1、1年产 1500m蛋白酶的工厂设计摘 要蛋白酶是催化肽键水解的一类酶，它可迅速水解蛋白质为胨、肽类，广泛存在于动物内脏、植物茎叶、果实和微生物中。同时大多数微生物蛋白酶都是胞外酶。微生物蛋白酶按其作用的最适 pH 可分为酸性蛋白酶、中性蛋白酶、碱性蛋白酶三类。酸性蛋白酶是一种羧基蛋白酶，它的分子质量为 30-40kD，等电点（pH3.0-5.0）酸性蛋白酶现已广泛应用于食品、饲料、酿造、毛皮与皮革、医药、胶原纤维等各个行业之中。本设计采用豆饼粉、玉米粉、淀粉为主要的培养基原料，并选用黑曲霉（Aspergillus niger ）3.350 菌种发酵。其中豆饼粉 3.75%，玉米粉 0.625%
2、，鱼粉 0.625%，氯化铵 1%，氯化钙 0.5%，磷酸氢二钠 0.2%。本设计利用通风搅拌式发酵罐进行发酵，同时利用离子交换树脂对母液进行提取，提高了酸性蛋白酶的生产效率，减少了生产成本。设计还包括发酵罐，全厂平面图，车间平面布置图，工艺流程图。关键词：酸性蛋白酶 发酵 工厂设计 2The Process Design of the Protease used for Section with the Capacity of 1500m AnnuallyAbstractprotease is a kind of Peptone and peptide. It has been discov
3、er across in animal giblets ,the stem of plant,fruit , microbial and so on.Most of the Microbial protease are ectoenzyme .According to its best Optimum pH function ,Microbial protease Can be divided into Acid protease ,Neutral protease and alkaline protease .Acid protease is a kind of Carboxyl prote
4、ase , Its molecular weight is 30-40 kd, lower isoelectric point (pH3.0-5.0) Acid protease in food, medicine, textile, leather, feed, cosmetics, washing industries have applications, natural health, avirulent and harmless, quite safe. So in this paper the basic content of more acid protease, producti
5、on process and application development were introduced. This design USES the bean cake powder, corn flour, starch as the main medium of raw materials, and selects the Aspergillus Niger, Aspergillus Niger) 3.350 bacterial fermentation. With bean cake powder 3.75%, corn flour 3.75%, 0.625% fish meal,
6、1% ammonium chloride, calcium chloride 0.5%, disodium hydrogen phosphate 0.2%. This design using the ventilation agitator in fermentor, using ion exchange resin in mother liquid was extracted at the same time, improve the efficiency of the acid protease production, reduce the production cost. The de
