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（1）设计背景 江西科技师范大学 生物工程专业 《发酵工程设计》设计书 题目名称 年产20吨β-胡萝卜发酵工厂的设计 专业班级 生物工程（1）班 学 号 20111763 20111768 学生姓名 汪胜义 舒超福 指导教师 常军博士 2013年11月24日 目录 TOC \o "1-3" \h \z \u HYPERLINK \l _Toc15853 目录 1 HYPERLINK \l _Toc30638 1.设计背景 3 HYPERLINK \l _Toc25530 2.厂址的选择 3 HYPERLINK \l _Toc15706 3.车间工艺 4 HYPERLINK \l _Toc23072 3.1工艺 4 HYPERLINK \l _Toc15888 4.相关衡算 4 4.1生产能力计算 5 4.2 批次发酵液体积的计算 5 4.3 发酵热的计算 5 4.4冷却水耗量的计算 5 HYPERLINK \l _Toc5493 5设备的选型与设计 5 HYPERLINK \l _Toc28796 5.1发酵罐的选择 5 HYPERLINK \l _Toc23614 5.2配料罐的选择 6 HYPERLINK \l _Toc1955 5.3种子罐的选择 6 HYPERLINK \l _Toc18920 5.4萃取罐的选择 6 HYPERLINK \l _Toc17516 5.5其他辅助设备的选择 6 HYPERLINK \l _Toc9428 5.5.1蒸汽发生装置的选择 6 HYPERLINK \l _Toc6131 5.5.2板框过滤机的选择 6 HYPERLINK \l _Toc13570 5.5.3层析柱法分离设备的选择 7 HYPERLINK \l _Toc8252 5.6管道的选择 7 HYPERLINK \l _Toc26186 5.6.1物料进出管的计算 7 HYPERLINK \l _Toc19576 5.6.2气体进出管的计算 7 HYPERLINK \l _Toc13277 5.6.3冷却水进出管的计算 7 HYPERLINK \l _Toc11962 5.6.4管长的确定 8 HYPERLINK \l _Toc32558 6.工厂总平面的设计 8 HYPERLINK \l _Toc32397 6.1厂区布局 8 HYPERLINK \l _Toc18433 6.2厂区道路 8 HYPERLINK \l _Toc7069 6.3厂区绿化 8 HYPERLINK \l _Toc15564 6.4生产区与生活区厂前区 8 HYPERLINK \l _Toc16748 6.5生产区与仓库 9 HYPERLINK \l _Toc1654 6.6主生产区设计 9 HYPERLINK \l _Toc23621 7生产车间设计的依据 9 HYPERLINK \l _Toc21249 8 9 HYPERLINK \l _Toc4482 9参考文献 10 HYPERLINK \l _Toc4482 10附录 11 年产20吨β-胡萝卜素发酵工厂的设计 1.设计背景 β—胡萝卜素是类胡萝卜素之一，也是橘黄色脂溶性化合物，它是自然界中最普遍存在也是最稳定的天然色素。许多天然食物中例如：绿色蔬菜、甘薯、胡萝卜、菠菜、木瓜、芒果...等，皆存有丰富的β—胡萝卜素。β—胡萝卜素是一种抗氧化剂，具有解毒作用，是维护人体健康不可缺少的营养素，在抗癌、预防心血管疾病、白内障及抗氧化上有显著的功能，并进而防止老化和衰老引起的多种退化性疾病。β—胡萝卜素在进入人体后可以转变为维生素A，不会有因过量摄食而造成维生素A累积中毒现象。另外，在促进动物的生育与成长也具有较好的功效。β-胡萝卜素生产主要有化学合成和生物生物合成两种方法。