年產(chǎn)50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設(shè)計(jì)

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21 課程設(shè)計(jì) 題 目： 冬蟲夏草生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 目 錄 1前言..……………………………………………….......................…………….. 2設(shè)計(jì)任務(wù)書..……………………………………………….......................….. 3產(chǎn)品方案..……………………………………………….......................……… 4生產(chǎn)方法..……………………………………………….......................……… 4.1斜面培養(yǎng)..………………………………………………...................... 4.2搖瓶培養(yǎng)..………………………………………………...................... 4.3搖瓶種子培養(yǎng)..………………………………………………................ 4.4種子罐培養(yǎng)..……………………………………………….................... 4.5發(fā)酵罐培養(yǎng)..……………………………………………….................... 4.6發(fā)酵液后處理..………………………………………………................ 5工藝流程..……………………………………………….......................……… 5.1工藝流程的設(shè)計(jì)原則..………………………………………………......... 5.2工藝流程方框圖（見(jiàn)附圖1）..………………………….............. 6工藝耗費(fèi)時(shí)間..………………………………………….......................……… 7物料及熱量衡算..………………………………………......................……… 7.1物料衡算..………………………………………………...................... 7.1.1物料流程圖..……………………………………………….............. 7.1.2工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)……………………………………...... 7.1.3發(fā)酵車間的物料衡算………………………………………........... 7.2熱量衡算..………………………………………………...................... 7.3發(fā)酵車間水衡算.………………………………………………............... 7.4發(fā)酵無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算..………………………….................... 8主要工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)與選型.……………………......................……… 8.1設(shè)備設(shè)計(jì)與選型原則.………………………………...................... 8.2主要設(shè)備的選型（發(fā)酵罐）………………………...................... 8.2.1發(fā)酵罐容積的確定……………………………………….............. 8.2.2生產(chǎn)能力計(jì)算..………………………………………………............ 8.2.3罐個(gè)數(shù)的確定..………………………………………………............ 8.2.4主要尺寸的計(jì)算..……………………………………….............. 8.2.5冷卻面積的計(jì)算..……………………………………….............. 8.2.6攪拌器的設(shè)計(jì)..………………………………………….............. 8.2.7設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)..……………………………….............. 8.2.8設(shè)備材料的選擇……………………………………….............. 9參考文獻(xiàn)..……………………………………………….…………….…………….