7、sign also includes Fermentor, The factory plan, Shop floor plan, Flow Chart.Key Words: Acid protease ; fermentation; plant-design;3前言酸性蛋白酶是一类最适 pH 值为 2.55.0 的天冬氨酸蛋白酶，相对分子质量为 。酸性蛋白酶是一种羧基蛋白酶，在其活性中心有两个KD403天冬氨酸残基，其代表性特征是能够在酸性或中性环境条件下水解动植物蛋白质，将两个疏水氨基酸打断，通过内切和外切作用将蛋白质水解为小肽和氨基酸。因此，通常将天冬氨酸蛋白酶称为酸性蛋白酶。酸性蛋白酶主
8、要来源于动物的脏器和微生物分泌物,包括胃蛋白酶、凝乳酶和一些微生物蛋白酶。根据其产生菌的不同，微生物酸性蛋白酶可分为霉菌酸性蛋白酶、酵母菌酸性蛋白酶和担子菌酸性蛋白酶.根据作用方式可分为两类：一类是与胃蛋白酶相似，主要产酶微生物是曲霉、青霉和根霉等；另一类是与凝乳酶相似，主要产酶微生物是毛霉和栗疫霉等。 细菌中尚未发现产酸性蛋白酶的菌株.由于酸性蛋白酶具有较好的耐酸性，因此被广泛地应用于食品、医药、轻工、皮革工艺以及饲料加工工业中。国外关于酸性蛋白酶的生产研究从 20 世纪初就开始了。1908 年，德国科学家从动物的胰脏中提取出胰蛋白酶，并将其用于皮革的鞣质。1911 年美国科学家从木瓜中提取
9、木瓜蛋白酶（在酸性，碱性和中性的条件下都能分解蛋白质的酶）并将木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白质浑浊物。自1954 年吉田首次发现黑曲霉可产生酸性蛋白酶以来，国内外对微生物发酵生产酸性蛋白酶进行了广泛的研究。1964 年外国科学家首次发现大孢子黑曲霉突变体能产生两种不同的酸性蛋白酶，即酸性蛋白酶和酸性蛋白酶。1965 年又从血红色陀螺孔菌，中分离出了一种酸性蛋白酶，并对该酶进行了纯化和结晶。1968 年从微小毛霉中筛选出了一种酸性蛋白酶，并对其进行了纯化和酶学性质分析。1995 年外国科学家对烟曲霉酸性蛋白酶的基因进行了克隆和测序。2001 年又从假丝酵母中筛选出了一种酸性蛋白酶菌株，并对该酶进
10、行了核苷酸序列分析和功能分析。国外学者对曲霉酸性蛋白酶的结构和功能等己经研究的较为透彻。与国外相比，我国对酸性蛋白酶的研究相对较晚些。1970 年上海工业微生物研究所首先从黑曲霉中筛选出一株产酸性蛋白酶菌株，并和上海酒精厂协作进行中试生产，填补了我国酸性蛋白酶制剂的空白.近年来国内在酸性蛋白酶上的研究大都致力于选育产酶活力高、抗逆性好的菌种，并获得了一些很有应用前途的产酶菌株。目前用于酸性蛋白酶生产的高产菌株主要有黑曲霉、宇佐美曲霉和青霉及它们的突变株。李永泉等，对宇佐美曲霉所产的酸性蛋白酶进行了发酵过程动力学研究.戚淑威等对青霉产酸性蛋白酶的适宜条件和酶学性质进行了分析。谢必峰等，采用硫酸铵
11、盐析法和离子交换层析法分离纯化了黑曲霉产酸性蛋白酶，并对其氨基酸组分进行了分析。2008 年王云等，通过质谱指纹法对黑曲霉发酵液中所产蛋白进行了分析比对和鉴定酸性蛋白酶分子生物学方面的研究，国内仅仅集中于凝乳酶和胃蛋白酶方面，有关真菌酸性蛋白酶的分子生物学研究报道很少。4此设计面临的主要问题是食品级液体酸性蛋白酶的生产，对蛋白酶的产量、蛋白酶的浓度有一定的要求，对发酵罐以及全套设备的要求较高。本设计的重点解决问题有：1.设计酸性蛋白酶的生产工艺流程图；2.整个流程的物料衡算及工艺计算；3.设计重点设备为发酵罐；4.画工艺流程图，重点车间布置，重点设备，全厂平面布置图。5第一章 总论1.1 产品
12、概述1.1.1 产品名称：中文名： 酸性蛋白酶 英文名： acid protease1.1.2 化学结构酸性蛋白酶的分子质量为 3040kD，等电点低（pH3.05.0） ，酸性蛋白酶是一种羧基蛋白酶，在其活性中心有两个天冬氨酸残基，其代表性特征是能够在酸性或中性环境条件下水解动植物蛋白质，将两个疏水氨基酸打断，通过内切和外切作用将蛋白质水解为小肽和氨基酸。因此，通常将天冬氨酸蛋白酶称为酸性蛋白酶。化学性质、物理性质酸性蛋白酶在 pH2.06.0 之间均是稳定的，但不同微生物所产酶的最适作用稍有不同。曲霉属酸性蛋白酶最适作用 pH 值为 2.54.0，稳定 pH值为 1.56.0。斋藤曲霉所产
