年产5000吨糖化酶发酵车间设计

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1、精选优质文档-倾情为你奉上南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计 学院（系）： 生物与化学工程学院 专 业： 生物工程 学 生： * 指导教师： 李慧星 完成日期 2010 年 5 月 专心-专注-专业南阳理工学院本科生毕业设计年产5000吨糖化酶发酵车间设计 The design of annual output of 5000 tons of glucoamylase fermentation factory workshop总计： 毕业设计（论文）28页表 格： 5 个插 图 ： 1 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计年产5000吨糖化酶发酵车间设计 The design

2、of annual output of 5000 tons of glucoamylase fermentation factory workshop学 院（系）： 生物与化学工程学院 专 业： 生物工程 学 生 姓 名： 郭留洋 学 号： * 指 导 教 师： * 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 2010年5月 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology年产5000吨糖化酶发酵车间的工艺设计生物工程专业 郭留洋【摘要】糖化酶是工业生产的主要酶制剂之一，广泛用于酿酒、葡萄糖、果葡糖浆、抗菌素、乳酸、有机酸、味精、棉纺厂等各方面。本设计以玉米淀粉为主要原料，利

3、用黑曲霉，采用机械搅拌通风罐进行发酵生产，完成生产5000吨糖化酶发酵车间工艺设计，通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出生产5000吨糖化酶发酵车间采用3个75 m3发酵罐和3个6m3种子罐等，并依据生物工程工厂车间布置原则，对发酵罐车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图，工艺设计的结果为糖化酶的生产提供一定参考。【关键字】 糖化酶 工厂设计 深层发酵 黑曲霉The Design of Annual Output of 5000 Tons of Glucoamylase Fermentation Factory WorkshopAbstract：Glucoamyl

4、ase is the main enzyme of industrial production which is widely used in wine, glucose, fructose syrup, antibiotics, lactic acid, organic acid, monosodium glutamate, cotton and so on. The design use corn starch as main raw material, using Aspergillums Niger, and apply mechanical ventilation it that c

5、an be fermented production. This industrial workshop design can complete the process of industrial design, the accounting, equipment selection facility layout design. This workshop can make production of 5,000 tons of glucoamylase fermentation using three 75 m3 and 3 based fermentation tank 6m3 seed

6、 set and so on, The fermentation plant has a reasonable layout which according to thefactory workshops layout of bio-engineering principles, With drawing a flow chart and workshops layout, the result of industrial design provide a reference to the production of glucoamylase. Keywords：Glucoamylase Pl

7、ant Design Fermentation Aspergillus Niger目录1前言.11.1糖化酶的简介.11.2糖化酶的应用现状.11.3糖化酶在国内外的研究进展及前景.11.4设计内容及意义.32本论.52.1糖化酶生产中所用黑曲霉的特性.52.2菌种培养工艺.5 2.2.1菌种活化.6 2.2.2一级种子培养62.2.3二级种子培养62.3工艺计算.62.3.1工艺技术指标及基础数据.62.3.2发酵工艺流程图.82.3.3物料衡算.82.3.4热量衡算.102.3.5水平衡的计算.132.3.6无菌空气用量的计算.142.4设备的设计与选型.142.4.1发酵罐的设计与选型.

8、142.4.2种子罐的设计与选型.172.5 车间布置设计.182.5.1车间布置设计的目的和重要性.18 2.5.2 车间布置的有关技术要求和参数.19 2.5.3设备的安全距离.19 2.5.4设备布置原则.203结论.21参考文献.22致谢.231前言1.1 糖化酶的简介 糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，糖化酶是一种习惯上的名称,学名为-1,4-葡萄糖水解酶。糖化酶是由曲霉优良菌种（Aspergilusniger）经深层发酵提炼而成。糖化酶，又称葡萄糖淀粉酶Glucoamylase,(EC.3.2.1.3.)它能把淀粉从非还原性未端水介a-1.4葡萄糖苷键产生葡萄糖，也能缓慢水解a-1.6葡萄糖

9、苷键，转化为葡萄糖。糖化酶随作用的温度升高而活力增大，超过 65，又随温度升高而活力急剧下降，糖化酶最适作用温度是60，最适作用PH值在4.0-4.5 左右。糖化酶广泛用于生产白酒、黄酒、酒精、啤酒、乳酸钙作糖化剂，用于以葡萄糖作发酵培养基的各种抗生素、有机酸、氨基酸、维生素的发酵，也可用于分解低聚糖，糖化酶还大量用于生产各种规格的葡萄糖。总之，凡对淀粉、糊精、低聚糖进行酶水解的工业上，都可适用。1.2 糖化酶的应用现状我国食品深加工企业近几年发展很快，随着啤酒、白酒、酒精等项目的增多，糖化酶、淀粉酶等生物酶的需求量随之增大。糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，糖化酶广泛应用于酒精、淀粉糖、味精、抗菌素、

