年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计.docx

年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计1.前言1.1. 产品介绍冬虫夏草又名虫草、冬虫草、夏草冬虫。为麦角菌科植物冬虫夏草菌寄生在 蝙蝠科昆虫幼虫体上的子坐及幼虫尸体内为菌核的复合体。主产于四川、青海、 西藏、云南等地。夏至前后挖取，晒干或烘干，生用。药材冬虫夏草为虫体与菌座相连而成，全长9-12cm。虫体如三眠老蚕，长 3-6cm，直径0.4-0.7cm，外表呈深黄色，粗糙，背部有多数横皱纹，腹面有足8 对，位于虫体中部的4对明显易见。断面内心充实，白色，略发黄，周边显深黄 色。菌座自虫体头部生出，呈棒状，弯曲，上部略膨大。表面灰褐色或黑褐色， 长可达4-8cm，径约0.3cm。折断时内心空虚，粉白色。微臭，味淡。1.2. 发展状况随着人们保健意识的增强，对其具有重要医疗保健功能的虫草需求必将快速 增加，利用虫草生产保健品的市场潜力较大。但是目前虫草消费量较小，虫草销 售还存在价格不稳、渠道不畅等问题。现代研究表明，虫草具有重要的食用、药用和其它经济价值，虫草中含有丰 富的虫草酸、虫草素及各类氨基酸等营养物质，具有扩张气管、镇静、抗各类细 菌、降血压的功效。近年来，美国、日本等相继报道虫草具有提高人体抑止肿瘤 能力，能加强人体排异作用。解放后我国也对食用菌和虫草的人工引种、驯化、 栽培、遗传、应用等方面进行了很多研究。目前我国虫草培养大部分是人工栽培培养，由于受地理环境、气候、水土及 虫草品种等各方面的自然条件影响，虫草的质量和产量极不稳定，难于实现规模 产业化。采用深层发酵生产虫草菌丝体，一方面很容易从培养液中分离和提取出各种 有效成份物质，提取虫草酸、虫草素、虫草多糖等有用物质和具有抗癌作用的冬 虫夏草素及多种氨基酸，大批量生产虫草菌丝体：另一方面利用1t-1Ot甚至更 大容积的发酵罐内培养，能够提高产量，保证筛选用药的物质来源，缓解虫草资 源的紧张状况3。1.3临床应用4冬虫夏草的营养价值和药用价值很高，自古以来,人们就将其作为食品、滋 补品和药品。其药理作用可归纳为：1.3.1. 对中枢神经的影响一具有镇静作用，能延长小鼠戊巴比妥引致的睡眠时 间，翻正反射未消失。1.3.2. 对心血管系统的影响一能对抗实验性心率失常，降低异丙肾上腺素引起 的心肌耗氧量增加，提高肌体耐氧能力，此外，对应激引起的大鼠梗塞有一定的 保护作用。大鼠静注有降压效果，可降低血清胆固醇及减轻主动脉壁粥样硬化程 度。1.3.3. 对免疫的影响一虫草多糖能促进网状内皮系统及腹腔巨噬细胞的吞噬功 能，使淋巴细胞增殖加速。对抗环磷酞胺及考的松引起的脾脏、胸腺重量下降， 并使小鼠血清1gG增加。据报道，虫草对皮细胞产生白介素-2无促进作用，但 能诱导其表达IL-2受体。1.3.4. 对呼吸系统的影响一具有扩张支气管的效应，减少肾上腺素引起的小鼠 急性肺水肿死亡率，并能减轻氯化铝雾化致大鼠肺气肿。1.3.5. 抗肿瘤作用一对人鼻咽癌细胞KB,Lewis肺癌、小鼠肉瘤180 ( S180 )和 小鼠乳腺癌MA-737有显著的抑制作用。1.3.6. 其它一抗疲劳，雄性激素样作用，能有效治疗肾功能衰竭。1.4. 研究的意义现代研究表明，虫草具有重要的食用、药用和其它经济价值，虫草中含有丰 富的虫草酸、虫草素及各类氨基酸等营养物质，具有扩张气管、镇静、抗各类细菌、降血压的功效。近年来，美、日本等国相继报道虫草具有提高人体抑止肿瘤 能力，能加强人体排异作用。解放后我国也对食用菌和虫草的人工引种、驯化、 栽培、遗传、应用等方面进行了很多研究。大量分析表明，野生虫草子实体与人工培养的虫草菌丝体之间，无论是甘露 醇、游离氨基酸、W醇、生物碱及有机酸类等的含量几乎相同或基本一致。药 理和毒理试验也证实人工发酵虫草和野生虫草具有类似或更优的效果，表明人工 培养的虫草菌丝体基本上可以代替野生虫草的子实体。鉴于液体发酵具有周期 短，原料及培养条件易得，造价低，收率高和较稳定等特点，对虫草菌丝体的人 工发酵培养应该是主要发展方向42.1.2.2.2. 设计任务设计项目名称：年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计生产方法：以冬虫夏草菌种为原料，发酵生产冬虫夏草菌丝体。