年產2000噸的D-核糖工廠設計.doc

本 科 畢 業(yè) 設 計題目：年產2000噸D-核糖的工廠設計目 錄1緒論11.1項目建設的背景11.1.1項目提出的依據11.1.2投資的必要性21.2項目建設的意義21.2.1產品需求及預測21.2.2經濟效益和社會效益31.2.3結論與建議31.3廠址選擇31.3.1地理環(huán)境41.3.2自然環(huán)境41.3.3人文環(huán)境42工廠平面設計52.1設計依據52.2總平面設計52.3主要指標53產品方案及工藝流程63.1產品方案63.2生產工藝選擇63.2.1培養(yǎng)基配方63.2.2工藝流程圖63.3工藝要點73.3.1發(fā)酵過程73.3.2發(fā)酵液的預處理83.3.3離子交換樹脂脫鹽83.3.4發(fā)酵液再處理83.3.5反應結晶83.3.6D-核糖晶體的生成93.3.7晶體檢驗93.4物料衡算93.4.1原料93.4.2輔料103.4.3包裝材料123.5生產設備選型123.5.1設備選型原則123.5.2生產能力計算過程123.6水電平衡213.6.1全年用水量計算213.6.2全年用電量計算234廠內衛(wèi)生與安全生產254.1廠內部總平面布置的衛(wèi)生254.2管道衛(wèi)生255公共工程和輔助設施265.1公用工程265.1.1給排水工程265.1.2供氣工程及采暖通風工程265.1.3空氣壓縮系統及制冷工程265.1.4供電工程265.1.5環(huán)保系統265.2輔助工程265.2.1項目需要工件的輔助系統265.2.2運輸設施276企業(yè)組織和勞動定員276.1企業(yè)組織276.2工作制度276.3勞動定員277環(huán)境保護與綜合利用287.1處理方案287.2采用的主要標準288設計概算289經濟技術分析299.1工廠成本309.1.1原輔料總成本309.1.2包裝材料費309.1.3員工工資309.1.4設備折舊費309.1.5動力費估算319.1.6其他費用319.2出廠價格319.3銀行利息319.4稅金319.5利潤319.6投資回收期3110結論32參考文獻32附錄33致 謝34魯東大學本科畢業(yè)設計年產2000噸D-核糖的工廠設計摘要：本設計主要是對年產2000噸的D-核糖廠進行了設計。本設計從產品需求、地理環(huán)境、政策環(huán)境、生產技術等各項條件出發(fā)，針對2000噸D-核糖項目的需要，進行了車間平面設計，并對產品方案、生產工藝、設備選型、物料衡算、全廠衛(wèi)生安全、企業(yè)組織等方面進行了研究與設計。最后對本方案進行了技術經濟分析，結果表明：該項目固定資產投資9000萬元，項目完成之后可年產固體D-核糖2000噸，年利潤5440萬元，投資回收期為4年。關鍵詞：D-核糖；工廠設計；物料衡算；技術經濟分析The Plant Design of a 2000t/a Production Capacity of D-riboseAbstract：This study was aimed to design a D-ribose production plant with a 2000-ton production annual capacity.Workshop horizontal design, the product plan and the craft proof, selection of processing technology and equipment, materials balancing, hygiene and safety, and organization were studied and designed for the D-ribose production, based on the demand of product, geographical environment, governmental policies and the production technology. At last the analysis of technical economy of this project was done. It showed that the fixed assets was 90 million RMB, after the completion of the project, the plant may yearly produce solid D-ribose 2000t, the annual profit was 54.4 million RMB, and the return time of investment was 4 years.Key Words：D-ribose; Plant design; Materials balancing; Technical economy analysis1 緒論1.1 項目建設的背景1.1.1 項目提出的依據D-核糖的結構式D-核糖是一種五碳糖，分子式是C5H10O5，常溫下為白色極易潮解的粉末狀晶體，溶于水，微溶于乙醇，不溶于醚、苯、丙酮及氯仿 1。