10、柠檬酸、啤酒等工业生产中；用于以葡萄糖做发酵培养基的各种抗生素、维生素的发酵等。糖化酶无任何毒副作用。淀粉酶一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元等 1，4一葡聚糖，水解 一1，4糖苷键的酶。根据作用的方式可分为淀粉酶与p一淀粉酶。淀粉糖是我国食品工业的重要原料，是人们日常消费食糖的有益补充。酶制剂被允许进入淀粉糖行业并全面生产新产品后，淀粉糖行业从此发生了翻天覆地的变化。糖化酶在淀粉糖工业中的应用有广阔的市场前景和发展。1.3糖化酶在国内外的研究进展及前景糖化酶也是工业上应用最广泛的酶类之一 ,我国生产糖化酶已有 20多年历史 ,作为葡萄糖生产及发酵工业的重要酶种 ,其产量占全国酶制剂产量的

11、60 %以上且产销量逐年递增。除了利用糖化酶水解淀粉为葡萄糖而用于制糖业外 ,现在人们越来越多地开发糖化酶的新型用途 ,糖化酶在酿酒工业中也有广泛的应用1 ,传统白酒生产用曲的微生物是依靠自然界带入的 ,其糖化力较低 ,耐酸耐热性都较差。糖化酶作用的 pH范围为 3. 05. 5,最适作用范围为 4. 04. 5,这使得白酒酿造过程中酸度不断增加 ,适宜发酵。糖化酶的应用 ,使粮醅入酵后发酵升温快 ,升温幅度大 ,提高原料的出酒率 ,缩短发酵周期 ,降低生产成本2。在食用醋生产中 ,应用 TH2 AATY和糖化酶 ,可以解决企业自制酒母质量不稳定和夏季高温等生产难题 ,使食用醋生产正常进行 ,

12、它不仅降低了原材料的消耗,减轻了工人的劳动强度,而且显著提高了淀粉利用率和出醋率,具有较好的经济效- 5 -益。固定糖化酶应用于糖结晶过程,可以提高糖的产出率,糖化酶将会被应用于更为广阔的空间。 国内外对糖化酶的研究集中在开发复合糖化酶制剂及其应用上，而对于菌种的选育，Novo公司自上世纪90年代以来已利用基因工程技术构建了性能优异的工程菌并应用于生产，将酶活力大幅度地提高自1994年以来，无锡酶制剂厂引进国外糖化酶生产菌种以后，国内糖化酶厂先后采用引进菌种目前国内酶制剂厂的糖化酶发酵水平大都在30 00040 000 umL之间，少数厂家达到40 00050 000 umol1980年以后，

13、国内不少研究者也筛选出了多株性能不错的黑曲霉变异株，酶活力也有较大幅度的提高，其中以上海市工业微生物研究所梁天锡等人对此研究的较多，成功选育出了SP56菌株，另外邬敏辰，李剑芳等人诱变选育的WMC-15菌株，工艺优化后发酵160 h酶活力也可达30 000 umol以上，代表了国内糖化酶菌种的最高水平河南天冠企业集团使用的黑曲霉菌株虽是变异株，但已有不少研究者曾以该变异株为出发菌株进行诱变筛选，选育出了性能更为优良的变异株，如上海市工业微生物研究所粱天锡等人选育的a一471菌株，无锡轻工业学院选育的AN-149菌株，WMC-15菌株等尽管如此，我国的糖化酶发酵水平与国际先进水平还有不小的差距，

14、有待于进一步提高4,5,6。20世纪80年代，对于糖化酶的研究发展极快，主要集中于糖化酶菌株的分离及其纯化工作长期研究证明，糖化酶广泛地分布在微生物中，主要存在于黑曲霉、米曲霉、根霉等丝状真菌和酵母中，同时也存在于人的唾液、动物胰腺及细菌中已报道的产糖化酶真菌微生物有23个属35个种；细菌有3属3种几十年来我国科研工作者为提高糖化酶的活力进行了不懈的努力，常规的物理及化学诱变的方法仍然是方便有效的途径谷海先等对黑曲霉AN一149菌进行自然分离、紫外线和NTG的复合诱变处理，得到了一株高产糖化酶的菌株WG一93，经3O L发酵罐试验，酶活力达29 keyml(原糖化酶生产发酵水平为12 keym

