XX学
生命科学技术学院生物工程系
课程设计
题目： 黑曲霉深层发酵法生产2000ta食品工业
糖化酶车间工艺设计
说明书 30 页
图纸 5 张（图纸附件）
教研室
指导教师
学生 xxx
20xx年 X月 X日北京
目录
目录……………………………………………………………………………………1
设计务书……………………………………………………………………………5
1 工艺条件确定工艺流程说明…………………………………………………6
11概述 ……………………………………………………………………………6
111糖化酶 …………………………………………………………………… 6
112黑曲霉 …………………………………………………………………… 6
12 工艺原理……………………………………………………………………… 7
121 生化分离工程 ……………………………………………………………7
122 发酵原理 …………………………………………………………………7
123 絮凝原理 …………………………………………………………………7
124 滤原理 …………………………………………………………………7
13 工艺路线选择……………………………………………………………… 8
131 液体深层通气发酵法选择 ……………………………………………8
132 间歇式操作选择 ………………………………………………………9
14 工艺流程简述………………………………………………………………… 9
15 工艺流程说明………………………………………………………………… 9
151 种子制备 …………………………………………………………………9
1511 固体孢子培养 ……………………………………………………… 9
1512 种子罐培养………………………………………………………… 11
152 发酵………………………………………………………………………11
153 提取……………………………………………………………………11
16 工艺技术指标基础参数 ………………………………………………… 11
161 技术指标……………………………………………………………11
162 种子培养基（）……………………………………………………… 11
163 发酵培养基（）……………………………………………………… 12
2 工艺计算 …………………………………………………………………………12
21 发酵车间物料衡算 ……………………………………………………… 12
211 生产力计算……………………………………………………………12
212 发酵培养基配料计算……………………………………………………13
213 种子培养基配料计算…………………………………………………13
214 滤产生发酵清液程物料衡算…………………………………14
215 液体固体酶制剂程物料衡算……………………………………14
2151 液体酶制剂中物料衡算………………………………………… 14
2152 固体酶制剂中物料衡算………………………………………… 15
216 总物料衡算………………………………………………………………15
22 菌空气量计算 ……………………………………………………… 16
221 单罐发酵菌空气耗量………………………………………………16
222 种子培养等菌空气耗量…………………………………………16
223 发酵车间高峰菌空气消耗量…………………………………………16
224 发酵车间菌空气年耗量………………………………………………16
225 发酵车间菌空气单耗…………………………………………………16
226 菌空气总衡算表………………………………………………………16
3 设备选型计算 ……………………………………………………………………17
31 发酵罐 ……………………………………………………………………… 17
311 发酵罐选型……………………………………………………………17
312 发酵罐生产力计算…………………………………………………17
313 发酵罐台数确定………………………………………………………17
314 发酵罐容积确定………………………………………………………17
315 校核………………………………………………………………………18
316 尺寸计算…………………………………………………………18
3161 罐径………………………………………………………………… 18
3162 搅拌器……………………………………………………………… 18
317 搅拌轴功率计算………………………………………………………19
318 冷面积计算…………………………………………………………19
319 设备结构工艺设计……………………………………………………19
3191 空气分布器………………………………………………………… 19
3192 挡板………………………………………………………………… 19
3193 密封………………………………………………………………… 19
3194 冷布置………………………………………………………… 19
3110 设备材料选择 ………………………………………………………20
3111 接设计 ………………………………………………………………20
31111 接长度设计 ………………………………………………… 20
31112 接直径确定 ………………………………………………… 20
311121排料径计算 …………………………………………20
311122通风径计算 …………………………………………20
31113排料时间复核…………………………………………………… 21
3112支座选择…………………………………………………………………21
32种子罐………………………………………………………………………… 21
321 种子罐选型……………………………………………………………21
322 种子罐生产力计算…………………………………………………21
323 种子罐台数确定………………………………………………………21
324 种子罐容积确定………………………………………………………21
325 校核………………………………………………………………………21
326 尺寸计算…………………………………………………………21
3261 种子罐整体尺寸计算……………………………………………… 21
3262 搅拌器尺寸计算…………………………………………………… 22
327 搅拌轴功率计算………………………………………………………22
328 冷面积计算…………………………………………………………23
329 设备结构工艺设计……………………………………………………23
3291 挡板………………………………………………………………… 23
3292 密封………………………………………………………………… 23
3293 冷水…………………………………………………………… 23
3294 进风……………………………………………………………… 23
3295 支座选择…………………………………………………………… 23
33 连续灭菌设备 ……………………………………………………………… 23
331 连消塔……………………………………………………………………24
3311 连消塔长度计算………………………………………………… 24
3312 进料直径计算………………………………………………… 24
3313 连消蒸汽耗量……………………………………………………… 25
3314 进气直径计算…………………………………………………… 25
3315 出料直径计算…………………………………………………… 25
3316 连消塔外圆尺寸计算……………………………………………… 25
3317 外筒效长度校核……………………………………………… 25
3318 支座选择…………………………………………………………… 26
332 维持罐……………………………………………………………………26
3321 生产力数量容积确定…………………………………… 26
3322 尺寸确定…………………………………………………… 26
3323 部出料开口位置……………………………………………… 26
3324 接计算…………………………………………………………… 26
3325 支座选择…………………………………………………………… 27
333 螺旋板式换热器 ………………………………………………………27
3331换热器1……………………………………………………………… 27
3332换热器2……………………………………………………………… 27
334连消泵 ……………………………………………………………………27
34贮存罐槽……………………………………………………………… 28
341 配料罐……………………………………………………………………28
3411配料罐生产力容量数量确定 ……………………………28
3412尺寸确定 ……………………………………………………28
342玉米浆料槽……………………………………………………………… 28
3421 玉米浆料槽生产力容量数量确定……………………… 28
3422 尺寸确定…………………………………………………… 28
343 机盐槽…………………………………………………………………29
3431 机盐槽生产力容量数量确定 …………………………29
3432尺寸确定 ……………………………………………………29
35发酵车间设备览表…………………………………………………………29
4 附图 ………………………………………………………………………………29
5 参考文献 …………………………………………………………………………29
6 符号说明 ……………………………………………………………………30
设计务书
请设计年产2000t食品工业糖化酶发酵车间（黑曲霉深层发酵法生产）
基础数：
生产规模：食品工业糖化酶2000t／年
中液体糖化酶1000 m3／年固体粉末状糖化酶1000 t／年
产品规格：食品级液体糖化酶8万U／mL 食品级固体粉末状糖化酶10万U／g
生产天数：150天(时间生产酶)
发酵单位：2万U／mL
提取总收率：85
发酵清液率：90
发酵罐装料系数：80
发酵时间105hr
生产周期：120hr
培养温度：32℃
通气量：1VVM
发酵热
发酵培养基：玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01
接种量：15
种子培养基：
麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2S04：02 K2HP04：02
种子罐生产周期：60hr
通气量：1VVM
连消初温t175℃终温t2120℃加热蒸汽042Mpa温度145℃
二设计容：
1根设计务查阅关资料文献搜集必技术资料工艺参数进行生产方法选择较工艺流程工艺条件确定证简述工艺流程
2工艺计算：发酵车间物料衡算菌空气量计算
3糖化酶生产设备选型计算(包括设备容量数量外形尺寸)
三设计求：
根设计容书写设计说明书
完成初步设计阶段图纸：工艺流程图(包括菌空气配料菌种发酵部分)：发酵车间面布置图
1 工艺条件确定工艺流程说明
1．1 概述
设计年产2000吨糖化酶工厂设计利黑曲霉结合液体深层发酵法板框压滤提取糖化酶设计糖化酶工艺流程条件生产原理做相关阐述关物料衡算菌空气量等作相应计算标准设备选型计算利黑曲霉发酵生产糖化酶工艺流程包括原材料处理种子培养发酵絮凝滤成品加工等工艺设计成果设计说明书工艺流程图发酵车间面布置图现产物糖化酶生产菌株作简单介绍
111 糖化酶
糖化酶称葡萄糖淀粉酶（Glucoamylase EC 3213）系统名称淀粉α14葡萄聚糖水解酶种胞外外切酶专性低淀粉链非原性末端次水解α14糖苷键水解葡萄糖单元[1]般淀粉水解程度达80