13、酸性蛋白酶最适作用 pH 值为 2.03.0，稳定 pH 值为 1.56.0。米曲霉所产酸性蛋白酶最适作用 pH 值为 3.04.0，稳定 pH 值为 3.06.0。宇佐美曲霉所产酸性蛋白酶最适作用 pH 值为2.5，稳定 pH 值为 2.03.5。青霉属所产酸性蛋白酶最适用 pH 值为 2.03.0，稳定 pH 值为 1.56.5。 酸性蛋白酶对 pH 值的这种要求，与其酶活性中心的羧基有关。酸性蛋白酶一般在 50以下较为稳定，但也随产酶微生物的不同而有所差异。如斋藤曲霉产生的酸性蛋白酶在 50稳定，55处理 10min 就会失活。黑曲霉 HU53 菌株产生的酸性蛋白酶，其最适作用温度为 5
14、0，低于45或高于 60时酶活会急剧下降，70时酶活完全丧失。酵母菌所产酸性蛋白酶经 60处理后还剩少许酶活力，经 70处理后酶活则完全丧失。但黑曲霉 Vs，V315 菌株所产酸性蛋白酶在 80保温 2h 后仍有 90%的酶活力存在。部分酸性蛋白酶不能耐受低温，会随温度的降低而丧失活性，如根霉属所产酸性蛋白酶在 30下只能保持 30min。5%10%的多糖对许多酸性蛋白酶有稳定作用。 1.2 主要用途1.2.1 在毛皮与皮革工业中的应用：酸性蛋白酶主要用于皮革软化、羊毛细化及预处理羊毛低温染色等方面。软化是制革生产中唯一不能被化学过程代替的操作。软化对成革的丰满性、柔软性、弹性、粒面光滑性和手
15、感等方面都有十分重要的作用。软化的作用就是清除毛发、浸灰后皮内残留的纤维间质、类脂物、表皮分解物、毛球、毛根、小毛、色素、脏污等，以利于后面的鞣制、染色和修饰；6使胶原纤维适度分离，利于鞣剂的渗透和结合；并适度破坏弹性纤维、竖毛肌，使成革具有柔软、丰满弹性、粒面光滑等优点。酸性蛋白酶用于软化过程，使皮革更加丰满、柔软。1.2.2 在酿造上的应用在啤酒酿造糖化阶段，由于温度下降，在贮酒期间，酒液中的各种悬浮物逐渐沉淀下来，这些沉淀物质主要为蛋白质冷凝固物、酵母细胞，造成啤酒的冷浑浊。酸性蛋白酶是非常有效的啤酒澄清剂，因为其作用环境与啤酒糖化阶段的条件相近，酸性蛋白酶可以降解部分蛋白质，使酒体澄清
16、利于啤酒的过滤。而在白酒酿造和酒精生产中，酸性蛋白酶起着促进原料溶解、增值微生物、提高原料出酒率的作用，并提供白酒生香前体物质和风味物质等重要的作用。1.2.3 其他用途通过在饲料中添加酸性蛋白酶来使蛋白酶降解成利于幼年动物消化吸收的氨基酸和多肽，从而有利于动物的生长发育，缩短育肥时间。蛋白酶在医学上不但是一种有效的消化剂，也是良好的消炎剂。可治疗慢性支气管炎、矽肺炎以及促消化作用，酸性蛋白酶能有效分解致炎性多肽舒缓激肽，从而达到消炎作用。酸性蛋白酶能使废胶卷脱胶，回收银粒和片基。酸性蛋白酶也可以在中兴条件下处理解冻鱼类以脱除腥臭。用于面包制造，添加于面粉，使面团柔软，揉捏省力，烘焙品质提高。
17、另外还可用于肉类嫩化，改变腐乳质量等方面。1.3 生产规模及产品方案1.3.1 生产规模年产量为 1500m的酸性蛋白酶，全年工作 300 天（60 天检修） ，1.3.2 产品方案1、产品名称：食品级液体酸性蛋白酶2、产品规格：50000U/mL3、厂 址：广西南宁市4、生产原料：豆饼粉、玉米粉、鱼粉5、年生产天数：300 天6、生产规模：1500m7、罐发酵单位：2500U/mL 8、总收率：76.95%1.4 设计概述1.4.1 设计依据所下达的设计任务书1.4.2 设计原则（一）总平面设计的原则总平面设计的基本原则是：既要结合厂址自然条件因地制宜，又要注重技7术经济性、节约用地、节省投
18、资和留有发展余地。为此，总平面设计的基本要求：1、总平面设计必须符合生产流程的要求。原料、半成品、成品的生产作 业线应顺直、短捷，避免作业线的交叉和返回。2、总平面设计应当将占地面积较大的生产主厂房布置在厂区的中心地带，以便其他部门配合其服务。3、总平面设计应充分考虑地区主风向的影响，以此合理布置各建、构筑厂房及厂区位置。4、总平面设计应将人流、货流通道分开，避免交叉。5、总平面设计应遵从城市规划的要求。面向城市交通干道方向作业工厂的正面布置。6、总平面设计必须符合国家有关规范和规定。（二）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
