毕业设计（论文）-年产300吨纳豆激酶发酵车间设计.docx

目录摘要3关键词3Abstract4Keywords4第一章总论51.1 设计背景及意义51.2 设计依据51.3 生产方法及工艺选择61.3.1 产品选择61.3.2 生产方法及工艺选择6133产品说明61.4 生产规模及劳动定员91.5 厂址选择91.5.1 年度气候分析101.5.2 季节气候分析10第二章工艺设计112.1 工艺流程设计112.1.1 发酵及发酵车间工艺流程设计112.1.2 发酵及发酵车间工艺流程图122.2 物料衡算132.2.1 物料衡算132.2.2 热量衡算142.2.3 水平衡计算162.2.4 无菌空气衡算162.3 设备选型172.3.1 发酵罐的设备选型与计算172.3.2 种子罐的设备选型与计算232.4 设备工艺设计说明252.4.1 设备工艺流程图252.4.2 设备工艺流程图设计说明25第三章厂区及车间设计263.1 厂区设计263.1.1 厂区设计原则263.1.2 厂区设计说明263.2 车间设计273.2.1 车间设计原则273.2.2 车间设计总体说明293.2.3 人流通道设计及说明293.2.4 物流通道设计及说明29第四章非工艺设计304.1 环境保护304.2 消防及安全304.2.1 防雷与防静电304.2.2 采光与照明304.2.3 消防304.2.4 安全卫生30第五章设计总结32参考文献33致谢34附录35年产300吨纳豆激酶发酵车间设计摘要纳豆是日本的一种传统大豆发酵食品，由纳豆芽泡杆菌(BaCiIIUSnatto)在一定的温度和湿度条件下，通过发酵蒸煮大豆制备而成。他被认为是日本人长寿的“秘方，经常食用纳豆具有抗氧化，抗衰老，溶血栓，抗肿瘤，降血压，抗菌等作用，还可预防骨质疏松，提高蛋白质的消化率，综合提高人体免疫力。本设计在纳豆激酶的发酵过程中以大豆粉及玉米粉作为发酵原料，采用液体发酵技术，利用发酵罐进行发酵，发酵温度控制在35-4(C,同时PH控制在6.87.2之间，纳豆芽抱杆菌的接种量控制在25%之间，通气量为1025Lmin.发酵时间不超过24小时。发酵后得到的浓缩液经过真空冷冻干燥后得到纳豆激酶粉末。本次车间设计采用的大豆粉以及玉米淀粉来源广泛，而这搭配使用足以满足菌种的营养需求，而且发酵周期较短，不超过24小时，发酵液的纳豆激酶酶活较高，可达3040万Uml,可以有效降低生产成本。同时采用的提纯和发酵技术也有利于该生产方法的工业化生产。关键谓：纳豆激酶，液体深层发酵，纳豆芽抱杆菌Designofnattokinasefermentationworkshopwithanneloutputof3millionAbstractNattoisatraditionalfermentedsoybeanfoodinJapan.ItispreparedfromfermentedsoybeanbyfermentationbyBacillusnattoatacertaintemperatureandhumidity.Nattoisbelievedtobetthesecretrecipeforlongevity,inJapan.Regularuseofnattohasantioxidant,anti-aging,hemolyticembolism,anti-tumor,loweringbloodpressure,antibacterialandotherfunctions.Atthesametime,itcanalsopreventosteoporosis,improveproteindigestibility,andcomprehensivelyimprovehumanimmunity.Thisdesigntookfermentationofnattokinaseinsoybeanflourandcornflourasrawmaterialbyliquidfermentation,fermentationtechnology,fermentationbyfermentation,fermentationtemperaturecontrolat35-40°CandpHcontrolin6.8-7.2,controlofinoculationofBacillusnattoin2-5%,aerationof10-25Lmin.Thefermentationtimeshouldnotexceed24hours.Afterfermentation,theconcentratedsolutionwasobtainedbyvacuumfreezedryingtoobtainnattokinasepowder.Bythedesignoftheworkshopofsoybeanflourandcornstarchandtheuseofawiderangeofsources,sufficienttomeetthenutritionalneedsofcollocationstrains,andthefermentationcycleisshort,nomorethan24hours,nattokinaseenzymeactivityishigh,upto30-40millionUml,caneffectivelyreduceproductioncosts.Atthesametime,thepurificationandfermentationtechnologyisalsobeneficialtotheindustrializationoftheproductionprocess.Keywords：Nattokinase,Liquiddeepfermentation,Bacillusnatto第一章总论1.1 设计背景及意义随着人们生活水平的不断提高，人们对食品的要求已经不仅仅是能够吃饱,更重要的是吃好，吃出健康。在这种前提下，人们不仅注重食品的可口性，更注重产品的营养性和保健性。因此，针对目前纳豆的口味不适合中国人的特点，通过高科技手段，设计独特的菌种筛选过程，筛选出能够同时产生多种有益功能酶的菌种，或者通过改变培养基的成分、进行混合菌种发酵等手段，改进纳豆的发酵口味，使其适合中国人的饮食习惯，必将大有作为。国内的纳豆固态发酵产品生产厂家大多数采用传统托盘固态发酵，干燥技术酶活损失大，生产的产品酶活参差不齐，并且普遍较低。传统发酵的湿纳豆保质期短,在低温下最长只有一周时间，纳豆激酶的酶活性和纳豆的口感都下降很快,所以对纳豆发酵产品的新技术和新剂型进行研究很有必要。因而采用高酶活菌株，利用新型的技术和设备进行NK深层液体发酵条件与工艺的标准化研究，开展纳豆激酶的加工生产，具有紧迫性和实用性。1.2 设计依据我国大豆资源丰富，通过大豆深加工产品的开发转化我国的大豆资源，提高产品的附加值，对人民生活水平和生活质量的提高有较为深远的意义。我国自90年代开始对纳豆激酶进行研究，主要是研究纳豆激酶的发酵条件、分离纯化、纳豆激酶基因在细菌和和酵母中的表达等方面。在发酵条件优化方面,获得纳豆杆菌在最适发酵条件下的产酶活力已达到较高水平。在基因工程方面，已经获得纳豆激酶的基因片段，并分别克隆到原核表达载体和真核表达载体上。同时还对重组子的外源基因稳定性进行了初步研究。尽管在血栓性疾病的治疗中，SK,UK,Tpa,scuPA等已在临床上发挥重要作用，但它们作为口服制剂，始终存在价格昂贵，用药剂量大，肠道稳定性差等问题。首先，纳豆作为传统食品，已历经千余年，有充分的安全性保证，而且口服NK可通过肠道迅速吸收并释放入血，溶栓效率高，药效时间长，有望开发成为新型口服溶栓、防栓制剂，以供医疗和保健应用。其次，NK作为微生物代谢产物，只要有高活性的菌种，生产工艺条件成熟，就可实现大规模生产，而且其发酵原料来源广，价格低廉。NK的开发应用前景是十分广阔的。最后，随着发酵设备的日益完善产品自动化水平提高，液体发酵生产微生物酶制剂，由于其成本低，无环境污染等天然优势，必将得到广泛推广。1.3 生产方法及工艺选择131产品选择本次设计产品选择为纳豆激酶冻干粉。冷冻干燥在低温下进行，因此对于许多热敏性物质特别适用。如蛋白质、微生物之类不会发生变性或失去生物活力。因此在医药上得到广泛地运用。