生物工程工厂设计物料衡算.docx
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生物工程工厂设计物料衡算
红霉素生产物料衡算
1、红霉素发酵工艺流程示意图
工艺流程如下：
沙土管包子母瓶斜面培养子瓶斜面培养种子培养液小罐种子液中罐种子液大罐发酵放罐放罐发酵液预处理碱化（使PH为8.0-8.4）板框过滤滤液（加萃取溶媒）轻液结晶洗水干燥成品检验合格产品包装（不合格产品回收）。
一般红霉素工艺如下图所示：
空气原料孢子
加压配料斜面培养
冷却发酵摇瓶培养
除水碱化一级种子
过滤补萃取补二级种子
料料
豆油离心糖
丙醇成盐水
淋洗
烘干包装销售
图1：
红霉素生产工艺流程示意图
2、工艺技术指标及基础数据
（1）主要技术指标见表
表1：
红霉素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m
t/a
1600
二级种子罐通气及取样损失比s1
%
10
生产方法
发酵，萃取，成盐
一级种子罐通气及取样损失比s2
%
10
年生产天数t
d/a
330
发酵罐接种比j0
%
14
产品质量µ1
750
U/mg
二级种子罐接种比j1
%
14
倒罐率r
%
3
一级种子罐接种比j2
%
12
发酵罐发酵周期T1
h
168
发酵罐补料比i0
%
10
二级种子罐发酵周期T2
h
28
发酵罐装料系数k0
%
87
一级种子罐发酵周期T3
h
30
二级种子罐装料系数k1
%
84
发酵液密度ρ0
Kg/m3
1050
一级种子罐装料系数k2
%
84
二级种子罐发酵液密度ρ1
Kg/m3
1150
放罐发酵单位µ2
U/ml
6000
一级种子罐发酵液密度ρ2
Kg/m3
1200
提取总收率n
%
84
发酵罐通气及取样损失比s0
%
10
表2：
培养基配比（质量分数）：
成分
大罐配比%
中罐配比%
小罐配比%
补全料配比%
淀粉
5.00
1.80
1.80
4.380
豆粉
2.20
1.50
1.50
3.000
玉米粉
1.80
0.60
0.60
1.250
氯化钠
0.65
0.30
0.30
1.630
豆油
0.50
0.60
0.60
0.880
碳酸钙
0.65
0.50
0.50
0.063
碳酸铵
0.18
0.12
0.12
0.175
生物氮
0.80
0.00
0.00
0.000
糊精
0.00
1.20
1.20
1.500
（2）发酵罐补料情况
丙醇：
发酵后24小时开始补，开始补之前要取样观察菌丝状态，菌丝需呈网状、展开，发酵液粘度达6S左右，补料前半小时去无菌样品，与正点取样相差1~2小时，24~32h时间每4h补12L丙酮，33~144h每小时补6L。
糖：
糖可以通过菌体代谢后而调节发酵液的PH值，也可以做为红霉素放线菌的代谢碳源，大罐发酵30h时取样测PH值，大罐补淀粉液化糖1.7t，淀粉0.3kg，在80°C左右保温液化30min，一次消一到两个罐的淀粉液化糖。
油：
本发酵工艺补油主要为豆油。
发酵后24开始补，其实速率为4L/h，以后看液面调整补油速度。
若液面高则应提前2h左右，每4h补6L，放罐前一个班每4h补10L。
油用于消泡和提高碳源。
水：
放罐前两个班补水，每吨水加泡敌1L，玉米浆10L，30h左右根据液面补500-800t纯水，如果发酵过程中发酵液体积偏少，每班需补100-200L纯水。
全料：
6-8小时根据液面下降情况可补全料，补前半小时取样。
3、培养基总物料衡算
（1）放罐成熟发酵液量：
根据产品质量µ1、放罐发酵单位µ2、提取总收率n、年生产天数t、倒罐率r，可计算生产1000kg成品所需的发酵液量。
V0
（2）放罐成熟发酵液量V0分为三个部分组成：
底料V01=160×（1-i0-j0）=160×76%=121.6（m3）
种\液量V02=160×j0=160×14%=22.4（m3）
补料量V03=160×i0=160×10%=16（m3）
（3）二级种子罐种液量V1由两部分组成：