2.3.生产能力：年产100吨冬虫夏草菌粉。2.4.2.5.发酵工段产品：未烘干前呈浅黄色，烘干后呈棕黄色，深棕色，色泽"I主要原、辅料：蝙蝠蛾拟青霉菌种、葡萄糖、豆粕、硫酸镁、磷酸二氢钾、蛋白胨。均匀的冬虫夏草菌粉。3. 产品方案3.1.产品名称和性质：发酵蝙蝠蛾拟青霉冬虫夏草菌粉，为黄色粉末，气香，味微苦。3.2. 产品的质量规格：虫草干品含粗蛋白25.32%,粗脂肪8.4%，粗纤维18.53%，碳水化合物28.9%，灰分4.1%，水分10.84%。另外含虫草酸约7%，还 含有游离氨基酸12种，水解后有氨基酸18种，其中成年人必需从食物中供给的 8种氨基酸均具备，还有幼儿生长发育所必需的组氨酸。此外，尚含有维生素B12、 麦角脂醇、六碳糖醇、生物碱等。3.3. 产品规模：100 T/a。3.4. 产品包装方式：桶装。4. 生产方法和工艺流程4.1. 路线的选择一一生物发酵法发酵冬虫夏草菌粉是1992年由中国医学科学院药物研究所首次人工培养获 得成功，从天然冬虫夏草中可以分离获得虫草头胞菌、蝙蝠蛾拟青霉菌、中国 拟青霉等，它们均可以在液体培养基中培养。培养基根据分离到的菌株不同有所 差异。液体深层发酵设备规模投资较大，但生产过程相对简单，生产周期短， 受环境因子影响少，因此可适合工业化集团经营，所获产品为菌丝体（或菌丝 粉）。4.1.1. 冬虫夏草真菌分离采用组织分离法可以获得植物内生菌做为人工冬虫夏草的生产菌株，即采用 直接切取虫草的子座部分或菌核部分的一小块组织，经表面消毒和灭菌水洗后， 在无菌操作条件下，由虫草体上转移到培养基上。切取组织1mm左右，组织切取 过大会增加染菌的机会，组织切取过小，一方面在表面消毒过程中易将该组织杀 死，另一方面也相应地延长了虫草菌种的生长时间。取春夏之交的新鲜冬虫夏草 的子座，用0.1 L汞液表面消毒5 min，再用无菌水反复冲洗，在无菌条件下切去 外层、避开肠边，切取内部白色组织1cm?左右，压碎涂于培养基表面，20 °C温 箱4个月，得到母种34.1.2. 培养过程4.1.2.1. 斜面培养以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15% ,酵母粉1% , MgSO4 0.05%, KH2PO4 0.1%为培 养基(pH 67)。于121°C灭菌30 min ,接种于固体培养基上于27±1°C，培养 45d ,菌丝均匀长满斜面后，置冰箱4C保存备用。4.1.2.2. 摇瓶培养以蔗糖2% ,工业蛋白胨0.15% ,酵母粉1%, MgSO4 0.05% , KPO4 0.1%为培 养基(pH67),采用250 ml三角瓶装培养基50 ml,采用27±1 C,摇床转速230 r/min,振荡培养。4.1.2.3. 摇瓶种子培养以蔗糖2% ,工业蛋白胨0.15% ,酵母粉1% , MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1% 为培养基(pH67)，采用500 ml三角瓶，装培养基120 ml ,采用27±1C，摇 床转速230 r/min ,振荡培养4860 h ,镜检菌丝粗壮，无杂菌后，合并作为进 罐种子。4.1.2.4. 种子罐培养葡萄糖 25 kg/m3,豆粕 20 kg/m3 ,豆油 0.6 kg/m3,硫酸镁 0.6 kg/m3,磷 酸二氢钾0.1 kg/m3,蛋白胨3 kg/m3为发酵液(pH 67),采用1 m3种子罐, 装料系数为0.8，在27±1 C温度下发酵培养。4.1.2.5. 发酵罐培养葡萄糖 100 kg/m3,豆粕 25 kg/m3 ,豆油 0.9 kg/m3,硫酸镁 0.9 kg/m3,磷 酸二氢钾0.2kg/m3,蛋白月东6kg/m3，消泡剂0.6kg/m3为培养基(pH 67),采 用10 m3发酵罐，装料系数为0.8，在27±1C温度下培养。4.1.3. 发酵液后处理离心过滤80C干燥发酵液 k菌丝体 k成品菌粉粉碎包装4.2. 工艺流程4.2.1. 工艺流程的设计原则6进行工艺设计，必须考虑以下几项原则：4.2.1.1. 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。