在低温干燥时，物质中的一些挥发性成分损失很小，适合一些化学产品，药品和食品干燥。在冷冻干燥过程中，微生物的生长和酶的作用无法进行，因此能保持原来的性状。由于在冻结的状态下进行干燥，因此体积几乎不变，保持了原来的结构，不会发生浓缩现象。干燥后的物质，加水后溶解迅速而完全，几乎立即恢复原来的性状。由于干燥在真空下进行，氧气极少，因此一些易氧化的物质得到了保护。干燥能排除95-99%以上的水份，使干燥后产品能长期保存而不致变质。因此，本次产品选择为纳豆激酶冻干粉。132生产方法及工艺选择纳豆激酶的生产可采用固体培养和液体深层培养两种方法。固体培养设备比较简单，易于推广，但容易污染杂菌;而液体深层培养的方法易于控制，不易染杂菌，生产效率高，目前生产上常采用液体深层培养法生产纳豆激酶。本次设计选用液体深层发酵生产纳豆激酶。1.3.3产品说明纳豆（NattO）是日本一种具有历史悠久的传统大豆发酵食品，被认为是日本人长寿的“秘方”，从发现至今已经食用了100O年以上。据传纳豆起源于中国，在唐朝时期，高僧鉴真东渡日本传经时，带去了豆豉和豆豉制作技术，最初在纳所（即寺庙中的厨房）制作，所以称为纳豆。纳豆不仅风味独特，而且营养丰富，还具有溶血栓、抗肿瘤、降血压等一系列生理功能，进而成了天然功能性食品的研究热点。早在日本江户时代出版的本朝时鉴中就有“纳豆消毒、进食”的记载网，由此可见,纳豆的保健功效很早就已被人们所认知。大豆经纳豆芽抱杆菌发酵后，产生一系列的生物、化学变化，使大豆的营养物质、种类和含量都发生了改变,也使其营养价值得到显著提高。更重要的是，发酵过程使纳豆具有了大豆所不具备的保健和医疗作用。以下为目前一致认同的纳豆医疗保健功能及主要的功效成分。1）增加骨骼密度，防治骨质疏松纳豆中含有极高的对生成骨蛋白质有重要作用的VK2,它可与骨骼中的钙共同形成骨质，可增加骨骼密度，预防骨质疏松。现代人对补充钙和VC非常重视，但往往忽略了补充VK2蛋白。1995年，日本东京大学的一名科研人员曾对多名年龄超过60岁的骨质疏松的患者做过调查研究，结果显示服用VK2不但可以减缓腰痛，还可以增加骨骼质量；研究同时证明易骨折的人，其体内含有的VK2浓度只有健康人的1/2。因此他们主张通过食用纳豆来预防和治疗骨质疏松。2）防治血栓、高血压、动脉硬化和便秘等疾病纳豆激酶是纳豆中含有的主要保健组分，具有溶栓作用，其主要作用是消除由冠状动脉疾病形成的血栓，以及预防急性心肌梗死、脑血栓中风、脉管栓塞这几种常见的血栓性疾病。同时纳豆中含有的毗嗪（Pyrazine）能有效抵制血液的凝固，同时纳豆中含有极为丰富的Y-谷氨酰转肽酶、蛋白酶、纤维素酶和淀粉酶等酶系。据相关研究表明，如果长期膳食纳豆，就可对体内的一些胆固醇进行排除，使异常血压恢复到正常水平，纳豆更是对血栓症、高血压、动脉硬化、糖尿病和便秘等多发病症可起到预防及治疗的作用。3）抗菌整肠作用1996年，日本列岛的冈山、大阪等地发生大肠杆菌0-157肆虐、致人死亡的严重事件，而在这些地区中吃纳豆的人却安然无恙。这是因为纳豆芽抱杆菌能产生黏丝，这种黏丝中含有纳豆芽抱杆菌所产生的2,6-Itt陡二较酸、有机酸、抗菌肽等物质，这些物质对痢疾杆菌、原发性大肠杆菌0-157、O-Ilk0-144.伤寒菌、沙门氏菌等都有非常强烈的抑制作用，同时有机酸可以使肠道内PH下降，抑制病原菌感染以及腐败菌的滋生和繁殖。国内学者钟青萍等人曾研究了纳豆芽胞杆菌对常见的污染食品微生物的拮抗作用，研究结果表明：纳豆芽狗杆菌具有广谱抗菌作用，对细菌、酵母菌和细菌都有拮抗作用，同时纳豆芽孑包杆菌对大肠杆菌也有同样效果。纳豆芽抱杆菌不但不会损伤人体肠内有益细菌，而且还会增加乳酸菌的数量，有整肠作用。4）抗氧化和延缓衰老作用纳豆中含有的SOD、大豆异黄酮、不饱和脂肪酸、大豆卵磷脂和以及生育酚（即VE）等多种活性成分，对人体具有抗氧化和延缓衰老的作用。SOD是自由基的生物酶类清除剂，属于抗氧化酶，同时也是0?一歧化反应的催化酶类，是生物对抗0毒性的酶，其产物上。2可与02一相互作用（Haber-weins反应）产生借以此消除细胞内的02一。由于体内抗氧化防御机制并不能完全有效消除自由基，因此需要通过膳食补充。