生物基脂肪酸的生產(chǎn)工藝流程與生產(chǎn)設(shè)計(jì)TOC\o"1-3"\h\u89441引言 1191441.1概述 1136341.2性質(zhì)和結(jié)構(gòu) 1298241.3用途 132511.3.1生理功能方面 132051.3.2醫(yī)學(xué)方面 154411.4發(fā)酵生產(chǎn)DHA的背景 1322901.5設(shè)計(jì)內(nèi)容 2100281.6設(shè)計(jì)的目的以及意義 2312902廠址的選擇以及總平面的設(shè)計(jì) 2273932.1廠址的選擇 275622.1.1自然條件 2284872.1.2技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件 356862.2總平面布置 311232.3車間平面布置 3109093生產(chǎn)工藝 4226883.1工藝流程圖 4214293.2高產(chǎn)菌種選育 5239433.2.1菌種的選擇 5285603.2.2菌懸浮液制備 522813.2.3紫外線誘變 5298743.2.4高產(chǎn)菌株篩選 5223463.3發(fā)酵工藝 654673.3.1搖瓶種子培養(yǎng) 6252293.3.2種子罐擴(kuò)大培養(yǎng) 6312283.4DHA發(fā)酵條件 6140933.4.1培養(yǎng)基的組成 6134183.4.2溫度 688503.4.3溶氧影響 7229243.4.4pH 7214333.5DHA分離提取 7239584基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 855725物料衡算 8284385.1發(fā)酵車間物料衡算 851195.2年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物發(fā)酵車間物料衡算 10121176熱量衡算 10105127車間水衡算 12232628主要工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型 1386778.1設(shè)備設(shè)計(jì)和選型的原則 13192458.2發(fā)酵罐的選型 13228308.3種子罐的選型 15171019管道布置設(shè)計(jì) 163059010公用工程 171623910.1供電工程 171779510.2供熱工程 171069210.3給水工程 171048810.4通風(fēng)系統(tǒng) 181462511發(fā)酵工廠的三廢處理 182720511.1廢水處理 182078411.2廢氣處理 18406111.3廢渣處理 18466812經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算 191788812.1經(jīng)濟(jì)衡算 1922751總結(jié) 214120參考文獻(xiàn) 231引言1.1概述DHA又稱為“腦黃金”，全名為二十二碳六烯酸。是一種多不飽和脂肪酸，這種多不飽和脂肪酸為人體必需的脂肪酸之一，對人體的生理調(diào)節(jié)以及保健具有重要作用，然而這種不飽和脂肪酸在人體內(nèi)難以合成，必須從外界攝取。1.2性質(zhì)和結(jié)構(gòu)DHA的分子結(jié)構(gòu)式為C22H30O2，分子量為328.48。其常溫下為油狀液態(tài)，具有脂溶性，不溶于水，易溶于乙醇。熔點(diǎn)為-45.5oC左右，所以在低溫狀態(tài)下具有很好的流動(dòng)性，所以可以用有機(jī)溶劑法提取出來。DHA中含有5個(gè)活潑的亞甲基結(jié)構(gòu)，極易受到光，熱，氧，金屬元素以及自由基的影響。容易發(fā)生氧化、聚合、腐敗、雙鍵共軛等化學(xué)反應(yīng)。產(chǎn)生醛、酮、酸等一系列揮發(fā)與非揮發(fā)性的物質(zhì)。1.3主要用途1.3.1生理功能方面DHA是人腦組織的重要組成部分，是大腦灰質(zhì)最主要的多不飽和脂肪酸?？梢蕴岣叽竽X的靈活度，柔韌度，并且抑制大腦的老化。在腦細(xì)胞的形成過程中，DHA有利于促進(jìn)腦細(xì)胞的增殖和大腦的發(fā)育。所以如果嬰兒出生時(shí)血液中DHA含量較少時(shí)。發(fā)育可能會遜于正常兒童，嚴(yán)重時(shí)可能會出現(xiàn)認(rèn)知障礙等。在幼童或者青少年階段，他們正處于接受信息，學(xué)習(xí)的階段。DHA的攝入有助于細(xì)胞突出的延伸，增強(qiáng)細(xì)胞間的聯(lián)系，信息傳遞能力有助于增強(qiáng)記憶力。1.3.2醫(yī)學(xué)方面通過臨床的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，DHA還具有、抗炎癥、提高免疫力、預(yù)防心血管疾病等多種醫(yī)療功能。同時(shí)對腫瘤的預(yù)防也具有良好的作用。心血管疾病是導(dǎo)致糖尿病患者死亡的罪魁禍?zhǔn)?