4.2.1.2. 尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动 生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能够迅 速投入生产，使短期内达到设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安 全、可靠。4.2.1.3. 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。4.2.1.4. 确保安全生产，以保证人身和设备的安全。4.2.1.5. 生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。4.2.2.工艺流程方框图（见附图4.1）5. 车间的组成和生产制度5.1. 车间组成及其所需时间发酵配料0.8h搅拌0.5h投料0.5h蒸汽灭菌1 h 冷却到27°C接种0.20 h发酵44 h发酵的总反应时间为 48 h清洗发酵罐1.5 h5.2. 人员配置表5.1车间岗位人员配置表工段名称LU 1冈位名称人员配制班制人数每班轮休合计发酵工段配料罐2112发酵罐7347过滤烘干6246其他车间主任/1/1车间副主任/1/1合计/1589176. 原料的主要技术规格76.1. 葡萄糖分子式：C6H12O6；分子量：180。雪白的晶体，易溶于水，难溶于乙醇，具有甜 味，甜度仅及蔗糖的74%。葡萄糖是机体所需能量的重要来源。据测定吃进一克 葡萄糖，在人体内氧化后，大约可以产生将近16.736kJ热量，在人体中，葡萄糖 是靠血液运送到身体各部分的。葡萄糖是一种很好的保健品。葡萄糖虽然不能用于合成蛋白质，但能起节约 蛋白质的作用。在葡萄糖供应充足，糖代谢正常的情况下，有利于组织蛋白的合 成。反之，当糖缺乏或糖代谢失常,蛋白质分解就会增加。在此情况下，则不利于组织内蛋白质的合成。6.2. 蛋白胨蛋白月东是一种外观呈淡黄色的粉剂，具有肉香的特殊气息。它作为微生物培 养基的主要原料，在抗生素，医药工业，发酵工业，生化制品及微生物学科研等 领域中的用量均很大；不同的生物体需要特定的氨基酸和多肽，因此存在各种蛋 白东，一般来说，用于蛋白东生产的蛋白包括动物蛋白（酪蛋白、肉类）和植物 蛋白（豆类）两种。6.3. 豆粕豆粕是大豆提取豆油后得到的一种副产品。豆粕一般呈不规则碎片状，颜色 为浅黄色至浅褐色，味道具有烤大豆香味。豆粕的主要成分为：蛋白质40%48%， 赖氨酸2.5%3.0%，色氨酸0.6%0.7%，蛋氨酸0.5%0.7%。豆粕是棉籽粕、 花生粕、菜籽粕等12种动植物油粕饲料产品中产量最大，用途最广的一种。作 为一种高蛋白质，豆粕是制作牲畜与家禽饲料的主要原料，还可以用于制作糕点 食品，健康食品以及化妆品和抗菌素原料。6.4. 硫酸镁分子式：MgSO ；分子量：120.37。白色粉末，熔点：1124（分解），相对密4度（水二1）： 2.66，溶解性：溶于水、乙醇、甘油。主要用途：医药上用作泻剂。也用于制革、炸药、肥料、造纸、瓷器、印染 料等工业。6.5. 磷酸二氢钾（MKP）分子式：KH2PO4；分子量：136.09。无色四方晶体或白色结晶性粉末。相对 密度2.338,熔点252.6°C，溶于水（90°C时为83.5g/100ml水），水溶液呈酸性， 1%磷酸二氢钾溶液的pH值为4.6。不溶于醇，有潮解性。加热至400C时熔化而 成透明的液体，冷却后固化为不透明的玻璃状偏磷酸钾。用于制药物和焙粉，也可用作肥料，饲料添加剂，食品添加剂，pH调节剂， 细菌培养基等。7. 物料及热量衡算67.1. 物料衡算7.1.1. 物料流程图发酵罐种子罐葡萄糖800kg豆粕200kg豆油7.2kg硫酸镁7.2kg磷酸二氢钾1.6kg蛋白胨48kg料水比1： 4料水比1： 4葡萄糖20kg豆粕16kg豆油0.48kg硫酸镁0.48kg磷酸二氢钾0.08kg蛋白胨2.4kg目米水-停25C消泡剂4.8kg25 °C, 30min25 °C, 30min30min121 °C30min1 F121C121C, 30min冷却至27 °C发酵罐121C, 30min/冷却至27 °C接种量20%图7.1物料流程图7.1.2. 