15、1)1993年，李俊刚等对生淀粉糖化菌黑曲霉S一1原生质体采用( l=260 nm， 2=266 Tim)能量为8的激光直接照射，得到高酶活力的生淀粉糖化酶突变株，比出发株酶活力平均提高374 ，最高突变株酶活力达到745 u，比出发株提高91 1998年，李俊刚等又以黑曲霉523原生质体为对象，经激光、紫外线和亚硝基胍复合诱变，选育出生淀粉糖化酶高产突变株黑曲霉NL一3，其生淀粉酶活力为156 um1王海洪等通过分离和筛选，得到一株分解小麦生淀粉能力较强的黑曲霉，其生淀粉糖化酶活力为1715 ug，a一淀粉酶活力为6347ugDNA重组技术发展以来，有人尝试将糖化酶基因克隆到埃希大肠杆菌和酵

16、母菌中，构建了糖化酶高产工程菌7,8近几年来，罗进贤等人将酵母Ty转座子的8序列，黑曲霉糖化酶Edna及C,418抗性基因tie重组进酵母整和型质粒Yiplae128获得含LEU2，tie双标记基因，糖化酶Edna的高整和型表达载体YI128D17N，转化cRF18(YI128D17N)糖化酶基因在该菌株获得高效表达，产物分泌到胞外吴晓萍等人“ 将切除了5端非编码区50碱基对片段的黑曲霉糖化酶GA I Edna与大麦a 一淀粉酶基因重组进埃希大肠杆菌一酵母穿梭载体，构建重组表达质粒pMAG11，转化酿酒酵母GRF18，获得含a一淀粉酶和糖化酶双基因的酵母工程菌GRF18(magi)，在酵母PG

17、K基因启动子和终止信号的调控下，a一淀粉酶和糖化酶基因获得高效表达，99 的表达产物分泌至胞外糖化酶的基因的研究对黑曲霉糖化酶基因的研究有了不断的进展，尤其是对其结构基因和调控序列主要研究不同真菌中糖化酶的基因克隆、表达和糖化酶的性质，在挖掘糖化酶资源方面做了大量工作9,10虽然对糖化酶的研究已有多年，但是仍有许多问题尚待进一步探索基础研究领域将主要集中在糖化酶的结构研究，如糖链在糖化酶活性、稳定性及构象状态中所起的作用，进一步阐明糖化酶的多型性原因及糖化酶的热稳定性机制11应用研究之一仍将是进一步提高糖化酶的活力，利用诱变、DNA重组技术或其他方法获得优良菌株，提高糖化酶基因在受体菌中的表达

18、水平等，进一步优化糖化酶纯化工艺及保存条件；另一方面，诱变筛选耐热糖化酶产生菌或克隆耐热糖化酶基因，将是一个重要方向，因为耐热糖化酶在发酵业的应用将会大大降低能源消耗，从而降低生产成本，将给糖化酶在工业中的应用开辟更为广阔的前景1.4 设计内容及意义 酶制剂是一种生态型高效催化剂，具有高效、安全、节能、生态和环保等特点，能够有效带动相关领域技术水平的提高，对应用产业开发新产品，提高质量、节能降耗、保护环境具有重要意义，产生了巨大的社会效益和经济效益。酶制剂产业已经成为生物技术领域的前卫产业和21世纪最有希望的新兴产业之一。国家十一五期间已将酶制剂列为重点发展的领域，将投资几十亿到该产业，建立生

19、产、研发、出口、检测、菌种保藏基地，使中国成为世界酶制剂生产基地和研发基地，引领世界酶制剂市场.而酶制剂中的糖化酶主要应用领域为酒精、白酒、淀粉糖、味精等行业，目前我国酒精年生产能力为897万吨，年需万单位糖化酶242000吨，白酒企业年需糖化酶20000吨，淀粉糖和味精企业需求25000吨左右，而国内现有企业糖化酶产量才207000吨，远远不能满足市场需求。但是酒精企业的扩建，造成粮食短期供应紧张，酒精企业有297万吨产量未能达产，少消耗糖化酶80000吨，因此缓解了市场供求矛盾。随着世界能源的日趋紧张，世界各国都在大力发展可再生能源，因此，以后糖化酶的生产将会有很大的空间12。本设计以玉米

20、淀粉为主要原料，利用黑曲霉，采用机械搅拌通风罐进行发酵生产，完成年产5000吨糖化酶发酵车间工艺设计，通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出年产5000吨糖化酶发酵车间，并依据生物工程工厂车间布置原则，对发酵罐车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图，工艺设计的结果为糖化酶的生产提供一定参考。2 本论2.1 糖化酶生产中所用黑曲霉的特性黑曲霉在液体培养基中32摇瓶培养96h，粗提酶液经进一步分离提取，得到同时具有液化和糖化两种酶活力的新型酶制剂，最适PH值为46。耐酸性淀粉酶活性的最适温度为60，糖化酶活性的最适温度为50。在pH46酸性条件下，该液化糖化酶在50保温