……… 10附圖..………………………………………………........... ………………………… 10.1附圖1 生產(chǎn)工藝流程圖.………………………………................. 10.2附圖2 主體設(shè)備圖.………………………………...................... 10.3附圖3 車間平面圖.………………………………...................... 10.4附圖4 工廠平面圖.………………………………...................... 年產(chǎn)50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設(shè)計(jì) 1 前言 1.1 產(chǎn)品介紹 冬蟲夏草，又名中華蟲草，是中國(guó)歷史中傳統(tǒng)的名貴中藥材，是由肉座菌目蛇形蟲草科蛇形蟲草屬的冬蟲夏草菌寄生于高山草甸土中的蝠蛾幼蟲，使幼蟲身軀僵化。并在適宜條件下，夏季由僵蟲頭端抽生出長(zhǎng)棒狀的子座而形成，即冬蟲夏草菌的子實(shí)體與僵蟲菌核（幼蟲尸體）構(gòu)成的復(fù)合體。冬蟲夏草主要產(chǎn)于中國(guó)大陸青海、西藏、四川、云南、甘肅和貴州等省及自治區(qū)的高寒地帶和雪山草原。 冬蟲夏草菌之子座出自寄主幼蟲的頭部，冬蟲夏草單生，細(xì)長(zhǎng)呈棒球棍狀，長(zhǎng)4－14厘米，不育頂部長(zhǎng)3－8厘米，直徑1．5－4厘米;上部為子座頭部，稍膨大，呈窄橢圓形，長(zhǎng)1．5－4厘米，褐色，除先端小部外，密生多數(shù)子囊殼，頂部不育部長(zhǎng)1．5－5．5毫米;子囊殼近表面生基部大部陷入子座中，先端凸出于子座外，卵形或橢圓形，長(zhǎng)250－500微米，直徑80－200微米，每一個(gè)子囊內(nèi)有8具有隔膜的子囊孢子。蟲體表面深棕色，斷面白色;有20－30環(huán)節(jié)，腹面有足8對(duì)，形略如蠶 1.2臨床應(yīng)用 臨床上使用蟲草素多為輔助治療惡性腫瘤，癥狀得到改善的在91.7%以上；主要用于鼻癌、咽癌，肺癌，白血病，腦癌以及其他惡性腫瘤的患者。北冬蟲夏草中蟲草酸的含量為3.09克，野生的蟲草為5.54克，蟲草酸是一種D-甘露醇，甘露醇能提高血漿滲透壓，導(dǎo)致組織內(nèi)的水分進(jìn)入血管內(nèi)，從而減輕組織水腫，補(bǔ)充血漿。 蟲草酸多用于腦水腫，防治急性腎功能衰竭，有調(diào)節(jié)心、腦、血管的作用，促進(jìn)人體的新陳代謝、改善人體的微循環(huán)、降血脂、降血壓。 蟲草多糖的藥理試驗(yàn)證明：蟲草多糖具有抗腫瘤、抗傳染病的功效、增強(qiáng)性功能、補(bǔ)腎壯陽(yáng)、益精氣、防止衰老、延年益壽；對(duì)老年人慢性支氣管炎、肺源性心臟病有顯著的功效。能提高肝臟的解毒能力，起到扶肝的作用。降血糖、降血脂，貧血的患者用于補(bǔ)血，增強(qiáng)脾臟的營(yíng)養(yǎng)性血流量，蟲草多糖、生物活性強(qiáng)，適應(yīng)性廣，還具耐缺氧、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜的作用。 1.3 研究意義 在20世紀(jì)80年代,冬蟲夏草的產(chǎn)量還很高.據(jù)資料記載[6~7],在冬蟲夏草的兩大主產(chǎn)區(qū)西藏和青海,每年的均產(chǎn)量分別達(dá)到121,487 kg和30,000 kg.但近來(lái)由于生態(tài)環(huán)境的退化和人為的過(guò)度采挖,蟲草的產(chǎn)量大幅下降,而且個(gè)體變小,質(zhì)量也有所下降. 大量分析表明，野生蟲草子實(shí)體與人工培養(yǎng)的蟲草菌絲體之間，無(wú)論是甘露醇、 游離氨基酸、W醇、生物堿及有機(jī)酸類等的含量幾乎相同或基本一致。藥理和毒理試驗(yàn)也證實(shí)人工發(fā)酵蟲草和野生蟲草具有類似或更優(yōu)的效果，表明人工培養(yǎng)的蟲草菌絲體基本上可以代替野生蟲草的子實(shí)體。鑒于液體發(fā)酵具有周期短，原料及培養(yǎng)條件易得，造價(jià)低，收率高和較穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)蟲草菌絲體的人工發(fā)酵培養(yǎng)應(yīng)該是主要發(fā)展方向。 2 設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)項(xiàng)目名稱：年產(chǎn)50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設(shè)計(jì) 生產(chǎn)方法：以冬蟲夏草菌種為原料, 發(fā)酵生產(chǎn)冬蟲夏草菌絲體。 生產(chǎn)能力：年產(chǎn)50噸冬蟲夏草菌粉。 