19、、先进的技术设备。3.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。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，实现稳产、高产。（三）设备选型原则设备的工艺设计和选型时应考虑以下原则：1、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） 。2、经济上合理，技术上先进。3、投资省，耗材少，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
20、构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确实性能优良的设备。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。1.4.3 厂址选择地理位置本厂厂址位于南宁市郊区，厂区周围清洁卫生，厂址处于居民下风处，远离有毒工厂和有机废物、化学废料堆放地区及传染病中心。地形、地势和地质、厂区所在位置，地势平坦，自然坡度基本在 以1058下，有利于排泄雨水。厂区交通运输、地质条件符合建筑工程要求，厂址范围内没有地下矿藏、流沙、淤泥等。地面地耐力在 以上，地2/140mKN震基本烈度在六级以下，地下水位最高在-2.5m。水文南宁地区有丰富的水源，包括地表水、深层水（深井水） 、水库水（雨水） 、江河
21、水（露天水） 、泉水（有压水）还有城市自来水等。根据蛋白酶的发酵工厂的特点，水质要满足生产工艺的要求，本厂选用深井水和泉水。厂址附近的洪水水位低，厂址的相对标高在最高洪水水位的 0.5m 以上。气象情况南宁地区的温湿度南宁地区的温湿度，见下表项目 数据全年平均相对温度（） 21.7全年平均相对湿度（%） 79%最热月平均气温（） 28.4（7 月）最冷月平均气温（） 12.9（1 月）最湿月平均相对湿度（%） 83（3 月，8 月）最干月平均相对湿度（%） 72（1 月）最高气温（） 40.1最低气温（） -2.1降雨量南宁地处北回归线以南，属于亚热带季风气候，阳光充足，雨量丰富，气候温和。年
22、平均降雨量 1300mm，全年无霜期 345360 天。风向91-1 南宁市风玫瑰图1.4.4 车间组成和生产制度本设计的重点车间是发酵车间和提取车间。发酵车间的根据工艺设计的要求分成以下几个方面：车间办公室（具体负责车间的考核与各项工作的安排） 、发酵工段工作班（内设班长和小组长，班长对整个发酵车间均要负责和管理） ，化验组以及机修组。其中发酵工段包括若干项，具体情况见表 1-2工段名称 组别名称 定员（人） 班制主任 1 二班制车间副主任 1 三班制文员 1 三班制办公室会计 1 二班制种子 3 长日制无菌 3 三班制配料 4 长日制消毒 2 二班制看罐 6 三班制发酵工段工艺 2 二班制
23、化验组 化验员 3 二班制机修 机修员 2 二班制10提取车间根据工艺规程可分为以下几个工段：办公室、离子交换组、浓缩组、工艺组、化验组、制水工段、化验工段。具体情况见下表 1-3：提取车间生产班制和定员工段名称 组别名称 定员（人） 班制主任 1 二班制车间副主任 1 二班制文员 1 二班制办公室会计 1 二班制离子交换 3 二班制洗脱 3 二班制浓缩 2 二班制提取车间工艺 2 二班制化验组 化验员 3 二班制制水 制水员 2 二班制第二章2.1 生产工艺流程2.1.1 工艺流程生产工艺流程设计是整个工艺设计的基础。原料不是直接变成产品，而是通过一系列的半成品或中间产品，同时还有废液、废渣
24、等生成。生产工艺流程设计在工艺设计进行必要的修改，往往最后才完成。生产工艺流程图见下斜面培养摇瓶扩大培养黑曲霉种子罐扩大培养空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌除铁 离心原料预处理过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养过滤淀粉水解糖配料种子罐扩大培养玉米粉鱼粉无机盐配料种子罐扩大培养原料豆饼粉过滤，滤液加入硫酸铵至浓度 55%，压滤，酶泥溶于 pH2.5，0.005mol/L 乳酸缓冲液，离子交换树脂脱色112.1.2 工艺流程简述生产工艺采用购买的成熟的工艺技术，砂土孢子经过斜面，摇瓶，一级种子罐，二级种子罐，到发酵罐培养 72h，放罐。发酵液经过过滤后，采用刮板式薄膜蒸发器浓缩而得到成品液体酶。发