糖化酶性质：糖化酶种糖蛋白通常碳水化合物占418碳水化合物半乳糖葡萄糖葡萄糖胺甘露糖残基排列热酸碱稳定性特殊意义真菌产生糖化酶组分型性常见市售糖化酶中分离出葡萄糖酶Ⅰ葡萄糖酶Ⅱ两种组分培养基成分生产条件糖化酶组分型性影响天然糖化酶微生物培养酶制备程中受葡萄糖苷酶蛋白酶作成型性酶类工业糖化酶利热稳定性α环状糊精提高糖化酶热稳性适温度范围般50℃60℃糖化酶具较宽pH值适应范围适pH45钙离子酶结合结构变松散更利催化反应糖化酶麦芽糖糊精转化D葡萄糖底物水解速度受底物分子结构影响时受水解碳链序列中F键影响碳链越越反应速度底物碳链增长增加呈线性变化
糖化酶葡萄糖作发酵培养基种抗生素机酸氨基酸维生素发酵量生产种规格葡萄糖总淀粉糊精必需进行酶水解工业糖化酶优点：糖化酶设备没腐蚀性安全糖化酶工艺简单性稳定利厂稳定生产糖化酶淀粉水解较安全提高出酒率麸曲法减少杂菌感染节约粮食降低劳动强度改善劳动条件三糖化酶利生产机械化利实现文明生产说糖化酶应前景广阔值深入研究提高生产量质量
112 黑曲霉
黑曲霉分类学处：真菌门半知菌亚门丝孢纲丝胞目丛梗孢科曲霉属黑曲霉群拉丁学名：Aspergillus niger孢子头呈暗黑色菌丝体具横隔分枝菌丝构成菌丝黑褐色顶囊球形梗双层分生孢子球形滑粗糙般进行性生殖育细胞称足细胞
黑曲霉突变株查氏培养基菌落曲型炭黑色辐射沟纹菌落边缘中心分化伸长部位活性部位成熟部位老化部位区域孢子萌发早出现中心部位伸展部位逐渐形成密生部位分生孢子部位中心出现成熟部位菌落背面色稍黄[2]
12 工艺原理
121 生化分离工程[3]
然界产生微生物菌体发酵动植物组织培养酶反应等种生物生产程获生物原料提取分离加工精制目成分终成产品技术
122 发酵原理[3]
指黑曲霉等微生物利碳源（例麦芽糊精玉米淀粉豆饼粉）氮源（例(NH4)2SO4豆饼粉液氨玉米浆）生长子等物质黑曲霉提供生长代谢需原材料定温度密度压力分解出蛋白质等需产物程
123 絮凝原理[3]
预处理加入絮凝剂（天然合成分子聚电质）降低排斥电位时吸附周围微粒形成桥架成絮凝团分离
发酵液滤前常加入絮凝剂常见絮凝剂：明矾六水氯化铝氯化铁硫酸锌碳酸镁等水溶液中生成种氢氧化物凝胶具表面积
目前常絮凝剂工合成高分子聚物例机合成聚丙烯酰胺类聚乙烯亚胺衍生物优点：量少絮凝体粗分离效果絮凝速度快种类等优点
124 滤原理[3]
（1）表层滤（滤饼饼层滤）：架桥现象滤介质（织物孔物体孔膜）滤进行滤渣滤介侧形成滤饼初时滤介微孔颗粒穿滤介质进入滤液混浊颗粒微孔时互相架桥流道更狭窄
（2）深床滤（深层滤）：滤介质——砂子砂子砾石混合成堆积介质介质层较厚里面形成长曲折流道通常处理颗粒直径流道直径悬浮液
（3）滤时加热抑菌热稳定性低糖化酶适滤须菌环境中进行
（4）滤时添加助滤剂处：
解决两问题：滤饼压缩问题二菌丝碎片细菌细胞等粒子会逐渐聚集滤膜表面者渗入滤布部滤介质部分孔阻塞滤效率急剧降
(5) 效两类预处理助滤剂硅藻土珍珠岩
硅藻土：古代水生物残骸
珍珠岩：膨化火山岩
13 工艺路线选择[4]
131 液体深层通气发酵法选择
（1）酶制剂发酵生产技术固体发酵法液体发酵法中固体发酵法浅盘法转桶法厚层通气法液体发酵法分液体表面发酵法液体深层通气发酵法
（2）固体发酵定义
广义：微生物生长溶水基质基质含量水(free water)
狭义：微生物生长潮湿溶水基质进行发酵固体发酵程中含水著微生物产出水增加固体发酵范围延伸黏稠发酵(slurry fermentation)固体颗粒悬浮发酵
固体发酵优点：培养基单纯例谷物类麦麸麦草宗谷物农产品等均发酵原料成较济 基质前处理较液体发酵少例简单加水基质潮湿简单磨破基质增加接触面积需特殊机具般家庭进行步骤获水分减少杂菌污染种低灭菌步骤施行发酵适合低技术区产生特殊产物红麴产生红色色素液体发酵十倍曲霉菌固体发酵产生葡萄糖苷酶较液体发酵产生酵素更具耐热性固体发酵相相高培养基较反应器进行发酵单位体积产量较液体高游回收纯化程废弃物处理通常较简化单纯常整基质做饲料添加物需回收纯化废弃物问题 固体发酵食品产生特殊风味提高营养价值天培作肉类代品胺基酸脂肪酸易体消化吸收
缺点明显：限低湿状态生长微生物流程产物较受限般较适合真菌较致密环境发酵代谢热移常造成问题尤量生产时常限制规模产固态项参数易侦测尤液体发酵种探针适固体发酵pH值湿度基质浓度易调控(单位面积体积)生物数量易量测批次发酵条件易致现性差易搅拌方式进行质量传递(量迁移)发酵期间物质添加法达均匀易侦测发酵工程观点许工作定性观察性质易设计反应器难量化生产设计合理化发酵流程固体发酵培养时间较长产量产常低液体发酵萃取产物常黏度高易量浓缩
（3）液体表面发酵法称液体浅盘发酵液体静置培养法法需搅拌动力消耗少缺点培养基灭菌须单独设备中进行整程控制杂菌污染较难发酵需场较
（4）液体深层通气发酵法目前酶制剂生产中应广泛方法 生物反应器（发酵罐）具搅拌桨叶通风系统密闭容器该发酵罐称通式发酵罐培养基灭菌冷切接种发酵罐进行
总液体发酵法固体发酵法相言液体流动性工艺条件容易控制利动化操作采纯种发酵发酵程易染杂产品纯度提高质量稳定该方法机械化强度高劳动强度设备利率高
132 间歇式操作选择
间歇式反应器种间歇批量进行反应化学反应器液体物料反应器完全混合流量进出采间歇操作反应器做间歇反应器特点进行反应需原料次装入反应器然中进行反应定时间达求反应程度便卸全部反应物料中反应产物少量未转化原料间歇式操作发酵彻底工艺技术求低易染菌染菌损失相较目前酶制剂工业液体发酵采间歇发酵法国外正尝试连续发酵法方法旦成功会推动酶制剂工业新台阶
选生产工艺机械化动化程度高生产程安全完善三废处理措施
14 工艺流程简述
先原材料粉碎然糊化备备碳源氮源加入发酵罐中利黑曲霉发酵发酵发酵液放入储罐中加入絮凝剂絮凝需产物胞外产物选板框压滤机滤取滤液滤液超滤膜进步滤加入防腐剂液体便装罐制成成品流程包括：原材料预处理菌种培养发酵滤成品加工图1总工艺流程示意图
15 工艺流程说明
151 种子制备
1511 固体孢子培养
茄瓶中加入孢子培养基灭菌冷接菌种31℃培养67天备
菌种
斜面培养
摇瓶孢子培养
种子罐扩培养
原料
预处理
灭菌
冷
空气
压缩
冷
气液分离
滤菌
发酵
发酵液
滤
滤液
2酸性白土
25硅藻土
酶清液
浓缩
浓缩
浓缩酶液
防腐剂稳定剂
成品酶液
冷酒精
1淀粉
压滤
滤饼
真空干燥
固体糖化酶
图1 糖化酶生产总工艺流程示意图
1512 种子罐培养
种子培养基：麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2SO402 K2HPO40231℃培养48h通风量05VVM镜检菌丝生长正常杂菌污染接种发酵罐
152 发酵
培养基配方：玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01α淀粉酶001泡敌00102Mpa杀菌冷32℃接种量15接入48h种子培养基中添加少量聚乙烯醇衍生物防止菌丝体结球增加产量通气量1VVM发酵时间105hr发酵液酶活2万Uml
153 提取
黑曲霉产生糖化酶种胞外酶先真空转鼓滤发酵液中菌丝体滤液（pH3~38）加2酸性白土吸附转苷酶加硅藻土25作助滤剂酶清液然超滤装置2530℃浓缩1213超滤浓缩液继续真空薄膜蒸发器浓缩12然加入防腐剂稳定剂制成高酶活成品酶液液体酶生产工艺简单方便保质期短固体酶生产工艺较液体酶复杂成高便运输保质期长食品工业固体糖化酶常生产工艺：浓缩酶液中加淀粉1加冷5℃酒精终浓度65压滤滤饼4050℃真空干燥食品工业固体糖化酶
16工艺技术指标基础参数
161技术指标
技术指标表11示
表11 糖化酶发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
ta
2000
生产方法
深层液体发酵机溶剂沉淀提取
年生产天数
da
150
产品日产量
kgd
13320
产品质量
Uml
液体：8万 固体：10万
倒罐率
0
发酵周期
h
120
发酵辅助时间
h
15
菌种培养时间
h
60
接种量
15
发酵罐装料系数
80
放罐发酵单位
Uml
2万
提取总收率
85
162种子培养基（）
麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2SO402 K2HPO402
163发酵培养基（）
玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01
2工艺计算[5]
21 发酵车间物料衡算
物料衡算意义：通物料衡算求出引入离开设备物料（包括原料中间体成品等）组分成分质量体积进计算成品原料消耗定额日年消耗量成品副产物废物等排出物料量根计算结果完成生产设备容量数尺寸确定工艺流程草图设计水蒸汽热量冷量等衡计算工厂建成投产样利物料衡算针生产工艺流程车间设备利观测数计算某难直接计算参变量实现现行生产状况进行分析找出薄弱环节进行革新改造挖掘生产潜力制定改进措施提高生产效率提高正品率减少副产品杂质三废排放量降低投入消耗提高企业济效益
物料衡算方法步骤：弄清题意计算目求绘出物料衡算流程图写出生物反应方程式收集设计基础数关物化常数确定工艺指标消耗定额等选定计算基准计算校核整理计算结果列出物料衡算表绘出物料流程图
拟设计年产2000t食品工业糖化酶（中含液体糖化酶1000m3(8万Uml)固体粉末状糖化酶1000t(10万Ug)）
211 生产力计算
（1）年产糖化酶总单位
1000×106×8+1000×106×1018×1010万(U)
（2）日产糖化酶总单位
18×101015012×108万(U)
（3）理发酵清液量
12×1082×10660m3
（4）实际发酵清液量
608570588m3d
（5）制作液体糖化酶发酵清液量
70588×8(10+8)3137m3d
（6）制作固体糖化酶发酵清液量
70588×10(10+8)3922m3d
（7）发酵原液量
70588907843m3d
212 发酵培养基配料计算
根发酵培养基配方接种量计算出发酵液中成分量计算程示表21示发酵培养基物料衡算结果
（1）玉米淀粉量
7843×85×221467t
（2）豆饼粉量
7843×85×4267t
（3）玉米浆量
7843×85×1067t
（4）(NH4)2SO4 量
7843×85×040267t
（5）Na2HPO4量
7843×85×0100667t
（6）菌种量
7843×151176t
表21 发酵培养基物料衡算表
配料名称
含量
日投料量t
玉米淀粉
22
1467
豆饼粉量
4
267
玉米浆量
1
067
(NH4)2SO4 量
04
0267
Na2HPO4量
01
00667
菌种量
15
1176
213 种子培养基配料计算
原始发酵量接种量知种子罐聊1176t根种子培养基配方计算出种子罐中成分量计算程示表22示种子培养基物料衡算结果
（1）麦芽糊精量
1176×4047t
（2）玉米浆量
1176×101176t
（3）(NH4)2SO4量
1176×02002352t
（4）K2HPO4量
1176×02002352t
表22 种子培养基物料衡算表
配料名称
含量
日投料量t
麦芽糊精
4
047
玉米浆
1
01176
(NH4)2SO4
02
002352
K2HPO4
02
002352
214 滤产生发酵清液程物料衡算
已知发酵清液产量7588计算出物料量表23示滤产生发酵清液程物料衡算结果
（1）滤菌丝发酵液量
70588(1+2+3)67226m3d
（2）酸性白土量
67226×2134t
（3）硅藻土量
67226×3202t
（4）滤菌丝取样等损失量
7843705887842t
表23 滤产生发酵清液程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量
物料名称
日放料量
成熟发酵液
7843m3
菌丝等滤渣
7842t
酸性白土
134t
发酵清液
70588m3
硅藻土
202t
215 液体固体酶制剂程物料衡算
2151 液体酶制剂中物料衡算
（1）液体酶制剂量
已知实际发酵清液70588m3d中制作液体糖化酶发酵清液3137m3d设x液体酶制剂量根酶制剂发酵清液酶单位守恒：3137×85×2x×8x666m3
（2）蒸发前液量
设蒸发组分50蒸发前液量：666501332m3
（3）滤渣量
313713321805t
（4）超滤程浓缩率
13323137042
液体酶制剂制备程物料衡算结果表24示
表24 液体酶制剂制备程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量m3
物料名称
日放料量
发酵清液
3137
滤渣
1805t
蒸发组分
666m3
液体酶制剂
666m3