主要原、輔料：蝙蝠蛾擬青霉菌種、葡萄糖、豆粕、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、蛋白胨。 發(fā)酵工段產(chǎn)品：未烘干前呈淺黃色，烘干后呈棕黃色，深棕色，色澤均勻的冬蟲夏草菌粉。 3 產(chǎn)品方案 產(chǎn)品名稱和性質(zhì)：發(fā)酵蝙蝠蛾擬青霉冬蟲夏草菌粉，為黃色粉末，氣香,味微苦。 產(chǎn)品的質(zhì)量規(guī)格：蟲草干品含粗蛋白25.32%,粗脂肪8.4%，粗纖維18.53%，碳水化合物28.9%，灰分4.1%，水分10.84%。另外含蟲草酸約7%，還含有游離氨基酸12種，水解后有氨基酸18種，其中成年人必需從食物中供給的8種氨基酸均具備，還有幼兒生長(zhǎng)發(fā)育所必需的組氨酸。此外，尚含有維生素B12、麥角脂醇、六碳糖醇、生物堿等。 產(chǎn)品規(guī)模：50 T/a 。 產(chǎn)品包裝方式：桶裝。 4 生產(chǎn)方法 4.1 斜面培養(yǎng) 　 以蔗糖 2%,工業(yè)蛋白胨0.15% ,酵母粉1% , MgSO4 0.05%，KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH 6～7) 。于121℃滅菌30 min , 接種于固體培養(yǎng)基上于271℃,培養(yǎng) 4～5d ,菌絲均勻長(zhǎng)滿斜面后 ,置冰箱4℃保存?zhèn)溆谩? 4.2 搖瓶培養(yǎng) 以蔗糖2% ,工業(yè)蛋白胨0.15% ,酵母粉1%, MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH6～7) ,采用250 ml三角瓶裝培養(yǎng)基50 ml,采用271 ℃,搖床轉(zhuǎn)速230 r/min,振蕩培養(yǎng)。 4.3 搖瓶種子培養(yǎng) 　 以蔗糖 2% ,工業(yè)蛋白胨 0.15% ,酵母粉 1% , MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH6～7) ,采用 500 ml三角瓶 ,裝培養(yǎng)基 120 ml ,采用 271℃,搖床轉(zhuǎn)速 230 r/min ,振蕩培養(yǎng)48～60 h ,鏡檢菌絲粗壯,無(wú)雜菌后,合并作為進(jìn)罐種子。 4.4種子罐培養(yǎng) 葡萄糖 25 kg/m3, 豆粕20 kg/m3 , 豆油0.6 kg/m3, 硫酸鎂0.6 kg/m3, 磷酸二氫鉀0.1 kg/m3, 蛋白胨3 kg/m3 為發(fā)酵液(pH 6～7), 采用 1 m3種子罐,裝料系數(shù)為0.8,在 271 ℃溫度下發(fā)酵培養(yǎng)。 4.5發(fā)酵罐培養(yǎng) 　 葡萄糖 100 kg/m3, 豆粕25 kg/m3 , 豆油0.9 kg/m3, 硫酸鎂0.9 kg/m3, 磷酸二氫鉀0.2 kg/m3, 蛋白胨6 kg/m3，消泡劑0.6 kg/m3為培養(yǎng)基(pH 6～7), 采用 10 m3發(fā)酵罐,裝料系數(shù)為0.8 ,在 271℃溫度下培養(yǎng)。 4.6 發(fā)酵液后處理 發(fā)酵液 離心過(guò)濾 菌絲體 80℃干燥 成品菌粉 　 粉碎包裝 5 工藝流程 5.1工藝流程的設(shè)計(jì)原則 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，必須考慮以下幾項(xiàng)原則： ◆保證產(chǎn)品質(zhì)量符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，外銷產(chǎn)品還必須滿足銷售地區(qū)的質(zhì)量要求。 ◆盡量采用成熟的、先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。努力提高原料利用率，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低水、電、汽及其他能量消耗，降低生產(chǎn)成本，使工廠建成后能夠迅速投入生產(chǎn)，使短期內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量要求，并做到生產(chǎn)穩(wěn)定、安全、可靠。 ◆盡量減少三廢排放量，有完善的三廢治理措施，以減少或消除對(duì)環(huán)境的污染，并做好三廢的回收和綜合利用。 ◆確保安全生產(chǎn)，以保證人身和設(shè)備的安全。 ◆生產(chǎn)過(guò)程盡量采用機(jī)械化和自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)。 