25、酵工艺2.2 工艺流程：砂土管斜面菌种三角瓶麸曲孢子悬浮液种子罐发酵罐发酵液储罐2.3 培养基配方1.斜面培养基：蔗糖 ， ， ， 0.5 g，g303NaOg4MSg5.0kcl0.01 g， 1 g，琼脂 20 g，将上述各组分溶于 1000 水4FeSO42HPK mL中，121 灭菌 20 min，备用。2.种子培养基（g/L）:葡萄糖 40.0，蛋白胨 10.0，琼脂 20.0，pH 值 5.6 0.2，3.发酵培养基(%):豆饼粉：3.75% 玉 米 粉：0.625%鱼 粉：0.625% 氯 化 铵：1.0%氯化钙：0.5% 磷酸氢二钠：0.2% pH5.54.麸曲培养基:发酵通氧
26、，PH 调节 5.5溶解母液粗酸性蛋白酶使用刮板式薄膜蒸发器 40浓缩 3-4 倍食品级液体酸性蛋白酶图 1 酸性蛋白酶生产总工艺流程图12新鲜麸皮和豆饼粉按质量比 5：5 比例搅拌均匀，加水 6 份，分装三角瓶，500mL 三角瓶 20g，0.1Mpa 灭菌 30min，冷却后接种黑曲霉 AS3.350 孢子或孢子悬液在 30培养 72h。2.4 操作要点1.孢子悬浮液制备在 1000mL 三角瓶内装新鲜粗片麸皮 40g，加入水 40mL，混匀，121灭菌30min。接种后放入 37培菌室培养 4-5d，前 3d 每天混匀两次。待孢子较丰富且完全成熟时不必混匀。使用前用无菌水将麸曲中孢子洗下
27、倒入接种瓶，接入接种罐。一般每升种子培养液麸曲用量折成干麸曲为 0.3-0.5g。2.种子罐培养通常用麸曲孢子即可进行发酵，但为了缩短发酵周期，提高发酵罐利用率，可以加入一级种子罐。种子培养基灭菌条件为 121 10min。待罐冷却至 37时接入孢子悬浮液培养。将菌种接种于活化斜面培养基培养, 30活化 24h。活化后的菌种用生理盐水洗下，转接于摇瓶种子培养基, 接种量 ，30培养 12h。经摇瓶%65培养后的种子，以接种量 8%接种于种子罐，30培养 12h，菌种浓度达到。mL/1098个3.发酵罐培养将扩大培养后的菌种以 5%的接种量接入发酵罐中，发酵温度控制在 30，罐压 0.5/cm2
28、，发酵过程中通过流加 Na0H 溶液控制发酵液 pH。根据菌体浓度、pH 决定具体发酵时间为 35.5h。发酵过程中采用自动搅拌器，将转速控制在 ，使流加碱液与发酵液快速混合均匀。in/10r2.5 影响发酵的因素1.PH 值：曲霉属酸性蛋白酶最适作用 pH 值为 2.5-4.0，稳定 pH 值为 1.5-6.0，所以在发酵过程中要控制发酵液的 pH 值， ，有利于蛋白酶的生产。2.溶解氧：以空气为氧源，严格控制通风量。根据国家药品质量管理规范的要求，生物制品、药品的生产场地业需要符合空气洁净度的要求。获得无菌空气的方法有：辐射灭菌、化学灭菌、加热灭菌、静电除菌、过滤介质除菌等。过滤介质除菌是
29、目前发酵工业中空气除菌的主要手段，常用的过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。而我们也将对这些无菌空气进行检查，检查的方法有：肉汤培养法、斜面培养法和双碟培养法。这里采用斜面培养法进行无菌空气的检查，具体方法为：500ml 三角瓶内装斜面培养基 50ml，接种后置旋转式摇床上，30下培养 24h 后观察有无菌落形成。3.温度：黑曲霉所产的酸性蛋白酶在 50左右时稳定，低于 45或高于60时酶活性会急剧下降，70时酶活则会完全丧失。要保证获得好的成品收益，则需严格控制发酵过程中的温度。4.金属离子对酶活力的影响：酸性蛋白酶可被 、 、 离子激2Mn2Ca2g13活
30、，被 、 、 离子抑制，液体酸性蛋白酶，长时间存放碳钢罐2Cu2Hg3Al中失活较多。2.6 提取过程2.6.1 酸性蛋白酶提取的制备1、发酵液的预处理由于发酵液中菌体较多，所以需要对发酵液进行离心去除菌体。刮板式薄膜蒸发器对醪液进行蒸发时收率很高，适合运用此方法对粗酶液进行浓缩以获得最大效益。2、离子交换离子交换技术具有相当长的历史，在工业应用中，离子交换树脂的优点主要是处理能力大，脱色范围广，脱色容量高，能除去各种不同的离子，可以反复再生使用，工作寿命长，运行费用较低(虽然一次投入费用较大)。离子交换树脂可用于制糖、味精、酒的精制、生物制品等工业装置上，其在食品工业中的消耗量仅次于水处理。