维生素E和大豆异黄酮都是能起到消除自由基作用的化学物质。维生素E是最其中重要的自由基清除剂，能够阻止脂质的过氧化作用。越来越多的证据表明，人体血管壁发生的脂质过氧化作用，很有可能会造成动脉粥样硬化，进一步导致猝死和心肌梗死。随着年龄的增长，人体的自由基清除能力有所下降，此时需要补充一定的抗氧化剂，用来延缓衰老和维护健康。另外，纳豆的提取物中含有大量的卵磷脂、不饱和脂肪酸等成分，可以有效降低血脂、胆固静同时清除脑组织细胞中的过氧化物、色素，调节皮肤细胞和皮肤表面水、脂肪的平衡，促进血液循环，以此达到延缓衰老的功效。5）可预防癌症纳豆芽胞杆菌发酵产生染料木素胰蛋白酶抑制剂以及多种酶和纳豆中所含的大豆DDMP,对癌症都具有明显抑制作用。根据日本金泽大学药学院龟田教授公布的纳豆抗癌作用的动物试验结果。他在小鼠皮下移植了癌变肿瘤肉片，23d后比较了右足部注入纳豆芽泡杆菌和没有注入纳豆芽胞杆菌小鼠的癌细胞生长情况，发现纳豆芽抱杆菌对动物的生长无害，但能抑制癌细胞的生长，小鼠体内的癌细胞几乎完全死亡，有生物活性的纳豆芽袍杆菌在到达肠内后还能同时诱导干扰素的产生，使致癌物质分解，从而预防癌症。实验结果证明，常食用纳豆食品有明显预防癌症的效果。6）缓解更年期综合症纳豆含有丰富的VK2、大豆异黄酮、大豆卵磷脂、VE、大豆皂甘、大豆不饱以及脂肪酸等活性营养素，能有助于改善女性的生理机能，具有缓解更年期综合症，预防血管老化，抑制脂肪沉淀和提高生理基础代谢的作用。7）降低高血压【期由纳豆芽抱杆菌酶分解大豆蛋白而产生的大豆降压肽，是一种血管紧张素转化酶抑制剂，具有明显降压作用，原理是通过阻止血管紧张素I转变为血管紧张素11,使得血压降低,它在不同的PH和温度范围内均能保持较为良好的稳定性。8）其他保健作用除上述功能外，纳豆因其含有丰富的蛋白质、酶类，丰富的VB2、亚麻酸、植物雌激素、异黄酮、大豆磷脂、皂甘、纳豆激酶、抗菌肽、VK2、VE、SOD和许多有机营养素,丰富的矿物质及微量活性物质等,这些物质的共同和协同作用，使得纳豆还具有多种其他的保健作用，如美容护肤、健脑、解酒、保护肝脏和预防中风等功效UL因而纳豆的功能多一样性还有待于进一步的研究和开发。纳豆激酶是一种经由纳豆芽胞杆菌产生的碱性丝氨酸蛋白酶，其中无二硫键,可溶于水，一般呈白色或淡黄色，在280nm波长处有最大吸收峰。不同的研究者利用不同的方法测定纳豆激酶的分子量，测定结果均集中在28kDa左右。近几年来，由已分离纳豆激酶的DNA序列推断出纳豆激酶序列为一条由275个氨基酸残基组成的单链多肽，根据它的氨基酸序列计算出纳豆激酶的准确分子量为27729kDa0根据实验测定的纳豆激酶PI值为8.6±0.3。维持纳豆激酶活性的PH值是672,如果PH值低于5.0其活性明显降低，并且酶活性丧失。但也有实验表明，将胃粘液蛋白、血清蛋白与煮沸过的小麦或者大米提取液、肉汤混合后，纳豆激酶的稳定性会明显增强,甚至在酸性条件下，纳豆激酶仍能保持活性口叫纳豆激酶活性还会受到金属离子影响，Al3Cu2,Ca?+和Mi?+对其活性有一定的抑制作用，而重金属离子Hg?+可使酶活性完全丧失，K+和Fe?+对其无明显变化,Mg?+和Co?+对其活性具有明显的激活作用1。Yuki根据纳豆激酶基因的DNA序列推出其氨基酸序列的一级结构，推测出纳豆激酶是一条由275个氨基酸残基组成的单链多肽，该多肽酶含有8个氨基酸残基，利用肽酶将其水解成9个小肽，得出在Asp32,His64,Se加处是该酶的活性中心部位，Ser125,和GIy为底物结合部位。纳豆激酶信号肽不包含不带电荷的疏水基残基序列和一个带三个正电荷的亲水氮端的两部分,Ala-Gln-Ala保守序列之后为该酶的切割位点。此外，信号肽和成熟肽之间有一段231个核昔酸编码的肽序，该肽序是纳豆激酶基因编码序列不同于多数原核基因独有的特征,近年来纳豆激酶的分子空间结构已有报道。1.4 生产规模及劳动定员本工厂一年生产纳豆激酶冻干粉300吨，生产天数为300天。发酵周期为23小时，生产周期38小时。选择20m3发酵罐两个。