5.2 工藝流程方框圖(見(jiàn)附圖4.1) 6 工藝耗費(fèi)時(shí)間 發(fā)酵 配料 　 0.8 h 攪拌 0.5 h 投料 0.5 h 蒸汽滅菌 1 h 共耗時(shí)約48 h 冷卻到27℃　 約1 h 接種 0.20 h 發(fā)酵 44 h 7 物料及熱量衡算 7.1 物料衡算 7.1.1物料流程圖 發(fā)酵罐 種子罐 葡萄糖 20kg 豆粕 16kg 豆油 0.48kg 硫酸鎂 0.48kg 磷酸二氫鉀 0.08kg 蛋白胨 2.4kg 25 C，30min 葡萄糖 800kg 豆粕 200kg 豆油 7.2kg 硫酸鎂 7.2kg 磷酸二氫鉀 1.6kg 蛋白胨 48kg 消泡劑 4.8kg 25 C，30min 料水比1：4 料水比1：4 自來(lái)水 25℃ 30min 30min 121℃ 121℃ 121℃，30min 121℃，30min 1h 冷卻至27 C 冷卻至27 C 接種量12% 發(fā)酵罐 圖7.1 物料流程圖 7.1.2工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （1）主要技術(shù)指標(biāo)如表所示： 表7.1 冬蟲夏草發(fā)酵工藝主要技術(shù)指標(biāo) 指標(biāo)名稱 單位 指標(biāo)數(shù) 指標(biāo)名稱 單位 指標(biāo)數(shù) 生產(chǎn)規(guī)模 t/a 50 葡萄糖轉(zhuǎn)化率 % 48 生產(chǎn)方法 發(fā)酵 倒罐率 % 1 生產(chǎn)天數(shù) d/a 300 發(fā)酵周期 h 48 發(fā)酵初糖 kg/m3 100 冬蟲夏草提取率 % 16.5% （2）二級(jí)種子培養(yǎng)基 二級(jí)種子培養(yǎng)基（kg/m3）配方如下：葡萄糖25，豆粕20，豆油0.6，硫酸鎂0.6，磷酸二氫鉀0.1，蛋白胨3，接種量12%。 發(fā)酵罐培養(yǎng)液（kg/ m3）配方如下：葡萄糖100，豆粕25，豆油0.9，硫酸鎂0.9，磷酸二氫鉀0.2，蛋白胨6，消泡劑0.6，接種量12%。 7.1.3發(fā)酵車間的物料衡算 發(fā)酵液量生50噸純度100%的冬蟲夏草菌粉，需耗用的原輔材料及其他物料量 (1) 發(fā)酵液量: V1= 50000(10048%16.5%99%)=6.4103(m3) 式中 100——發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 48%——葡萄糖轉(zhuǎn)化率 16.5%——冬蟲夏草提取率 99%——除去倒罐率1%后的發(fā)酵成功率 (2) 發(fā)酵液配制需糖量（以純糖計(jì)）: m1 = V1100=6.4105(kg) (3) 二級(jí)種子液量: V2=12%V1=8.0102(m3) 式中 12%——接種量 (4) 二級(jí)種子培養(yǎng)液所需糖量: m2=25V2=2.0104 (kg) 式中 25——二級(jí)種液含糖量（kg/m3） (5) 生產(chǎn)50噸冬蟲夏草需糖總量: m=m1+m2=6.6105 (kg) (6) 硫酸鎂耗用量: m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=6.24103 (kg) (7) 磷酸二氫鉀耗用量: m(KH2PO4)= 0.1V2+0.2V1=1.36103(kg) (8) 消泡劑耗用量: m（消泡劑）=0.6V1=3.84103 (kg) (9) 豆油耗用量: m（豆油）=0.6V2+0.9V1=6.24103 (kg) (10)蛋白胨耗用量: m（蛋白胨）=3V2+6V1=4.08104(kg) (11)豆粕耗用量: m（豆粕）=20V2+25V1=1.76105(kg) (12)冬蟲夏草菌絲體量: 1) 發(fā)酵液冬蟲夏草菌絲體含量為： m（冬蟲夏草）=6.610548%（1－1%）=3.1105 (kg) 2) 實(shí)際生產(chǎn)的冬蟲夏草（提取率16.5%）菌絲體為： m（實(shí)際）=3.110516.5%=51150(kg)=50.2（t） 50t/a 冬蟲夏草發(fā)酵車間的物料衡算表如下： 表7.2 50t/a 冬蟲夏草發(fā)酵車間的物料衡算表 物料名稱 生產(chǎn)50t冬蟲夏草的物料量 每日物料量 發(fā)酵液量（m3） 6.4103 21.33 二級(jí)種液量(m3) 8102 2.67 發(fā)酵用糖量(kg) 6.4105 2133.33 二級(jí)種子液用糖量(kg) 2.0104 66.67 糖液總量(kg) 6.6105 2200 硫酸鎂(kg) 6.24103 20.8 磷酸二氫鉀(kg) 1.36103 4.53 消泡劑(kg) 3.84103 12.8 豆油(kg) 6.24103 20.8 豆粕(kg) 1.76105 586.67 蛋白胨(kg) 4.08104 136 冬蟲夏草菌粉(kg) 50.2 