D-核糖是生物體內遺傳物質的碳水化合物組成部分，細胞膜中的重要成分，在生理上起著重要的作用；核糖還是生物體內合成ATP的前體物質，是生命代謝最基本的能量來源之一。心臟缺血會使心功能下降、心律失常。研究證實，口服D-核糖能促進心肌細胞ATP的產生，使心肌細胞的功能正常，從而明顯改善心功能，保護缺血時的心臟，對因心臟缺血誘發(fā)的心律失常也有保護作用，使原來一動就喘、經常心慌、胸悶、氣虛的癥狀得以明顯改善，生活質量大大提高。人感到疲勞的直接原因是肌肉細胞的ATP產生不足，使肌肉活動的能量不足，人就有疲勞感。D-核糖是合成ATP的起始分子，它是肌肉合成能量物質ATP的重要原料。研究證實，補充D-核糖可以提高人體的運動能力，有效抗疲勞，緩解肌肉酸痛。D-核糖也是一些輔酶和維生素的重要組成部分2，廣泛應用于合成核黃素、抗病毒劑及風味增強劑。另外,D-核糖還可治療肌肉疼痛及糖尿病3。D-核糖也是合成一些抗病毒、抗腫瘤藥物的中間體。目前,此類研究也十分活躍4。1.1.2 投資的必要性 近年來D-核糖作為抗癌和抗病毒類藥物、調味品等的合成原料在制藥工業(yè)和食品工業(yè)上得到廣泛的應用2 5 6。在食品工業(yè)上，D-核糖作為調味品、調味香精等風味物質的合成原料。在醫(yī)藥工業(yè)中，D-核糖是維生素B2合成的重要原料，可用來合成類固醇、前列腺素、維生素D的結構類似物，可以合成一些抗病毒和抗癌的藥物，還對延緩衰老有一定的作用。在醫(yī)療保健方面，D-核糖具有治療心肌局部缺血、加強心臟抗局部去血、全面改善心臟功能的功效，用于治療因運動引起的肌肉酸痛糖尿病等3。伴隨國際市場D-核糖的廣泛應用，國內的一些知名企業(yè)也開始引進和自主研發(fā)相結合，在國內成立獨立的D-核糖生產線。多年來，全球D-核糖生產量的大部分銷往日美兩國。近幾年，隨著亞洲地區(qū)對D-核糖要求的迅速增大，使D-核糖生產跨入了一個嶄新的階段，目前全球D-核糖以每年超20%的增長率增長。因此，該廠建成后將有非常好的發(fā)展前景。1.2 項目建設的意義1.2.1 產品需求及預測D-核糖在國外也只是個別國家壟斷和控制著世界的產量和價格。國內需求大部分依賴進口。據11年初的最新統計，D-核糖的世界需求量約4萬噸，隨著社會消費水平的提高，社會需求量還會越來越大。圖1 市場需求狀況及預測圖Figure1 Chart of maket demand and forcast圖2 市場價格狀況及預測圖Figure2 Chart of maket price and forcast1.2.2 經濟效益和社會效益圖3 D-核糖行業(yè)資金利潤率分析（單位：%）Figure3 Chart of D-ribose industry capital profit項目完成之后可年產D-核糖2000噸，項目年銷售收入為25000萬元，年總成本費用為11500萬元，年利潤為5440萬元，項目建成后投資回收期約為4年。社會效益預測：建廠后可多方面為當地創(chuàng)造稅收收入，吸納當地剩余勞動力，增加當地居民收入進而帶動其他行業(yè)的發(fā)展。1.2.3 結論與建議鑒于國內外對此產品需求量也很大，市場供應也相當緊張，且價格不斷上揚。因此，開發(fā)D-核糖市場前景好，其經濟社會效益更為顯著。本設計即是針對我國D-核糖的發(fā)展現狀，本著迎合消費者需求，求新，求變的原則，對D-核糖的生產進行了更為優(yōu)化的設計，設計了年產2000噸D-核糖的工廠，在工藝分析的基礎上，進行了物料衡算、設備選型、能耗衡算、勞動力定員，并對生產車間進行了合理的布局。同時，在設計過程中，注意到環(huán)境保護，及時有效地處理生產過程中產生的三廢問題。1.3 廠址選擇本廠廠址擬選在山東省新泰市高新技術產業(yè)開發(fā)區(qū)。新泰市位于山東省中部，泰沂腹地，北依五岳獨尊的泰山，南臨孔子故里曲阜，東接山東半島沿海城市，是中國百強市，山東10強縣市之一，經濟發(fā)展迅速，交通便利，且開發(fā)區(qū)自然地理條件優(yōu)越，人口密度小，符合生產D-核糖的選址原則。1.3.1 地理環(huán)境地理位置優(yōu)越：新泰，坐落在魯中腹地，泰沂腹地，北依五岳獨尊的泰山，南臨孔子故里曲阜，東接山東半島沿海城市。區(qū)位優(yōu)越，交通便利。交通便利：新泰市交通便利。京滬高速公路、萊新高速公路交匯分別穿越境內51公里和27公里，二O五國道、O九公路、蒙館公路、濟臨公路、新棗公路跨越境內179公里。地方縣鄉(xiāng)公路通車里程達1580公里，全市公路密度為122.7公里/百平方公里，市區(qū)至各鄉(xiāng)鎮(zhèn)全部實現了通柏油路或水泥路，已全部實現村村通公路。磁萊鐵路貫穿境內，段長64.9公里，轄9個車站。所有這些，為新建廠區(qū)開辟了寬闊的大門。