，糖尿病患者通過血脂研究得出補(bǔ)充魚油可以顯著降低糖尿病患者血清低密度脂蛋白膽固醇和血清甘油三酯水平[1]?；谝陨厢t(yī)療功能，DHA可以作為特定的藥物進(jìn)一步地研究開發(fā)應(yīng)用，對人類醫(yī)療領(lǐng)域具有很大的研究價(jià)值[15,19]。1.4發(fā)酵生產(chǎn)DHA的背景目前獲得DHA的方法是以植物油或者動(dòng)物油等為原材料，通過高溫高壓水解或者酶解的方法獲得，然而這種方式獲得的DHA存在性能不均一，產(chǎn)量少等問題。為此尋找出一種原料來源廣，能夠大規(guī)模生產(chǎn)且生產(chǎn)周期短的生產(chǎn)方法。目前越來越多的目光轉(zhuǎn)移到微生物發(fā)酵生產(chǎn)上來。結(jié)合微生物發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)，通過工業(yè)微生物發(fā)酵DHA具有很大的應(yīng)用前景[2,11]。1.5工廠設(shè)計(jì)的內(nèi)容本課程研究內(nèi)容是年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物的工廠設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)的規(guī)模，合理制訂全年產(chǎn)品生產(chǎn)方案設(shè)計(jì)廠址平面設(shè)計(jì)、確定生產(chǎn)DHA工藝流程，設(shè)備的選型，以及經(jīng)濟(jì)核算。根據(jù)生產(chǎn)需要，對生產(chǎn)線輔助性部門所需面積進(jìn)行估算，并對生產(chǎn)車間和全廠平面進(jìn)行合理安排。并用CAD繪制4張圖紙。1.6設(shè)計(jì)的目的以及意義本次課題做的是DHA發(fā)酵的工廠設(shè)計(jì)，所以設(shè)計(jì)的目的不僅僅在于發(fā)酵工廠平面的設(shè)計(jì)和布置，還需要對工藝有一定的要求，包括提高生產(chǎn)工藝獲得最好的生產(chǎn)效果。2廠址的選擇原則廠址的選擇必須符合工業(yè)布局，能夠充分的利用選擇地區(qū)的地理優(yōu)勢，使企業(yè)能夠更加方便的獲得原料或者便于利用交通運(yùn)輸，能夠在符合國家管理的要求下合理處理廢棄物等。本課題設(shè)計(jì)為一種DHA的醫(yī)療保健產(chǎn)品，所以企業(yè)選址在江蘇泰州醫(yī)藥城。考慮到該地區(qū)便于獲得原料以及便于銷售等方便企業(yè)的發(fā)展。2.1廠址經(jīng)濟(jì)條件選擇（1）能源方面由于是生物發(fā)酵，所以對電，熱等能源的要求需求較大，所以選擇時(shí)應(yīng)考慮這方面原則。（2）水利方面生物發(fā)酵法需要大量的水源作為發(fā)酵用水，同時(shí)在發(fā)酵罐滅菌等都需要的大量的熱卻用水。（3）交通運(yùn)輸要以交通運(yùn)輸為原則，考慮交通運(yùn)輸?shù)目煽啃院捅憷?，以公路、鐵路、水路等最佳。（4）技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件廠址的選擇符合國家要求的合理布局，合理的工業(yè)布局。同時(shí)能夠充分的調(diào)動(dòng)人力物力等資源，同時(shí)在處理廢棄物的時(shí)候能夠更好的保護(hù)環(huán)境。2.2總平面布置根據(jù)年產(chǎn)10噸DHA的規(guī)模，總平面設(shè)計(jì)4000m2。工廠包括辦公樓、生產(chǎn)車間、菌中發(fā)酵車間、配電房和衛(wèi)生部等重要布置。行政辦公面積為200m2。生產(chǎn)車間為2000m2。通往大門方向的主干道寬5米，路徑遍布工廠各個(gè)廠區(qū)。具體平面如REF_Ref12829\h圖1所示。圖1工廠總平面圖2.3車間平面布置發(fā)酵生產(chǎn)車間主要以發(fā)酵為主，也是工廠中最核心的部分，車間內(nèi)包括有滅菌罐、空氣壓縮機(jī)、儲氣罐、空氣過濾器、萃取罐、正己烷原料罐和回收罐等重要設(shè)備。菌種發(fā)酵主要在菌種發(fā)酵車間然后在生產(chǎn)車間進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)操作。在生產(chǎn)車間配備了10個(gè)發(fā)酵罐，分別列成三排，中間四個(gè)，前后兩排各三個(gè)（每天需要2個(gè)發(fā)酵罐）。此外在車間旁邊設(shè)有放置原料的原料房、半成品房和最終產(chǎn)品的成品房。3生產(chǎn)工藝3.1工藝流程本設(shè)計(jì)主要工藝為：首先進(jìn)行原料預(yù)處理、水解、過濾、收集醪液，同時(shí)對菌種進(jìn)行紫外篩選出高產(chǎn)菌種。接著將其共同放入發(fā)酵罐中發(fā)酵。最后通過油脂提取及純化產(chǎn)生產(chǎn)品。具體工藝流程如下REF_Ref13792\h圖2REF_Ref12499\h所示。