21、1h，仍具有原酶活性。黑曲霉广泛分布于世界各地的、性产品和中。是重要的发酵工业菌种，可生产、和等。有的菌株还可将羟基孕甾酮转化为雄烯。生长适温37，最低相对湿度为88%，能引致水分较高的粮食霉变和其他工业器材霉变。2.2菌种培养工艺糖化酶发酵罐中必须用纯培养接物种，并且接种量要求相当大，目的是使发酵迅速安全地进行，因此生产上需要有菌种扩大培养的操作。扩大培养可按下述步骤进行：试管原种10mL.试管500 mol三角瓶1-2L三角瓶10-20L罐100-200L罐1000-2000L罐。2.2.1 菌种活化将保存的原菌种先转接到10mL 10Box麦芽汁的试管中，在34下培养24h。这时可以看到

22、培养液混浊，镜检观察有无杂菌污染。此时的检查十分重要。这将是关系到整批发酵成功的关键。可适当转接多次。2.2.2 一级种子培养将上述的培养的种子液转移接入一级种子罐中。培养液的的组成为（g/l）：培养基在100Kpa表压下灭菌30min。在34下培养5-6天。玉米粉60； 玉米浆20； 黄豆粉20； KNO3 3; MgSO4*7H2O 1.2; KH2PO4 2.7; PH自然2.2.3 二级种子培养将上述一级种子罐培养出来的种子液接入装有更多培养液的二级种子罐中，在100Kpa表压下灭菌15min,煮沸灭菌后立即冷却至培养温度在34左右，培养7-10天。培养时观察到整个表面孢子着色均匀，显

23、出成熟特征的颜色即可。后续每一步培养液的量扩大1015倍，在3034下培养。一般工厂中，菌种的扩大培养只是生产开始时进行一次，而正常生产中采用连续法接种，即将一部分旺盛的发酵液作为接种物，接入新配好的培养液中进行发酵。只有在发现发酵异常、菌种不纯或退化、影响生产时，才重新开始扩大培养一次。2.3 工艺计算2.3.1工艺技术指标及基础数据 （1）.工艺技术指标及基础数据 表21 黑曲霉产糖化酶发酵工厂技术指标指标系数单位指标数指标系数单位指标数生产规模t/a5000发酵辅助时间h24生产方法液体深层发酵菌种培养时间h24年生产天数d/a300菌种培养辅助时间h15产品日产量Kg/d15625接种

24、量%10产品质量u/ml20000发酵罐装料系数%80倒灌率%2放罐发酵单位u/ml12000发酵周期h120提取总收率%80( 2 ) 种子培养基(g/l):玉米粉60；玉米浆20；黄豆粉20；KNO3 3;MgSO4*7H2O 1.2;KH2PO4 2.7;PH自然（3）发酵初始培养基（g/l）：玉米粉50；玉米浆20；黄豆粉20；麸皮30；料：水=1：7，接种量10%（4）采用间歇发酵培养2.3.2发酵工艺流程图：空气 气空气压缩机空气过滤系统分过滤器种子瓶斜面孢子 种子摇瓶配料糊化淀粉酶液化一级种子罐二级种子罐三级种子罐无菌空气发酵液透析除收冷冻干燥浓缩成品液体糖化酶回收液32，3d3

25、2，24h料水=1：7粉碎859534，15h32，12h3234120h压滤图2.1 糖化酶发酵生产工艺流程图2.3.3物料衡算 1. 首先计算生产1000kg活度为20000u/ml的糖化酶，产品需要耗用的原材料及其他物料量：（1）放罐成熟发酵液放罐单位为12000u/ml，生产1000kg产品发酵液量为：VO=1000*20000*1000/12000*1000*1000*8%*98%=2.13 m3式中80%糖化酶总提取率98%除去倒灌率2%的发酵成功率（2）房管成熟发酵液量Vo分为三部分组成： 底料 V1=Vo*80%=1.70 m3 种液量 V2=Vo910%=0.213 m3底料

26、物料用量：发酵培养基配方*V1种液的物料用量：种子培养基配方*V2（3）配制发酵液底料所需黄豆粉量M1=20V1=34.02kg(4)种子培养液所需黄豆粉量M2=20V2=4.26kg（5）生产1000kg糖化酶共需黄豆粉量M=M1+M2=38.28kg依此类推，可以计算出生产1000kg糖化酶所需要其他无聊的量（6）玉米粉的用量 M3=50V1+60V2=97.83kg（7）玉米浆的用量M4=20（V1+V2）=38.28kg（8）KNO3的用量M5=3V2=0.64kg（9）MgSO47H2O的用量M6=1.2V2=0.26kg(10)KH2PO4的用量M7=2.7V2=0.58kg（11