本设计以生物合成方法，利用三孢布拉氏霉为发酵菌种，以葡萄糖、大豆粉、麸皮浸出液、KH2PO4、MgSO4、VB1、大豆油，为发酵培养基配方经一系列发酵过程最终获得天然β-胡萝卜素。本设计侧重于对工厂全厂平面的设计，车间布局的设计，发酵车间以及带控制点的工艺流程的设计。 2.厂址的选择 (1)本工厂将建在山东省东平县工业园，此地交通运输条件方便、经济，使企业接近能源产地和产品消费区，消除不合理运输，总体经济比较好。本厂设计在山东省东平县工业园，该地区处于良好的位子，产品销售便与辐射到全国。 (2)东平县坚持以发展经济为目标，坚持十七大和十七届三中全精神。东平县更是对发展新型技术企业给与大力支持，就税收等优惠政策给了很的大帮助。对营业税及附加的奖励是：年纳税额在500万元以下的，按地方实得的70%奖励给企业；年纳税额在400万元（含）以上的，按地方实得的80%奖励给企业；兑现奖励后地方实得超过300万元以上的部分全额奖励给企业。因此东平县是个不错的选择地址。 (3)东平县工业园处于鲁西南平原北部，东部受鲁中山区的阻挡，境内受季风的影响，属温带季风型大陆性气候，具有四季分明的特点。交通便利，西距济广高速公路2千米，东临105国道1千米，距济南国际机场130千米，距泰山火车站和茺州火车站为60千米。工厂选址图见附表一。 3.车间工艺 3.1工艺流程 许多种微生物都能合成β-胡萝卜素，如接合笄霉、三孢布拉氏霉菌、好食链孢霉、耐盐杜氏藻和绿藻等菌丝中形成的大量类胡萝卜素都可应用于工业生产。其中以三孢布拉氏霉菌的雄株（＋）和雌株（－）的混合培养产量最高。其发酵工艺流程[1]如下图 图1 β-胡萝卜素发酵工艺流程 4.相关衡算 β-胡萝卜素生产方法是先在β-胡萝卜素发酵培养基[1]中加入三孢布拉氏霉菌正负菌，发酵2天后加入前体β-紫罗兰酮，与此同时加入异烟肼和5%煤油培养4天之后，放罐获得发酵好的发酵液。（理论产值[2]可达2870mg/L） 本设计工作天数320天，采用分批次发酵工艺，从装罐发酵到发酵完成需要6天，检修及灭菌到下一次装罐两天内完成故发酵周期8天。 4.1生产能力计算 生产天数：320天 年产量：20 t 年生产批次： 理论批次产量： t 4.2 批次发酵液体积的计算 每升发酵液理论产值[2]2870mg/L，则每批次需要发酵好的发酵液体积V发酵液： V发酵液= m3 5设备的选型与设计 5.1发酵罐的选择 每批次需要发酵好的液体体积V 发酵液=175 m3,选用装液系数为0.75的发酵罐，故需发酵罐总全称体积V总罐： V总罐= m3 发酵罐可以依据生产需求直接选用。本设计选用全称体积为30 m3的发酵罐则需要的发酵罐个数： 发酵罐个数= (个) 本设计以分批次发酵为生产工艺经计算使用全称体积为30 m3的机械搅拌通风式发酵罐[3]8个。 5.2配料罐的选择 配料罐是将发酵所需的原料经处理混合均匀进入发酵罐的装置。依据计算发酵中每批次实际需要原料V实际原料=30×0.75×8=180 m3则需要调浆罐的总体积： V配料罐1= m3，(设计选用0.8为配料罐的装液系数) 依据生产条件及工艺选用全称体积为30 m3装液系数为0.8的配料罐8个。由于本发酵所有发酵物质不是一次性加入，在发酵2天之后需加入另三种物质（异烟肼：12ml/L，β紫罗兰酮：15ml/L，煤油5%）故需要另一组配料罐计算其体积为： V配料罐2= m3（0.8为装液系数） 依据计算选择全称体积为20 m3装液系数为0.8的的罐子一个来盛装发酵48小时后所加物质β-紫罗兰酮，异烟肼和5%煤油的配料罐。 5.3种子罐的选择 接种量按10%计算，则批次发酵所需种子的量计算出种子罐体积则： V种子= m3（0.7为种子罐装液系数） 依据计算选择全称体积为30 m3的机械搅拌式通风罐[3]一个作为种子罐。 6管道的选择 6.1物料进出管的计算 以发酵罐进料口为例计算，查阅相关资料发酵醪液流速[4]为0.5~1m/s之间现取 ，2h装满。