1.3.2 自然環(huán)境自然環(huán)境優(yōu)美：新泰市風景秀麗。黃河、淮河兩大水系在此分界，峰嶺疊彩，河流縈回。徂徠山蒼松傲立，柴汶河源遠流長，新甫山古柏涌翠，青云湖碧波蕩漾，金斗山天臺曝書，敖山山峰直上青天，梁父山史冊聞名，白馬寺銀杏參天，龍女廟古今傳奇。蓮花山被譽為“北方普陀，觀音勝景”，山上奇石遍布，流泉飛瀑，幽谷奇峰，集北方山脈之大氣與南方水之神韻于一身，以自然、和諧、幽靜、淳樸為特色，是休閑養(yǎng)生的最佳去處。原料供應：廠區(qū)交通便利，由于生產需求量大，生產D-核糖的主要原料可由廠家長期送貨，其他原料從臨沂批發(fā)市場購買完全能夠滿足生產的需要。礦產資源：新泰市資源豐富。新泰是全國 60個重點產煤縣市之一，現已探明的原煤儲量16億噸。1.3.3 人文環(huán)境基礎設施完善：新泰城市基礎設施完備。初步建成了山、水、城一體生態(tài)型、現代化園林城市，城市化水平達到43.5%。市內淡水資源總量5.56億立方米，擁有供水水庫4座，現代化凈水廠2座，城市供水普及率達到98.8%；市內擁有電廠8座，總裝機容量172萬KW，供電能力自給有余，同時使集中供熱面積達到345萬平方米，集中供熱率達到83.2%。城市燃氣普及率達到92%；污水處理率達56.4%，工業(yè)廢水達標率達95%以上，全年空氣質量級以上所占比例達90%以上。園林綠化總面積156萬平方米，城市建成區(qū)綠化覆蓋率達到42%，人均公共綠地面積13.9平方米，園區(qū)工業(yè)用電價格0.7元千瓦時，用水價格3.00元噸。政策優(yōu)惠服務到位：近年來，新泰市堅定不移地走工業(yè)強市之路，用項目和投入尤其是大項目支撐經濟加快發(fā)展、跨越發(fā)展。因此政府支持并鼓勵合理的廠區(qū)場地建設，并給投資者以相當的土地政策優(yōu)惠。按照“重點是工業(yè)，關鍵是項目，根本在投入”的工作思路，把實現經濟跨越發(fā)展的突破口和工作的著力點放在多上項目、上大項目，多投入、大投入上，政府的大力支持為建廠提供了堅強的后盾。 2 工廠平面設計2.1 設計依據1）廠區(qū)主要建筑物按照生產流程布置，對廠房的布置符合生產工藝的要求，盡量縮短距離，避免物料的往返運輸，既保證生產過程的連續(xù)性，又使得整個廠區(qū)緊湊合理。2）發(fā)酵附屬設施成輻射狀圍繞在發(fā)酵車間的周圍，便于為發(fā)酵提供各種原料和條件。且菌種室內相應人員及物料凈化設施參照生產質量管理規(guī)范要求進行設計7。3）污水處理設施和鍋爐房安排在發(fā)酵車間附近，遠離生活區(qū)，避免污染生活區(qū)的環(huán)境。4）辦公樓在人流出口的附近，距離車間較近，方便管理。5）綠化情況：廠區(qū)綠化以普通綠化與重點綠化相結合，沿廠區(qū)主入口的主要道路進行重點綠化，綠化部分遍植草坪，以創(chuàng)造出一個舒適怡人的廠區(qū)環(huán)境。6）廠區(qū)考慮到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均設有消防水龍頭和滅火器。2.2 總平面設計表1 廠區(qū)主要建筑物一覽表Table 1 The main building of plant table序號建筑物建筑面積（m2）建筑面積（m2）1鍋爐房1020=2002002車庫1030=3003003成品庫2030=6006004提取車間3045=135013505發(fā)酵車間4040=160016006科研樓3030=9009007機修車間1010=1001008原輔料庫2015=3003009空壓機房1510=15015010包裝車間2045=90090012辦公樓4530=1350135013水處理站2010=20020014公寓樓20302=1200120015職工餐廳3020=60060016休閑娛樂中心3025=75075017場內商業(yè)區(qū)2030=60060018其他20002000合計：13100平方米2.3 主要指標表2 技術經濟指標一覽表Table 2 Technical and economic indicator table序號項目數據1廠區(qū)占地面積20000平方米2全廠建筑物面積13100平方米3建筑物覆蓋面積65.5%4綠化面積6500平方米5綠化率32.5%3 產品方案及工藝流程3.1 產品方案D-核糖的計劃產量為2000t/年，計劃年工作日為300天，枯草芽孢桿菌的種子培養(yǎng)12小時，發(fā)酵時間72小時，考慮到裝料、發(fā)酵罐滅菌、放料以及清洗都需要一定的時間，故整個發(fā)酵周期確定為110個小時，所以全年共有65個生產周期。3.2 生產工藝選擇D一核糖的生產主要有三種:水解核酸提取法8生產，化學合成法9生產，微生物發(fā)酵法1011生產。發(fā)酵法以其獨有的他點，已成為當前生產D-核糖最經濟最有效的方法，引起國內外的強烈關注。本設計選用以枯草芽孢桿菌轉酮酶缺陷型突變株菌種，發(fā)酵法生產D-核糖。