27、）麸皮的用量M8=30V1=51.03kg（12）淀粉酶耗用量应用酶活度为20000U/g的淀粉酶，淀粉酶用量50U/g：M9=（M+M3）*50/20000=0.34kg2.5000t/a糖化酶发酵车间的物料衡算由上述生产1000kg活度为20000u/ml的糖化酶产品，需要耗用的原材料及其他物料衡算结果，可求得5000t/a该糖化酶发酵车间的物料衡算，计算结果具体如下： 表22 5000t/a糖化酶发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t糖化酶的物料量生产5000t/a糖化酶的物料量每日物料量糖化酶/kg1000500000016666.67发酵液量/ m31.70850028.33种液量/

28、m30.2136502.17黄豆粉量/kg38.28191400638玉米粉量/kg97.834891501630.5玉米浆/kg38.28191400638麸皮/kg51.03255150850.5KNO3/kg0.64320010.67MgSO47H2O/kg0.2613004.33KH2PO4/kg0.5829009.67淀粉酶/kg0.3417005.672.3.4热量衡算现已生产1000kg糖化酶来计算此工艺过程中的热量衡算。1.用水耗热量So根据工艺，糊化锅加水量为：M1=（38.28+97.83+51.03）*7=1310kg38.28黄豆粉用量97.83玉米粉用量51.03麸皮

29、用量故糊化锅用水量为M1=1310kg自来水平均温度取t1=18，而配料用水温为50，故耗热量:So=CwM1(t2-t1) =4.18*1310*32 =175000KJ有糖化工艺流程可知：Q=Q+Q”+Q”糊化锅内玉米醪由初温to加热至100耗热Q Q=M玉米醪C玉米醪（100-to）（1） 计算玉米醪的比热容C玉米醪，根据经验公式，C谷物=0.0.1(100-)+4.18进行计算，式中为含水量百分率,Co为谷物比热容，取Co=1.55KJ/(kg/k)C玉米粉=0.01(100-13)*1.55+4.18*13=1.89 KJ/(kg*k)C黄豆粉=0.01(100-8)*1.55+4.

30、18*8=1.76 KJ/(kg*k)C麸皮=0.01(100-6)*1.55+4.18*6=1.71 KJ/(kg*k)C玉米浆=0.01(100-30)*1.55+4.18*30=2.34 KJ/(kg*k) C玉米醪= C玉米粉M玉米粉+ C黄豆粉M黄豆粉+ C麸皮M麸皮+M1Cw M玉米粉+M黄豆粉+M麸皮+M1 =3.885 KJ/ (kg*k) （2）设玉米醪的初温to，设原料的初温为18，热水为50，则：（C玉米粉M玉米粉+ C黄豆粉M黄豆粉+ C麸皮M麸皮）*18+M1Cw50 To= C玉米醪M玉米醪= 48.12 式中 M玉米醪=1497.12kg（3） 把上述结果代回Q=

31、 C玉米醪M玉米醪（100-to） Q=1497.12*3.885*51.88 =302000KJ（4 ）煮沸过程蒸汽带出的热量Q” 设煮沸时间为30min，蒸汽量为每小时5%，则蒸发量为： MV1=M玉米醪*5%*30/60=37.43kgQ”=-MV1=37.43*2258.2=84500KJ 式中 I煮沸温度下水的汽化热（KJ/kg）（4） 热损失（5） 玉米醪升温和第一次煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即： Q”=15%（Q+ Q”） =58000KJ（6） 有上述结果得Q Q=1.15（Q+ Q”） =445000KJ2.计算灭菌时的耗热量Q1 Q1=Q玉米醪 +Q玉米浆Q

32、玉米醪=C玉米醪(M玉米醪-47.43)(121-90) =175000KJQ玉米浆= C玉米浆M玉米浆+Cow（M水+47.43）（121-18） =141000KJQ1=Q玉米醪 +Q玉米浆 =316000KJ3.洗糟水耗热量Q2 设洗糟水平均温度为80，每100kg原料用水450kg，则用水量为： M洗=225.42*450/100=1014.4kg Q2=Cam洗（80-18）=263000KJ4.生产1000kg糖化酶总耗热量为 Q总=Qo+Q1+Q+Q2 =175000+316000+445000+263000 =1200000KJ5.生产1000kg耗用蒸汽量D使用表压为0.3M

33、Pa的饱和蒸汽，h=2725.3 KJ/(kg*k)，则 Mo=Q总/（h-i）=583.76kg式中 i相应冷凝水的焓（561.47KJ/kg） 蒸汽的热效率；取=95%6.每小时最大蒸汽耗量Qmax 在整个过程中，液化耗能量最大，且知煮沸为30min，热效率为95% Qmax=Q/0.5*95%=937000(KJ/h)相应的最大蒸汽耗量为：Mmax=Qmax/（h-i）=432.96KJ/h7.蒸汽单耗 根据设计，共生产5000t/a的糖化酶，年耗蒸汽总量为： Mt=5000*583.76=2918800kg每吨糖化酶耗蒸汽Mo=583.76kg每昼夜耗蒸汽量为：M1=9121.25kg