31、本次离子交换过程的反应如下：吸附： OHRCOHR245452洗脱： 45345 )()(CNNC转型： 243457423)()( SS离子交换过程主要利用 701 弱碱型阴离子交换树脂和 732 强酸型阳离子交换树脂。14第三章 工艺计算第一节 物料平衡计算物料衡算是工艺计算的基础，它是质量守恒的一种表现形式。物料衡算是指：根据质量守恒定律，凡引入某一系统或设备的物料重量 Gm，必等于所得到的产物重量 Gp 和物料损失量 G1 之和，即：(3-1)1GPm这一运算法则，既适用于每一个单元操作过程，也适用于整个生产过程；既可进行总的物料衡算，也可对混合物中某一组分做部分物料衡算。通过物料平衡
32、计算，可以求出引入和离开设备的物料（包括原料、中间体和成品等）组分的成分、重量和体积，进而计算产品的原料消耗定额、每日或每年消耗量以及成品、产物、废物等排出物料量。3.1 设计的基础数据3.1.1 生产原料1、种子培养基（g）:葡萄糖 40.0，蛋白胨 10.0，琼脂 20.0，pH 值 5.6 0.2，2、发酵培养基(%):豆饼粉：3.75% 玉 米 粉：0.625%鱼 粉：0.625% 氯 化 铵：1.0%氯化钙：0.5% 磷酸氢二钠：0.2% pH5.5153.1.2 主要参数1、生产规模：1500m/n 2、生产天数：300d3、产品规格：50000 u/mL 4、罐发酵单位：2500
33、 u/mL5、发酵液预处理收率：90% 6、提取收率：95%7、浓缩收率：90% 8、装料系数：60%9、总提取收率：76,95% 10、发酵时间：72h11、接种比：8%3.1.3 其他数据、种子液密度： =1005Kg/m 发酵液密度：=1010 Kg/m 消泡剂：发酵液量的 0.02%添加。3.1.4 发酵车间物料衡算1.液量计算年产 1500m的酸性蛋白酶每天发酵罐放罐体积(3-2)10VmMPd式中 ： -发酵罐放罐体积 d-年产量 -产品效价 PV-年工作日 m-发酵平均水平 1-收率 =324.89mdV取每天放罐数 =3 时，n )(297.1083.2431 mnd2.发酵罐
34、的体积= (3-3) 0V1d式中 发酵罐公称体积 m3016装料系数 %根据设计指标 =60%， )(49.180627.30mV根据参考文献，调整到国内常用发酵罐体积系列 则 =200 0V3校核： 则发酵罐的装料系数为 54.15% 符合要求15.42097.183.发酵工段所需的发酵罐台数(3-4) 24dnT式中 每天放罐数 罐/天dnT 发酵周期 小时则可得出： 取)(92473台)(9台n4.发酵罐的物料衡算物料流入=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
35、失1.5%0.1种子罐8发酵罐9放罐4035.初料 补料 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 31)( .120%97.80mVd总 料)(.9. 3放 罐总 料损 失初装料液体积占总料液的 40%，则17)(132.48.20%440mV总 料初接种量为初装料液的 20%（占总发酵液的 10%） ，则)(6.9.83总种02150.V总油)(85.3%.13m总泡 敌74.3总 料补 料5.发酵罐物料消耗计算每台发酵罐年发酵批次 )(10724次N已知 假设运输过程中损失 0.5%，则实际用)(132.48mV初 6750%.1即每台发酵罐每批次需要 50.67
36、 的培养基3公式 ： V配 比二级种子液)(245.1689.3243m0516tM一级种子罐)(816.%32. 31V05860t3.1.5 发酵液培养基各成分日耗量（kg）豆饼粉：)(95.168%75.310245.689.37.)(2 kgVd 玉米粉：)(32.42.)(%65.0)(2d18鱼粉：)(325.1948%625.01)245.689.3(%625.0)(2 kgVd 氯化钠：)(.7).1.4(.1)(2d氯化钙：)(6.158.0)25.689.3(5.0)(2 kgVd 磷酸氢二钠：)(4.23%.1)4(%.)(2dPH 值:5.53.1.6 种子培养基各成分