2152 固体酶制剂中物料衡算
（1）已知实际发酵清液70588m3d中制作固体糖化酶发酵清液3922m3d设y固体酶制剂量
根酶制剂发酵清液酶单位守恒：3922×85×2x×10y666t
（2）添加淀粉量
3922×10392t
（3）压滤前终体积
3922656094m3
（4）乙醇量
6094392203922133m3
（5）滤液放料量
60946665428m3
连消滤产生发酵清液程物料衡算结果表25示
表25 连消滤产生发酵清液程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量m3
物料名称
日放料量
发酵清液
3922
滤液
5428m3
淀粉量
0392
固体酶制剂
666t
乙醇
2133
216 总物料衡算
计算物料衡算结果糖化酶发酵车间总物料衡算表
表26 糖化酶发酵车间总物料衡算表
物料名称
生产1t糖化酶（活度20000ug）物料量
2000ta糖化酶生产物料量
日物料量
固态糖化酶kg
9435
1000000
6660
液态糖化酶L
9435
1000000
6660
发酵液量L
1111
11764500
78430
发酵清液量L
1000
10588200
70588
二级种液L
1666
1764000
11760
玉米淀粉kg
20782
2200500
14670
豆饼粉kg
3768
399000
2660
玉米浆kg
1116
118140
7876
(NH4)2SO4 kg
412
43575
2905
Na2HPO4kg
085
9000
60
K2HPO4kg
0333
3528
2352
麦芽糊精kg
6658
70500
470
酸性白土kg
1898
201000
1340
硅藻土kg
28617
303000
2020
淀粉kg
555
58800
392
乙醇L
302176
3199500
21330
22 菌空气量计算
耗氧生物生存需氧黑曲霉耗氧生物类型发酵生产适宜溶氧浓度耗氧速度样溶氧量反应器类型通风速率搅拌条件等关类型发酵反应发酵罐形式耗氧量外常菌压缩空气押送培养基料液压缩空气消耗量样压缩空气消耗量计算非常重设计务
221 单罐发酵菌空气耗量
（1）单罐发酵气量
已知发酵程中通气量1VVM单罐发酵气量V118×80×1×605664（m3h）
（2）年发酵罐单罐发酵批次
(80×150)(100×5)24
（3）单罐发酵年气量
Va5664×105×241473280m3
222 种子培养等菌空气耗量
二级种子培养种子罐中进行根接种量通气速率培养时间等进行计算般菌空气消耗量约等发酵程空气耗量20
（1）单罐种子气量：5664×2011328（m3h）
（2）单罐种子年气量：11328×60×241631232（m3h）
223 发酵车间高峰菌空气消耗量
高峰菌空气耗量：5664×5+11328×4328512 （m3h）
224 发酵车间菌空气年耗量
发酵车间菌空气年耗量：1473280×5+1631232×477891328m3a
225 发酵车间菌空气单耗
根设计实际糖化酶年产量2000ta发酵车间菌空气单耗： 77891328200038945m3t
226 菌空气总衡算表
衡算结果出2000 ta糖化酶生产车间菌空气量总衡算表表27示
表27 发酵车间菌空气量总衡算表
单罐通气量(m3h)
种子培养耗气量(m3h)
高峰空气耗量(m3h)
年空气耗量m3
空气单耗(m3t糖化酶)
5664
11328
328512
77891328
38945
3设备选型计算[5]
进行设备选型计算前首先应该明确设备选型原：保证工艺程实施安全济合理技术先进投资省耗材料少加工方便采购容易运行费低水电气消耗少操作清洗方便耐易维修备品配件供应减轻工劳动强度实施机械化动化方便结构紧凑量采实践考验证明确实性优良设备考虑生产波动设备衡留定余量考虑设备障检修备
31发酵罐
311 发酵罐选型
气发酵罐研究20世纪40年代开始取系列成果种罐型纷纷出现致分机械搅拌型气相连续型水泵型气升型四类
评价发酵罐技术性尺度体积溶氧系数KLa评价济性溶氧效率g然实践性角度考虑该种发酵罐已实践容积放性否适合某种发酵醪液体特性等
前国发酵行业中占统治位发酵罐机械涡轮搅拌通风发酵罐通罐选种发酵罐原历史悠久资料齐全拟放方面积累较丰富成功验成功率高
设计选机械涡轮搅拌通风发酵罐
312 发酵罐生产力计算
吨糖化酶（活度2000Ug）需发酵液体积：20000(20000×85×90)13m3
生产2000ta糖化酶（总活度18×1010万U）需发酵液体积：13×（18×10102×106）11763m3
年生产糖化酶150天天需发酵液体积：117631507842m3
发酵罐填充系数80天需发酵液总容量：78428098025m3
313 发酵罐台数确定
天需发酵罐数量： 98025100098取整1台需发酵罐数量： (98025×120)(100×24)49取整5台添加1台备罐6台
314 发酵罐容积确定
般说单罐容积越济性越风险越求技术理水越高应技术理水允许范围量取较发酵罐
需发酵罐总容积：（7843×120）(24×08)4902m3
均台发酵罐容积：49025984 m3
选公称容积100 m3发酵罐
315 校核
查表公称容积100 m3发酵罐总容积118m35台发酵罐总容积：118×3590 m3>4902 m3满足需
316 尺寸计算
3161 罐径
通查通式发酵罐系数表表
表31 公称容积100 m3发酵罐尺寸
罐径mm
4000
圆柱高H0
8000
封头高h
1040
罐体总高H
10080
计封头容积
109
全容积
118
3162 搅拌器
机械搅拌通风发酵罐搅拌涡轮三种形式根发酵特点基质菌体特性选糖化酶生产程中间补料操作混合求较高选六弯叶涡轮搅拌器
该搅拌器尺寸罐径D定例关系现尺寸列出：
搅拌器叶径：DiD343133(m)
叶宽： B02Di02×1330267(m)
弧长： l0375Di0375×13305(m)
底距： CD343133(m)
盘径： di075Di075×1331(m)
叶弦长： L025Di025×133033(m)
叶距： YD4(m)
弯叶板厚： δ14mm
列表整理数表32示
表32 发酵罐搅拌器部分尺寸
参数
结果
搅拌器叶径Dim
133
叶宽Bm
0267
弧长lm
05
底距Cm
133
盘径dim
1
叶弦长Lm
033
叶距Ym
4
弯叶板厚δmm
14
317 搅拌轴功率计算
搅拌轴功率单位体积搅拌轴功率相等计算方法验进行计算确定通常糖化酶发酵1kWm3发酵醪装液量944m3发酵罐应选取功率95 kW电机
318 冷面积计算
发酵生成热高峰年中热半月气温冷水达高温条件设计冷面积
发酵热qmax418×5000kJ(m3h)采竖式列式换热器取验值K418×500kJ(m3h)
冷水终温27℃初温20℃发酵温度32℃Δt1322012（℃）Δt232275（℃）数均温差Δtm（Δt1Δt2）ln(Δt1Δt2)8 （℃）
天装1罐罐实际装液量7843m3换热面积（418×5000×7843）(418×500×8)980375（m2）
319 设备结构工艺设计
设备结构设计包括容：空气分布器挡板密封方式搅拌器冷布置等
3191 空气分布器
空气分布器分孔式单式设计通气量较单罐通风进风速度高涡轮板阻挡叶轮碎溶氧等处良状态
3192 挡板
挡板作加强搅拌强度般型罐设计中应加挡板罐扶梯竖式冷蛇设挡板
3193 密封
罐拟采双面机械密封方式处理轴罐动静问题
3194 冷布置
较罐夹套冷面积法满足生产求列式冷装置然冷效果耗水量设计竖直蛇冷装置
冷布置中进水总直径计算冷组数径总长组长圈数实际传热面积应考虑
已知冷水进出口温度冷水热容醪液总放热量：418×5000×78431972960（kgh）
知高热负荷耗水量W：1972960[418×(2720)]1873（kgs）
冷水体积流量00187m3 s
取冷水竖直蛇中流速1ms冷总截面积：0018731001873（m2）
进水总直径：（001870785）050154（m）
3110 设备材料选择
选锈钢制作降低设备费
3111 接设计
31111 接长度设计
接长度h根直径保温般取100200mm具体值见表32
表33 接长度h
公称直径Dgmm
保温接长
保温设备接长
适公称压力MPa
≤15
80
130
≤40
2050
100
150
≤16
70350
150
200
≤16
70500
≤10
31112 接直径确定
排料时通风计算径时分排列通风计算径取较者总径
311121 排料径计算
发酵罐装料7843m32h排空物料体积流量：7843(3600×2)00108（m3s）
发酵液流速取v1m s排料截面积：00108100108（m3）
径：(001080785)05 0118（m）
取缝钢Φ133×4径125mm>118mm适
311122 通风径计算
通风1vvm（01MPa20℃）通风量：7843×17843（m3min）129（m3s）
折算工作状态（035MPa32℃）风量129×（01035）×(273+32)(273+20)0384（m3s）
取风速35ms通风截面积03843500110（m2）
通风径(001100785)050118（m）取缝锈钢Φ133×4（公称压力<10MPa）
通风排料取缝锈钢Φ133×4
31113 排料时间复核
物料流量00108m3s流速v1ms道截面积0785×0125200123m2
相流速流物料径较原计算结果相应流速00108（00123×1)088
排料时间：2×088176h
3112 支座选择
生物工程工厂设备常支座分卧式制作立式支座中卧式支座分支腿圈型鞍型支座三种立式支座分悬挂支承裙式三种
100m3发酵罐设备总质量较应选裙式支座设计选裙式支座
32种子罐
321种子罐选型
种子罐选型发酵罐相采机械搅拌通风
322 种子罐生产力计算
天需种子液量： 7842×1511763m3
种子罐填充系数80天需种子罐总容量：1176380147m3
323 种子罐台数确定
天需种子罐数量： 14715098取整1台
需种子罐数量：(147×60)(15×24)245取整3台加备罐4台
324 种子罐容积确定
已知车间年产2000t糖化酶日需种子液1176 m3d需设备总容积：（1176×60）(24×08) 3675（m3）
选公称容积15 m3种子罐
325 校核
查表知公称容积15m3发酵罐总容积：0212×042×0785+136×2172（m3）
醪液总换热量：418×5000×1176246×105kJ(m3×h)
4台种子罐总容积688m3>3675m3满足需
326 尺寸计算
3261 种子罐整体尺寸计算
求种子罐公称容积15m3设HD2求种子罐直径D202m整合21查椭圆形封头尺寸表面积容积表筒体容积面积质量表V封136m3h1525mmh240mm封头高度565mm总高度4200+2×5654765mm
表33种子罐项尺寸数
表34 15m3种子罐尺寸
项目
数
罐径mm
2100
罐体总高mm
4765
圆柱部分容积m3
1454
封头高度mm
565
封头容积m3
136
全容积m3
172
实际装液量m3
1376
3262 搅拌器尺寸计算
种子罐较混合程度求高选适中六弯叶涡轮搅拌器
该搅拌器部尺寸罐径D定例关系现尺寸列出：
搅拌器叶径：DiD321307(m)
叶宽： B02Di02×0 7014(m)
弧长： l0375Di0375×0 702625(m)
底距： CD32130 7 (m)
盘径： di075Di075×0 70525(m)
叶弦长： L025Di025×0 70175(m)
叶距： YD21(m)
弯叶板厚： δ14mm
列表整理数表35示
表35 种子罐搅拌器部分尺寸
参数
结果
搅拌器叶径Dim
07
叶宽Bm
014
弧长lm
02625
底距Cm
0 7
盘径dim
0525
叶弦长Lm
0175
叶距Ym
21
弯叶板厚δmm
14
327 搅拌轴功率计算
搅拌轴功率单位体积搅拌轴功率相等计算方法验进行计算确定通常糖化酶发酵1kWm3发酵醪装液量1376m3发酵罐选取功率1376kW电机
328 冷面积计算
发酵生成热高峰年中热半月气温冷水达高温条件设计冷面积