3.2.1 培養(yǎng)基配方斜面培養(yǎng)基（LB）：蛋白胨1%，酵母粉0.5%，氯化鈉0.5%，瓊脂粉2%，Ph7.0。種子培養(yǎng)()：葡萄糖2.0，玉米漿2.0，K2HP04 0.3，KH2P04 0.1，PH 7.0，溫度36。發(fā)酵培養(yǎng)基()：葡萄糖20，玉米漿2.5，(NH4)2S04 0.5，MnS04 0.005，CaC03 2，pH7.0，溫度38。3.2.2 工藝流程圖圖4 工藝流程圖Figure 4 The flow chart of production process具體工藝過程是將細菌培養(yǎng)基進行滅菌處理，送發(fā)酵釜內發(fā)酵，采用從釜低通入除菌后的無菌空氣進行通氣攪拌，加入已成熟的液體種子，發(fā)酵72個小時后，經發(fā)酵液預處理除去菌體、色素及雜蛋白，并對發(fā)酵液進行初步濃縮，然后經過陰陽離子交換柱脫鹽，發(fā)酵液再處理將殘留的少量雜蛋白過濾除去，D-核糖濃度濃縮至10g/100ml,加入1:1的苯胺進行結晶，壓濾濾液在4低溫重結晶，得到的是D-核糖胺晶體，以1g晶體：100ml乙醇水溶液（乙醇：水=30:100）的比例加入乙醇水溶液溶解晶體，60下蒸發(fā)回收乙醇和苯胺，直至剩下的溶液中檢測不到苯胺，將D-核糖水溶液置于低溫下自然起晶，得到白色無雜質的晶體，進行成品包裝出廠。3.3 工藝要點3.3.1 發(fā)酵過程枯草芽孢桿菌的轉酮酶缺陷型突變株經過二級種子罐的擴大培養(yǎng)，轉接進入發(fā)酵罐，進行發(fā)酵，發(fā)酵結束后進行D-核糖的分離純化，影響D-核糖產量的因素有菌種，接種菌齡，接種量，培養(yǎng)基，代謝產物，溫度，PH值，攪拌，通風量，泡沫等。1）菌種：目前用于生產D-核糖的菌種主要是枯草芽孢桿菌的轉酮酶缺陷型突變株，由江蘇省微生物研究所提供。所用菌種通過購買形式獲得，是目前產酶能力最高的菌株。該菌種發(fā)酵時間為72h左右，D-核糖產量高且穩(wěn)定性好，產生的D-核糖為胞外產物，容易分離純化。且枯草芽孢桿菌及其代謝物安全無毒，不會對生產人員和環(huán)境構成威脅。2）接種菌齡：一般以菌種對數生長期的后期，即培養(yǎng)液中的菌體濃度接近高峰時所需要的時間為宜，菌齡太小則會使前期生長緩慢，延長整個發(fā)酵周期；太大則會使菌體過早衰退，導致生產能力的下降。本項目的接種菌齡為12小時。3）接種量：選擇合適的接種量對產核糖有很大的影響。通常，接種量較小時，產糖不高并使生產周期延長，采用較大的接種量則會縮短菌體生長達到高峰所需要的時間，菌種容易早衰，不利于產糖。本發(fā)酵常用接種量為10%，4）碳源：葡萄糖是工程菌最易利用且產核糖能力較高的碳源，相比較其它碳源而言，葡萄糖更利于菌體產D-核糖，且成本較低，本項目采用粉碎玉米，進行淀粉糖化制取葡糖糖。5）氮源：D-核糖發(fā)酵最佳有機氮為玉米漿，濃度為2.5%，可能是玉米漿中含有豐富的氨基酸(丙氨酸、谷氨酸、賴氨酸、苯丙氨酸等)、還原糖、磷、微量元素和生長素等。工程菌是轉酮酶缺陷型突變株，在發(fā)酵的過程中，培養(yǎng)基中含有足夠的芳香族氨基酸更利于它的代謝產糖。6）溫度：在發(fā)酵的過程中，菌體的生長和D-核糖的合成均與溫度有密切關系，但兩者的最適溫度往往不相同，一般情況下，產糖的最適溫度稍高于生長溫度。7）PH：任何微生物都有適合自己生長的PH范圍。因此，培養(yǎng)初期以及培養(yǎng)過程中的PH值的變化將會直接影響微生物的生長和產物的合成。本項目采用Ph為7.0。8）通風量：通風量的多少應根據培養(yǎng)基中的溶氧而定。一般在發(fā)酵初期，菌體少，相對通風量可以小一些；菌體生長旺盛時耗氧多，則通風量要大些；產糖旺盛時需強烈通風。9）攪拌：對于D-核糖的液體深層發(fā)酵，除了需要通氣外，還需要攪拌，以利于熱交換、營養(yǎng)物質與菌體均勻接觸，降低細胞周圍的代謝產物濃度，從而有利于糖的生成；同時也可以打破空氣氣泡，使發(fā)酵液形成湍流，從而提高溶氧，增加空氣利用率。10）分批補糖：為了降低發(fā)酵終點的殘?zhí)菨舛龋诜蛛x純化，采用分批補糖，具體情況視不同發(fā)酵的現實狀況而定，添加的糖量也應隨機應變13。3.3.2 發(fā)酵液的預處理由于對發(fā)酵液采用樹脂脫鹽，而蛋白質的存在會污染樹脂，增加樹脂再生的難度，影響脫鹽效果，故本項目采用先除蛋白后脫鹽的操作順序。先進行降膜濃縮，調節(jié)Ph至6.0，采用膜過濾兩級超濾去除發(fā)酵液中的蛋白質、色素及菌體，達到上離子交換柱的糖度和色素標準。圖5除蛋白的工藝流程圖Figure 5 The flow chart of removing protein process3.3.3 離子交換樹脂脫鹽提取之前要脫鹽脫色，利用2017強堿型陰離子交換樹脂和0014強酸型陽離子交換樹脂除去D-核糖發(fā)酵液中的陰陽離子，對發(fā)酵液進行脫鹽。