工厂需要工人150人1.5 厂址选择从总体上来讲，制剂药厂最好选在空气清新、气候适宜、绿化较多的城市郊区，避开市区、化工区风沙区、铁路和公路等污染较多的区域。GMP规范明确指出“药品生产企业必须有整洁的生产环境”，环境包括周围环境、室内环境。药厂选址应注意到周围几公里以内无污染排放源水质未受污染，大气降尘量小，特别是避开大气中含有二氧化硫的空气，场地、水质必须符合生产要求，生产厂房及周围无污染源按照这个思路将厂房建设在贵阳，贵阳市海拔高度在IlOO米左右，处于费德尔环流圈，常年受西风带控制，属于亚热带湿润温和型气候。151年度气候分析年平均气温为15.3°C,年极端最高温度为35.1,年极端最低温度为-7.3C；年平均相对湿度为77%,年平均总降水量为1129.5毫米，年雷电日数平均为49.1天;年平均阴天日数为235.1天,年平均日照时数为1148.3小时；年降雪日数少，平均仅为11.3天。1.5.2季节气候分析夏季平均温度为23.2°C,最高温度平均在25-28°C之间，全年最高温度高于30C的日数紫外线强度仅在中午很短的时间内达到4级，其余时间均为弱或很弱；夏季雨水充沛，约500毫米，夜间降水量占全年降水量的70%。贵阳市强力开展林业建设，贵阳市今年森林覆盖率达到46.5%o第二章工艺设计2.1 工艺流程设计2.1.1 发酵及发酵车间工艺流程设计纳豆芽抱杆菌通常为（0.7-0.8）UmX（2.0-3.0）um,革兰氏阳性。生长在葡萄糖琼脂的细胞原生质染色均匀。芽抱椭圆形或柱状，中生或偏中生，即使袍囊膨大，也不显著，有鞭毛，能运动。生长温度最高为45-55C,最低为5-20C。泡子耐热性强。综上，在本设计中我选择纳豆芽抱杆菌作为生产菌种。种子液的制备：将斜面菌接种到种子培养基中，种子培养基配方为营养肉汤1.5L,经121。C灭菌15min,冷却至37。后，接种。种子培养基的发酵条件为：摇床温度35、转速15OrPm、培养18小时。纳豆激酶的生产可采用固体培养和液体深层培养两种方法。固体培养设备比较简单，易于推广，但容易污染杂菌;而液体深层培养的方法易于控制，不易染杂菌，生产效率高，目前生产上多常采用液体深层培养法生产纳豆激酶。本次设计选用液体深层发酵生产纳豆激酶。发酵过程的控制：1）温度的调节控制温度是影响细胞生长繁殖和发酵产酶的重要因素之一。在不同的发酵阶段，应该控制不同的培养温度。发酵前期,培养温度应稍高些，以有利于菌体的生长，纳豆芽抱杆菌一般控制前期培养温度为37（即最适生长温度）；进入产酶期后，应适当降低培养温度，纳豆芽胞杆菌在37C较低的温度有利于提高酶的稳定性，延长细胞产酶时间。2）PH的调节细胞产酶的最适PH值通常接近于酶反应的最适PH值。PH值应控制在6.9,此时产酶量及酶活性较高。3）发酵时间的控制纳豆芽胞杆菌生产纳豆激酶的发酵时间一般为23h04）通气量的控制纳豆芽抱杆菌是好氧的细菌，它的呼吸作用需要耗氧，氧的供应不足将影响纳豆芽胞杆菌的生长发育和纳豆激酶的产生。所以，应保证发酵液中一定的溶氧量。发酵早期，菌体刚刚萌发，数量较少，呼吸强度较弱，耗氧速度较低，应控制通气量为1:0.20.3；进入对数生长期以后，菌体代谢旺盛，呼吸强度提高，细胞大量分裂，细胞浓度迅速增加，因此耗氧速度较快，应控制通气量为1:1,产酶时期，细胞分裂完全，细胞浓度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧气，应控制通气量为l：lo5）搅拌速度的控制搅拌既可以增加发酵液中的溶氧量，又能保证菌体与培养基的充分接触，使发酵过程能顺利进行。但是剧烈的搅拌会导致纤维素酶发生表面变形引起失活,而且快速的搅拌容易打断菌丝，引起机械损伤和代谢发生变化。6）表面活性剂的添加非离子性表面活性剂Tween80与Tween20能够积聚在细胞膜上，增加细胞的通透性，有利于纳豆激酶的分泌，所以可增加酶的产量，添加量为0.6%-l%而且添加表面活性剂Tween还有利于提高酶的稳定性和催化能力。7）产物促进剂的添加在纳豆芽胞杆菌产纳豆激酶的过程中，添加一定量的聚乙烯醇、醋酸钠等产物促进剂能提高纤维素酶的产量。