167.33 7.2熱量衡算 （一）發(fā)酵罐需配料量為：G1=800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6 (kg) （二）種子罐需配料量為：G2=20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44 (kg) （三）根據(jù)工藝，需加水量為：GW=（1061.6+39.44）4=4404.16(kg) （四）料液總量為：G=G1+G2+GW=1061.6+39.44+4404.16=5505.2 (kg) （五）醪液煮沸耗熱量Q總 由發(fā)酵工藝流程（圖7.1）可知， Q總=Q’+Q’’+Q’’’ (1) 發(fā)酵罐內(nèi)料液由初溫t0=25℃加熱至t1=121℃耗熱，料液總量G=5505.2kg Q’= Gc（t1- t0）=5505.23.7（121-25）=1.96106（kJ） 式中 c——發(fā)酵液的比熱容,3.7 kJ/(kgK) (2) 煮沸過(guò)程中蒸汽帶出的熱量 煮沸時(shí)間30min，蒸發(fā)量為每小時(shí)5%，則蒸發(fā)水分量為 V1=G5%3060=5505.25%3060=137.63(kg) 故Q’’= V1I=137.632198.91 kJ/kg=3.03105（kJ） 式中 I——為在溫度121℃下的水的汽化潛熱，為2198.91 kJ/kg (3) 熱損失Q’’’ 料液升溫和煮沸過(guò)程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即： Q’’’=15%（Q’+ Q’’）=15%(1.96106+3.03105)=3.39105（kJ） (4) 由上述結(jié)果可得： Q總=Q’＋Q’’＋Q’’’=1.96106+3.03105+3.39105=2.60106（kJ） (5) 故單罐耗用蒸汽量D 使用表壓為0.4MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg，則 D= Q總/[( I-i)η]= 2.60106/[(2737.23－601.53)95%]=1282.65(kg) 式中 i——相應(yīng)冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） η——蒸汽的熱效率，取η=95% (5) 發(fā)酵過(guò)程單罐每小時(shí)最大蒸汽耗量Qmax 在各步驟中，加熱過(guò)程耗熱量最大，且知加熱時(shí)間為30min，熱效率為95%， 故 Qmax= Q總/（30/6095%）=2.60106/(0.595%)=5.47106 (kJ/h) 相應(yīng)的最大蒸汽耗量為： Dmax=Qmax/(I-i)= 5.47106 /(2737.23－601.53)=2562.95(kg/h) 式中 I——使用表壓為0.4 MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg i——相應(yīng)冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） (6) 蒸汽耗量 已知發(fā)酵需要48 h，放罐、洗罐、維修的時(shí)間要60天，一年生產(chǎn)300天，60天用于維修，48小時(shí)發(fā)酵，大概4天生產(chǎn)一批產(chǎn)品，每年生產(chǎn)75批產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)計(jì)算，總共需要5個(gè)發(fā)酵罐。 據(jù)設(shè)計(jì)，每年發(fā)酵次數(shù)為75批，共產(chǎn)生冬蟲夏草50.2噸。年耗蒸汽總量為： DT= D7511=1282.65755=4.81105 (kg) 每噸成品耗蒸汽量： DS=4.81105/50.2=9.6103 kg/t 最后，把上述計(jì)算結(jié)果列成熱量消耗綜合表，如表所示。 表7.3 50t/a冬蟲夏草發(fā)酵車間總熱量衡算表 名稱 規(guī)格 每噸產(chǎn)品消耗定額（kg） 每小時(shí)最大用量(kg/h)（為單罐） 年消耗量（kg/a) 蒸汽 0.4（表壓） 9.6103 2562.95 4.81105 7.3. 發(fā)酵車間水衡算 (1) 原料預(yù)處理用水量 已知一次發(fā)酵原料預(yù)處理用水量為4404.16kg，每年發(fā)酵次數(shù)為75次。共有5個(gè)發(fā)酵罐，故發(fā)酵原料預(yù)處理總用水量GW為：GW=4404.16755=1.65106(kg) (2) 單罐發(fā)酵工序用水量 A. 