工艺技术指标及基础数据(1) 主要技术指标如表所示：表7.1冬虫夏草发酵工艺主要技术指标指标名称单位指标数指标名称单位指标数生产规模t/a100葡萄糖转化率%48生产方法发酵倒罐率%1生产天数d/as00发酵周期h48发酵初糖kg/ms100冬虫夏草提取率%16.5%(2) 二级种子培养基二级种子培养基(kg/ms)配方如下：葡萄糖25,豆粕20,豆油0.6,硫酸镁0.6, 磷酸二氢钾0.1,蛋白胨3,接种量12%。发酵罐培养液(kg/ ms)配方如下：葡萄糖100,豆粕25,豆油0.9,硫酸镁0.9, 磷酸二氢钾0.2，蛋白胨6,消泡剂0.6，接 种量12%。7.1.3. 发酵车间的物料衡算发酵液量生产100吨纯度100%的冬虫夏草菌粉，需耗用的原辅材料及其他 物料量(1) 发酵液量：V1= 100000 -F(100X48%X 16.5% X 99%)=1.3X104 (ms)式中100发酵培养基初糖浓度(kg/ms)48%葡萄糖转化率16.5%冬虫夏草提取率99%除去倒罐率1%后的发酵成功率(2) 发酵液配制需糖量(以纯糖计)：m1 = V1X 100=1.3 X 106 (kg)(3) 二级种子液量:V2=12%XV1=1.6X103 (m3)式中12%接种量(4) 二级种子培养液所需糖量：m2=25XV2=4.0X104 (kg)式中25二级种液含糖量(kg/m3)(5) 生产100吨冬虫夏草需糖总量：m=m1+m2=1.34X 106 (kg)(6) 硫酸镁耗用量：m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=1.27X 104 (kg)(7) 磷酸二氢钾耗用量：m(KH PO)= 0.1V +0.2V =2.76X 103 (kg)2421(8) 消泡剂耗用量：m (消泡剂)=0.6V1=7.8X103 (kg)(9) 豆油耗用量：m (豆油)=0.6V2+0.9V1=1.14X104 (kg)(10) 蛋白胨耗用量：m (蛋白月东)=3V2+6V1=8 . 28X 104(kg)(11) 豆粕耗用量：m (豆粕)=20V2+25V=3.57X 105(kg)(12) 冬虫夏草菌丝体量：1)发酵液冬虫夏草菌丝体含量为：m (冬虫夏草)=1.3X 106X48%X(1 1%) =6.2X105 (kg)2)实际生产的冬虫夏草(提取率16.5%)菌丝体为：m (实际)=6.2X105X16.5%=102300(kg)=102.3 (t)100t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：表7.2 100t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表物料名称生产100t冬虫夏草的物料量每日物料量发酵液量(m3)1.3X10443.33二级种液量(m3)1.6X1035.33发酵用糖量(kg)1.3X1064333.33二级种子液用糖量(kg)4.0X104133.33糖液总量(kg)1.34X1064466.67硫酸镁(kg)1.27X10444.72磷酸二氢钾(kg)2.76X10342.33消泡剂(kg)7.8X10326豆油(kg)1.14X10438豆粕(kg)3.57X1051190蛋白胨(kg)8.28X104276冬虫夏草菌粉(t)102.33417.2. 热量衡算(一) 发酵罐需配料量为:G =800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6 (kg) 1(二) 种子罐需配料量为：G =20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44 (kg) 2(三) 根据工艺，需加水量为：G=(1061.6+39.44)X4=4404.16(kg) W注：料水比二1： 4(四) 料液总量为：G=G1+G2+Gw=1061.6+39.44+4404.16=5505.2 (kg)(五) 醪液煮沸耗热量Q总由发酵工艺流程(图7.1)可知，Q =Q+Q+Q 总 发酵罐内料液由初温t°=25°C加热至tj121°C耗热，料液总量G=5505.2kgQ= Gc (t1- t0) =5505.2X3.7X(121-25) =1.96X 106 (kJ)式中c发酵液的比热容,3.7 kJ/(kg - K)(2)煮沸过程中蒸汽带出的热量煮沸时间30min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为V 