圖SEQ圖\*ARABIC2生產(chǎn)工藝流程圖3.2高產(chǎn)菌種選育3.2.1菌種的選擇研究工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)采用破囊壺菌（Thraustochytrids）作為原始發(fā)酵菌株。傳統(tǒng)微生物發(fā)酵生產(chǎn)DHA的不飽和脂肪酸有兩種途徑，分別是脂肪酸合成酶（FAS）[18]途徑以及聚酮合酶（PKS）途徑。目前在脂肪酸合成酶（FAS）途徑中的多個(gè)酶已經(jīng)被克隆和鑒定，且都證明了脂肪酸合成途徑在破囊壺菌中是存在的[3]。破囊壺菌中的多不飽和脂肪酸，主要包括二十二碳六烯酸（DHA）、二十二碳五烯酸（DPA）及二十碳五烯酸（EPA）等，在食品、醫(yī)藥等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。3.2.2菌懸浮液制備將保存于4oC冰箱的破囊壺菌株在LB培養(yǎng)基上活化兩次之后按照菌種和種子培養(yǎng)基體積比為1:7的比例接種培養(yǎng)。在25～30oC的搖床中以250r/min的轉(zhuǎn)速培育24小時(shí)左右進(jìn)入對數(shù)生長期。取10ml的發(fā)酵菌液，35000r/min離心收集菌體。此后用無菌生理鹽水清洗菌體。將菌體置于無菌水中用漩渦振蕩器混勻，使形成的菌種懸浮液濃度約為1×106～1×107個(gè)/mL供誘變用。3.2.3紫外線誘變?nèi)?0ml的菌液置于平板中，用20W的紫外光照射，照射距離約為30cm。分別采用不同的照射時(shí)間確定致死率。用致死率確定照射時(shí)間，之后按照照射時(shí)間做紫外誘變[4,6]。3.2.4高產(chǎn)菌株篩選平板初篩：將誘變后的菌株稀釋后涂布，置于28oC下培育6天。選取生長速度快且菌落大的菌落，用蘇丹黑B染色進(jìn)行脂肪粒觀察，挑選胞內(nèi)脂肪粒多且明顯的菌落移接搖瓶培養(yǎng)。搖瓶初篩：將平板篩選的幾株菌落分別置于幾個(gè)100ml的搖瓶中，每株接一瓶，28oC，180rpm震蕩培養(yǎng)6天。抽濾收集菌體，測菌體脂肪酸含量、油脂含量。搖瓶復(fù)篩：初篩中每種菌株再分別做三個(gè)平行實(shí)驗(yàn)，每株接三瓶，28oC，180rpm震蕩培養(yǎng)6天。抽濾收集菌體，測菌體脂肪酸含量，油脂含量。選擇脂肪酸含量，油脂含量高的菌株，進(jìn)行多次傳代培養(yǎng)，每次傳代培養(yǎng)后測菌體的脂肪酸含量，油脂含量，篩選出高產(chǎn)的菌株。3.3發(fā)酵工藝3.3.1搖瓶種子培養(yǎng)破囊壺發(fā)酵種子液的培養(yǎng)可在實(shí)驗(yàn)室中完成，將篩選出的高產(chǎn)菌株轉(zhuǎn)接到含有培養(yǎng)液的搖瓶中[7,20]。將已經(jīng)接種的搖瓶放到30oC、180rpm的恒溫培養(yǎng)箱中震蕩培養(yǎng)至對數(shù)生長期，用于下一步擴(kuò)大培養(yǎng)。3.3.2種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)是通過先使用小的種子發(fā)酵罐培養(yǎng)然后逐步放大到大的種子罐中培養(yǎng)的方法，實(shí)驗(yàn)中先在實(shí)驗(yàn)室中使用搖瓶培養(yǎng)出良好的菌種，當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境達(dá)到要求后再提取出菌種到種子罐中，接種含量一般為15%左右。這樣可以獲得更多的菌種進(jìn)行發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，同時(shí)保障實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行，確保種子培養(yǎng)時(shí)擁有良好的發(fā)酵條件[8]。3.4DHA發(fā)酵條件3.4.1培養(yǎng)基的組成（1）碳源破囊壺菌發(fā)酵生產(chǎn)DHA[9]，不同的碳源含量對菌體脂質(zhì)含量，DHA的產(chǎn)量都有巨大的影響，根據(jù)各類碳源的比較，葡萄糖的效益是較佳的。在發(fā)酵生產(chǎn)中獲得的DHA較高，葡萄糖也是微生物發(fā)酵最為常用的碳源。（2）氮源氮源的數(shù)量對發(fā)酵生產(chǎn)DHA具有很大作用，大規(guī)模工廠生產(chǎn)考慮經(jīng)濟(jì)效益，加入比較容易獲取且成本價(jià)格較低的玉米漿和豆餅粉作為氮源（3）碳氮比除了碳源，氮源對發(fā)酵生產(chǎn)的影響，碳氮比也影響著DHA的含量，碳源比高，在一定程度上促進(jìn)菌體的生長以及脂質(zhì)的積累，但碳氮比過高將會影響產(chǎn)物的積累。最適的碳氮比在5/1~10/1之間。3.4.2溫度在微生物發(fā)酵過程中除了要滿足菌的營養(yǎng)生長條件還要維持菌的培養(yǎng)條件。其中之一要維持菌生長和發(fā)酵生產(chǎn)的最適條件[14]。