2.1.2发酵及发酵车间工艺流程图纳豆芽抱杆菌大豆粉、玉米粉1温度37'CPH6.9通气量1:1发酵液图2-1发酵车间工艺流程图2.2物料衡算表3-1物料衡算表项目内容发酵周期23h生产周期38h生产天数300天/年产量300t年发酵液酶活39.5万U/ml产品酶活375万U/g发酵罐装料系数70%酶活提取总收率80%过滤损失5%超滤损失2%培养基成分：表3-2培养基成分表项目含量大豆粉25gL玉米淀粉50gL营养肉汤37.5Lm3Tween801%Tween201%聚乙烯醇1%醋酸钠1%2.2.1物料衡算1每天理论发酵液体积ViVI=（300×106×375）（300×39.5×80%）=11.867nP/天取12m32原料消耗计算（以单罐为单位进行计算）每罐发酵液体积V3=22.6×70%=15.82m3原料含量的单位（）即（lglL）=lkgm3=l-3tm3所以发酵罐中大豆粉耗量V3×25×lO-3=O.3995t玉米淀粉耗量V3×50×10-3=0.791Tween80V3×1%=156LTween20V3×1%=156L聚乙烯醇V3×1%=156L醋酸钠V3×1%=156L表3-3原材料消耗表原料名称每批用量年用量发醉罐种子罐大豆粉玉米淀粉营养肉汤0.3995t120t0.79It240t1.5L360LTween80156L46.8m3Tween20156L46.8m3聚乙烯醇醋酸钠156L46.8m3156L46.8m32.2.2热量衡算发酵工业生产中的热加工过程所需要的热源通常为整齐。发酵工厂使用的整齐一般要求蒸汽压力稳定，不应在较大范围内波动，以保证热加工过程的稳定性。这可通过稳定阀跟缓冲罐来实现。本工艺采用蒸汽压强为3.2kgc11该状态下蒸汽温度为135,蒸汽焰为2731kJkg0化工原理上册P337。1蒸汽消耗在灭菌过程中，蒸汽的消耗比较大，由于蒸汽有很强的穿透力，而且在冷凝是放出大量的冷凝热，很容易使蛋白质凝固而杀灭各种微生物。同时，蒸汽的价格低廉，来源方便，灭菌效果可靠，所以培养基灭菌、发酵设备及管道的灭菌普遍采用蒸汽灭菌。本工艺采用的是连续灭菌。考虑到万一蒸汽压力不够时和灭菌不透时改用分批灭菌余量。配料配料罐用于培养基的配制。然后将培养基用泵打入预热桶中。预热预热桶的作用一是定容，二是预热。预热的母的是使培养基在后续的加热过程中能快速的升温到指定的灭菌温度，同时可避免太多的冷凝水带入培养基，还可减少震动和噪声。一般可将培养基预热到70-90C。加热预热好的培养基由连消泵打入加热器。加热器也称连消塔，使培养基与蒸汽混合并迅速达到灭菌温度。加热采用的蒸汽压力一般为0.45-0.8MPa,其目的是使培养基在较短的时间里快速升温。本工艺中先用蒸汽进行间接加热到70,再用蒸汽直接加热到115C,保持一段时间，达到充分灭菌的目的。1间接蒸汽灭菌的蒸气消耗量计算高温蒸汽通过冷却蛇管进行间接加热，发酵液温度从20上升到90,发酵液P=IOlOkgZm3每个发酵罐发酵液质量m=15.82×1010=15.98t发酵液比热C取值3.98kJkg135C蒸汽的汽化热2163.3kJ/kg由能量恒算公式Q=Wh×R=Wc×Cpc×(T2-T)=22.6×70%×1010×3.98×(90-20)/2163.3=2.06(/®2直接蒸汽灭菌的蒸气消耗量135°C蒸汽直接从空气进管与发酵液混合，高温灭菌，发酵液温达到115。由能量恒算公式Q=WhXR=WcXCpcX(T2-T1)W2=22.6×70%×1010×3.98×(115-90)/2163.3=0.735t罐总的蒸汽耗量W=WI+W2=2.06+0.735=2.795t/罐3其他蒸汽耗量考虑到发酵液灭菌时的保压时间的蒸汽耗量W3,按经验W3为灭菌蒸汽的20%空罐灭菌时的蒸汽消耗量W4取经验数据为灭菌蒸汽的20%则W3=W4=(W1+W2)×20%=2.795×20%=0.559t/罐所以单罐生产的蒸汽总耗量W=WI+W2+W3+W4=3.9i3t/罐4锅炉确定发酵罐和发酵液的蒸汽灭菌时间为20min此时工厂需要的最大蒸汽量为W5则W5=W2=3.91320=0.196tmin=11.74th考虑到工厂其他地方的蒸汽需要和安全余量，采用蒸汽提供量为IOtZh的锅炉两台。