二GX5%X30：60=5505.2X5%X30：60=137.63(kg) 1故 Q“二 V1 - 1=137.63X2198.91 kJ/kg=3.03X 105 (kJ)式中I为在温度121C下的水的汽化潜热，为2198.91 kJ/kg(3) 热损失Q醪液升温和煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%，即：Q”=15%(Q+ Q”)=15%X(1.96X 106+3.03X 105)=3.39X 105 (kJ)(4) 由上述结果可得：Q =Q + Q” + Q”=1.96X 106+3.03X 105+3.39X 105=2.60X 106 (kJ)总(5) 故耗用蒸汽量D使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，1=2737.23 kJ/kg，则D= Q 总/( I-i) n= 2.60X 106/(2737.23 601.53)X95%=1282.65(kg)式中i相应冷凝水的焓(601.53 kJ/kg)n蒸汽的热效率，取n=95%(5) 发酵过程每小时最大蒸汽耗量Qmax在各步骤中，加热过程耗热量最大，且知加热时间为30min，热效率为95%，故 Qm = Q 总/(30/60X95%) =2 . 60X 106/(0. 5 X 95%)=5.47X 106 (kJ/h)相应的最大蒸汽耗量为：Dm =Qm /(I-i)= 5 . 47X 106 /(2 7 3 7 . 23 601.53)=25 62 . 95(kg/h)式中I使用表压为0.4 MPa的饱和蒸汽，1=2737.23 kJ/kgi相应冷凝水的焓(601.53 kJ/kg)(6) 蒸汽单耗已知发酵需要48 h，放罐、洗罐、维修的时间要60天，一年生产300天， 60天用于维修，48小时发酵，大概4天生产一批产品，每年生产75批产品。据设计，每年发酵次数为75批，共产生冬虫夏草102.3吨。年耗蒸汽总量 为：Dt= DX75=1282.65X75=9.62X 104 (kg)每吨成品耗蒸汽量:D =9.62X 104/102.3=940.37 kg/t S最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如表所示。表7.3 100t/a冬虫夏草发酵车间总热量衡算表名称规格每吨产品消耗定额(kg)每小时最大用量(kg/h)年消耗量(kg/a)蒸汽0.4 (表压)940.372562.959.62X1047.3. 发酵车间水衡算(1) 原料预处理用水量已知一次发酵原料预处理用水量为4404.16kg，每年发酵次数为75次。故发酵原料预处理总用水量G为：WG =4404.16X75=3.30X 105 (kg) W(2) 发酵工序用水量A. 蒸汽灭菌用水量由上述热量衡算可知D= Q 总/( I-i) n = 1282.65(kg)式中 n蒸汽的热效率，取n=95%I使用表压为0.4 MPa的饱和蒸汽，1=2737.23 kJ/kgi相应冷凝水的焓(601.53 kJ/kg)B. 冷却水用量已知发酵一次，料液总量为G=5505.2kg,把醪液从t1=121°C冷却至t=25°C，冷却水使用t=20C的深井水，终温为t=70C，逆流操作，冷却时234间t=1h。则每小时耗水量为：W=Gc (tt2) /(c 水t (t4- t3)二5505.2X3.7X (121-25)/(4.18X (70-20) X 1)=9356.2 (kg)式中3.7发酵液的比热容(kJ/(kg - K)4.18水的比热容(kJ/(kg - K)年发酵工序用水量据设计，每年发酵次数为75次，年发酵工序用水量G：G=D+W=(9356.2+1282.65) X 75=8.0X 105 (kg) 发酵车间总用水量仔总=G原料+ G=3.30X 105 + 8.0X 105 =1.13X 106 (kg)表7.5 100t/a冬虫夏草发酵车间用水量衡算表名称规格每吨产品消耗定额(t/t)每小时用量(kg/h)每天用量(t/d)水自来水或深井水11.39156.943.77年耗量(t/a)1.13X1037.4. 发酵过程无菌空气消耗量计算发酵车间无菌空气消耗量主要用于菌丝体发酵过程中通风供氧。7.4.1. 