溫度除了影響發(fā)酵速率，還要考慮其他物質(zhì)的理化性質(zhì)，比如溶氧量，微生物活性等。因此根據(jù)各方條件結(jié)合得出最適的菌的生長和最大產(chǎn)物DHA含量的溫度條件。根據(jù)梯度實(shí)驗(yàn)可以得出破囊壺發(fā)酵生產(chǎn)DHA的最適溫度為28oC。3.4.3溶氧影響由破囊壺菌生產(chǎn)DHA是一個(gè)耗氧的過程，在發(fā)酵生產(chǎn)階段需要維持發(fā)酵罐內(nèi)氧氣含量充足。破囊壺菌生產(chǎn)DHA所需要的碳源主要還是來源于葡萄糖，而在葡萄糖的代謝過程中氧氣是其中重要的關(guān)鍵。當(dāng)有氧氣存在時(shí)，葡萄糖的代謝能夠產(chǎn)生大量的ATP。這些ATP能夠促進(jìn)破囊壺菌的生長，和促進(jìn)DHA的合成。通風(fēng)量也是影響溶氧量的因素，通風(fēng)含量是溶氧量最直觀的因素。3.4.4pH在發(fā)酵過程中，每一類菌都受到pH的影響，且每一類菌都有其最適的范圍，pH過高或者過低都會使得破囊壺菌的死亡，因此為了提供更有效的發(fā)酵環(huán)境，必須了解破囊壺菌的最適pH值，選擇最適的pH值并嚴(yán)格控制有利于菌的生長和產(chǎn)物的合成，能夠獲得更大的產(chǎn)量。因此在設(shè)計(jì)發(fā)酵罐時(shí)應(yīng)該配置有一個(gè)pH的監(jiān)控系統(tǒng)，通過監(jiān)控系統(tǒng)，時(shí)時(shí)關(guān)注發(fā)酵環(huán)境的變化，并能夠及時(shí)的維持發(fā)酵液的變化。DHA合成最適pH約為6。發(fā)酵液pH大于或小于6，DHA的合成路徑就會被抑制，所以說pH對DHA生產(chǎn)尤為重要。3.5DHA分離提取首先要對發(fā)酵液進(jìn)行脫水處理，不脫水的菌種體積大，相對應(yīng)的需要更大的萃取罐來進(jìn)行下一步操作，增大了相應(yīng)的成本。工業(yè)上采用離心脫水：將發(fā)酵液置于碟式離心機(jī)中離心分離脫水。之后進(jìn)行有機(jī)溶劑提取油脂，采用的萃取劑為正己烷。在萃取罐內(nèi)先加2倍發(fā)酵液量的正己烷，再加入脫水后的菌液，邊加入邊攪拌，充分?jǐn)嚢柽^后靜置分離。待溶液分層后重相部分可再次投入到萃取罐使用，輕相部分則經(jīng)過低溫濃縮蒸發(fā)后獲得富含DHA脂溶性液體。最后通過使用脫色白土將粗油脫色，精制后獲得DHA精油產(chǎn)品[10,21]。4基礎(chǔ)數(shù)據(jù)發(fā)酵過程中原料配比等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如REF_Ref14504\h表1。表SEQ表\*ARABIC1基礎(chǔ)參數(shù)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)生產(chǎn)規(guī)模噸/年10生產(chǎn)天數(shù)天/年300平均發(fā)酵產(chǎn)率g/L6.3DHA含量%40接種量%15倒罐率%1精煉總收率%90發(fā)酵周期天5種子培養(yǎng)基配比[13]（g/L）：葡萄糖5、酵母粉1、KH2PO40.01、NaCl0.3、MgSO40.05、CaCO30.02、維生素B120.001，維生素B10.001。發(fā)酵培養(yǎng)基配比[13]（g/L）：葡萄糖10、玉米漿[12]2、谷氨酸0.3、酵母提取物0.5、NaCl0.3、KH2PO40.01、CaCO30.02、MgSO40.05、維生素B120.008，維生素B10.008。5物料衡算5.1發(fā)酵車間物料衡算發(fā)酵液量生產(chǎn)1000kgDHA油劑成品所消耗的各種原料量如下：（1）發(fā)酵液的量V1==445.3708（m3）式中：6.3g/L-為平均發(fā)酵產(chǎn)率90%-精煉總收率40%-油脂中DHA含量1%-倒罐率（2）種子液量V2=V1×15%=66.8056（m3）式中：15%-接種量（3）種子液中酵母粉的耗用量m1=V2×1=66.8056（kg）（4）發(fā)酵液中谷氨酸的耗用量m2=V1×0.3=133.6112（kg）（5）發(fā)酵液中玉米漿的耗用量m3=V1×2=890.742（kg）（6）發(fā)酵液中酵母提取物的耗用量m4=V1×0.5=222.6854（kg）（7）葡萄糖的耗用量種子液中的用量：m5=V2×5=334.028（kg）發(fā)酵液中的用量：m6=V1×10=4453.708（kg）葡萄糖總耗用量：m7=m5+m6=334.028+4453.708=4787.736（kg）（8）NaCl的耗用量種子液中的用量：m8=V2×0.3=20.0417（kg）發(fā)酵液中的用量：m9=V1×0.3=133.6112（kg）NaCl總耗用量：m10=m8+m9=20.0417+133.6112=153.6529（kg）（9）KH2PO4的耗用量種子液中的用量：m11=V2×0.01=0.6681（kg）發(fā)酵液中的用量：m12=