单个发酵罐装料液体积：V实装 =30×0.75=22.5 m3得： 物料体积流量： 则进料管截面积： 又 ，得d=0.063m=63 mm 查阅普通无缝钢管(GB8163-87)[5],取进料物料管管型为 。同理得物料出料管型为 。 6.2气体进出管的计算 以发酵罐通风管进风管为例计算，查阅相关资料[2]在罐压为0.4MPa，发酵温度为28℃风速为v风=20 m/s，通风量为0.2~0.4vvm现取0.3vvm。得常压常温下（0.1MPa,20℃）的通风量Q1： Q1=V实罐×0.3=22.5×0.3=6.75 m3/min=0.1125 m3/s 利用气态方程式[5]计算工作状态下的通风量Qf为： Qf= 取风速为20m/s，则风通过的截面面积： Af= Af=0.785d2 d = mm 查阅普通无缝钢管(GB8163-87)[5],取进风通风管管径为 mm。 6.3冷却水进出管的计算 6.3.1 单位时间内传递热量的计算 单位时间内传热等于单位时间内的发酵热与装料量乘积。查阅相关资料[2]β-胡萝卜素生产过程中的发酵热为16800 kJ/m3·h则β-胡萝卜素发酵过程单位时间传热量为： Q=Q发×V=16800×22.5=378000 kJ/h Q－单位时间传热量，kJ/h； Q发－发酵热，16800 kJ/m3·h； V－单罐发酵液体积，22.5 m3。 6.3.2冷却水耗量的计算 查资料[2]β-胡萝卜素发酵最适温度为28℃由发酵过程实际情况测量的进出口水温为18℃ 、26℃，则水的耗量计W： Cp：冷却水平均比热熔，取 。 t 2-t1：冷却水进出口温度差。 W：耗水量。 6.3.3冷却水进出管的计算 以发酵罐的冷却水进管口为例冷却水的速度由实际生产需求取，现取流速5m/s，则冷却水管的截面积Wf： Wf= m2 得冷却水管径： Wf=0.785d2 m=28 mm 查阅普通无缝钢管(GB8163-87)[5],取进出冷却水管管型为 mm。 6.3.4蒸汽管道的计算 以发酵罐为例查阅相关资料[4]，蒸汽管道与物料出管管道相连，蒸汽的作用主要是用于发酵罐及相关管件的灭菌。本设计蒸汽管道与底部物料出料管管道相连。蒸汽速度取v蒸汽=15 m/s,计划t=30分钟内充满整个发酵罐则蒸汽管径为： V罐=v蒸汽×t×0.785d2=15×30×60×0.785d2=30 m=38 mm 查阅普通无缝钢管(GB8163-87)[5],取进出冷却水管管型为 mm。其他管道均按此方法计算,所选管型见附录表二。 6.4管长的确定 各管长的大小依据管的直径大小和有无保温层来决定，本设计依据条件选择无保温层的长度为150m的管子。 7.工厂总平面的设计 7.1厂区布局 查阅相关资料[6]厂区的布局需紧凑合理，符合工厂生产工艺的要求。划分生产区和生活区，生产区和生活区必须严格分开，生产区内的各管理区通过设立标示牌和必要的隔离设施来加以界定，以控制不同区域的人员和物品之间的交叉流动。为保持厂区环境将设计前后门，前门主要进外来车辆，及员工车辆。后门主要走原材料，及产品出口，这样可以起到保护厂区道路整洁。 7.2厂区道路 厂区道路应采用水泥道路和沥青使不积水、无尘土飞扬，道路必须平整减少不必要弯道，厂区主干道路设计宽度9m宽，非主要道路宽度6 m宽，有必要的话，人行道与车行道区分出来。道路设计必须符合消防要求，使消防车能到达厂内所有建筑物。所以本设计厂内道路布置设计为循环式布置（即道路为环绕厂房建构筑物的闭合系统的道路网），并保证物流、人流的运输方便、安全和高效以及消防的要求。 7.3厂区绿化 厂区绿化要求做到无裸露的土地，在各种建筑物前预留绿化地种植上草皮，在生产区的绿化要求使种植上的绿色植被不会吸引鸟类食用。 7.4生产区与生活区厂前区 生产区(各种车间和仓库等)和生活区(宿舍、食堂、浴室、商店)、厂前区(传达室、医务室、化验室、办公室、汽车库等)和生产区分开。