单罐发酵无菌空气耗用量10 m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20-0.25vvm,取最高值0.25vvm 进行计算。(1)单罐发酵过程用气量(常压空气)V=10X80%X0.25X60=120 (ms/h)式中80%发酵罐装料系数(2)单罐年用气量V=VX48X75=4.32X 105 (ms) a式中75每年单罐发酵批次48发酵周期(h)7.4.2. 种子培养等其他无菌空气耗量一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气的耗量的25%。故这项 无菌空气耗量为：V=25%V=25%X 120=30 (ms/h)每年用气量为：V =25%V X 10=25%X4. 32X 105X 10=1.08X 106 (ms/a) aa式中10发酵罐个数7.4.3. 发酵车间高峰无菌空气消耗量Vm =10 (V+V)=10X(120+30) =1500 (m3/h)7.4.4. 发酵车间无菌空气年耗量Vt=10X75X(V+V)X48=5 . 4X 106 (m3/a)式中 10发酵罐个数75每年单罐发酵批次48发酵周期(h)7.4.5. 发酵车间无菌空气单耗根据设计，实际冬虫夏草年产量m (实际)=102.3 (t),故发酵车间无菌空 气单耗为：Vo=Vt/G=5 . 4X 106/102 . 3=5 . 3X 104 (ms/t)根据上述计算结果，可得出100t/a冬虫夏草厂无菌空气用量衡算表，如表 所示。表7.6发酵车间无菌空气衡算表发酵罐公称容积(m3)单罐通气量3/h)种子培养耗气量3/h)高峰空气消耗量3/h)年空气耗量m3空气单耗(m3/t虫草)101203015005.4X1065.3X1048. 主要工艺设备的设计和选型8.1. 设备设计与选型的原则从设备的设计选型情况，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。 因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则：(1) 保证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 的可靠性等)。(2) 经济上合理，技术上先进。(3) 投资省，耗材料少，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) 结构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确定性能优良的设备。(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。(9) 发酵罐生产能力、数量和容积的确定。8.2. 主要设备的选型8.2.1.发酵罐驼 "Ml8.2.1.1. 发酵罐容积的确定由发酵工厂工艺设计概论表5-2可知10m3发酵罐，公称容积为10m3，总容 积为10.8m3。8.2.1.2. 生产能力计算每天需要发酵液量V = 43.33 m3设发酵罐的填充系数6=0.8,则每天需要发酵罐的总容积V0 = 43.33/ 6=54.16 m38.2.1.3. 罐个数的确定使用单罐公称容量为10m3的六弯叶机械搅拌通风发酵罐，则需要发酵罐的个数为“。公称容积为10m3的发酵罐，总容积为10.8m3，根据公式有N1=V0 t / (V 总- 24)=54.16X48/(10.8X24)=10 (个)其中：T=48h发酵生产周期V0每天需要发酵罐的总容积24一天有24h故取公称容积10m3发酵罐10个；8.2.1.4. 主要尺寸的计算已知V全二V筒+2V封二10.8 m3；封头折边忽略不计，以方便计算。则有V 全=0.785D2 X2D+(n /24)D3 X 2=10.8,H=2D；解方程得：1.57D3 + 0.26D3=10.8D=1.8,故 H=2D=3.6m ；据发酵工厂工艺设计概论附录一表 15,知封头高H =h +h =450 + 封 a b50=500(mm)验算全容积V :全V 全二V 筒+2V 封=0.785D2X2D+(n/24)D3X2+0.785 D2X0.05X2=0.785 X 1.82X3.6+n/12X 1.83+0.785 X 1.82X0.05X2 =10.9 m3与V 全=10.8 m3相近8.2.1.5. 