在間歇操作條件下用活性碳脫色，首先將發(fā)酵液的PH調至3.0，然后加1.5%的活性碳，在50攝氏度的熱水中保溫30分鐘。壓濾，連續(xù)兩次后澄清略帶微黃色即可。再進行發(fā)酵液的降膜濃縮14。3.3.4 發(fā)酵液再處理向脫鹽后的發(fā)酵液中加入50%發(fā)酵液體積的乙醇水溶液（無水乙醇：水=30:100），殘留的少量蛋白質沉淀出來，壓濾去除，調節(jié)Ph至7-8之間，濃縮D-核糖濃度至10g/100ml，便于進行后續(xù)的反應。3.3.5 反應結晶在30下，以D-核糖：苯胺=1.25g：0.8ml的比例加入苯胺，進行反應生成D-核糖胺晶體，反應過程中應進行攪拌，防止形成晶體塊。結晶后壓濾分離晶體，母液置于4下進行重結晶。晶體產率可達到1.1g晶體g D-核糖。3.3.6 D-核糖晶體的生成以6g晶體：100ml的乙醇水溶液的比例加入乙醇水溶液，由于D-核糖胺的生成是可逆的，加入的乙醇可以出去晶體表面的苯胺，并可以帶走少量水分。因此于60下對發(fā)酵液進行蒸餾，直至溶液中不存在乙醇和苯胺。苯胺的測定方法：苯胺與次氯酸鈉溶液反應即呈明顯的紫色，生成的紫色化合物在280nm下有明顯的吸收峰，用分光光度計測定，來檢驗苯胺是否已完全蒸出15。D-核糖水溶液置于4下，自然起晶，過濾分離晶體。3.3.7 晶體檢驗晶體檢驗合格后方可進行包裝出廠。包裝完成的晶體應進行不定期的隨機抽樣檢驗，以確保產品質量。3.4 物料衡算由物料平衡的計算可確定生產過程中單位時間內原輔料的需求量和水、蒸汽的耗量，進而可以計算出全年主要物料的需要量、包裝材料的采購運輸和倉儲容量。通過物料衡算，還可以根據計算數值進行經濟合理地生產設備的選擇，并進行車間的設備布置和勞動力的安排。已知發(fā)酵時間為72h左右，種子培養(yǎng)時間12h，整個發(fā)酵周期為110h計算，在300天的工作日內，共有65個生產周期。為計算方便，可假設每次發(fā)酵有5個100t的發(fā)酵罐同時進行發(fā)酵。根據參考資料17可確定裝料系數為75%，按每升發(fā)酵液可產生100gD-核糖，提取收率86%，倒灌率為1%，提取得到D-核糖。則一年產生2000噸D-核糖需總發(fā)酵液體積為：式中 200發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 50%糖酸轉化率 99%除去倒灌率1%后的發(fā)酵成功率 86%D-核糖提取收率則一個發(fā)酵周期需要發(fā)酵液體積V為：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3） 65一年內的發(fā)酵周期數（個）由此可進行物料衡算。3.4.1 原料1）玉米淀粉發(fā)酵液配制需水解糖，故：式中 M1種子所需葡萄糖量23491發(fā)酵液總體積（m3） 10%接種量 20種子液葡萄糖配比（kg/ m3）式中 M2發(fā)酵液所需葡萄糖量23491發(fā)酵液總體積（m3） 200發(fā)酵液葡萄糖配比（kg/ m3）式中 M糖發(fā)酵所需葡萄糖總量M1種子所需葡萄糖量 M2發(fā)酵液所需葡萄糖量耗用淀粉原料量：理論上，100kg淀粉轉化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量M淀粉為式中 86%淀粉原料含純淀粉量 98%淀粉糖轉化率2）玉米漿65個發(fā)酵周期的發(fā)酵液及種子液中玉米漿的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3） 2.5%種子液中玉米漿配比10%接種量2%發(fā)酵液中玉米漿配比3.4.2 輔料1）磷酸氫二鉀65個發(fā)酵周期種子液中所需的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）10%接種量0.3%種子液中磷酸氫二鉀配比2）磷酸二氫鉀65個發(fā)酵周期種子液中的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）10%接種量0.1%種子液中磷酸二氫鉀配比3）硫酸銨65個發(fā)酵周期中發(fā)酵液中硫酸銨的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）0.5%發(fā)酵液中硫酸銨配比4）硫酸錳65個發(fā)酵周期中發(fā)酵液中硫酸錳的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）0.005%發(fā)酵液中硫酸錳配比5）碳酸鈣65個發(fā)酵周期中發(fā)酵液中碳酸鈣的用量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）2%發(fā)酵液中碳酸鈣配比6）活性炭按發(fā)酵液量的1.5 %計，則整個發(fā)酵周期需要活性炭的量：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）1.5%發(fā)酵液中活性炭配比7）泡敵發(fā)酵培養(yǎng)基中泡敵的添加量為0.03%，65個發(fā)酵周期中的使用量為：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3）0.03%發(fā)酵液中泡敵配比8）苯胺反應結晶法以1.25gD-核糖：0.8ml苯胺的比例加入苯胺，則全年共需要苯胺為式中 2000全年生產D-核糖的質量（t）0.64結晶時加入的苯胺配比3.4.3 包裝材料固體制劑的包裝材料為紙桶，內包裝用聚乙烯塑料袋，外套鋁箔袋，包裝規(guī)格為500g/袋，其它包裝可根據客戶要求定做。表3 生產物料衡算表Table 3 Balance sheet ofproduction material項目名稱指標每次發(fā)酵周期實際量年用量輔料磷酸氫二鉀0.3%0.108t7.05t磷酸二氫鉀0.1%0.036t2.35t硫酸銨0.5%1.81t117.5t硫酸錳0.005%0.018t1.175t碳酸鈣2%7.23t470t 活性炭1.5 %5.43 t353 t泡敵0.03%0.108 m37.1 m3苯胺1.25gD-核糖：0.8ml苯胺19.7 m31280 m3原料玉米粉22%78.1t5075t玉米漿4.5%8.15t530t包裝材料聚乙烯塑料袋各種規(guī)格紙桶25Kg/桶1212個80000個3.5 生產設備選型3.5.1 設備選型原則設備的選型原則根據物料衡算確定的，使設備既能保證生產的連續(xù)進行，又使設備得到充分利用14。一般應遵循以下原則：1)滿足工藝的生產要求，保證產品的質量和產量；2)所選設備應能充分利用原料、能耗少、體積小、效率高、維修方便、勞動強度低，并可一機多用，備品、備件供應方便； 3)設備的先進程度、機械化程度應與工廠的規(guī)模相適應，要做到經濟上合理，技術上先進；4)所選設備應符合食品衛(wèi)生的要求，易清洗、裝拆，不易腐蝕；5)設備結構合理，材料性能可適應生產的工作環(huán)境；6)考慮到生產的波動性，要留有一定的備用設備。根據以上原則，在物料衡算結果的基礎上，對本車間選用的設備如下所述。3.5.2 生產能力計算過程由物料衡算表可知：每個發(fā)酵罐每次發(fā)酵產生75 m3左右的發(fā)酵液，經過濾后濃縮為原體積的40%左右。因每一工藝步驟的操作要求和處理時間的不同，故每一車間的工作時間也不同，對設備的要求應分別計算。計算過程為：1)發(fā)酵罐一個發(fā)酵周期需要發(fā)酵液體積V為：式中 23491發(fā)酵液總體積（m3） 65一年內的發(fā)酵周期數（個）由此可設需5個裝料系數為75%的發(fā)酵罐，則發(fā)酵罐有效體積為：式中 362一個周期所需發(fā)酵液的體積（m3）75%裝料系數5發(fā)酵罐個數 因此，取發(fā)酵罐的有效體積為100 m3發(fā)酵罐主體結構計算：發(fā)酵罐的公稱體積為近似圓柱體的體積：設H0=2.5D，則,即上下封頭高：式中 ha上封頭的高度（m）hb下封頭的高度（m）罐體總高：橢圓封頭的容積：圓柱部分的容積：罐的全容積：罐體壁厚：式中 130MPaP0.50.8C3D3370mm故：S=11.12mm，取整11.5mm封頭壁厚：式中 130MPaP0.50.8C4.2D3370mm故：S=12.3mm，取整12.5mm2）攪拌器設計攪拌器的主要尺寸計算：考慮到發(fā)酵徑高比為1：2.5，比較小，為了使發(fā)酵液充分混勻，保持均一，一般采用渦輪式攪拌器。渦輪式攪拌器的結構簡單，能量傳遞高，氧溶解率高,彎葉剪切力小。圓盤可增強軸向混合效果。所以選用六彎葉渦輪式攪拌器17。其主要尺寸如下：葉徑Di：葉寬B：弦長L：底距C：盤徑P：彎葉板厚s：根據全擋板條件的計算公式17，確定擋板數為5。3）外盤管夾套的設計發(fā)酵罐的冷卻，主要考慮微生物發(fā)酵過程的發(fā)酵熱和機械攪拌消耗的功率傳遞給培養(yǎng)基的熱量，此外還應考慮各種培養(yǎng)基實消后的冷卻。目前，大型發(fā)酵罐傳統上多使用多組立式蛇管，立式蛇管具有傳熱系數高的優(yōu)點，但占據發(fā)酵罐的容積，且罐內蛇管一旦發(fā)生泄漏，將會造成整個罐批的發(fā)酵液染菌，此外，蛇管冷卻管使罐的死角數增加，不僅增加了染菌的機會也給罐體的清洗帶來許多的不便7。半圓形外盤管的傳熱系數高，罐體容易清洗，可增強罐體強度，大大降低罐體的壁厚，使整個發(fā)酵罐的造價降低，代替了內蛇管占據的發(fā)酵罐容積，增加了發(fā)酵罐的放罐系數。傳熱面積F的要求決定了夾套筒體的高度Hj，夾套的高度一般不低于料液的高度，以保證傳熱的充分17。