34、（M1=Mt/320）8.耗能表如下：表23 5000t/a糖化酶车间总热量衡算表名称压力/MPa每吨产品消耗定额/kg每小时最大用量/(kg/h)每天消耗量/（kg/h）年消耗量/（kg/a）蒸汽0.3583.769370009121.2529188003.4 水平衡的计算 此平衡计算是按生产1000kg糖化酶产品来计算。1. 糊化过程用水量M1 M1=（38.28+97.83+51.03）*7=1310kg2. 糊化后的玉米醪温度要在85-95加入淀粉酶，此过程不考虑用冷却水冷却，3. 液化之后加入玉米浆，需用水量M2=38.28*7=267.96kg4. 灭菌后的醪液冷却到32，这部分的

35、用水量为M3 （C玉米粉M玉米粉+ C黄豆粉M黄豆粉+ C麸皮M麸皮+MCw）（121-32） M3=Cw（40-18）=1327kg5. 洗糟水用量M4按每100kg用水量450kg (M玉米粉+M黄豆粉+M麸皮+M玉米浆)*450 M4=100=1014.4kg6. 生产1000kg糖化酶，发酵车间的总用水量 Mo=M1+M2+M3+M4 =3919.36kg7. 生产5000t/a发酵车间的总用水量M=Mo*5000=19600000kg每天用量：M=M/300=650000kg每小时用量：M”=M/24=2722kg表24 水平衡计算结果如下表名称每吨产品消耗量t/t每小时用量kg/h

36、每天用量t/d年耗量t/a冷水1.022722650196002.3.5无菌空气用量的计算 黑曲霉的扩培和糖化酶的生成需在有氧条件下进行，所以在糖化酶培养过程中通入适量的无菌空气以满足生产的需要。在生产中，1m3的发酵醪每小时通入2 m3的无菌空气就可以满足生产的需要了。 发酵罐需要的无菌空气量为：V1=850002=170000 m3 种子罐需要的无菌空气量为：V2=6502=1200 m3则在生产5000吨糖化酶的过程中共需要无菌空气量为： V0= V1+ V2 =171200 m32.4设备的设计与选型2.4.1发酵罐的设计与选型（1）发酵罐生产能力的计算：生产每吨糖化酶的发酵液量为Vo

37、=2.13 m3 故生产5000t/a的发酵液量V=5000Vo=10650，每年发酵天数为300天，发酵周期为5d，每个周期的发酵体积V1=V/300/5=177.5 m3,若取发酵罐的填充系数=80%，则每次发酵罐总容量V2为：V2=V1/0.8=222 m3现已单罐公称容量75 m3的机械搅拌通风管为例，每天需要75 m3的发酵罐No个 No=V2/75=3个（2）主要尺寸的计算：按生产75 m3的发酵罐计算： V全=V柱+2V封=75封头折边忽略不计，以方便计算。则 V全=V柱+2V封=0.785D2*1.9D+D3*2/24=75H=1.95D，解方程的：1.49D2+0.26D3=

38、75D=3.5m 取3.5mH=1.9D=6.65m圆柱部分容积：V1=0.785*3.5*3.5*H=64 m3上，下封头体积：V2=V3=D3/24=5.6 m3总容积:V全=V1+V2+V3=75 m3取=80%，实际装液量为：75*80%=60(3)冷却面积的确定 酶制剂冷却面积取1.0/ m3由上知填充系数=80%，则每一个75 m3的发酵罐换热面积A=V全=75*0.8*1.0=60（5）搅拌器的设计1)由于糖化酶发酵过程中有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列下： 搅拌器叶径 Di=D/3=1.17m 叶

39、宽 B=0.2Di=0.234m 弧长 l=0.375Di=0.44m 底距 C=D/3=1.17m 盘径 di=0.75Di=0.44m 叶弦长 L=0.25Di=0.3m 叶距 Y=D=3.5m弯叶板厚=14m取两挡搅拌，搅拌速率为210r/min.2） 搅拌轴功率的确定则应选取可按经验式进行计算确定，通常按1kw/ m3发酵罐，对于75 m3发酵罐，装液量为60 m3则应选取60 m3 kw的电机（6）设备结构的工艺设计1）求最高热负荷下的耗水量WW=Q总/Cp（t2-t1） 式中 Q总每1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积Q总=4.18*6000*60=15000