底料V11=V02÷（1-s1）×（1-j1）=22.4÷0.90×70%=17.42（m3）
种液量V12=V02÷（1-s1）×j1=22.4÷0.90×30%=7.47（m3）
（4）一级种子干种液量V2由两部分组成：
底料V21=V12÷（1-s2）×（1-j1）=7.47÷0.9×65%=5.39（m3）
接种量V22=V12÷（1-s2）×j2=7.47÷0.9×35%=2.99（m3）
（5）发酵罐底料的物料用量：
发酵罐培养基配方×V01÷（1-s0）×ρ0
淀粉：
m01=5%×V01÷（1-s0）×ρ0=5%×121.6÷0.9×1050=7093.3（kg）
豆粉：
m02=2.2%×V01÷（1-s0）×ρ0=2.2%×121.6÷0.9×1050=3121.1（kg）
玉米粉：
m03=1.8%×V01÷（1-s0）×ρ0=1.8%×121.6÷0.9×1050=2553.6（kg）
氯化钠：
m04=0.65%×V01÷（1-s0）×ρ0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.1（kg）
豆油：
m05=0.50%×V01÷（1-s0）×ρ0=0.50%×121.6÷0.9×1050=709.3（kg）
碳酸钙：
m06=0.65%×V01÷（1-s0）×ρ0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.1（kg）
碳酸铵：
m07=0.18%×V01÷（1-s0）×ρ0=0.18%×121.6÷0.9×1050=255.4（kg）
生物氮：
m08=0.80%×V01÷（1-s0）×ρ0=0.80%×121.6÷0.9×1050=1134.9（kg）
糊精：
m09=0.00%×V01÷（1-s0）×ρ0=0（kg）
（6）发酵罐补料物料用量：
发酵罐补料培养基配方×V03÷（1-s0）×ρ0
淀粉：
m31=4.38%×V03÷（1-s0）×ρ0=4.38%×16÷0.9×1050=817.6（kg）
豆粉：
m32=3%×V03÷（1-s0）×ρ0=3%×16÷0.9×1050=560（kg）
玉米粉：
m33=1.25%×V03÷（1-s0）×ρ0=1.25%×16÷0.9×1050=233.3（kg）
氯化钠：
m34=1.63%×V03÷（1-s0）×ρ0=1.63%×16÷0.9×1050=304.3（kg）
豆油：
m35=0.88%×V03÷（1-s0）×ρ0=0.88%×16÷0.9×1050=164.3（kg）
碳酸钙：
m36=0.063%×V03÷（1-s0）×ρ0=0.063%×16÷0.9×1050=11.76（kg）
碳酸铵：
m37=0.175%×V03÷（1-s0）×ρ0=0.175%×16÷0.9×1050=32.7（kg）
生物氮：
m38=0.00%×V03÷（1-s0）×ρ0=0（kg）
糊精：
m39=4.5%×V03÷（1-s0）×ρ0=1.5%×16÷0.9×1050=280（kg）
（7）二级种子罐底料的物料用量：
二级种子罐培养基配方×V11÷（1-s1）×ρ1
淀粉：
m11=1.8%×V11÷（1-s1）×ρ1=1.8%×17.42÷0.9×1150=400.7（kg）
豆粉：
m12=1.5%×V11÷（1-s1）×ρ1=1.5%×17.42÷0.9×1150=333.9（kg）
玉米粉：
m13=0.60%×V11÷（1-s1）×ρ1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）
氯化钠：
m14=0.30%×V11÷（1-s1）×ρ1=0.30%×17.42÷0.9×1150=66.8（kg）
豆油：
m15=0.60%×V11÷（1-s1）×ρ1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）
碳酸钙：
m16=0.50%×V11÷（1-s1）×ρ1=0.50%×17.42÷0.9×1150=111.3（kg）
碳酸铵：