夾套筒體高度Hj可由下式估算：式中 Hj夾套筒體高度裝料系數V發(fā)酵罐的有效容積Vh封頭容積V1筒體每米高的容積故夾套高度：取夾套高度Hj =7000mm外盤管夾套設計參數如下：通道寬度:取b=300mm通道高度：取h=200mm，半圓管壁厚S=20mm通道半圓心角：通道與容器殼體采用全焊透的V形焊縫螺旋通道的節(jié)距：取ts=350mm螺旋通道圈數n：式中 7000夾套筒體高度350螺旋通道的節(jié)距綜上所述共需5個100 m3發(fā)酵罐，型號為MSF-L100，公稱容積100(m3)，材質：不銹鋼。由南京匯科生物工程設備制造。4）種子罐二級種子罐式中 100發(fā)酵罐體積0.75發(fā)酵罐裝料系數10%接種量0.75種子罐裝料系數一級種子罐式中 10二級種子罐體積0.75二級種子罐裝料系數10%接種量0.75種子罐裝料系數5）離心泵要求75 m3發(fā)酵液5min上液完成，即要求泵的性能：泵的選型：上海KSB泵業(yè)有限公司生產，型號為CPK125-900，Q=900 m3/h， H=10m，臨時確定40個。4.空氣壓縮系統吸風塔粗濾器 空氣壓縮機空氣冷卻器除水設備空氣總過濾器發(fā)酵車間空氣總管分過濾器發(fā)酵罐發(fā)酵過程中的最大通氣量為1:1，因此發(fā)酵車間需要最大壓縮空氣的用量可按下列公式計算： V = 單個發(fā)酵罐的體積發(fā)酵罐的個數通氣比+單個種子罐的體積種子罐的個數通氣比按560 m3/min進行后續(xù)計算式中 100單個發(fā)酵罐的體積5罐體個數1通氣比10單個二級種子罐的體積 吸風塔吸風塔設計高度應在1012m左右。進管至空氣壓縮機一段的管路，要求直管連接，避免彎管或多彎管。本次設計中將吸風塔的高度定為11m，空氣在吸風塔內的截面流速設計為6m/s。則吸風塔的截面半徑為：空氣的實際流速： 前置預過濾器選擇高效前置過濾器，其外形象一只大型集裝箱。內部設計有兩道過濾介質層：前層稱粗過濾層，采用絨布作為過濾介質；后道稱亞高效過濾層，采用滌腈無紡布作為過濾介質。設計流速為0.5 m/s。設備外型半徑為：設備外型半徑取2.5m。實際流速： 空壓機由計算可得發(fā)酵工藝所需的最大空氣流量為560 m3/min。因此選擇日本壽力公司生產的TRX系列離心式空壓機。其輸出功率為180kW ，容量范圍為350600 m3/min，排氣壓力為216Pa。20的空氣經空氣壓縮機的壓縮，其出口壓強表壓為0.2MPa.則壓縮后的空氣溫度為：式中 P10.101 MPaK1.3 冷卻器壓縮空氣由管道經沿程冷卻輸送到空氣冷卻器，此時空氣的溫度已大大低于空氣壓縮機出口的溫度。空氣冷卻器的作用是使壓縮空氣除水減濕。冷卻器選用浮頭式換熱器，冷卻水走管程，壓縮空氣走殼程。要求壓縮空氣由104被冷卻至25，冷卻介質為20的循環(huán)水，冷卻水的出口溫度為28.由條件可得：空氣的定性溫度：水的定型溫度：計算過程18為：查得空氣在定性溫度下的物性數據： r = 1.0445 kg/ m3 ；. Cp = 1.007 kJ/(kg) ；k = 2.931W/( m2)；m = 2.03510-3 Pas查得水在定性溫度下的物性數據： r = 995.7 kg/ m3 ；Cp = 4.174kJ/(kg) ；k = 0.618W/( m2)；m = 0.8010-3 Pas I熱負荷計算Q：冷卻水耗量Wc：II計算平均溫差暫按單殼程、雙管程考慮，先求逆流時平均溫度差 空氣： 104 25 冷卻水：28 20 t ： 76 5計算R和P：由R、P值，查表可得：ft = 0.98，因ft0.8，選用三殼程。III選k值，估計傳熱面積，取 k = 100 w/( m2)IV初選換熱器型號由于兩流體溫差大于50，可選用浮頭式換熱器FB500。由計算結果確定換熱器為三殼程，因此選用4臺相同的換熱器串聯使用。換熱器的主要數據如下： 管子尺寸252.5,管子總數124，管程2，管子排列方法：正方形斜轉45排列。換熱面積S：總傳熱系數k0為： 除水設備空氣經冷卻后即有水分析出，為此，冷卻的空氣需要除水并安裝必要的除水設備。絲網除濾器是一種立式圓筒型設備，它具有壓降阻力小，除水除沫效率高，使用方便的優(yōu)點。一般絲網除濾器的設計流速取13m/s。設計時取流速為2m/s，則除濾器的直徑D為除濾器的直徑D取2.5m。除濾器的填料為不銹鋼絲網，不銹鋼絲的直徑為0.25mm，多層重疊，絲網層厚度為100mm，絲網型號：140-400型。 總空氣過濾器總空氣過濾器是圓筒狀設備，空氣在過濾器內底篩板一下切線方向進入，在器身下方設置人孔。YUD型空氣總過濾器，過濾介質采用涂層式過濾材料組裝的濾芯，常采用的濾芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）。根據發(fā)酵車間的空氣用量，可選用YUD-Z-4型號的總過濾器f12003035mm，配濾芯DMF，總過濾器內有DMF濾芯f3501000，4個。 分過濾器分過濾器是單臺發(fā)酵罐的單獨空氣過濾器。100 m3發(fā)酵罐的空氣過濾系統設備的計算及設計如下：根據發(fā)酵工藝，每個100 m3發(fā)酵罐最大空氣用量為由于100 m3發(fā)酵罐的工作容積在75%左右，因此空氣的用量已經含有安全系數。