发酵热qmax418×5000kJ(m3×h)天装1罐取K418×220kJ(m3×h×℃)罐实际装液量1176m3醪液时总换热量246×105kJ(m3×h)换热面积(418×5000×1176)(418×220×7)382m2
329 设备结构工艺设计
3291 挡板
挡板挡板作加强搅拌强度设计中种子罐较适合安装挡板
3292 密封
罐拟采双面机械密封方式处理轴罐动静问题
3293 冷水
前知醪液时总换热量246×105kJ(m3×h)冷水温变化23℃27℃高热负荷耗水量 246×105[418×(2723)] 409×103（m3s）
取水流速1ms冷径(409×1030785 )050072m
查金属材料表取焊接Dg80mm满足求
3294 进风
进风底应距罐30mm采取单满足种子罐求
进风时排列发酵罐中径计算相分排列通风计算径取较者总径
排料径计算种子罐装料1167m320min排空物料体积流量1176(60×20)00098m3s
发酵液流速取v09m s排料截面积0009809 0011m2
径0118m取缝锈钢Φ133×4径125mm>118mm适
通风径计算：通风1vvm（01MPa20℃）通风量1176×11176m3min 0196m3s折算工作状态（035MPa32℃）风量：0196×（01035）×(273+32)(273+20) 0051（m3s）取风速25ms通风径038425005m
通风排料取Φ125×4缝锈钢
3295 支座选择
采支撑式支座种子罐置楼板
33 连续灭菌设备
连续灭菌流程三种：连消塔喷淋冷流程二喷射加热流程三板式换热器流程三种流程优缺点现分列举：
连消塔喷淋冷流程优点连续性强快速灭菌消毒培养基营养成分破坏少适容积发酵罐物料连续灭菌消毒加热时间短提高热利率操作条件恒定灭菌质量稳定易实现道化控操作发酵设备利率高 缺点设备求高需外设置加热冷装置操作较麻烦染菌机会较染菌涉面广适合含量固体物料灭菌蒸汽求高
喷射加热流程中培养基受热时间短营养物质损失严重时该流程保证培养基物料先进先出避免热灭菌彻底等现象板式换热器加热冷时间喷射加热连续灭菌流程长培养基预热程时起灭菌培养基冷节约蒸汽冷水量
连消塔流程种种特点较适合操作设计连消塔喷淋冷流程计算设备参数
连续灭菌基设备般包括：①配料预热罐配制料液预热6075℃避免连续灭菌时料液蒸汽温差产生水汽撞击声 ②连消塔连消塔作高温蒸汽料液迅速接触混料液温度快升高灭菌温度（126132）℃③维持罐连消塔加热时间短光段时间灭菌够维持罐作料液灭菌温度保持57min达灭菌目④冷维持罐出料液冷排进行冷生产般采冷水喷淋冷冷4050℃输送预先已灭菌发酵罐
流程设计计算连消塔维持罐螺旋板式换热器连消泵设备选型
331 连消塔
连消塔操作相关参数表36示
表36 连消塔操作相关参数
类型
喷孔型
生产力
2h处理784m3培养基相密度109
数量
1套
灭菌时间
10min
停留时间
1030s
培养基流速
01ms
3311 连消塔长度计算
取培养基流速01ms连消塔中停留时间t10s连消塔长度01×101（m）
3312 进料直径计算
生产力知进料体积流量7842392（m3h）
物料流速范围v03~06ms取v042ms进料截面积：392(3600×042)0026（m2）径（00260785）050182（m）
查资料手册取缝锈钢Φ200×35径193mm>182mm满足生产求
3313 连消蒸汽耗量
2h处理784m3培养基相密度109质量流量（784×109）242728（th）42728（kgh）
培养基热容[037×22100+(10022)100] ×418086×418[kJ(kg×℃)]
连消初温t175℃终温t2120℃加热蒸汽042Mpa温度145℃热焓6543×418kJkg容045m3kg 120℃蒸汽热焓1205×418kJkg蒸汽消耗量：[42728×086×418×（12075）][418×(65431205)]3098kgh
蒸汽体积流量：3098×0451393m3h
热损失蒸汽耗量增加10蒸汽总质量流量3098×113409kgh
蒸汽总体积流量1393×111532 m3h
3314 进气直径计算
042MPa气速范围20~50ms取气速42ms进气截面积1532(3600×42)0011m2
进气直径(0010785)050114m
查材料手册取缝锈钢Φ133×4径125mm>122mm满足生产求
3315 出料直径计算
已知出料量427+3409461(th)取出料流速042ms体积流量461109423（m3h）
出料截面积：423(3600×042)0028（m2）
出料直径(00280785)050188（m）
查材料手册取缝锈钢Φ203×6径191mm>188mm满足生产求
3316 连消塔外圆尺寸计算
已知出料体积流量423m3h物料连消塔移动速度取01ms连消塔面积：4233600×010188（m3）
求出连消塔外圆尺寸(01180785+01332)05041（m）查表取Dg0426m
3317 外筒效长度校核
连消塔径圆整尺寸扩应重新确定效长度
取Φ390时连消塔截面积011m2效长度L1
取Φ426时连消塔截面积：0785×（0426201332）0128（m2）效长度：1×01090112085（m）
3318 支座选择
连消塔重量选悬挂式支座安装时重心应偏100mm
332 维持罐
维持罐连消塔加热时间短光段时间灭菌够维持罐作料液灭菌温度保持57min达灭菌目
维持设备维持罐维持两种式保证先进先出防止滑漏利阻力较罐式加工安装容易缺点滞留滑漏现象较现选罐式维持罐
3321 生产力数量容积确定
连消塔出料质量流量461th体积流量423m3h根前述灭菌时间扣连消塔停留时间维持罐中逗留时间：60010590s983min
维持罐填充系数取84维持罐总容积：423×983(60×84)825m3
维持罐容量8m3时般规模取1等8m3时改2~3设备维修等方便取二维持罐
3322 尺寸确定
维持罐考虑返混问题拟取HD25~3现取H3D该设备定温度压力视受压容器采椭圆封头
V罐2V封+V筒2×(π24)D3+0785D2×3D4m3解方程D122m取D12m
查椭圆形封头尺寸表面积容积表筒体容积面积质量表V封0255m3h1300mmh225mm封头高度300+25325mm总高度36+2×0325425m
核算总容量0785×122×36+2×0225458m3两维持罐总容量916m3825m满足求
3323 部出料开口位置
计算出部出料开口位置应离封头底距离：（430255）(0785×122)+0325397m
3324 接计算
进出料直径应取连消塔出料相尺寸Φ203×6保证生产利进行
校验物料中流速：423(3600×0785×01912)0417ms满足042ms流速需求
3325 支座选择
维持罐较选支撑式支座
333 螺旋板式换热器
螺旋板式换热器种高效换热器设备适汽汽汽液液液流传热适化学石油溶剂医药等行业结构形式分拆式螺旋板拆式螺旋板
设计需换热器两种途分加热物料冷培养基设计程述
3331 换热器1
换热器1培养基预热器利加热物料需连消培养基预热（20℃75℃）时维持罐流出热培养基冷120℃降80℃
该程需热量：423×1000×086×418×（12080）60824016kJh
逆流程均温差：[（12075）（8020）]ln[(12075)(8020)]521℃查表知该程总传热系数概1100~1500kJ(m2×h×℃)取1200kJ(m2×h×℃)换热面积608240161200×418×521233m2查表面积266m2选I6I16B20048006
换热器数量维持罐配套应选2
3332 换热器2
换热器2培养基冷器维持罐流出培养基换热器1冷换热器中冷水进步冷发酵温度35℃送入已杀菌发酵罐准备接种发酵程中冷水20℃升45℃
程中热负荷423×103×086×418×（8035）68427018kJh该程均温差[（8045）（3520）]ln[(8045)(3520)]236℃总传热系数概1100~1500kJ(m2×h×℃)取1200kJ(m2×h×℃)该程传热面积：684270181200*418*236578m2
查表取6008m2选I6I16B6010120014
数量换热器1配套选2
334 连消泵
生物工程工厂泵输送液体原理分分叶片式容积式两类中广泛离心泵体积效率高运行控制方便
表37列出泵求基性质参数作选择泵
表37 连消泵基性质参数
输送液体性质
密度109tm3温度125℃
固体
固体颗粒澄清透明
气体
基气体
操作条件
温度60~70℃
压力：进口侧调浆罐液位压送出口侧设备压力04~05MPa
流量：正常流量40m3h
位置
般设车间泵房中进口侧泵液面
根参数查关图表确定选择离心泵满足生产求现选IS8050200该产品转速2900rmin流量50m3h扬程50m设备泵1台需2台离心泵
34 贮存罐槽
生产程中需配料罐玉米浆料槽机盐槽等设备设计时应考虑选择合适材质相应容量保证生产正常运行前提应选表面积形状节省材料降低投资费
341 配料罐
配料罐名搅拌罐配料桶开启式斜底三层结构具加热动控温保温搅拌功传热快适应温差清洗方便等优点广泛应食(乳)品制药日化饮料油脂化工颜料等行业做中间缓储液搅拌调配设备(物料须加热调配均匀状态该设备济实)加热混合调配杀菌处理特适合蒸汽热源单位科研机构中试工艺需采全封闭式结构保温结构
3411 配料罐生产力容量数量确定
根前面物料衡算知天产糖化酶1332t需配料784m3三班配次取填充系数80储罐总体积98m3选250m3配料槽满足求
3412 尺寸确定
配料罐非标设备选型发酵罐参考高度发酵罐半配料罐尺寸4000×5000
342 玉米浆料槽
3421 玉米浆料槽生产力容量数量确定
物料衡算知天产糖化酶1332t需079t玉米浆班（1日3班）需07930263（t）米浆
三班配次玉米浆较粘稠考虑装料系数储罐总体积076m3选1m3浆料槽1满足求
3422 尺寸确定
贮存槽取HD2取底锥形封头结构根0785D2×20D1m3D086m罐径086m取09m罐高18m
343 机盐槽
3431 机盐槽生产力容量数量确定
物料衡算知天产糖化酶1332t需0434t机盐三班配次取填充系数80储罐总体积0467m3选1m3浆料槽1满足求
3432 尺寸确定
贮存槽取HD2取底锥形封头结构根0785D2×20D1m3D086m罐径086m取09m罐高18m
35 发酵车间设备览表
计算程需设备列出设备览表表38示
表38 年产2000t糖化酶发酵车间设备览表
序号
设备位号
设备名称
规格型号
单位
数量
材料
1
R0101AE
发酵罐
100m3
φ4000×10080
台
6
锈钢
2
R0102AD
种子罐
15m3φ2100×4765
台
4
锈钢
3
T0103
连消塔
φ426×1000
座
1
锈钢
4
V0104AB
维持罐
4m3φ1200×4250
台
2
锈钢
5
E0105
螺旋板式换热器I
I6I16B20048006
台
1
锈钢
6
E0106
螺旋板式换热器II
I6I16B6010120014
台
1
锈钢
7
P0107AB
连消泵
IS8050200
台
2
锈钢
8
V0108AB
配料罐
50m3φ4000×5000
台
2
锈钢
9
V0109
玉米浆料槽
1m3φ900×1800
台
1
锈钢
10
V0110
机盐槽
1m3φ900×1800
台
1
锈钢
4 附图
附图初步设计阶段图纸包括1张工艺流程图(包括菌空气配料菌种发酵部分)3张发酵车间面布置图
5 参考文献
[1]梁新红孙俊良唐玉郭祖峰黑曲霉糖化酶分离纯化酶学性质研究[J]河南科技学院学报201139(4)2427
[2]单海艳黑曲霉生产糖化酶酶活测定[J]牡丹江学学报201019(7)9294
[3]严希康编生化分离工程[M]化学工业出版社2000
[4]吴思方编发酵工厂工艺设计概 [M]中国轻工业出版社2006．
[5]吴思方编生物工程工厂设计概 [M]中国轻工业出版社2008．
6 符号说明
表61 符号说明
表示符号
单位
名称
l
m
长度
d
m
径
D
m
罐直径
z
m
高度
Hg
m
安装高度
A
m2
面积
V
m3
体积
m
kg
质量
t
℃
温度
u
ms
流速
G
kg(m2s)
质量流速
p
Pa
压力
qm
kgs
质量流量
qv
m3h
体积流量
I
kJkg
焓
K
W(m2℃)
总传质系数
c
kJ(kg℃)