V1×0.01=4.4537（kg）KH2PO4總耗用量：m13=m11+m12=0.6681+4.4537=5.1218（kg）（10）MgSO4的耗用量種子液中的用量：m14=V2×0.05=3.3403（kg）發(fā)酵液中的用量：m15=V1×0.05=22.2685（kg）MgSO4總耗用量：m16=m14+m15=3.3403+22.2685=25.6088（kg） （11）CaCO3的耗用量種子液中的用量：m17=V2×0.02=1.3361（kg）發(fā)酵液中的用量：m18=V1×0.02=8.9074（kg）CaCO3總耗用量：m19=m17+m18=1.3361+8.9074=10.2435（kg）（12）維生素B1的耗用量種子液中的用量：m20=V2×0.001=0.0668（kg）發(fā)酵液中的用量：m21=V1×0.008=3.5632（kg）維生素B1總耗用量：m22=m20+m21=0.0668+3.5632=3.63（kg）（13）維生素B12的耗用量種子液中的用量：m23=V2×0.001=0.0668（kg）發(fā)酵液中的用量：m24=V1×0.008=3.5632（kg）維生素B12總耗用量：m25=m23+m24=0.0668+3.5632=3.63（kg）5.2年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物發(fā)酵車間物料衡算根據(jù)上述10噸DHA油劑物料衡算計(jì)算結(jié)果，得到下REF_Ref17595\h表2所示：表2年產(chǎn)10噸DHA發(fā)酵車間物料衡算表物料名稱/單位1000kgDHA物料量10噸DHA物料量每日物料量發(fā)酵液量/m3445.37084453.70814.846種子液量/m366.8056668.0562.227酵母粉/kg66.8056668.0562.227酵母提取物/kg222.68542226.8547.423葡萄糖/kg4787.73647877.36170.725玉米漿/kg890.7428907.4229.69谷氨酸/kg133.61121336.1124.454NaCl/kg153.65291536.52915.122KH2PO4/kg5.121851.2180.171MgSO4/kg25.6088256.0880.854CaCO3/kg10.2435102.4350.341維生素B1/kg3.6336.30.121維生素B12/kg3.6336.30.1216熱量衡算此加熱為使用蒸汽混合加熱的方式，首先計(jì)算生產(chǎn)1000kgDHA產(chǎn)品耗熱量，計(jì)算公式為：Q1=式中：Q1-為蒸汽的耗用量，kg為所需加熱的料液量，kgc-為料液的比熱容，4.02kJ/(kg·oC）t1-為料液初始時(shí)溫度，20oCt2-為料液完成時(shí)溫度，121oC（1）發(fā)酵罐內(nèi)由初始溫度加熱到121oC的耗熱Q1：發(fā)酵液被加熱量：G=445.3708×1000=445370.8（kg）故直接蒸汽加熱消耗的蒸汽量：Q1=1.808×108（kJ）（2）熱損失Q2：加熱升溫過程及煮沸過程中的熱蒸汽損失約為Q1的15%：Q2=Q1×15%=2.712×107（kJ）由上述結(jié)果得Q總：Q總=Q1+Q2=1.808×108+2.712×107=2.079×108（kJ）（4）生產(chǎn)1000kgDHA產(chǎn)品蒸汽消耗量，計(jì)算公式如下：D=式中：I-為飽和蒸汽（0.4MP，I=2737.23kJ/kg）i-冷凝水的焓（i=601.53kJ/kg）η-蒸汽的熱效率（η=95%）D===1.025×105（kg）根據(jù)上述1000kgDHA產(chǎn)品耗熱量結(jié)果，可得年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物車間熱量計(jì)算如REF_Ref18499\h表3所示。表3年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物車間熱量衡算名稱壓力/MPa每噸產(chǎn)品消耗/kg每天消耗/kg年消耗量/kg蒸汽0.4（表壓）1.025×1053.416×1031.025×1067車間水衡算（1）冷卻用水量V1:V1=式中：G-為需冷卻料液量，kgc-為料液的比熱容，4.02kJ/(kg·oC）c水-為水的比熱容，4.18kJ/(kg·oC）t3-為料液被冷卻的溫度，28oCt4-為料液被加熱時(shí)溫度，121oCt5-冷卻水的進(jìn)口溫度，20oCt6-冷卻水的出口溫度，70oCV1==（kg）（2）蒸汽用水量V2：由上述熱量衡算中得1000kgDHA蒸汽耗用量為：D===1.025×105（kg）V2=1.025×105×10=1.025×106（kg）（3）原料預(yù)處理用水量V3：按種子和發(fā)酵培養(yǎng)基中水占80%計(jì)算得：V3=（kg）發(fā)酵車間總用水量V：V=V1+V2+V3=1.982×106+1.025×106+4.098×106=7.105×