37、日耗量（Kg）葡萄糖： )(82.69405.16kg蛋白胨： 512琼 脂： )(.3.k种子液日耗总体积：)(065.1724.681.0321 mV分类 原料名称 每日消耗量（kg）每年消耗量（kg）葡萄糖 649.82 194946蛋白胨 162.445 48733.5种子液培养基成分琼脂 324.89 97467豆饼粉 11689.95 3506985玉米粉 1948.325 584497.5鱼粉 1948.325 584497.5氯化铵 3117.32 935196氯化钙 1558.66 467598发酵液培养基成分 磷酸氢二钠 623.464 187039.23.1.6 提取车间
38、的物料衡算提取车间的物料情况如下酸性蛋白酶发酵液母液过滤滤除菌体加入硫酸铵至浓度 55%，压滤成19为酶泥溶于 pH2.5,0.005mol/L 乳酸缓冲溶液701 弱碱型阴离子交换树脂732 强酸型阳离子交换树脂刮板式薄膜蒸发器成品（一）701 弱碱型阴离子交换树脂：每天需要处理的发酵液的量为：324.89m，发酵车间周期为 72h。M10389.2410.)/(89.324dt（二）732 强酸型阳离子交换树脂：K.5. )/(.16t第二节 种子罐的物料衡算3.2.1 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 5%，而流出物料主要包括逃液、蒸发和取样。逃液损失 4%
39、，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 )(879.264.933mV种0%8总)(204.1.3. 3种总 料损 失81 mV总 料油种子罐物料衡算图：由下图知V菌 种 油 损 失 总 料初 料 放 罐即 2%1VV总 料 总 料初 料 初 料)(98.3m初 料则 )(54.0 3初 料菌 种损失初料 种子罐 96%放罐20初料1%2油 菌种种子罐物料衡算图3.2.2 种子罐公称体积种子罐培养过程中，装料系数较低，一般为 ，本设计取 =65%65（3-5）)(28.46%503.6 30 mV总 料调整到国内常用发酵罐
40、503V校核： 则种子罐的装料系数为 60.17% 符合17.68.30总 料要求。种子罐台数24dnT式中 每天放罐数 罐/天dn发酵周期 小时T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 30 小时，设辅助时间为 6 小时，发酵周期为 24小时得出 取 n=3 台)(5.2430台n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 4 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 )(240324 次TmN已知 ，假设运输损失 0.5%，则 实际用量为 )(198.23V初 料21)(735.0%
41、198.2m则每批种子罐需要 30.735 培养基3第三节 热量平衡计算热量衡算的目的在于定量研究生产过程，为过程设计和操作提供最佳依据。3.3.1 热量衡算的意义：1.通过热量衡算，计算生产过程能耗定额指标。应用蒸汽等热量消耗指标，可对工艺设计的多种方案进行比较，以选定先进的和最优的生产工艺；或对已投产的生产系统提出改革和创新，分析生产过程的经济合理性，过程的先进性，并找出生产上存在的问题。2.热量衡算的数据是设备类型的选择及确定其尺寸，台数的依据。3.热量衡算是组织和管理，生产，经济核算和最优化的基础。热量衡算的结果有助于工艺流程和设备的改进，达到节约能源，降低生产成本的目的。3.3.2