40、00（KJ/h） Cp冷却水的比热容，4.18 KJ/(kg*k) T2冷却水的终温t2=30 T1冷却水的初温t1=20将各值代入上式： W=1500000/4.18*（30-20）=100kg/s冷却水体积流量为0.1 m3/s，取冷却水在竖直管道中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积A总为： A总=W/V式中 W冷却水体积流量 V冷却水流速 代入上式，A总=0.1进水总管直径d总=0.375m，取Dg350*92）冷却管组数和管径设冷却管总面积为A总管径do，组数为n则A总=n*0.785do2取n=12，求管径：由上式得： do=0.103m查金属材料表选取108*4无缝

41、管，da=100mm,d平均=104mm现取竖蛇管圈部U型弯管曲径为250mm则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为lo=D=1570mm3)冷却管总长L计算有前知冷却管总面积A=60，现取无缝管108*/4 L=A/Ao=183.5m冷却管占有体积V=0.785*0.108*0.108*183.5=1.7 m3去冷却管组n=12每组管长Lo=L/n=15.3m另需连接管4.2m，L实=L-4.2=11.1m可排竖直蛇管的高度设为静液面高度，下部可深入封底500mm，设发酵罐内附件占有体为0.2 m3则总占有体积为： V管+V附件=1.9 m3 筒体液面= V总*80%+V管+V附件-V3

42、 S截面=3.9m竖直蛇管总高H=4m取管间距为0.2m，有两端管总长为：lo=3.14*0.2=0.63则一圈管长为：L=2H+Lo=8.63m每组管长圈数no：no=lo/l=1.8 取2圈，L实=8.63*2*12+0.42*12=212183.5m,现取管间距2.5D外=2.5*0.108=0.27竖蛇管与罐壁的最小间距为0.15m，最内层竖蛇管与管壁的最小距离：0.27*1+0.15+0.054=0.474与搅拌器的距离：3.5-0.27-0.474=2.756校核布置后冷却管的实际供热面积 A实=d平均*L实=30.160（7）设备材料的选择，发酵设备材料的材质选择，优先考虑的是满

43、足工艺的要求，其次是经济性，随着科学技术的进步，会出现一些复合材料，喷涂金属和内腐蚀涂料等新材料新技术将进一步降低投资费用。本设备采用1Gr18Ni9Ti材料9)接管的设计 该管的实装60 m3设0.5小时内排空，则排料时的物料体积流量为：90=60/（0.5*3600）=0.033（m3/s）去发酵醪流速V=1m/s，则排料管截面积为A物 A物=qv/V=0.033A物=0.785d2管径d=0.21m取无缝管250*8，管内径=250-8*2=234210，认为适用设计每一个发酵罐有一个空气除菌系统：通风量为：Q1=60*0.35=0.35（m3/s）利用气态方程式计算工作状态下的风量Q1

44、：则Q1=0.35*0.1/0.35*（245+30）/（245+20）=0.1如取风速V=25m/s，则风管截面积Aft为： Aft=Qf/25=0.004Aft=0.785d气2则风管直径d气为：d气=0.073m因通风管也是排料管，故取两者的大值，即取d=250*8无缝管物流量Q=60/3600*0.5=0.033 m3物料流量V=1m/s管道截面积A=0.785*0.2342=0.043 P=Q/Av=0.033/0.043=0.77倍排料时间为：t=0.5*0.77=0.38h2.4.2种子罐的设计与选型（1）种子罐1)种子罐采用机械搅拌通风罐2)种子罐容积和数量的确定A 种子罐容积

45、，接种量10%则：V种子=V总*10%=6 m3 B 种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐相对应，因此确定为3个种子（2）种子罐主要尺寸的计算 和发酵罐的计算一样，有发酵罐的计算可知：D=1.51m；H=1.95D=2.94m；V1=5.26 m；V2=0.15 m；V1+V2=5.41 m；装料系数为80%，符合要求.（3）搅拌器的设定扩大培养过程要通无菌空气，培养过程中会有气泡产生，同时还要往发酵罐中添加一些物质，因此对混合要求的程度较高，搅拌器选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部分尺寸与罐径有一定的比例关系， 因此：搅拌器叶径Di= =1.51/3=0.5叶宽B=0.2Di=0.1 m弧长L

46、=0.375Di=0.188m底距C= =0.5m盘径di=0.75Di=0.375 m叶弦长L=0.25Di=0.125m叶距Y=D=1.51m弯叶板厚=14 mm2.5车间布置的原则 车间的布置设计，按其内容可分为车间总布置和车间内设备布置两种，车间总布置是对整个车间厂房的各个组成部分按照他们在生产中和生活中所起的作用进行合理的平面布置和安排；设备布置是根据生产流程情况及各种有关因素，把各种工艺设备在一定的区域内进行排列。在设备布置中又分为初步设计和施工图设计两个阶段，每一个设计阶段均要求平面和剖面布置。2.5.1车间布置设计的目的和重要性车间布置设计是为了对厂房中的设备，原材料的放置进行