冷却面积的计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多及环境气温最高时也能冷却下 来，必须按照发酵生成热最高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达 到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。计算冷却面积使用牛顿传热定律公式，即F=Q/ (K 匕)对于冬虫夏草发酵，每1 m3发酵液，每1h传给冷却器的最大热量约为: 4.18X6000 kJ/ (m3 h)。采用竖式列管换热器，取经验值K=4.18X500 kJ/ (m3h°C)平均温差At ：t = (t -t ) / (In (t /t )mm121232C-32C 20CT7C代人，得 *二(12-5) / (ln12/5) =8C m对公称容量10 m3的发酵罐，每天装5罐，每罐实际装液量为 43.33/5=8.67(m3)换热面积 F=Q/ (K -Atm)=4.18X6000X8.67/(4.18X500X8)=13.0 (m2)8.2.1.6. 搅拌器设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体 特性选用。由于冬虫夏草发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选用 六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的主要尺寸如下：搅拌器叶径 Di=D/3=1.8/3=0.6(m)取 d=0.6 (m)弧长 l=0.375d=0.375 X 0.6=0.225(m)底距 C=D/3=1.8/3=0.6(m)盘径 di=0.75Di=0.75 X 0.6=0.45(m)叶弦长 L=0.25d=0.25 X 0.6=0.15(m)叶距 Y=D=1.8(m)弯叶板厚6=12 (mm)取两档搅拌，搅拌转速 *可根据10m3罐，搅拌器直径 0.63m，转速 N1=145r/min,以等P0/V为基准放大求得：N=N (D /D) 2/3 =145X(0.63/0.6) 2/3 =150(r/min) 21128.2.1.7. 搅拌轴功率的计算通风搅拌发酵罐，搅拌轴功率的计算有许多种方法，现用修正的迈凯尔式求 搅拌轴功率，并由此选择电机。发酵液可视为牛顿流体，计算步骤如下：计算Re :mRem=D2N p/u 式中D搅拌器直径，D=0.6mN搅拌器转速，N=150/60=2.5 (r/s)P醪液密度，P=1050 kg/m3U醪液粘度，口=1.3X10-3Ns/m3将数代入上式：Rem=0.62X2.5X 1050/1.3X 10-3 =7.3X 105 >104，视为湍流， 则搅拌功率准数N =4.7 p(2) 计算不通气时的搅拌轴功率P ：0P 二N N3D5P0p式中Np 在湍流搅拌状态时其值为常数4.7N搅拌转速，N=150r/min=2.5r/sD搅拌器直径，D=0.6mP醪液密度，P=1050 kg/m3代入上式：P =4. 7 X 2 . 53 X 0. 65X 105 0=6. 0 X 103=6 (kW) 0两档搅拌 P0=2P0=12 (kW)(3) 计算通风时的轴功率Pg：P=2.25X10-3X(P02ND3/Q0.08)0.39 (kW)式中P0不通风时搅拌轴功率(kW)，P02 =122 =144N搅拌转速，N=150r/min=2.5r/sD搅拌器直径(cm)，D=0.6m，D3=0.63X 106=2.16X 105Q通风量(ml/min)，设通风比vvm=0.20-0.25,取低限，如通风量变 大，Pg会小，为安全，现取 0.20;则 Q=79.1X0.20X 106 =1.58X 107 (ml/min)Q0.08=(1.58 X 107) 0.08=3.77 代入上式:P=2.25X 10-3X(144X 150X2.16X 106/3.77)0.39=19.4 (kW) g求电机功率P :电P =P/n n n X1.01 电 g 123采用三角带传动n 1=0.92；滚动轴承n 2=0.99；滑动轴承n 3=0.98；端面密 封增加的功率为1% ;代入公式数值得：P 电=19.4X1.01/ (0.92X0.99X0.98) =22(kW)查手册选择合适的电机。