蒸汽滅菌用水量 由上述熱量衡算可知 D= Q總/[( I-i)η]=1282.65(kg) 式中 η——蒸汽的熱效率，取η=95% I——使用表壓為0.4 MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg i——相應(yīng)冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） B. 冷卻水用量 已知發(fā)酵一次，料液總量為G=5505.2kg，把醪液從t1=121℃冷卻至t2=25℃，冷卻水使用t3=20℃的深井水，終溫為t4=70℃，逆流操作，冷卻時(shí)間t=1h。則每小時(shí)耗水量為： W=Gc（t1- t2）/(c水t (t4- t3) ) =5505.23.7(121-25)/(4.18(70-20)1) =9356.2 (kg) 式中 3.7——發(fā)酵液的比熱容（kJ/(kgK)） 4.18——水的比熱容（kJ/(kgK)） 年發(fā)酵工序用水量 據(jù)設(shè)計(jì)，每年發(fā)酵次數(shù)為75次，罐子數(shù)為11，年發(fā)酵工序用水量G： G=D+W=(9356.2+1282.65)755 =3.99106 (kg) (3) 發(fā)酵車間總用水量G總= G原料+ G=1.65106 + 3.99106 =5.64106 (kg) 表7.5 50t/a冬蟲夏草發(fā)酵車間用水量衡算表 名稱 規(guī)格 每噸產(chǎn)品消耗定額（t/t） 每小時(shí)用量（kg/h) 每天用量(t/d) 年耗量（t/a) 水 自來(lái)水或深井水 112.5 783.3 18.8 5.64106 7.4. 發(fā)酵過(guò)程無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算 發(fā)酵車間無(wú)菌空氣消耗量主要用于菌絲體發(fā)酵過(guò)程中通風(fēng)供氧。 7.4.1.單罐發(fā)酵無(wú)菌空氣耗用量 10 m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為0.20-0.25vvm,取最高值0.25vvm進(jìn)行計(jì)算。 (1) 單罐發(fā)酵過(guò)程用氣量（常壓空氣） V=1080%0.2560=120（m3/h） 式中 80%——發(fā)酵罐裝料系數(shù) (2) 單罐年用氣量 Va=V4875=4.32105（m3） 式中 75——每年單罐發(fā)酵批次 48——發(fā)酵周期（h） 7.4.2.種子培養(yǎng)等其他無(wú)菌空氣耗量 一般取這些無(wú)菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過(guò)程空氣的耗量的25%。故這項(xiàng)無(wú)菌空氣耗量為： V’=25%V=25%120=30（m3/h） 每年用氣量為： Va’=25%Va5=25%4.321055=5.4105（m3/a） 式中 5——發(fā)酵罐個(gè)數(shù) 7.4.3.發(fā)酵車間高峰無(wú)菌空氣消耗量 Vmax=5（V+V’）=5（120+30）=750（m3/h） 7.4.4.發(fā)酵車間無(wú)菌空氣年耗量 Vt=575（V+V’）48=2.7106（m3/a） 式中 5——發(fā)酵罐個(gè)數(shù) 75——每年單罐發(fā)酵批次 48——發(fā)酵周期（h） 7.4.5.發(fā)酵車間無(wú)菌空氣單耗 根據(jù)設(shè)計(jì)，實(shí)際冬蟲夏草年產(chǎn)量m（實(shí)際）=50.2 (t)，故發(fā)酵車間無(wú)菌空氣單耗為： Vo=Vt/G=2.7106/50.2=5.38104（m3/t） 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得出50t/a冬蟲夏草廠無(wú)菌空氣用量衡算表，如表所示。 表7.6 發(fā)酵車間無(wú)菌空氣衡算表 發(fā)酵罐公稱容積（m3） 單罐通氣量（m3/h） 種子培養(yǎng)耗氣量（m3/h） 高峰空氣消耗量（m3/h） 年空氣耗量m3 空氣單耗（m3/t蟲草） 10 120 30 750 2.7106 5.38104 8 主要工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型 8.1 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的原則 從設(shè)備的設(shè)計(jì)選型情況，可以反映出所設(shè)計(jì)工廠的先進(jìn)性和生產(chǎn)的可靠性。