47、合理的安排，从而确定车间大小，并在其基础上尽量节省开支，通过对工厂车间的布置做到使工艺流程最优化。车间的布置需要深思熟虑，仔细推敲，从而在不同的方案中选择最为合理的方案。车间布置设计室以工艺为主导，并在其他专业，如总图、土建、设备、安装、电力、暖风、外管等密切配合下完成的。因此在进行车间布置设计时，要集中各方面意见，最后由工艺人员汇总完成。2.5.2车间布置的有关技术要求和参数 车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑结构形式，以及各车间之间与工段之间的相互联系。优良的车间布置应该满足技术先进、节省投资、操作维修方便、设备排列简洁、紧

48、凑、整齐、美观。车间的布置设计还要符合生产工艺、操作、设备安装和检修、节约等要求。在本次设计中，之所以选择糖蜜为原料，也是考虑到糖蜜为原料的发酵工艺较其他几种简单，同时对设备的要求相对较小，从而达到节约资金。在这次设计之中，由于发酵罐，种子罐等设备高度较高，从而选择了采用3层厂房的设计，而多层厂房各层楼板、地板表面之间的层高应采用300mm的倍数。在这里，我选用了600mm层高，能够满足大多数设备勿需穿层，且另外几种较大设备也可以合理分配。发酵工厂厂房一般有长方形、L型、T型和II型。其中长方形最常用，本次设计也是选用以长方形为基准的车间。 柱距多层厂房的柱距应采用6m，当采用方格式柱网时，一

49、般由66m组成，目前有一些工厂为满足工艺布置和设计的需要而采用较大的柱网尺寸，所以，由于考虑设备大小因素，选择了9m15m。 楼梯由于选择了2层车间设计，所以楼梯是车间中不可缺少的一部分，车间一般布置在建筑物的出入口附近。由于本车间较大，故选择了2个楼梯，楼梯宽度为1200mm，坡度为30跨度多层厂房的总宽度，由于受到自然采光和通风的限制，一般不宜超过24m。在此次设计中，选择了15m的跨度，车间总长49.8m2.5.3 设备的安全距离设备之间或设备与墙之间的净间距大小，无统一规定，设计者应根据设备大小，车间布置要求，设备上连接管线多少，管径粗细，检修的频繁程度等各种因素，再根据生产经验，决定

50、其各种设备的安全间距，从而保证工厂生产中的安全，消除安全隐患。表中介绍的一些数据供一般设备布置时参考表25 部分设备的安全距离 项目净安全距离/m泵与泵的间距泵离墙的距离计量罐与计量罐的间距贮罐与贮罐见得距离离心机周围通道过滤机周围通道反应罐盖上窗洞装置离天花板的距离反应罐底部与人行通道的距离工艺设备和道路间距离不少于0.7至少1.20.40.60.40.6不小于1.51.01.8不小于0.8不小于1.82.0不小于1.02.5.4设备布置原则车间内设备布置要与主要生产流程顺序一致，使生产路线呈链状排列而无交叉迂回现象，尽可能利用自流输送，力求管线最短。 每个设备都要考虑其自身在车间中的地位，

51、还要兼顾其附属设备的摆放以及检测维修的方便，还要考虑到其摆放要求有无合乎车间设备摆放要求。设备布置不应过挤或过松，宜尽量对称紧凑，排列整齐，充分利用空间。要考虑相同设备或相似设备互换使用的可能性和方便性。凡是笨重的设备或运转时产生很大振动的设备，应尽可能布置在厂房的底层，以减少厂房楼面的荷载和振动。有剧烈振动的设备，其操作台和基础不得与建筑物的柱、墙连在一起，以免影响建筑物的安全。设备不应该布置在建筑物的沉降缝或延伸处。在厂房的大门或楼梯旁布置设备时，要求不影响开门和行人出入。在不严重影响工艺流程顺序的原则下，将较高设备尽量集中布置，这样可以简化厂房体形，节约厂房体积。3 结论本设计以玉米淀粉

52、为主要原料，利用黑曲霉，黑曲霉的最适温度32，最适PH4.65.5，采用机械搅拌通风罐进行发酵生产，根据以上对糖化酶制取工艺流程的确定、工艺计算、设备的设计与选型确定了发酵罐和种子罐等设备的基本数据，需要75 m3的发酵罐3个和6 m3的种子罐3个，通过各方面的理论计算本设计是合理的，完全可以满足年产5000吨糖化酶的生产。通过本设计绘制了工艺流程图和车间布置图，工艺设计的结果为糖化酶的生产提供了一定的参考。、参考文献1 胡学智. 国内外酶制剂工业及其应用J . 工业微生物,2001 ,31 (3) : 41 46.2 张生方. 食品加工业中酶的应用与开发J . 四川食品与发酵,2001 ,1

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