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XX学
生命科学技术学院生物工程系
课程设计
题目： 黑曲霉深层发酵法生产2000ta食品工业
糖化酶车间工艺设计
说明书 30 页
图纸 5 张（图纸附件）
教研室
指导教师
学生 xxx
20xx年 X月 X日北京
目录
目录……………………………………………………………………………………1
设计务书……………………………………………………………………………5
1 工艺条件确定工艺流程说明…………………………………………………6
11概述 ……………………………………………………………………………6
111糖化酶 …………………………………………………………………… 6
112黑曲霉 …………………………………………………………………… 6
12 工艺原理……………………………………………………………………… 7
121 生化分离工程 ……………………………………………………………7
122 发酵原理 …………………………………………………………………7
123 絮凝原理 …………………………………………………………………7
124 滤原理 …………………………………………………………………7
13 工艺路线选择……………………………………………………………… 8
131 液体深层通气发酵法选择 ……………………………………………8
132 间歇式操作选择 ………………………………………………………9
14 工艺流程简述………………………………………………………………… 9
15 工艺流程说明………………………………………………………………… 9
151 种子制备 …………………………………………………………………9
1511 固体孢子培养 ……………………………………………………… 9
1512 种子罐培养………………………………………………………… 11
152 发酵………………………………………………………………………11
153 提取……………………………………………………………………11
16 工艺技术指标基础参数 ………………………………………………… 11
161 技术指标……………………………………………………………11
162 种子培养基（）……………………………………………………… 11
163 发酵培养基（）……………………………………………………… 12
2 工艺计算 …………………………………………………………………………12
21 发酵车间物料衡算 ……………………………………………………… 12
211 生产力计算……………………………………………………………12
212 发酵培养基配料计算……………………………………………………13
213 种子培养基配料计算…………………………………………………13
214 滤产生发酵清液程物料衡算…………………………………14
215 液体固体酶制剂程物料衡算……………………………………14
2151 液体酶制剂中物料衡算………………………………………… 14
2152 固体酶制剂中物料衡算………………………………………… 15
216 总物料衡算………………………………………………………………15
22 菌空气量计算 ……………………………………………………… 16
221 单罐发酵菌空气耗量………………………………………………16
222 种子培养等菌空气耗量…………………………………………16
223 发酵车间高峰菌空气消耗量…………………………………………16
224 发酵车间菌空气年耗量………………………………………………16
225 发酵车间菌空气单耗…………………………………………………16
226 菌空气总衡算表………………………………………………………16
3 设备选型计算 ……………………………………………………………………17
31 发酵罐 ……………………………………………………………………… 17
311 发酵罐选型……………………………………………………………17
312 发酵罐生产力计算…………………………………………………17
313 发酵罐台数确定………………………………………………………17
314 发酵罐容积确定………………………………………………………17
315 校核………………………………………………………………………18
316 尺寸计算…………………………………………………………18
3161 罐径………………………………………………………………… 18
3162 搅拌器……………………………………………………………… 18
317 搅拌轴功率计算………………………………………………………19
318 冷面积计算…………………………………………………………19
319 设备结构工艺设计……………………………………………………19
3191 空气分布器………………………………………………………… 19
3192 挡板………………………………………………………………… 19
3193 密封………………………………………………………………… 19
3194 冷布置………………………………………………………… 19
3110 设备材料选择 ………………………………………………………20
3111 接设计 ………………………………………………………………20
31111 接长度设计 ………………………………………………… 20
31112 接直径确定 ………………………………………………… 20
311121排料径计算 …………………………………………20
311122通风径计算 …………………………………………20
31113排料时间复核…………………………………………………… 21
3112支座选择…………………………………………………………………21
32种子罐………………………………………………………………………… 21
321 种子罐选型……………………………………………………………21
322 种子罐生产力计算…………………………………………………21
323 种子罐台数确定………………………………………………………21
324 种子罐容积确定………………………………………………………21
325 校核………………………………………………………………………21
326 尺寸计算…………………………………………………………21
3261 种子罐整体尺寸计算……………………………………………… 21
3262 搅拌器尺寸计算…………………………………………………… 22
327 搅拌轴功率计算………………………………………………………22
328 冷面积计算…………………………………………………………23
329 设备结构工艺设计……………………………………………………23
3291 挡板………………………………………………………………… 23
3292 密封………………………………………………………………… 23
3293 冷水…………………………………………………………… 23
3294 进风……………………………………………………………… 23
3295 支座选择…………………………………………………………… 23
33 连续灭菌设备 ……………………………………………………………… 23
331 连消塔……………………………………………………………………24
3311 连消塔长度计算………………………………………………… 24
3312 进料直径计算………………………………………………… 24
3313 连消蒸汽耗量……………………………………………………… 25
3314 进气直径计算…………………………………………………… 25
3315 出料直径计算…………………………………………………… 25
3316 连消塔外圆尺寸计算……………………………………………… 25
3317 外筒效长度校核……………………………………………… 25
3318 支座选择…………………………………………………………… 26
332 维持罐……………………………………………………………………26
3321 生产力数量容积确定…………………………………… 26
3322 尺寸确定…………………………………………………… 26
3323 部出料开口位置……………………………………………… 26
3324 接计算…………………………………………………………… 26
3325 支座选择…………………………………………………………… 27
333 螺旋板式换热器 ………………………………………………………27
3331换热器1……………………………………………………………… 27
3332换热器2……………………………………………………………… 27
334连消泵 ……………………………………………………………………27
34贮存罐槽……………………………………………………………… 28
341 配料罐……………………………………………………………………28
3411配料罐生产力容量数量确定 ……………………………28
3412尺寸确定 ……………………………………………………28
342玉米浆料槽……………………………………………………………… 28
3421 玉米浆料槽生产力容量数量确定……………………… 28
3422 尺寸确定…………………………………………………… 28
343 机盐槽…………………………………………………………………29
3431 机盐槽生产力容量数量确定 …………………………29
3432尺寸确定 ……………………………………………………29
35发酵车间设备览表…………………………………………………………29
4 附图 ………………………………………………………………………………29
5 参考文献 …………………………………………………………………………29
6 符号说明 ……………………………………………………………………30
设计务书
请设计年产2000t食品工业糖化酶发酵车间（黑曲霉深层发酵法生产）
基础数：
生产规模：食品工业糖化酶2000t／年
中液体糖化酶1000 m3／年固体粉末状糖化酶1000 t／年
产品规格：食品级液体糖化酶8万U／mL 食品级固体粉末状糖化酶10万U／g
生产天数：150天(时间生产酶)
发酵单位：2万U／mL
提取总收率：85
发酵清液率：90
发酵罐装料系数：80
发酵时间105hr
生产周期：120hr
培养温度：32℃
通气量：1VVM
发酵热
发酵培养基：玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01
接种量：15
种子培养基：
麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2S04：02 K2HP04：02
种子罐生产周期：60hr
通气量：1VVM
连消初温t175℃终温t2120℃加热蒸汽042Mpa温度145℃
二设计容：
1根设计务查阅关资料文献搜集必技术资料工艺参数进行生产方法选择较工艺流程工艺条件确定证简述工艺流程
2工艺计算：发酵车间物料衡算菌空气量计算
3糖化酶生产设备选型计算(包括设备容量数量外形尺寸)
三设计求：
根设计容书写设计说明书
完成初步设计阶段图纸：工艺流程图(包括菌空气配料菌种发酵部分)：发酵车间面布置图
1 工艺条件确定工艺流程说明
1．1 概述
设计年产2000吨糖化酶工厂设计利黑曲霉结合液体深层发酵法板框压滤提取糖化酶设计糖化酶工艺流程条件生产原理做相关阐述关物料衡算菌空气量等作相应计算标准设备选型计算利黑曲霉发酵生产糖化酶工艺流程包括原材料处理种子培养发酵絮凝滤成品加工等工艺设计成果设计说明书工艺流程图发酵车间面布置图现产物糖化酶生产菌株作简单介绍
111 糖化酶
糖化酶称葡萄糖淀粉酶（Glucoamylase EC 3213）系统名称淀粉α14葡萄聚糖水解酶种胞外外切酶专性低淀粉链非原性末端次水解α14糖苷键水解葡萄糖单元[1]般淀粉水解程度达80