m17=0.12%×V11÷（1-s1）×ρ1=0.12%×17.42÷0.9×1150=26.7（kg）
生物氮：
m18=0.00%×V11÷（1-s1）×ρ1=0（kg）
糊精：
m19=1.2%×V11÷（1-s1）×ρ1=1.2%×17.42÷0.9×1150=267.1（kg）
（8）一级种子罐底料的物料用量：
一级种子罐培养基配方×V21÷（1-s2）×ρ2
淀粉：
m21=1.8%×V21÷（1-s2）×ρ2=1.8%×5.39÷0.9×1200=129.36（kg）
豆粉：
m22=1.5%×V21÷（1-s2）×ρ2=1.5%×5.39÷0.9×1200=107.8（kg）
玉米粉：
m23=0.60%×V21÷（1-s2）×ρ2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）
氯化钠：
m24=0.30%×V21÷（1-s2）×ρ2=0.30%×5.39÷0.9×1200=21.56（kg）
豆油：
m25=0.60%×V21÷（1-s2）×ρ2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）
碳酸钙：
m26=0.50%×V21÷（1-s2）×ρ2=0.50%×5.39÷0.9×1200=35.93（kg）
碳酸铵：
m27=0.12%×V21÷（1-s2）×ρ2=0.12%×5.39÷0.9×1200=8.6（kg）
生物氮：
m28=0.00%×V21÷（1-s2）×ρ2=0（kg）
糊精：
m29=1.2%×V21÷（1-s2）×ρ2=1.2%×5.39÷0.9×1200=86.2（kg）
（9）总物料用量：
发酵罐补料物料用量+发酵罐补料物料用量+二级种子罐底料的物料用量+一级种子罐底料的物料用量
淀粉：
m1=m01+m31+m11+m21=8440.9（kg）
豆粉：
m2=m02+m32+m12+m22=4122.7（kg）
玉米粉：
m3=m02+m32+m12+m22=2963.6（kg）
氯化钠：
m4=m02+m32+m12+m22=1314.7（kg）
豆油：
m5=m02+m32+m12+m22=1050.3（kg）
碳酸钙：
m6=m02+m32+m12+m22=1081.1（kg）
碳酸铵：
m7=m02+m32+m12+m22=323.4（kg）
生物氮：
m8=m02+m32+m12+m22=1134.9（kg）
糊精：
m9=m02+m32+m12+m22=633.3（kg）
根据年生产1000kg成品发酵所需的原材料及其他物料的衡算结果，可求得年生产16000t成品所需的总物料、每日用量，以及大罐培养基，大罐补全料，中罐培养基和小罐培养基各自所需的物料总量、每日用量。
如下表所示：
表3：
物料衡算总表
物料名称
生产1000kg物料量/kg
1600t/a物料量/t
每日物料量/t
淀粉
8440.9
13505.5
40.93
豆粉
4122.7
6596.4
20.0
玉米粉
2963.6
4741.8
14.4
氯化钠
1314.7
2103.6
6.4
豆油
1050.3
1680.4
5.1
碳酸钙
1081.1
1729.8
5.2
碳酸铵
323.4
517.4
1.6
生物氮
1134.9
1815.9
5.5
糊精
633.3
1013.4
3.1
表4：
每年各种罐所需培养基原料量
成分
大罐
中罐
小罐
补全料罐
配比%
含量/t
配比%
含量/t
配比%
含量/t
配比%
含量/t
淀粉
5.00
11349.33
1.80
641.06
1.80
206.98
4.380
1308.16
豆粉
2.20
4993.71
1.50
534.21
1.50
172.48
3.000
896
玉米粉
1.80
4085.76
0.60
213.68
0.60
68.99
1.250
373.33
氯化钠
0.65
1475.41
0.30
106.84
0.30
34.50
1.630
486.83
豆油
0.50
1134.93