8.2.1.8. 设备结构的工艺设计设备结构的工艺设计，是将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制 造加工和采购时取得资料依据。其内容包括：空气分布器、挡板、密封方式、搅 拌器及冷却管布置等。现分别简述如下：(1) 空气分布器：对于好气发酵罐，分布器主要有两种形式，即：多孔(管)式 和单管式。对通风量较小(如Q=0.02-0.5ml/s)的设备，应加环型或直管型 空气分布器；而对通气量大的发酵罐，则使用单管通风，由于进风速度高， 又有涡轮板阻挡，叶轮打碎、溶氧是没有问题的，本罐使用单管进风。(2) 挡板：挡板的作用是加强搅拌强度，促进液体上下翻动呵控制流型，防止产 生涡轮而降低混合和溶氧效果。如罐内有相当于挡板作用的竖式冷却蛇管， 扶梯等也可不设挡板。为减少泡沫，可将挡板上沿略低于正常液面，利用搅 拌在液面上形成的涡旋消泡。本罐应有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。(3) 密封方式：随着技术的进步，机械密封已在发酵行业普遍采用，本罐拟采用 双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。(4) 冷却管布置：对于容积小于5m3的发酵罐，为了便于清洗，多使用夹套冷却 装置。随着发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套形成的冷却面积已无法 满足生产要求，于是使用管式冷却装置。蛇管因易沉积污垢且不易清洗而不 采用；列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多；因此广泛使用的是 竖直蛇管冷却装置。在环境温度较高的地区，为了进一步增加冷却效果，也有利用罐皮冷却的。为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要有足够的管道 截面积，以供足够的冷却水通过。管道截面太大，管径太粗不易弯制，冷却水没 有充分利用；太细则冷却水流经管路不到一半，水温已与料温相等。a) 求最高热负荷下的耗水量W:W=Q 总/cp(t2-t1)式中Q总一一每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=4.18X6000X8.67=2.2X 105 (kj/h)cp冷却水的比热容，4.18 kj/(kg - K)t2冷却水终温，t2=27°Ct1冷却水初温，t1=20C将各值代入上式W=2 . 2X 105/(4.18 X 7)=7 . 5X 103 (kg/h) =2.1(kg/s)冷却水体积流量为2.1 X 10-3m3/s,取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s,根据 流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：S 总二W/v=2.1 X 10-3/1=2.1 X 10-3 (m2)进水总管直径 d 总=(S 总/0.785)。.5 =(2.1 X 10-3/0.785) 0.5=0.052 (m)b) 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n,则：S 总二n 0.785d02竖直蛇管组数n，根据罐的大小一般取3, 4, 6, 8, 12组。通常每组管 圈数不超过6圈，增加组数可排下更多冷却管；管与搅拌器的最小距离不应小于 250mm；每圈管子的中心距为2.5D外-3.5D外，管两端U型或V型弯管，可弯制或 焊接。安装时每组竖直蛇管用专用夹板夹紧，悬挂在托架上。夹板和托架则固定 在罐壁上。管子和罐壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装、清洗和良好传热。现根据本罐情况，取n=8,求管径。由上式得：d0=(S 总/n 0.785)0.5 =(2.1X 10-3/8X0.785) 0.5=0.018 (m)