糖化酶性质：糖化酶种糖蛋白通常碳水化合物占418碳水化合物半乳糖葡萄糖葡萄糖胺甘露糖残基排列热酸碱稳定性特殊意义真菌产生糖化酶组分型性常见市售糖化酶中分离出葡萄糖酶Ⅰ葡萄糖酶Ⅱ两种组分培养基成分生产条件糖化酶组分型性影响天然糖化酶微生物培养酶制备程中受葡萄糖苷酶蛋白酶作成型性酶类工业糖化酶利热稳定性α环状糊精提高糖化酶热稳性适温度范围般50℃60℃糖化酶具较宽pH值适应范围适pH45钙离子酶结合结构变松散更利催化反应糖化酶麦芽糖糊精转化D葡萄糖底物水解速度受底物分子结构影响时受水解碳链序列中F键影响碳链越越反应速度底物碳链增长增加呈线性变化
糖化酶葡萄糖作发酵培养基种抗生素机酸氨基酸维生素发酵量生产种规格葡萄糖总淀粉糊精必需进行酶水解工业糖化酶优点：糖化酶设备没腐蚀性安全糖化酶工艺简单性稳定利厂稳定生产糖化酶淀粉水解较安全提高出酒率麸曲法减少杂菌感染节约粮食降低劳动强度改善劳动条件三糖化酶利生产机械化利实现文明生产说糖化酶应前景广阔值深入研究提高生产量质量
112 黑曲霉
黑曲霉分类学处：真菌门半知菌亚门丝孢纲丝胞目丛梗孢科曲霉属黑曲霉群拉丁学名：Aspergillus niger孢子头呈暗黑色菌丝体具横隔分枝菌丝构成菌丝黑褐色顶囊球形梗双层分生孢子球形滑粗糙般进行性生殖育细胞称足细胞
黑曲霉突变株查氏培养基菌落曲型炭黑色辐射沟纹菌落边缘中心分化伸长部位活性部位成熟部位老化部位区域孢子萌发早出现中心部位伸展部位逐渐形成密生部位分生孢子部位中心出现成熟部位菌落背面色稍黄[2]
12 工艺原理
121 生化分离工程[3]
然界产生微生物菌体发酵动植物组织培养酶反应等种生物生产程获生物原料提取分离加工精制目成分终成产品技术
122 发酵原理[3]
指黑曲霉等微生物利碳源（例麦芽糊精玉米淀粉豆饼粉）氮源（例(NH4)2SO4豆饼粉液氨玉米浆）生长子等物质黑曲霉提供生长代谢需原材料定温度密度压力分解出蛋白质等需产物程
123 絮凝原理[3]
预处理加入絮凝剂（天然合成分子聚电质）降低排斥电位时吸附周围微粒形成桥架成絮凝团分离
发酵液滤前常加入絮凝剂常见絮凝剂：明矾六水氯化铝氯化铁硫酸锌碳酸镁等水溶液中生成种氢氧化物凝胶具表面积
目前常絮凝剂工合成高分子聚物例机合成聚丙烯酰胺类聚乙烯亚胺衍生物优点：量少絮凝体粗分离效果絮凝速度快种类等优点
124 滤原理[3]
（1）表层滤（滤饼饼层滤）：架桥现象滤介质（织物孔物体孔膜）滤进行滤渣滤介侧形成滤饼初时滤介微孔颗粒穿滤介质进入滤液混浊颗粒微孔时互相架桥流道更狭窄
（2）深床滤（深层滤）：滤介质——砂子砂子砾石混合成堆积介质介质层较厚里面形成长曲折流道通常处理颗粒直径流道直径悬浮液
（3）滤时加热抑菌热稳定性低糖化酶适滤须菌环境中进行
（4）滤时添加助滤剂处：
解决两问题：滤饼压缩问题二菌丝碎片细菌细胞等粒子会逐渐聚集滤膜表面者渗入滤布部滤介质部分孔阻塞滤效率急剧降
(5) 效两类预处理助滤剂硅藻土珍珠岩
硅藻土：古代水生物残骸
珍珠岩：膨化火山岩
13 工艺路线选择[4]
131 液体深层通气发酵法选择
（1）酶制剂发酵生产技术固体发酵法液体发酵法中固体发酵法浅盘法转桶法厚层通气法液体发酵法分液体表面发酵法液体深层通气发酵法
（2）固体发酵定义
广义：微生物生长溶水基质基质含量水(free water)
狭义：微生物生长潮湿溶水基质进行发酵固体发酵程中含水著微生物产出水增加固体发酵范围延伸黏稠发酵(slurry fermentation)固体颗粒悬浮发酵
固体发酵优点：培养基单纯例谷物类麦麸麦草宗谷物农产品等均发酵原料成较济 基质前处理较液体发酵少例简单加水基质潮湿简单磨破基质增加接触面积需特殊机具般家庭进行步骤获水分减少杂菌污染种低灭菌步骤施行发酵适合低技术区产生特殊产物红麴产生红色色素液体发酵十倍曲霉菌固体发酵产生葡萄糖苷酶较液体发酵产生酵素更具耐热性固体发酵相相高培养基较反应器进行发酵单位体积产量较液体高游回收纯化程废弃物处理通常较简化单纯常整基质做饲料添加物需回收纯化废弃物问题 固体发酵食品产生特殊风味提高营养价值天培作肉类代品胺基酸脂肪酸易体消化吸收
缺点明显：限低湿状态生长微生物流程产物较受限般较适合真菌较致密环境发酵代谢热移常造成问题尤量生产时常限制规模产固态项参数易侦测尤液体发酵种探针适固体发酵pH值湿度基质浓度易调控(单位面积体积)生物数量易量测批次发酵条件易致现性差易搅拌方式进行质量传递(量迁移)发酵期间物质添加法达均匀易侦测发酵工程观点许工作定性观察性质易设计反应器难量化生产设计合理化发酵流程固体发酵培养时间较长产量产常低液体发酵萃取产物常黏度高易量浓缩
（3）液体表面发酵法称液体浅盘发酵液体静置培养法法需搅拌动力消耗少缺点培养基灭菌须单独设备中进行整程控制杂菌污染较难发酵需场较
（4）液体深层通气发酵法目前酶制剂生产中应广泛方法 生物反应器（发酵罐）具搅拌桨叶通风系统密闭容器该发酵罐称通式发酵罐培养基灭菌冷切接种发酵罐进行
总液体发酵法固体发酵法相言液体流动性工艺条件容易控制利动化操作采纯种发酵发酵程易染杂产品纯度提高质量稳定该方法机械化强度高劳动强度设备利率高
132 间歇式操作选择
间歇式反应器种间歇批量进行反应化学反应器液体物料反应器完全混合流量进出采间歇操作反应器做间歇反应器特点进行反应需原料次装入反应器然中进行反应定时间达求反应程度便卸全部反应物料中反应产物少量未转化原料间歇式操作发酵彻底工艺技术求低易染菌染菌损失相较目前酶制剂工业液体发酵采间歇发酵法国外正尝试连续发酵法方法旦成功会推动酶制剂工业新台阶
选生产工艺机械化动化程度高生产程安全完善三废处理措施
14 工艺流程简述
先原材料粉碎然糊化备备碳源氮源加入发酵罐中利黑曲霉发酵发酵发酵液放入储罐中加入絮凝剂絮凝需产物胞外产物选板框压滤机滤取滤液滤液超滤膜进步滤加入防腐剂液体便装罐制成成品流程包括：原材料预处理菌种培养发酵滤成品加工图1总工艺流程示意图
15 工艺流程说明
151 种子制备
1511 固体孢子培养
茄瓶中加入孢子培养基灭菌冷接菌种31℃培养67天备
菌种
斜面培养
摇瓶孢子培养
种子罐扩培养
原料
预处理
灭菌
冷
空气
压缩
冷
气液分离
滤菌
发酵
发酵液
滤
滤液
2酸性白土
25硅藻土
酶清液
浓缩
浓缩
浓缩酶液
防腐剂稳定剂
成品酶液
冷酒精
1淀粉
压滤
滤饼
真空干燥
固体糖化酶
图1 糖化酶生产总工艺流程示意图
1512 种子罐培养
种子培养基：麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2SO402 K2HPO40231℃培养48h通风量05VVM镜检菌丝生长正常杂菌污染接种发酵罐
152 发酵
培养基配方：玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01α淀粉酶001泡敌00102Mpa杀菌冷32℃接种量15接入48h种子培养基中添加少量聚乙烯醇衍生物防止菌丝体结球增加产量通气量1VVM发酵时间105hr发酵液酶活2万Uml
153 提取
黑曲霉产生糖化酶种胞外酶先真空转鼓滤发酵液中菌丝体滤液（pH3~38）加2酸性白土吸附转苷酶加硅藻土25作助滤剂酶清液然超滤装置2530℃浓缩1213超滤浓缩液继续真空薄膜蒸发器浓缩12然加入防腐剂稳定剂制成高酶活成品酶液液体酶生产工艺简单方便保质期短固体酶生产工艺较液体酶复杂成高便运输保质期长食品工业固体糖化酶常生产工艺：浓缩酶液中加淀粉1加冷5℃酒精终浓度65压滤滤饼4050℃真空干燥食品工业固体糖化酶
16工艺技术指标基础参数
161技术指标
技术指标表11示
表11 糖化酶发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
ta
2000
生产方法
深层液体发酵机溶剂沉淀提取
年生产天数
da
150
产品日产量
kgd
13320
产品质量
Uml
液体：8万 固体：10万
倒罐率
0
发酵周期
h
120
发酵辅助时间
h
15
菌种培养时间
h
60
接种量
15
发酵罐装料系数
80
放罐发酵单位
Uml
2万
提取总收率
85
162种子培养基（）
麦芽糊精：4玉米浆：1(NH4)2SO402 K2HPO402
163发酵培养基（）
玉米淀粉：22豆饼粉：4玉米浆：1(NH4)2S04：04Na2HP04：01
2工艺计算[5]
21 发酵车间物料衡算
物料衡算意义：通物料衡算求出引入离开设备物料（包括原料中间体成品等）组分成分质量体积进计算成品原料消耗定额日年消耗量成品副产物废物等排出物料量根计算结果完成生产设备容量数尺寸确定工艺流程草图设计水蒸汽热量冷量等衡计算工厂建成投产样利物料衡算针生产工艺流程车间设备利观测数计算某难直接计算参变量实现现行生产状况进行分析找出薄弱环节进行革新改造挖掘生产潜力制定改进措施提高生产效率提高正品率减少副产品杂质三废排放量降低投入消耗提高企业济效益
物料衡算方法步骤：弄清题意计算目求绘出物料衡算流程图写出生物反应方程式收集设计基础数关物化常数确定工艺指标消耗定额等选定计算基准计算校核整理计算结果列出物料衡算表绘出物料流程图
拟设计年产2000t食品工业糖化酶（中含液体糖化酶1000m3(8万Uml)固体粉末状糖化酶1000t(10万Ug)）
211 生产力计算
（1）年产糖化酶总单位
1000×106×8+1000×106×1018×1010万(U)
（2）日产糖化酶总单位
18×101015012×108万(U)
（3）理发酵清液量
12×1082×10660m3
（4）实际发酵清液量
608570588m3d
（5）制作液体糖化酶发酵清液量
70588×8(10+8)3137m3d
（6）制作固体糖化酶发酵清液量
70588×10(10+8)3922m3d
（7）发酵原液量
70588907843m3d
212 发酵培养基配料计算
根发酵培养基配方接种量计算出发酵液中成分量计算程示表21示发酵培养基物料衡算结果
（1）玉米淀粉量
7843×85×221467t
（2）豆饼粉量
7843×85×4267t
（3）玉米浆量
7843×85×1067t
（4）(NH4)2SO4 量
7843×85×040267t
（5）Na2HPO4量
7843×85×0100667t
（6）菌种量
7843×151176t
表21 发酵培养基物料衡算表
配料名称
含量
日投料量t
玉米淀粉
22
1467
豆饼粉量
4
267
玉米浆量
1
067
(NH4)2SO4 量
04
0267
Na2HPO4量
01
00667
菌种量
15
1176
213 种子培养基配料计算
原始发酵量接种量知种子罐聊1176t根种子培养基配方计算出种子罐中成分量计算程示表22示种子培养基物料衡算结果
（1）麦芽糊精量
1176×4047t
（2）玉米浆量
1176×101176t
（3）(NH4)2SO4量
1176×02002352t
（4）K2HPO4量
1176×02002352t
表22 种子培养基物料衡算表
配料名称
含量
日投料量t
麦芽糊精
4
047
玉米浆
1
01176
(NH4)2SO4
02
002352
K2HPO4
02
002352
214 滤产生发酵清液程物料衡算
已知发酵清液产量7588计算出物料量表23示滤产生发酵清液程物料衡算结果
（1）滤菌丝发酵液量
70588(1+2+3)67226m3d
（2）酸性白土量
67226×2134t
（3）硅藻土量
67226×3202t
（4）滤菌丝取样等损失量
7843705887842t
表23 滤产生发酵清液程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量
物料名称
日放料量
成熟发酵液
7843m3
菌丝等滤渣
7842t
酸性白土
134t
发酵清液
70588m3
硅藻土
202t
215 液体固体酶制剂程物料衡算
2151 液体酶制剂中物料衡算
（1）液体酶制剂量
已知实际发酵清液70588m3d中制作液体糖化酶发酵清液3137m3d设x液体酶制剂量根酶制剂发酵清液酶单位守恒：3137×85×2x×8x666m3
（2）蒸发前液量
设蒸发组分50蒸发前液量：666501332m3
（3）滤渣量
313713321805t
（4）超滤程浓缩率
13323137042
液体酶制剂制备程物料衡算结果表24示
表24 液体酶制剂制备程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量m3
物料名称
日放料量
发酵清液
3137
滤渣
1805t
蒸发组分
666m3
液体酶制剂
666m3
2152 固体酶制剂中物料衡算