2.2.3 水平衡计算1、种子罐冷却水q=qfVl=4.18×6500×1.36×70%=2.59×104kJhW=(Q+Qiw)/(Cp×t)=1.10×2.59×104/(4.186×9)=0.756th共有1个罐，W=l×0.756=0.756t/h2发酵罐冷却水W=(Q+Q损)(CPAt)=1.10×4.298×105(4.186×9)=12.6th水的比热为4.186kJkg共有2个罐，W2=2×12.6=25.2th冷却水需求量W=W+W2=0.756+25.2=25.956th2.2.4 无菌空气衡算1、发酵罐通风量的计算对于耗氧发酵过程来说，当系统处于稳定状态时，溶氧与耗氧达到平衡，此时溶氧速率与耗氧速率相等，即：单罐发酵无菌空气的消耗量根据生产情况，20m3的通气搅拌发酵罐的通气速度是0.5VVM单罐发酵过程的用气量(常压气体)V=22.6×70%×0.5×60=476.6(m3h)单罐年用气量Va=V×38×100=476.6×38×100=1.08×106m3式中：38发酵周期(h)；100每年单罐发酵批次。300/3=IOo2、种子培养基等其他无菌空气消耗量把种子培养基用气、培养基压送及管路损失等算在一起，一般取这些无菌空气消耗量之和等于发酵过程空气消耗量的25%。所以这项无菌空气的用量为v=25%V=476,6X25%=119.15(m3h)年消耗量%=25%×Va×2=25%×1.08×106×2=5.4×105m3式中：2发酵罐个数。3、发酵车间高峰无菌空气消耗量VmaX=2×V÷1×Vz=2X476.6+1×119.15=1072.35(m3h)4、发酵车间年用气量V总=2XVXl(X)X38+1XVX300/1x15=2×476.6×100×38+1×119.15×300lX15=3.6×106m3表2-1300t年纤维素酶发酵工厂无菌空气用量衡算表发酵罐容单罐空气种子培养及培养基高峰空气年空气用积用量压送耗气量耗量量（加）(w3h)(府h)(m3h)(mi)20476.6119.151072.353.6×106注:发酵罐装填系数70%,生产周期38h,发酵周期23h,年生产天数300d2.3设备选型本设计采用机械搅拌通风发酵罐。这种发酵罐历史悠久，资料齐全，比拟放大方面积累了比较丰富的经验，成功率高。所以，本设计采用机械涡轮搅拌通风发酵罐。2.3.1 发酵罐的设备选型与计算1、生产能力、数量和容积的确定1）发酵罐容积的确定选用公称容积为20m3的发酵罐。2）生产能力的确定现在每天生产纳豆激酶12m3,纳豆激酶的发酵操作周期是38小时发酵罐的填充系数是70%,则每天需要发酵罐的总容积VO为Vo=V7O%=377O%=52.9m33）发酵罐个数的确定查发酵工厂工艺设计概论知道公称容量为20?的六弯叶机械搅拌通风发酵罐的总容积为22.6?,发酵罐的个数风：N=12×38/（22.6×0.7×24）=1.2（个）取公称容积为20m3的发酵罐个数是2个2、发酵罐基本尺寸确定一般高径比为2-3,本设计取H：D=2公称容积为20m3,根据发酵工厂工艺设计概论P102表6-2,其全容积为22.6m3V全=V筒+2Vw22.6=0.785D2X2D+D3l2整理后得22.6=1.57D3+0.26D3解得口二当言=2.311m=2311mm取整为2400mmH=2D=4800mm,根据发酵工厂工艺设计概论附表15,知D=2400mmH=4800mm封头曲面高度H尸60Omm内表面积F=6.60m2直边高度H2=50mm封头容积V=2.05m33、冷却面积的计算冷却装置一般分为夹套是冷却和蛇管式冷却，对于冷却面积小于511?的发酵罐,一般它的比表面积大,能够达到冷却所要求的面积,加上为了便于清洗，故多用夹套式冷却方式。但是当发酵罐的容积较大时，只靠发酵罐的表面积是达不到冷却所要求的换热面积的，于是采用冷却装置。管式冷却装置分为蛇管式和列管式。普通蛇管式冷却装置容易造成污垢且不容易清洗故采用不多。列管式冷却装置的换热效果虽然好，但它的冷却水消耗量很大，也不大采用。在发酵工业生产中发酵罐的冷却装置采用的是竖直式蛇管冷却装置。