×
4.32×
105=1.08×
106(m3/a)
其中发酵罐个数为10个
6.4.3发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax=10×
(V+V’)=10×
(120+30)=1500(m3/h)
6.4.4发酵车间无菌空气年耗量
Vt=10×
75×
(V+V’)×
48=10×
(120+30)×
48=5.4×
其中发酵罐个数10个,每年发酵批次75批;
发酵周期48h
6.4.5发酵车间无菌空气单耗
根据设计,实际青紫霉素年产量m实际=10吨,故发酵车间无菌空气单耗为:
V0=Vt÷
G=5.4×
106÷
10=5.4×
105(m3/t)
10T/a青紫霉素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)
高峰空气耗量(m3/h)
年空气耗量(m3)
空气单耗(m3/t)
10
120
30
1500
5.4×
106
7.主要工艺设备的设计和选型
7.1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该考虑如下原则:
(1)保证工艺过程实施安全可靠(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)。
(2)经济上合理,技术上先进。
(3)投资省,耗材料少,加工方便,采购容易。
(4)运行费用低,水电汽消耗少。
(5)操作清洗方便,耐用容易维修,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。
(6)结构紧凑,尽量采用经过实践考验证明确定性能优良的设备。
(7)考虑生产波动与设备平衡,留有一定裕量。
(8)考虑设备故障及检修的备用。
(9)发酵罐生产能力、数量和容积的确定。
7.2发酵罐的选型
7.2.1发酵罐容积的确定
选用单罐公称容量为10m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐,其总容积为10.8m3。
7.2.2生产能力计算
每天需要发酵液量V=41m3
设发酵罐装料系数Φ=0.8,
则每天需要发酵罐的总容积V0=41/Φ=51.25m3
7.2.3罐个数的确定
设需要发酵罐的个数为N1,公称容量为10m3的发酵罐,总容积为10.8m3,根据公式有
N1=V0×
t÷
(V总×
24)=51.25×
48÷
(10.8×
24)=9.49(个)
发酵生产周期t=48h,一天为
每天需要发酵罐的总容积V0=51.25m3
故取公称容积10m3发酵罐10个。
7.2.4主要尺寸的计算
已知V全=V筒+2V封=10.8m3;
封头折边忽略不计,以方便计算。
则有V全=0.785D2×
2D+(π/24)D3×
2=10.8,H=2D;
解方程得:
1.57D3+0.26D3=10.8,而D=1.8,故H=2D=3.6m;
据《发酵工厂工艺设计概论》附录表一15,得封头高H封=ha+hb=450+50=500(mm)
验算全容积V全:
V’全=V筒+2V封=0.785D2×
2+0.785D2×
0.05×
=0.785×
1.82×
3.6+π/12×
1.83+0.785×
2=10.9(m3)
与V全=10.8m3相近
7.2.5冷却面积的计算
为保证发酵在最旺盛、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高峰、一年中最热的半个月的气温下,冷却水可能达到的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)
对于青紫霉素发酵,每1m3发酵液,每小时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,取经验值K=4.18×
500KJ/(m3.h.℃)
平均温差△tm:
△tm=(△t1-△t2)/(ln(△t1/△t2))
32℃→32℃
20℃→27℃
代入,得△tm=(12-5)/(ln12/5)=8℃
对公称容量10m3的发酵罐,每天装2罐,每罐实际装液量为41/2=20.5(m3)
换热面积F=Q/(K.△tm)=4.18×
6000×
20.5/(4.18×
500×
7.28)=30.8(m2)
7.3种子罐的选型
种子罐选型同发酵罐一样,选用机械搅拌通风发酵罐
7.3.1种子罐容积和数量的确定
按接种量的15%计算,种子罐的容积V种=V总×
15%=10.8×
15%=1.28m3
由于种子罐和发酵罐是对应上料的,每个生产周期需要发酵罐10个,所有就需要种子罐10个种子罐培养时间为30小时。
7.3.2主要尺寸确定
种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。
H:
D=2:
1;
则种子发酵罐总容量V’总=2V’封+V’筒;
简化计算方程如下:
V’总=0.785D2×
2=2.2,整理后,1.57D3+0.26D3=1.3,解方程得,D=0.89;
圆整到推荐的系列尺寸,取D=0.9m,则
H=2D=2×
0.9=1.8m
查相应表得封头高H’封=225+25=250(mm)
罐体总高H’罐=2H’封+2H’筒=2×
250+1800=2300(mm)
单个封头容量V’封=0.785D2×
0.025+(π/24)D3=0.112(mm)
封头表面积S封=0.96(m2)
圆筒容量V’筒=0.785D2×
2D=0.71.3685×
0.92×
1.8=1.14(m3)
不计封头容积,V’有效=V’封+V’筒=0.112+1.14=1.252(m2)
校核种子罐总容积V
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