厂前区建在在人流出口附近，且建在距离车间较近的地方，方便管理，又与物流避免交叉。生活区建在厂前区附近方便人员的生活与上下班。生活区及厂前区必须建在生产区的上风区。 7.5生产区与仓库 生产区与仓库之间设计需合理尽量缩短距离，全厂的货流、人流、原料、管道等应有各自的线路，力求避免交叉。避免物料往返运输。 7.6主生产区设计 主生产区应与废弃物品区，及烟尘放区分开。建在这些区域的上风区。且主生产区通风区与阳光采集需良好。 查资料[6]知厂房占地较大矩形居多，设计建筑宽长比例约1:1.25的是最合适的以此本设计的各功能区的设计大小及工厂设计总大小见附录表一各建筑面积。 8生产车间设计的依据[6] （1）首先要保证产品质量符合国家标准，尽量采用先进的成熟的技术和设备，尽量做到不污染环境，同时也用新科技，做到能源循环利用，有完善的三废治理标准。由于是生产人类实用的产品，所以要确保生产安全，保证人生安全和设备安全，尽量采用机械化和自动化设施，这样可以保持稳定生产。 （2）生产车间设计功能分区，形成产品生产的流水线，避免迂回曲折，节省人力和物力，同时能做到减小使用空间。 （3）根据发酵工艺流程图设计原料变成产品的路线，设备选型及计算，确定设备生产力数量及选型参数。 （4）生产线主要工序：原料—菌种培养—发酵—分离纯化—精制—包装。 9总结 本次设计的是生产β-胡萝卜素的发酵工厂，工厂选择建在山东省。虽然山东省经济比较发达，但原料的引进与产品的输出还是存在一点的缺点的，但综合总体来讲，此地还是一个相当完美的地址选择。在设计中存在一些不足，比如说工厂面积还是比较大的，发酵罐的数量还是有点多的，在设计发酵罐的过程中还是有相当大的不足之处。但设计还是有一定的优点的，比如说产区生产线布局就按L型分布，生产过程中整条生产线尽量排列紧凑，既可以节约土地，又尽可能避免了工作管道的拐弯，一大部分节约了管道的使用量，充分保证了物料的通畅性和运输动力的节约性，而且节约管道回转次数。我们采用的是分批式发酵罐，由一套设备组成，原料先灭菌后，从进料口送入发酵罐，初期同时要送入菌种，发酵好的产品从发酵罐的出料口出来，此过程采用了先进的技术，方便，快捷，中途虽然用到人工，可以说这次设计的发酵罐是半制动型的，虽然省了很多工作量，但一次性投入很大。 10附录 表一 各建筑面积参数表 序号 建筑物 建筑个数 总建筑占地面积（m2） 建筑长（m) 建筑宽（m) 1 全厂总面积 1 13200 120 110 2 办公楼 1 500 25 20 3 综合楼（餐厅、活动中心） 1 500 50 20 4 公寓 1 750 30 25 5 车库 1 500 25 20 6 原料库 1 1000 50 20 7 生产区 1 1500 50 30 9 成品库 1000 50 20 10 化验室 1 100 10 10 11 机修厂 1 100 10 10 12 污水处理站 1 200 20 10 13 动力站（给水、供电） 1 200 20 10 14 锅炉房 1 200 20 10 15 煤场 1 200 20 10 表二 各罐体主要接管型号一览表 配料罐 发酵罐 种子罐 外径 壁厚 外径 壁厚 外径 壁厚 进料管 76 6.5 68 3.5 出料管 76 6.5 76 6.5 68 3.5 通气管 50 3.5 50 4 进出水管 38 5 38 5.5 蒸汽管 45 3.5 45 3.5 11参考文献 [1]施跃峰,天然β—胡萝卜素开发动态[J].食品研究与开发,2000. [2]http://www.docin.com/p-679699314.html [3]潘红良,赫俊文.过程设备机械设计[M].杭州:华东理工大学出版社,2006. [4]黄方一,叶斌.发酵工程.武汉:华中师范大学出版社,2008. [5]王志魁,刘丽英,刘伟.化工原理[M].北京:化学工业出版社,2010.5. [6]吴思芳.发酵工厂工艺设计概论[M].北京:中国轻工业出版社,2006.