106（kg）由上述水量計(jì)算可知年產(chǎn)10噸生物基脂肪酸及其衍生物車間用水如REF_Ref26882\h表4所示表SEQ表\*ARABIC4年產(chǎn)10噸生物及脂肪酸及其衍生物車間水量衡算名稱規(guī)格每噸產(chǎn)品消耗/（kg）每天用量/（kg）年耗量/（kg）冷水自來水7.105×1052.368×1047.105×1068主要工藝設(shè)備的設(shè)計(jì)和選型8.1設(shè)備設(shè)計(jì)和選型的原則設(shè)備設(shè)計(jì)選型是否正確恰當(dāng)，對投資建廠和工廠投產(chǎn)后的運(yùn)行維修、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、產(chǎn)品的質(zhì)量都會產(chǎn)生很大影響[16]，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）保證工藝過程實(shí)施的安全可靠（包括設(shè)備材質(zhì)對產(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)過程清洗消毒的可靠性等）[22]。（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)過實(shí)踐考驗(yàn)證明確實(shí)性能優(yōu)良的設(shè)備[23]。（7）考慮生產(chǎn)波動(dòng)與設(shè)備平衡，留有一定余量。（8）發(fā)酵罐生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積得確定[17]。8.2發(fā)酵罐的選型（1）發(fā)酵罐容積得確定每天需要的發(fā)酵液量：V=14.846（m3）設(shè)發(fā)酵罐得裝料系數(shù)：θ=80%則每天需要發(fā)酵罐的總?cè)萘浚篤0=V÷θ=14.846÷80%=18.558（m3）（2）發(fā)酵罐個(gè)數(shù)得確定采用10m3的發(fā)酵罐，每天需要發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為N0個(gè)：N0=18.558÷10=2（個(gè)）總需要發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)為N個(gè)：N=V0×T÷（V罐×24）=18.558×5×24÷（10×24）=10（個(gè)）式中：T-為發(fā)酵周期，T=5（天）（3）主要尺寸的計(jì)算V全=V桶+2V蓋=10（m3）封頭折邊忽略不計(jì)，以方便計(jì)算V全=V桶+2V蓋=0.785D2×2D+（π/24）×D3×2=10取H=2D，解得方程得：1.57D3+0.26D3=10D=1.76（m），故H=2D=2×1.76=3.52（m）圓柱部分容積：V圓柱=0.785×1.762×3.52=8.56（m3）上、下封頭體積：V上=V下=（π/24）×D3=0.71（m3）總?cè)莘e：V總=V圓柱+V上+V下=8.56+0.71+0.71=9.98（m3）與V全=10（m3）相似冷卻面積的計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算法：式中：-發(fā)酵罐的填充系數(shù)，取80%-冷卻面積與發(fā)酵體積的比值，取1.5則A=10×80%×1.5=12（m3）攪拌器設(shè)計(jì)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌漩渦有三種型式，可根據(jù)菌種發(fā)酵特點(diǎn)相應(yīng)選擇。破囊壺菌發(fā)酵過程中有補(bǔ)料操作，對混合要求高，因此選用六彎葉漩渦攪拌器。葉徑：Di=D÷3=1.76÷3=0.59（m）葉寬：B=0.2Di=0.2×0.59=0.118（m）弧長：L=0.375Di=0.375×0.59=0.22（m）底距：C=D÷3=0.59（m）盤徑：di=0.75Di=0.75×0.59=0.44（m）葉弦長：L=0.25Di=0.25×0.59=0.15（m）葉距：Y=D=1.76（m）、彎葉板厚：δ=0.014（m）空氣壓縮機(jī)生物工廠常用的氣體輸送設(shè)備是空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)是將空氣壓縮后輸送到除菌系統(tǒng)后可以獲得無菌的壓縮空氣?？諝鈮嚎s機(jī)包含許多種，有渦輪式空壓機(jī)、往復(fù)式空壓機(jī)?？諝鈮嚎s機(jī)的選擇是依靠氣動(dòng)系統(tǒng)的工作壓力和流量。因?yàn)闅庠吹墓ぷ鲏毫Ρ认到y(tǒng)中的壓力要高出一部分。因此需要考慮壓縮機(jī)的管程損失和管道局部損失。渦輪式空氣壓縮機(jī)的特點(diǎn)就是供氣量大，且出入口部分的壓強(qiáng)穩(wěn)定，而往復(fù)式壓縮機(jī)需要的連續(xù)供氣的場合，且其出入口流量不太穩(wěn)定，綜上所述選擇渦輪式空壓機(jī)作為工廠空氣壓縮機(jī)。