因此在設(shè)備的工藝設(shè)計(jì)和選型時(shí)應(yīng)考慮如下原則： (1) 保證工藝過(guò)程實(shí)施的安全可靠（包括設(shè)備材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的安全可靠；設(shè)備材質(zhì)強(qiáng)度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠；生產(chǎn)過(guò)程清洗、消毒的可靠性等）。 (2) 經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上先進(jìn)。 (3) 投資省，耗材料少，加工方便，采購(gòu)容易。 (4) 運(yùn)行費(fèi)用低，水電汽消耗少。 (5) 操作清洗方便，耐用易維修，備品配件供應(yīng)可靠，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)施機(jī)械化和自動(dòng)化方便。 (6) 結(jié)構(gòu)緊湊，盡量采用經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)證明確定性能優(yōu)良的設(shè)備。 (7) 考慮生產(chǎn)波動(dòng)與設(shè)備平衡，留有一定裕量。 (8) 考慮設(shè)備故障及檢修的備用。 (9) 發(fā)酵罐生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定。 8.2 主要設(shè)備的選型[6] 8.2.1發(fā)酵罐 8.2.1.1 發(fā)酵罐容積的確定 由《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》表6-2可知10m3發(fā)酵罐，公稱容積為10m3，總?cè)莘e為10.8m3。 8.2.1.2 生產(chǎn)能力計(jì)算 每天需要發(fā)酵液量V＝21.33 m3 設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ＝0.8， 則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘eV0＝21.33/φ＝26.66 m3 8.2.1.3罐個(gè)數(shù)的確定 使用單罐公稱容量為10m3的六彎葉機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，則需要發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為N1。公稱容積為10m3的發(fā)酵罐，總?cè)莘e為10.8m3，根據(jù)公式有 N1＝V0τ/（V總24）＝26.6648/(10.824)=5（個(gè)） 其中： τ＝48h——發(fā)酵生產(chǎn)周期 V0——每天需要發(fā)酵罐的總?cè)莘e 24——一天有24h 故取公稱容積10m3發(fā)酵罐5個(gè)； 8.2.1.4主要尺寸的計(jì)算 已知V全=V筒+2V封=10.8 m3；封頭折邊忽略不計(jì)，以方便計(jì)算。則有 V全=0.785D22D＋(π/24)D32=10.8,H=2D； 解方程得：1.57D3＋0.26D3=10.8 D=1.8,故H=2D=3.6m ； 據(jù)《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》附錄一表15，知封頭高H封=ha+hb=450＋50=500(mm) 驗(yàn)算全容積V全： V’全=V筒+2V封=0.785D22D＋(π/24)D32+0.785 D20.052 =0.7851.823.6+π/121.83+0.7851.820.052 =10.9 m3 與V全=10.8 m3 相近 8.2.1.5 冷卻面積的計(jì)算 為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質(zhì)最多及環(huán)境氣溫最高時(shí)也能冷卻下來(lái)，必須按照發(fā)酵生成熱最高峰、一年中最熱的半個(gè)月的氣溫下，冷卻水可能達(dá)到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計(jì)冷卻面積。 計(jì)算冷卻面積使用牛頓傳熱定律公式，即 F=Q/（K△tm） 對(duì)于冬蟲夏草發(fā)酵，每1 m3發(fā)酵液，每1h傳給冷卻器的最大熱量約為： 4.186000 kJ/（m3h）。 采用豎式列管換熱器，取經(jīng)驗(yàn)值K=4.18500 kJ/（m3h℃） 平均溫差△tm：△tm=（△t1－△t2）/（ln（△t1/△t2）） 32℃→32℃ 20℃→27℃ 代人，得 △tm=（12－5）/（ln12/5）=8℃ 對(duì)公稱容量10 m3的發(fā)酵罐，每天裝2.5罐，每罐實(shí)際裝液量為21.33/2.5=8.53(m3） 換熱面積F=Q/（K△tm）=4.1860008.53/(4.185008)=12.8 (m2) 8.2.1.6攪拌器設(shè)計(jì) 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種型式，可根據(jù)發(fā)酵特點(diǎn)、基質(zhì)及菌體特性選用。