查資料后選擇JPF-20型空氣膜過濾器，f2301196mm，配濾芯JPF-C(聚四氟乙烯微孔膜)，濾芯長20英尺，共6個。 蒸汽過濾器根據已選JPF-20型空氣膜過濾器，查閱JLS-F蒸汽過濾器的規(guī)格型號，可選JLS-F-080蒸汽過濾器，f114530mm一臺，配置濾芯JLS-F，f22260，共10個。 5.拌料槽拌料槽的結構由圓柱形槽身和圓錐形底部組成，設裝料系數為0.8，設計體積應為：式中 362發(fā)酵培養(yǎng)基體積80%拌料槽裝料系數6.儲罐發(fā)酵后的發(fā)酵液約為370 m3，故選定儲罐體積為200 m3，兩個，其的主體結構為圓柱型。7.板框壓濾機發(fā)酵結束后發(fā)酵液除去晶體，再經脫色后要及時過濾除去活性炭以進行純化。此時處理液的含固量i為活性的的百分比1.5%，處理液的體積為362 m3。選用由杭州富陽永昌過濾機有限公司生產的型號為XZ20/630-U板框壓濾機，則其過濾面積A=30 m3，濾框容量VP= 800L=0.80 m3，板框裝填系數k為0.8，過濾速度為v = 0.2 m3/ m2 h。則需要的板框過濾機的臺數為：板框過濾機的臺數取9臺。過濾時間為：另外發(fā)酵液在濃縮沉淀后還需過濾，處理液的體積為362 m3，所選機型如上，因此實際生產中選用12臺過濾機。8.降膜蒸發(fā)器在生產工藝過程中，發(fā)酵液中的產物含量很低，故需除去60%的水分，要求在8h內在低于50的條件下將362 m3的處理液中2/3的水分蒸發(fā)掉，則降膜蒸發(fā)器生產能力的計算為：預計需10個，型號為WZ-3000,其蒸發(fā)量為3000kg/h，加熱面積40 m2，罐內真空度0.07MPa，由江陰市富龍制藥機械廠生產。9.真空耙式干燥器對于固體制劑來說，要求含水率很低。要求真空干燥機在4h內將蒸發(fā)后剩余濃縮液2/3的水分蒸發(fā)掉。則真空蒸發(fā)的處理量為：36240%2/3=96.5 m3。則真空干燥器的生產能力計算為：預計需6個，其蒸發(fā)量為3000kg/h，一個備用，型號為ZB-1500,加熱面積50 m2，罐內真空度0.07MPa，由江陰市富龍制藥機械廠生產。10.CIP清洗系統本系統為IT全自動單回路CIP系統，采用三罐制方形聯體式結構，板式換熱器在線加熱，CIP進程泵流量20T/H，揚程36M，酸液罐、堿液罐、熱水罐均為1000L雙層全封閉罐，內膽板材為不銹鋼SUS316L，其中酸堿罐配置攪拌器；濃酸、濃堿罐為100L不銹鋼方形桶推車，材質為不銹鋼SUS316L。11.包裝機粉劑自動包裝機技術參數：生產效率：1000袋/小時，包裝質量范圍：200-500g/袋，薄膜尺寸規(guī)格：厚度：0.08mm，寬度：320mm（240mm），外形尺寸：10577501870mm，由南京星火包裝機械有限公司生產。表4 主要設備選型表Table 4 Equipment costs table序號設備名稱規(guī)格/型號功率/kwh數量生產能力生產廠家1發(fā)酵罐ALF-L 1001005V=100 m3南京匯科生物工程設備公司2一級種子罐MS-L115V=1 m3無錫市雪浪發(fā)酵工程設備廠3二級種子罐MS-L12105V=10 m3無錫市雪浪發(fā)酵工程設備廠4玉米秸稈粉碎機HQ1000152950kg/h山東省曲阜圣鑫機械廠5前置預過濾器R=2.501560 m3/min浙江慈溪市柯博塑料制品有限公司6離心式空壓機TRX-2001803350600 m3/min日本壽力公司7空氣冷卻器FB50001S=172.3 m3江陰丹尼爾冷卻器有限公司8絲網除濾器D=2.5m,流速2m/s01560 m3/min啟東恒業(yè)石化冶金設備有限公司120元9總空氣過濾器YUD-Z-401f12003035mm東莞市杰特西噴霧凈化科技有限公司40010分過濾器JPF-2006f2301196mm南京廣方氣動成套設備有限公司15011蒸汽過濾器JLS-F-080010f114530mm杭州翔盛氣體設備有限公司12板框壓濾機XZ30/400-U1812過濾面積30 m2杭州富陽永昌過濾機有限公司13CIP清洗系統1T全自動33泵流量10T/H瑞士比歐生物工程公司上海代表處14降膜蒸發(fā)器WZ-200010102000Kg/h江陰市富龍制藥機械廠15離心泵CPK12515040900 m3/h上海KSB泵業(yè)有限公司16真空耙式干燥器ZB-150022102000Kg/h常州市中通干燥設備有限公司17燃煤蒸汽鍋爐LSG0.5-0.101T=184 V=0.5t/h河南省太康鍋爐廠18拌料罐RZGC05-15451450 m3上海伊本輕工機械有限公司19包裝機DXDF60C1.251000袋/小時南京星火機械有限公司生產3.6 水電平衡3.6.1 全年用水量計算1)生產用水料用水每個發(fā)酵罐裝液量為75 m3，共5個發(fā)酵罐；發(fā)酵罐