（7）空氣過濾器空氣過濾器是空氣潔凈的主要設(shè)備，在空氣壓縮機(jī)輸送氣體進(jìn)入后通過空氣過濾器除去空氣中的各種微生物，這這些微生物在培養(yǎng)發(fā)酵液時(shí)容易大量繁殖破環(huán)發(fā)酵環(huán)境，使得發(fā)酵進(jìn)程無法正常導(dǎo)致生產(chǎn)失敗或者使得產(chǎn)物中出現(xiàn)大量雜質(zhì)產(chǎn)量極低。因此空氣過濾器的選擇尤為重要。我國的空氣過濾器根據(jù)過濾級別分為粗效過濾器、中效過濾器、高效過濾器、亞高效過濾器和高效過濾器。本工廠采用的是高效過濾器，高效過濾器是我國目前潔凈度級別最高的過濾器，空氣過濾器主要有過濾的濾芯部分和金屬外殼組成，它的優(yōu)點(diǎn)是過濾效率高、氣體流動(dòng)阻力、彈性較好不會由于過熱過冷而破裂，能夠較長時(shí)間使用。8.3種子罐的選型（1）種子罐的選型：選用同型的發(fā)酵罐，采用機(jī)械攪拌通風(fēng)罐（2）種子罐容積的確定，裝料系數(shù)為75%V種=V全×15%÷75%=2（m3）（3）種子罐數(shù)量工廠發(fā)酵生產(chǎn)一般都是一個(gè)發(fā)酵罐對應(yīng)一個(gè)種子罐，由于每天使用的發(fā)酵罐個(gè)數(shù)是2個(gè)，所以種子罐個(gè)數(shù)為2個(gè)。（4）主要尺寸確定種子發(fā)酵罐總?cè)莘e已知=2（m3），取H=2D，代入上式得得，=1（m）則筒身高度：=2=2（m）（5）種子罐攪拌裝置采用六彎葉渦輪攪拌器，主要尺寸列舉如下：葉徑：（m3）葉寬：（m3）弧長：（m3）底距：（m3）盤徑：（m3）葉弦長：（m3）葉距：（m3）彎葉板厚：（m）9管道布置設(shè)計(jì)流體的流量、流速與管徑在管內(nèi)計(jì)算公式：式中：d-管道內(nèi)徑，mmqv-流體流量，m3/hw-流體的流速，m/s（1）冷卻水管計(jì)算冷卻水流速：1.5-3.5（m/s），取3（m/s）冷卻水管徑：（mm）根據(jù)規(guī)格選擇直徑80（mm）的無縫鋼管，外徑90（mm），壁厚5（mm)。（2）料液管計(jì)算料液流速：0.5-1.0（m/s），取0.8（m/s）料液管徑：（mm）根據(jù)規(guī)格選擇直徑200（mm）的無縫鋼管，外徑225（mm），壁厚12（mm）。10公用工程10.1供電工程本工程為微生物發(fā)酵工程，發(fā)酵過程全天候進(jìn)行，所以需要在生產(chǎn)廠房內(nèi)提供全天候的供電設(shè)施，所以在使用國家電網(wǎng)供電的基礎(chǔ)上，工廠還需要配置發(fā)電機(jī)組，以備不時(shí)之需，能夠確保實(shí)驗(yàn)的有效進(jìn)行，也提供員工生活中的用電，保障員工的日常生活。10.2供熱工程供熱范圍主要來源鍋爐房提供的熱氣，應(yīng)用于包括廠房采暖設(shè)施、滅菌等蒸汽設(shè)施、以及員工洗浴熱水供應(yīng)[17]等。10.3給水工程工廠供水主要是由四部分組成：冷卻用水、生活用水、生產(chǎn)用水、蒸汽用水。冷卻用水：指的是種子發(fā)酵罐蒸汽滅菌后冷卻，并且保持罐內(nèi)溫度平衡的用水，同時(shí)包括一些廠房內(nèi)安全設(shè)施的用水。生產(chǎn)用水：這部分指的是原料預(yù)處理、種子罐培養(yǎng)、發(fā)酵罐發(fā)酵的水溶劑用水量。此部分用水必須處理后才能使用，防止水中雜菌微生物等干擾實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。蒸汽用水：在車間水平的計(jì)算中，該部分用水集中在蒸汽加熱處理醪液后冷卻進(jìn)行種子培養(yǎng)。生活用水：包括員工生活洗浴做飯用水，飲用水等。10.4通風(fēng)系統(tǒng)車間通風(fēng)系統(tǒng)是生物工廠最廣泛和通用的設(shè)施，設(shè)計(jì)一個(gè)夏天通冷風(fēng)，冬天補(bǔ)暖風(fēng)且節(jié)能降噪的系統(tǒng)最為合適。通風(fēng)系統(tǒng)的完善與否，影響著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行和員工的健康，通風(fēng)系統(tǒng)的目的在于時(shí)刻保持生產(chǎn)車間內(nèi)的空氣溫度和濕度的適宜[24]且防止實(shí)驗(yàn)過程中有害氣體的飄散。保證員工能有一個(gè)健康的工作環(huán)境。11發(fā)酵工廠的三廢處理11.1廢水處理發(fā)酵工廠排放的廢棄物包括廢水、廢氣、廢渣，其中廢水對環(huán)境的污染最為嚴(yán)重。廢水中含有發(fā)酵過程中尚未分離出來的酸堿等有害物質(zhì)。因此，生產(chǎn)廢水最適合采用生物處理工藝，但必須通過預(yù)處理，分解污水中的大分子有機(jī)物顆粒以及降解殘存酶類物質(zhì)，以減輕其對系統(tǒng)的沖擊和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性[25]。