由于冬蟲夏草發(fā)酵過(guò)程有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。 該攪拌器的主要尺寸如下： 攪拌器葉徑 Di=D/3=1.8/3=0.6(m) 取d=0.6（m） 弧長(zhǎng)l=0.375d=0.3750.6=0.225(m) 底距C=D/3=1.8/3=0.6(m) 盤徑di=0.75Di=0.750.6=0.45(m) 葉弦長(zhǎng)L=0.25d=0.250.6=0.15(m) 葉距Y=D=1.8(m) 彎葉板厚δ=12（mm） 取兩檔攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)10m3罐，攪拌器直徑0.63m，轉(zhuǎn)速N1=145r/min，以等P0/V為基準(zhǔn)放大求得： N2=N1(D1/D2) 2/3 =145（0.63/0.6）2/3 =150(r/min) 8.2.1.7設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì) 設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)，是將設(shè)備的主要輔助裝置的工藝要求交代清楚，供制造加工和采購(gòu)時(shí)取得資料依據(jù)。其內(nèi)容包括：空氣分布器、擋板、密封方式、攪拌器及冷卻管布置等。現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下： (1) 空氣分布器：對(duì)于好氣發(fā)酵罐，分布器主要有兩種形式，即：多孔（管）式和單管式。對(duì)通風(fēng)量較?。ㄈ鏠=0.02-0.5ml/s）的設(shè)備，應(yīng)加環(huán)型或直管型空氣分布器；而對(duì)通氣量大的發(fā)酵罐，則使用單管通風(fēng)，由于進(jìn)風(fēng)速度高，又有渦輪板阻擋，葉輪打碎、溶氧是沒(méi)有問(wèn)題的，本罐使用單管進(jìn)風(fēng)。 (2) 擋板：擋板的作用是加強(qiáng)攪拌強(qiáng)度，促進(jìn)液體上下翻動(dòng)呵控制流型，防止產(chǎn)生渦輪而降低混合和溶氧效果。如罐內(nèi)有相當(dāng)于擋板作用的豎式冷卻蛇管，扶梯等也可不設(shè)擋板。為減少泡沫，可將擋板上沿略低于正常液面，利用攪拌在液面上形成的渦旋消泡。本罐應(yīng)有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。 (3) 密封方式：隨著技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)械密封已在發(fā)酵行業(yè)普遍采用，本罐擬采用雙面機(jī)械密封方式，處理軸與罐的動(dòng)靜問(wèn)題。 (4) 冷卻管布置：對(duì)于容積小于5m3的發(fā)酵罐，為了便于清洗，多使用夾套冷卻裝置。隨著發(fā)酵罐容量的增加，比表面積變小，夾套形成的冷卻面積已無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，于是使用管式冷卻裝置。蛇管因易沉積污垢且不易清洗而不采用;列管式冷卻裝置雖然冷卻效果好，但耗水量過(guò)多；因此廣泛使用的是豎直蛇管冷卻裝置。在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，為了進(jìn)一步增加冷卻效果 ，也有利用罐皮冷卻的。 為了保證發(fā)酵罐的冷卻，單是計(jì)算出冷卻面積是不夠的，還要有足夠的管道截面積，以供足夠的冷卻水通過(guò)。管道截面太大，管徑太粗不易彎制，冷卻水沒(méi)有充分利用；太細(xì)則冷卻水流經(jīng)管路不到一半，水溫已與料溫相等。 8.2.1.8設(shè)備材料的選擇 發(fā)酵設(shè)備的材質(zhì)選擇，優(yōu)先考慮的滿足工藝的要求其次是經(jīng)濟(jì)性。為了降低造價(jià)，冬蟲夏草發(fā)酵可用碳鋼制作發(fā)酵設(shè)備，本設(shè)備選用A3鋼制作。 參考文獻(xiàn) [1] 秦鵬，王龍，路等學(xué)，趙玉卉. 甘肅地區(qū)冬蟲夏草液體發(fā)酵研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)， 26(5). 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