（1）已知实际发酵清液70588m3d中制作固体糖化酶发酵清液3922m3d设y固体酶制剂量
根酶制剂发酵清液酶单位守恒：3922×85×2x×10y666t
（2）添加淀粉量
3922×10392t
（3）压滤前终体积
3922656094m3
（4）乙醇量
6094392203922133m3
（5）滤液放料量
60946665428m3
连消滤产生发酵清液程物料衡算结果表25示
表25 连消滤产生发酵清液程物料衡算表
投料量
放料量
物料名称
日投料量m3
物料名称
日放料量
发酵清液
3922
滤液
5428m3
淀粉量
0392
固体酶制剂
666t
乙醇
2133
216 总物料衡算
计算物料衡算结果糖化酶发酵车间总物料衡算表
表26 糖化酶发酵车间总物料衡算表
物料名称
生产1t糖化酶（活度20000ug）物料量
2000ta糖化酶生产物料量
日物料量
固态糖化酶kg
9435
1000000
6660
液态糖化酶L
9435
1000000
6660
发酵液量L
1111
11764500
78430
发酵清液量L
1000
10588200
70588
二级种液L
1666
1764000
11760
玉米淀粉kg
20782
2200500
14670
豆饼粉kg
3768
399000
2660
玉米浆kg
1116
118140
7876
(NH4)2SO4 kg
412
43575
2905
Na2HPO4kg
085
9000
60
K2HPO4kg
0333
3528
2352
麦芽糊精kg
6658
70500
470
酸性白土kg
1898
201000
1340
硅藻土kg
28617
303000
2020
淀粉kg
555
58800
392
乙醇L
302176
3199500
21330
22 菌空气量计算
耗氧生物生存需氧黑曲霉耗氧生物类型发酵生产适宜溶氧浓度耗氧速度样溶氧量反应器类型通风速率搅拌条件等关类型发酵反应发酵罐形式耗氧量外常菌压缩空气押送培养基料液压缩空气消耗量样压缩空气消耗量计算非常重设计务
221 单罐发酵菌空气耗量
（1）单罐发酵气量
已知发酵程中通气量1VVM单罐发酵气量V118×80×1×605664（m3h）
（2）年发酵罐单罐发酵批次
(80×150)(100×5)24
（3）单罐发酵年气量
Va5664×105×241473280m3
222 种子培养等菌空气耗量
二级种子培养种子罐中进行根接种量通气速率培养时间等进行计算般菌空气消耗量约等发酵程空气耗量20
（1）单罐种子气量：5664×2011328（m3h）
（2）单罐种子年气量：11328×60×241631232（m3h）
223 发酵车间高峰菌空气消耗量
高峰菌空气耗量：5664×5+11328×4328512 （m3h）
224 发酵车间菌空气年耗量
发酵车间菌空气年耗量：1473280×5+1631232×477891328m3a
225 发酵车间菌空气单耗
根设计实际糖化酶年产量2000ta发酵车间菌空气单耗： 77891328200038945m3t
226 菌空气总衡算表
衡算结果出2000 ta糖化酶生产车间菌空气量总衡算表表27示
表27 发酵车间菌空气量总衡算表
单罐通气量(m3h)
种子培养耗气量(m3h)
高峰空气耗量(m3h)
年空气耗量m3
空气单耗(m3t糖化酶)
5664
11328
328512
77891328
38945
3设备选型计算[5]
进行设备选型计算前首先应该明确设备选型原：保证工艺程实施安全济合理技术先进投资省耗材料少加工方便采购容易运行费低水电气消耗少操作清洗方便耐易维修备品配件供应减轻工劳动强度实施机械化动化方便结构紧凑量采实践考验证明确实性优良设备考虑生产波动设备衡留定余量考虑设备障检修备
31发酵罐
311 发酵罐选型
气发酵罐研究20世纪40年代开始取系列成果种罐型纷纷出现致分机械搅拌型气相连续型水泵型气升型四类
评价发酵罐技术性尺度体积溶氧系数KLa评价济性溶氧效率g然实践性角度考虑该种发酵罐已实践容积放性否适合某种发酵醪液体特性等
前国发酵行业中占统治位发酵罐机械涡轮搅拌通风发酵罐通罐选种发酵罐原历史悠久资料齐全拟放方面积累较丰富成功验成功率高
设计选机械涡轮搅拌通风发酵罐
312 发酵罐生产力计算
吨糖化酶（活度2000Ug）需发酵液体积：20000(20000×85×90)13m3
生产2000ta糖化酶（总活度18×1010万U）需发酵液体积：13×（18×10102×106）11763m3
年生产糖化酶150天天需发酵液体积：117631507842m3
发酵罐填充系数80天需发酵液总容量：78428098025m3
313 发酵罐台数确定
天需发酵罐数量： 98025100098取整1台需发酵罐数量： (98025×120)(100×24)49取整5台添加1台备罐6台
314 发酵罐容积确定
般说单罐容积越济性越风险越求技术理水越高应技术理水允许范围量取较发酵罐
需发酵罐总容积：（7843×120）(24×08)4902m3
均台发酵罐容积：49025984 m3
选公称容积100 m3发酵罐
315 校核
查表公称容积100 m3发酵罐总容积118m35台发酵罐总容积：118×3590 m3>4902 m3满足需
316 尺寸计算
3161 罐径
通查通式发酵罐系数表表
表31 公称容积100 m3发酵罐尺寸
罐径mm
4000
圆柱高H0
8000
封头高h
1040
罐体总高H
10080
计封头容积
109
全容积
118
3162 搅拌器
机械搅拌通风发酵罐搅拌涡轮三种形式根发酵特点基质菌体特性选糖化酶生产程中间补料操作混合求较高选六弯叶涡轮搅拌器
该搅拌器尺寸罐径D定例关系现尺寸列出：
搅拌器叶径：DiD343133(m)
叶宽： B02Di02×1330267(m)
弧长： l0375Di0375×13305(m)
底距： CD343133(m)
盘径： di075Di075×1331(m)
叶弦长： L025Di025×133033(m)
叶距： YD4(m)
弯叶板厚： δ14mm
列表整理数表32示
表32 发酵罐搅拌器部分尺寸
参数
结果
搅拌器叶径Dim
133
叶宽Bm
0267
弧长lm
05
底距Cm
133
盘径dim
1
叶弦长Lm
033
叶距Ym
4
弯叶板厚δmm
14
317 搅拌轴功率计算
搅拌轴功率单位体积搅拌轴功率相等计算方法验进行计算确定通常糖化酶发酵1kWm3发酵醪装液量944m3发酵罐应选取功率95 kW电机
318 冷面积计算
发酵生成热高峰年中热半月气温冷水达高温条件设计冷面积
发酵热qmax418×5000kJ(m3h)采竖式列式换热器取验值K418×500kJ(m3h)
冷水终温27℃初温20℃发酵温度32℃Δt1322012（℃）Δt232275（℃）数均温差Δtm（Δt1Δt2）ln(Δt1Δt2)8 （℃）
天装1罐罐实际装液量7843m3换热面积（418×5000×7843）(418×500×8)980375（m2）
319 设备结构工艺设计
设备结构设计包括容：空气分布器挡板密封方式搅拌器冷布置等
3191 空气分布器
空气分布器分孔式单式设计通气量较单罐通风进风速度高涡轮板阻挡叶轮碎溶氧等处良状态
3192 挡板
挡板作加强搅拌强度般型罐设计中应加挡板罐扶梯竖式冷蛇设挡板
3193 密封
罐拟采双面机械密封方式处理轴罐动静问题
3194 冷布置
较罐夹套冷面积法满足生产求列式冷装置然冷效果耗水量设计竖直蛇冷装置
冷布置中进水总直径计算冷组数径总长组长圈数实际传热面积应考虑
已知冷水进出口温度冷水热容醪液总放热量：418×5000×78431972960（kgh）
知高热负荷耗水量W：1972960[418×(2720)]1873（kgs）
冷水体积流量00187m3 s
取冷水竖直蛇中流速1ms冷总截面积：0018731001873（m2）
进水总直径：（001870785）050154（m）
3110 设备材料选择
选锈钢制作降低设备费
3111 接设计
31111 接长度设计
接长度h根直径保温般取100200mm具体值见表32
表33 接长度h
公称直径Dgmm
保温接长
保温设备接长
适公称压力MPa
≤15
80
130
≤40
2050
100
150
≤16
70350
150
200
≤16
70500
≤10
31112 接直径确定
排料时通风计算径时分排列通风计算径取较者总径
311121 排料径计算
发酵罐装料7843m32h排空物料体积流量：7843(3600×2)00108（m3s）
发酵液流速取v1m s排料截面积：00108100108（m3）
径：(001080785)05 0118（m）
取缝钢Φ133×4径125mm>118mm适
311122 通风径计算
通风1vvm（01MPa20℃）通风量：7843×17843（m3min）129（m3s）
折算工作状态（035MPa32℃）风量129×（01035）×(273+32)(273+20)0384（m3s）
取风速35ms通风截面积03843500110（m2）
通风径(001100785)050118（m）取缝锈钢Φ133×4（公称压力<10MPa）
通风排料取缝锈钢Φ133×4
31113 排料时间复核
物料流量00108m3s流速v1ms道截面积0785×0125200123m2
相流速流物料径较原计算结果相应流速00108（00123×1)088
排料时间：2×088176h
3112 支座选择
生物工程工厂设备常支座分卧式制作立式支座中卧式支座分支腿圈型鞍型支座三种立式支座分悬挂支承裙式三种
100m3发酵罐设备总质量较应选裙式支座设计选裙式支座
32种子罐
321种子罐选型
种子罐选型发酵罐相采机械搅拌通风
322 种子罐生产力计算
天需种子液量： 7842×1511763m3
种子罐填充系数80天需种子罐总容量：1176380147m3
323 种子罐台数确定
天需种子罐数量： 14715098取整1台
需种子罐数量：(147×60)(15×24)245取整3台加备罐4台
324 种子罐容积确定
已知车间年产2000t糖化酶日需种子液1176 m3d需设备总容积：（1176×60）(24×08) 3675（m3）
选公称容积15 m3种子罐
325 校核
查表知公称容积15m3发酵罐总容积：0212×042×0785+136×2172（m3）
醪液总换热量：418×5000×1176246×105kJ(m3×h)
4台种子罐总容积688m3>3675m3满足需
326 尺寸计算
3261 种子罐整体尺寸计算
求种子罐公称容积15m3设HD2求种子罐直径D202m整合21查椭圆形封头尺寸表面积容积表筒体容积面积质量表V封136m3h1525mmh240mm封头高度565mm总高度4200+2×5654765mm
表33种子罐项尺寸数
表34 15m3种子罐尺寸
项目
数
罐径mm
2100
罐体总高mm
4765
圆柱部分容积m3
1454
封头高度mm
565
封头容积m3
136
全容积m3
172
实际装液量m3
1376
3262 搅拌器尺寸计算
种子罐较混合程度求高选适中六弯叶涡轮搅拌器
该搅拌器部尺寸罐径D定例关系现尺寸列出：
搅拌器叶径：DiD321307(m)
叶宽： B02Di02×0 7014(m)
弧长： l0375Di0375×0 702625(m)
底距： CD32130 7 (m)
盘径： di075Di075×0 70525(m)
叶弦长： L025Di025×0 70175(m)
叶距： YD21(m)
弯叶板厚： δ14mm
列表整理数表35示
表35 种子罐搅拌器部分尺寸
参数
结果
搅拌器叶径Dim
07
叶宽Bm
014
弧长lm
02625
底距Cm
0 7
盘径dim
0525
叶弦长Lm
0175
叶距Ym
21
弯叶板厚δmm
14
327 搅拌轴功率计算
搅拌轴功率单位体积搅拌轴功率相等计算方法验进行计算确定通常糖化酶发酵1kWm3发酵醪装液量1376m3发酵罐选取功率1376kW电机
328 冷面积计算
发酵生成热高峰年中热半月气温冷水达高温条件设计冷面积
发酵热qmax418×5000kJ(m3×h)天装1罐取K418×220kJ(m3×h×℃)罐实际装液量1176m3醪液时总换热量246×105kJ(m3×h)换热面积(418×5000×1176)(418×220×7)382m2