1）热负荷QQ=Q÷Q2-Q3-Q4Q一发酵过程每小时总的放热量（kJh）QlT每个发酵罐在发酵过程中最大的放热速率（kJh）Q2搅拌产生的热速率（kJh）Q3-无菌空的水分经过发酵罐时汽化所带走的热速率（kJh）Q4罐壁直接热辐射传热速率（kJh）2)发酵热QI的计算纳豆芽抱杆菌生产的每立方米发酵液最大放热速率去经验值4.18x650(kJh)所以Q尸4.18×6500×22.6×70%=4.3×105KjZkg3)搅拌热Q2的计算根据搅拌热的计算公式Q2=P×860×4.178式中：P电动机功率，为25kw860×4.178表示搅拌轴的每千瓦功率每小时产生的搅拌热为860×4.178Kj所以Q2=25×860×4.178=9.0×104kJkg4)汽化热Q3的计算Q3=G×(I2-I1)式中GT工作状态下通过发酵罐的空气质量流量，通风比为0.5-LOVVm,取通风比值最小时，得到Q值最大，可以满足其他通风比，因此取通风比的最小值，0.5vvmIlT发酵罐空气进口热焰kJ/kgI2发酵罐空气出口热焰kJ/kg发酵罐进口处空气状态温度T=30°C,空气的绝对湿含量Xi=Xs=0.0074kg水kg空气相对湿含量=64.2%X=0.622×Ps×/(P-Ps×)=0.622×0.0433×64.2%(3-0.0433×64.2%)=0.00635kg水kg空气发酵罐出口处空气状态温度T=30oC,无菌空气经发酵罐时充分的与水接触，它的相对饱和度变为100%,此时温度的水蒸气的饱和蒸气压Ps=0.0433kgcm2,罐压取经验数据1.5kgcm2所以，出口处空气的湿含量Xo=O.622×Ps×/(P-PSX)=0.622×0.0433(1.5-0.0433×100%)=0.0185kg水kg空气G的计算G表示工作状态每个发酵罐的空气质量流量(kg干空气h),取最小通风比0.5vvm,则TPaV=(0.722+1.244X)X尸/3031=(0.722+1.244×0.00635)××-2733=0.27m3kg干空气G=22.6×7O%×lo=1758kgh查资料知，在30时空气的密度大约为1.165kgm3所以，空气的G(质量流量)=2.583×1.165=3.0kg/h热焰I的计算按公式1=4.186×0.24t+4.186×(595+0.46×t)×X9=(1.001+1.88×X9)×t+2490×X9式中：t1空气温度(C),为30CXT空气绝对湿含量kg水kg空气进罐空气热焰Ii=(1.001+1.88×X9)×t9+2490×X9=(1.001+1.88×0.00635)×30+2490×0.00635=46.2kJkg空气出罐空气热焰I2=(1.001+1.88×Xo)×to+249O×Xo=(1.001+1.88×0.0185)×30+2490×0.0185=77.41kJ/kg空气所以Q3=Gx(L-L)=1758x(77.41-46.2)=5.5×104Jh5)辐射热的计算在计算发酵罐的热负荷时，有一部分热量可以直接通过罐壁向周围的环境辐射，取经验数据Q4=IO%×(Q+Q2-Q3)=10%×(4.3×105+9.0×104-5.5×104)=4.6×104kJ/h所以，热负荷Q计算Q=Q+Q2-Q3-Q4=4.185×105kJh冷却水冷却水选用地下水，可以减低生产成本，使用水泵从地下水中抽取，水的温度为18,冷却水的出口温度设计为27°C,t=27-18=9oC这样冷却水的消耗量W=Q(Cpt)=4.185×1O5/(4.186×9)=23.9th水的比热为4.186kJkg6)为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、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。%的计算冷却水用地下水，进口温度为18,出口温度为27发酵液37oC37°C冷却水18oC27oCt=37-18°Ct2=3O-27=3°Ctm=(AtLAt2)/In(tt2)=(12-3)ln(123)=12°C换热