廢水的處理方法可分為物理法、化學(xué)法和生物法。在廢水有害物質(zhì)的處理中采用的是生物法中的活性污泥處理法?；钚晕勰喾ǖ闹饕M成包括初次沉淀池、曝氣池和二次沉淀池。首先廢水進(jìn)入初次沉淀池進(jìn)行泥水分離，然后進(jìn)入曝氣池[26]后與活性污泥進(jìn)行混合，活性污泥能夠氧化分解廢水中的有機(jī)物質(zhì)。進(jìn)入二次沉淀池后進(jìn)行污泥和水的分離。11.2廢氣處理工廠生產(chǎn)的廢氣主要是二氧化碳，二氧化碳雖然不是有毒性的氣體，但是二氧化碳的排放容易加劇溫室效應(yīng)，且二氧化碳排放過多，周邊溶度過高對工廠周圍人員也會產(chǎn)生很大的影響。它的存在影響了人們對氧的攝取，造成窒息，嚴(yán)重時(shí)可引起死亡[27]。因此需要達(dá)到國家要求進(jìn)行合理的排放。除了直接排放外，還可以將二氧化碳進(jìn)行空氣壓縮收集起來，高純度的二氧化碳在食品保鮮和化工冶煉方面都有很大的作用，在解決廢氣排放的問題上還可以帶來一筆收入。11.3廢渣處理生產(chǎn)DHA的原料是糧食和農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品，發(fā)酵后的廢渣中也含有部分有機(jī)物，可以運(yùn)用于肥料或者飼料的添加制作。該處理方法是將發(fā)酵污泥收集起來后干燥處理，再粉碎摻雜其他肥料制作。12經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算12.1經(jīng)濟(jì)衡算（1）成本預(yù)估根據(jù)上述物料衡算和產(chǎn)品批發(fā)單價(jià)算得年生產(chǎn)所需原料的價(jià)格如REF_Ref29691\h表5所示，員工人均工資及年員工總工資如REF_Ref13724\h表6，考慮建廠，原料費(fèi)用，員工工資等成本費(fèi)用如REF_Ref14001\h表7。表SEQ表\*ARABIC5生產(chǎn)原料價(jià)格名稱單價(jià)(元/kg)年金額(萬元)酵母粉332.3酵母提取物245.4葡萄糖1.67.7玉米漿1.71.6谷氨酸243.3NaCl0.50.08KH2PO43.60.02MgSO40.051.3×10-3CaCO30.66.2×10-3維生素B12911.1維生素B124801.8共計(jì)23.3表SEQ表\*ARABIC6工資狀況部門崗位職責(zé)人數(shù)人均月工資(元)人均年工資(萬元)年總工資(萬元)辦公室廠長1100001212生產(chǎn)部車間長1100001212配料組370008.425.2發(fā)酵組670008.450.4財(cái)務(wù)部會計(jì)265007.815.6銷售部銷售員365007.823.4維修部機(jī)電維修360007.221.6醫(yī)療部衛(wèi)生員25000612合計(jì)215800069.6172.2表SEQ表\*ARABIC7成本匯總表序號費(fèi)用名稱投資額/萬元1原料23.32員工工資172.23土地3004建廠6005設(shè)備8006其他費(fèi)用400總投資2295.5（2）售價(jià)預(yù)估根據(jù)現(xiàn)有的市場情況，查詢到市場上含量40%的DHA的價(jià)格為：280元/千克，所以生產(chǎn)的千克DHA售價(jià)為700元，每噸售價(jià)為70萬元，最終年銷售收入700萬元。根據(jù)年銷售收入和投資，所以工廠需要3年左右才能回本。

總結(jié)我的畢業(yè)課題是年產(chǎn)10噸生物及脂肪酸及其衍生物的工廠設(shè)計(jì)。選題后通過查閱資料對多不飽和脂肪酸二十二碳六烯酸有一定的了解，確定其生產(chǎn)方法，發(fā)酵工藝等。然后進(jìn)行工廠的物料衡算、熱量衡算、設(shè)備選型等一系列設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)在老師的指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)破囊壺菌最適合作為發(fā)酵用的菌種。發(fā)酵方法采用生物工廠常用的直接發(fā)酵法。發(fā)酵周期為5天，提取方法為有機(jī)溶劑提取法。最終DHA的油脂含量在40%。經(jīng)過物料衡算得到全年需要葡萄糖47877.36kg，玉米漿8907.42kg。耗水量7.105×106kg。同時(shí)通過工藝計(jì)算得到需要適合的設(shè)備：10m3的發(fā)酵罐10個(gè)，2m3的種子罐2個(gè)。最后經(jīng)過經(jīng)濟(jì)衡算得出總投資大約2588.3萬元，年收入在700萬元左右，投資回報(bào)期為3年，符合工廠設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。

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