329 设备结构工艺设计
3291 挡板
挡板挡板作加强搅拌强度设计中种子罐较适合安装挡板
3292 密封
罐拟采双面机械密封方式处理轴罐动静问题
3293 冷水
前知醪液时总换热量246×105kJ(m3×h)冷水温变化23℃27℃高热负荷耗水量 246×105[418×(2723)] 409×103（m3s）
取水流速1ms冷径(409×1030785 )050072m
查金属材料表取焊接Dg80mm满足求
3294 进风
进风底应距罐30mm采取单满足种子罐求
进风时排列发酵罐中径计算相分排列通风计算径取较者总径
排料径计算种子罐装料1167m320min排空物料体积流量1176(60×20)00098m3s
发酵液流速取v09m s排料截面积0009809 0011m2
径0118m取缝锈钢Φ133×4径125mm>118mm适
通风径计算：通风1vvm（01MPa20℃）通风量1176×11176m3min 0196m3s折算工作状态（035MPa32℃）风量：0196×（01035）×(273+32)(273+20) 0051（m3s）取风速25ms通风径038425005m
通风排料取Φ125×4缝锈钢
3295 支座选择
采支撑式支座种子罐置楼板
33 连续灭菌设备
连续灭菌流程三种：连消塔喷淋冷流程二喷射加热流程三板式换热器流程三种流程优缺点现分列举：
连消塔喷淋冷流程优点连续性强快速灭菌消毒培养基营养成分破坏少适容积发酵罐物料连续灭菌消毒加热时间短提高热利率操作条件恒定灭菌质量稳定易实现道化控操作发酵设备利率高 缺点设备求高需外设置加热冷装置操作较麻烦染菌机会较染菌涉面广适合含量固体物料灭菌蒸汽求高
喷射加热流程中培养基受热时间短营养物质损失严重时该流程保证培养基物料先进先出避免热灭菌彻底等现象板式换热器加热冷时间喷射加热连续灭菌流程长培养基预热程时起灭菌培养基冷节约蒸汽冷水量
连消塔流程种种特点较适合操作设计连消塔喷淋冷流程计算设备参数
连续灭菌基设备般包括：①配料预热罐配制料液预热6075℃避免连续灭菌时料液蒸汽温差产生水汽撞击声 ②连消塔连消塔作高温蒸汽料液迅速接触混料液温度快升高灭菌温度（126132）℃③维持罐连消塔加热时间短光段时间灭菌够维持罐作料液灭菌温度保持57min达灭菌目④冷维持罐出料液冷排进行冷生产般采冷水喷淋冷冷4050℃输送预先已灭菌发酵罐
流程设计计算连消塔维持罐螺旋板式换热器连消泵设备选型
331 连消塔
连消塔操作相关参数表36示
表36 连消塔操作相关参数
类型
喷孔型
生产力
2h处理784m3培养基相密度109
数量
1套
灭菌时间
10min
停留时间
1030s
培养基流速
01ms
3311 连消塔长度计算
取培养基流速01ms连消塔中停留时间t10s连消塔长度01×101（m）
3312 进料直径计算
生产力知进料体积流量7842392（m3h）
物料流速范围v03~06ms取v042ms进料截面积：392(3600×042)0026（m2）径（00260785）050182（m）
查资料手册取缝锈钢Φ200×35径193mm>182mm满足生产求
3313 连消蒸汽耗量
2h处理784m3培养基相密度109质量流量（784×109）242728（th）42728（kgh）
培养基热容[037×22100+(10022)100] ×418086×418[kJ(kg×℃)]
连消初温t175℃终温t2120℃加热蒸汽042Mpa温度145℃热焓6543×418kJkg容045m3kg 120℃蒸汽热焓1205×418kJkg蒸汽消耗量：[42728×086×418×（12075）][418×(65431205)]3098kgh
蒸汽体积流量：3098×0451393m3h
热损失蒸汽耗量增加10蒸汽总质量流量3098×113409kgh
蒸汽总体积流量1393×111532 m3h
3314 进气直径计算
042MPa气速范围20~50ms取气速42ms进气截面积1532(3600×42)0011m2
进气直径(0010785)050114m
查材料手册取缝锈钢Φ133×4径125mm>122mm满足生产求
3315 出料直径计算
已知出料量427+3409461(th)取出料流速042ms体积流量461109423（m3h）
出料截面积：423(3600×042)0028（m2）
出料直径(00280785)050188（m）
查材料手册取缝锈钢Φ203×6径191mm>188mm满足生产求
3316 连消塔外圆尺寸计算
已知出料体积流量423m3h物料连消塔移动速度取01ms连消塔面积：4233600×010188（m3）
求出连消塔外圆尺寸(01180785+01332)05041（m）查表取Dg0426m
3317 外筒效长度校核
连消塔径圆整尺寸扩应重新确定效长度
取Φ390时连消塔截面积011m2效长度L1
取Φ426时连消塔截面积：0785×（0426201332）0128（m2）效长度：1×01090112085（m）
3318 支座选择
连消塔重量选悬挂式支座安装时重心应偏100mm
332 维持罐
维持罐连消塔加热时间短光段时间灭菌够维持罐作料液灭菌温度保持57min达灭菌目
维持设备维持罐维持两种式保证先进先出防止滑漏利阻力较罐式加工安装容易缺点滞留滑漏现象较现选罐式维持罐
3321 生产力数量容积确定
连消塔出料质量流量461th体积流量423m3h根前述灭菌时间扣连消塔停留时间维持罐中逗留时间：60010590s983min
维持罐填充系数取84维持罐总容积：423×983(60×84)825m3
维持罐容量8m3时般规模取1等8m3时改2~3设备维修等方便取二维持罐
3322 尺寸确定
维持罐考虑返混问题拟取HD25~3现取H3D该设备定温度压力视受压容器采椭圆封头
V罐2V封+V筒2×(π24)D3+0785D2×3D4m3解方程D122m取D12m
查椭圆形封头尺寸表面积容积表筒体容积面积质量表V封0255m3h1300mmh225mm封头高度300+25325mm总高度36+2×0325425m
核算总容量0785×122×36+2×0225458m3两维持罐总容量916m3825m满足求
3323 部出料开口位置
计算出部出料开口位置应离封头底距离：（430255）(0785×122)+0325397m
3324 接计算
进出料直径应取连消塔出料相尺寸Φ203×6保证生产利进行
校验物料中流速：423(3600×0785×01912)0417ms满足042ms流速需求
3325 支座选择
维持罐较选支撑式支座
333 螺旋板式换热器
螺旋板式换热器种高效换热器设备适汽汽汽液液液流传热适化学石油溶剂医药等行业结构形式分拆式螺旋板拆式螺旋板
设计需换热器两种途分加热物料冷培养基设计程述
3331 换热器1
换热器1培养基预热器利加热物料需连消培养基预热（20℃75℃）时维持罐流出热培养基冷120℃降80℃
该程需热量：423×1000×086×418×（12080）60824016kJh
逆流程均温差：[（12075）（8020）]ln[(12075)(8020)]521℃查表知该程总传热系数概1100~1500kJ(m2×h×℃)取1200kJ(m2×h×℃)换热面积608240161200×418×521233m2查表面积266m2选I6I16B20048006
换热器数量维持罐配套应选2
3332 换热器2
换热器2培养基冷器维持罐流出培养基换热器1冷换热器中冷水进步冷发酵温度35℃送入已杀菌发酵罐准备接种发酵程中冷水20℃升45℃
程中热负荷423×103×086×418×（8035）68427018kJh该程均温差[（8045）（3520）]ln[(8045)(3520)]236℃总传热系数概1100~1500kJ(m2×h×℃)取1200kJ(m2×h×℃)该程传热面积：684270181200*418*236578m2
查表取6008m2选I6I16B6010120014
数量换热器1配套选2
334 连消泵
生物工程工厂泵输送液体原理分分叶片式容积式两类中广泛离心泵体积效率高运行控制方便
表37列出泵求基性质参数作选择泵
表37 连消泵基性质参数
输送液体性质
密度109tm3温度125℃
固体
固体颗粒澄清透明
气体
基气体
操作条件
温度60~70℃
压力：进口侧调浆罐液位压送出口侧设备压力04~05MPa
流量：正常流量40m3h
位置
般设车间泵房中进口侧泵液面
根参数查关图表确定选择离心泵满足生产求现选IS8050200该产品转速2900rmin流量50m3h扬程50m设备泵1台需2台离心泵
34 贮存罐槽
生产程中需配料罐玉米浆料槽机盐槽等设备设计时应考虑选择合适材质相应容量保证生产正常运行前提应选表面积形状节省材料降低投资费
341 配料罐
配料罐名搅拌罐配料桶开启式斜底三层结构具加热动控温保温搅拌功传热快适应温差清洗方便等优点广泛应食(乳)品制药日化饮料油脂化工颜料等行业做中间缓储液搅拌调配设备(物料须加热调配均匀状态该设备济实)加热混合调配杀菌处理特适合蒸汽热源单位科研机构中试工艺需采全封闭式结构保温结构
3411 配料罐生产力容量数量确定
根前面物料衡算知天产糖化酶1332t需配料784m3三班配次取填充系数80储罐总体积98m3选250m3配料槽满足求
3412 尺寸确定
配料罐非标设备选型发酵罐参考高度发酵罐半配料罐尺寸4000×5000
342 玉米浆料槽
3421 玉米浆料槽生产力容量数量确定
物料衡算知天产糖化酶1332t需079t玉米浆班（1日3班）需07930263（t）米浆
三班配次玉米浆较粘稠考虑装料系数储罐总体积076m3选1m3浆料槽1满足求
3422 尺寸确定
贮存槽取HD2取底锥形封头结构根0785D2×20D1m3D086m罐径086m取09m罐高18m
343 机盐槽
3431 机盐槽生产力容量数量确定
物料衡算知天产糖化酶1332t需0434t机盐三班配次取填充系数80储罐总体积0467m3选1m3浆料槽1满足求
3432 尺寸确定
贮存槽取HD2取底锥形封头结构根0785D2×20D1m3D086m罐径086m取09m罐高18m
35 发酵车间设备览表
计算程需设备列出设备览表表38示
表38 年产2000t糖化酶发酵车间设备览表
序号
设备位号
设备名称
规格型号
单位
数量
材料
1
R0101AE
发酵罐
100m3
φ4000×10080
台
6
锈钢
2
R0102AD
种子罐
15m3φ2100×4765
台
4
锈钢
3
T0103
连消塔
φ426×1000
座
1
锈钢
4
V0104AB
维持罐
4m3φ1200×4250
台
2
锈钢
5
E0105
螺旋板式换热器I
I6I16B20048006
台
1
锈钢
6
E0106
螺旋板式换热器II
I6I16B6010120014
台
1
锈钢
7
P0107AB
连消泵
IS8050200
台
2
锈钢
8
V0108AB
配料罐
50m3φ4000×5000
台
2
锈钢
9
V0109
玉米浆料槽
1m3φ900×1800
台
1
锈钢
10
V0110
机盐槽
1m3φ900×1800
台
1
锈钢
4 附图
附图初步设计阶段图纸包括1张工艺流程图(包括菌空气配料菌种发酵部分)3张发酵车间面布置图
5 参考文献
[1]梁新红孙俊良唐玉郭祖峰黑曲霉糖化酶分离纯化酶学性质研究[J]河南科技学院学报201139(4)2427
[2]单海艳黑曲霉生产糖化酶酶活测定[J]牡丹江学学报201019(7)9294
[3]严希康编生化分离工程[M]化学工业出版社2000
[4]吴思方编发酵工厂工艺设计概 [M]中国轻工业出版社2006．
[5]吴思方编生物工程工厂设计概 [M]中国轻工业出版社2008．
6 符号说明
表61 符号说明
表示符号
单位
名称
l
m
长度
d
m
径
D
m
罐直径
z
m
高度
Hg
m
安装高度
A
m2
面积
V
m3
体积
m
kg
质量
t
℃
温度
u
ms
流速
G
kg(m2s)
质量流速
p
Pa
压力
qm
kgs
质量流量
qv
m3h
体积流量
I
kJkg
焓
K
W(m2℃)
总传质系数
c
kJ(kg℃)
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