42、热量平衡计算值得注意的几个问题下面列举的是有关热量衡算值得注意的几个问题：1、确定热量衡算系统所涉及所有热量或可能转化成热量的其他能量，不要遗漏。但对衡算影响很小的项目可以忽略不计，以简化计算。2、确定物料计算的基准、热量计算的基准温度和其他能量基准。有相变时，必须确定相态基准，不要忽略相变热。3、正确选择与计算热力学数据。4、在有相关条件约束，物料量和能量参数有直接影响时，宜将物料平衡和热量平衡计算联合进行，才能获得准确结果。3.3.3 热量平衡计算1.直接加热蒸汽耗量211()GCtDi式中， 蒸汽的热焓， KJ/kgi培养基质量，Kg培养基比热容， KJ/(Kg)c热损失，5%10%22
43、加热结束时的料液温度，2t加热开始时的料液温度，1已知：在 0.5MPa 时 ， ， 取kgKJi/748)/(2.40CkgJc7%， =121 ， =202t1t发酵罐： )(32.mV培 )/(103mk)(92.75.478%)2.40(1 kgD种子罐： )(6.93培 )/(3k)(8.102.12)0(1 k补料罐： )(7.43mV培 )/(53mkg)(.657.48%(.05( 3D2.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
44、验进行估算：（3-6）21(30%5)D本设计取 40% 则发酵罐： )(368.942.735%4012 kgD种子罐： 10补料罐： )(728612 k蒸汽总耗量 )(kg发酵罐： 8.1364.92.75321 D种子罐： 09278023补料罐： 052.187.34621.85721 D第四节 热量计算3.4.1 发酵过程中的热效应计算vLQV发式中 - 发酵罐的发酵热效应 KJ/h发- 单位体积发酵液所产生的热量，也称发酵热 KJ/(m3h)v- 发酵罐内发酵液的体积 m3LV黑曲霉发酵过程中的发酵热为 550010050 KJ/(m3h)本设计取 =8000 KJ/(m3h)v
45、Q发酵罐的热效应： )/(863729.108hKJ发种子罐的热效应： .14发由能量守恒得：(3-7)QQ发 酵 热 搅 拌 热待 冷 却 散 蒸 汽 耗 热式中 待冷却的热量 KJ/h ；待 冷 却 向环境中散发的热量 KJ/h ；散 蒸汽耗热量 KJ/h ；Q蒸 汽 耗 热 发酵热效应 KJ/h ；发 酵 热 搅拌产生的热量 KJ/h ；搅 拌 热其中14 (3-()TwaQFt散8)24式中 设备总表面积 ， m2 F 壁面对空气联合绝热系数 ， T80.5Twt 壁面温度 ， wt 环境温度 ， a(3-9)0.2QmctQ气 发 酵 热蒸 汽 耗 量(3-10)36P搅 拌 热式中
46、 搅拌功率 Kw 功热转化率 92% 3.4.2 发酵罐： )/(93.1)2035(0.8()9.17284()( hKJtFQwT 散 /.176.0JQmc发 酵 热气蒸 汽 耗 量 360%3.(/)PKh搅 拌 热得 Q发 酵 热 搅 拌 热待 冷 却 散 热 蒸 汽 耗 热)/(53.86912.1759.8.163087 hJ种子罐 ()(2.4.)(0.)(0).(/)TwaFt K散/2.154720 hJQmctQ发气蒸 汽 耗 量3606.79%863.(/)PKJ搅 拌 热得 发 酵 热 搅 拌 热待 冷 却 散 热 蒸 汽 耗 热)/(53.14792.50.4832
47、.71 hJ第五节 水的用量发酵生产过程中，水是必不可少的原料。原料处理、培养基制备、加热25和冷却，设备清洗等都需要大量的水。所以，水平衡在设计过程中是十分重要的一个设计步骤。水平衡与工艺计算以及设备的计算和选型、成本核算、技术经济等有十分密切的关系。3.5.1 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：)(132.48mV发 )(624.93mV种 )(72.43V补每天配料用水量：)(5.13补发种配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 42.72 ，取公称容积为 50 ，每天放一罐，3m3m每批次洗罐用水量)(20%1 3V发5种)( 3m补每天洗罐用水 )(0 3V补种发洗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 )(194.25309.2152.1 3mV）（）（ 洗配总3.5.2 冷却用水(3-11)21()QWct冷式中 待冷却热量 KJ/h冷