0.60
213.68
0.60
68.99
0.880
262.83
碳酸钙
0.65
1475.41
0.50
178.07
0.50
57.49
0.063
18.82
碳酸铵
0.18
408.58
0.12
42.74
0.12
13.80
0.175
52.27
生物氮
0.80
1815.89
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
糊精
0.00
0.00
1.20
427.37
1.20
137.98
1.500
448
表5：
每天各种罐所需培养基原料量
成分
大罐
中罐
小罐
补全料罐
配比%
含量/t
配比%
含量/t
配比%
含量/t
配比%
含量/t
淀粉
5.00
34.39
1.80
1.94
1.80
0.63
4.380
3.96
豆粉
2.20
15.13
1.50
1.62
1.50
0.52
3.000
2.71
玉米粉
1.80
12.38
0.60
0.65
0.60
0.21
1.250
1.13
氯化钠
0.65
4.47
0.30
0.32
0.30
0.10
1.630
1.48
豆油
0.50
3.44
0.60
0.65
0.60
0.21
0.880
0.80
碳酸钙
0.65
4.47
0.50
0.54
0.50
0.17
0.063
0.06
碳酸铵
0.18
1.24
0.12
0.13
0.12
0.04
0.175
0.16
生物氮
0.80
5.50
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
糊精
0.00
0.00
1.20
1.30
1.20
0.42
1.500
1.36
4、发酵罐及种子罐体积和个数的确定
（1）发酵罐体积确定：
根据生产1000kg成品所需的发酵液量V0=160m3，可得1600t成品所需发酵液量及每天放罐体积：
V0总=V0×160=1600×160=256000m3
V0每天=V0总÷330=256000÷330=775.8m3
那么每天所需发酵罐总的容积为：
V0容=V0每天÷（1-s0）÷k0=775.8÷0.9÷0.87=990.8m3
因此可选用200m3的发酵罐，那么每天放罐数为：
N大=V0容÷200=990.8÷200=5（台）
考虑到大罐发酵周期为168h（7天），则需要的发酵罐总数为：
N大总=5×7=35（台）
把35台分别放入5个车间，每个车间7台，每个车间每天放一个罐。
考虑到实际生产天数为6天即可，即6台发酵罐，但为防止其中某个罐发生损坏影响生产，有一台发酵罐作为备用，所以还是7台。
每天每个发酵罐实际放罐体积为：
V大=200×（1-s0）×k0÷5=156.6m3
（2）二级种子罐体积确定：
根据生产1000kg成品所需二级种子罐发酵液量V01=22.4m3，可得1600t成品所需二级种子罐发酵液量及每天放罐体积：
V1总=V01×1600=22.4×1600=35840m3
V1每天=V1总÷330=256000÷330=108.7m3
所以每天每个车间生产种子体积为：
V中每天=V1每天÷5=21.7m3
那么每天每个车间所需二级种子罐总的容积为：
V1容=V中每天÷（1-s1）÷k1=21.7÷0.9÷0.8=28.7m3
因此可选用30m3的二级种子罐，那么每天放罐数为：
N中=28.7÷30=1（台）
所以每天每个中罐实际生产种子体积为：
V小=30×（1-s1）×k1÷5=22.68m3
考虑到中罐发酵周期为28h，共计两天，
则每个车间发酵罐的个数为2台。
考虑到实际情况，如罐的损坏，每个车间多一台，即3台。
所以5各车间需要的二级种子罐总数为：
N中总=3×5=15（台）
（3）一级种子罐体积确定：
根据生产1000kg成品所需一级种子罐发酵液量V11=7.47m3，可得1600t成品所需一级种子罐发酵液量及每天放罐体积：
V2总=V11×1600=7.47×1600=11952m3
V2每天=V2总÷330=256000÷330=36.2m3
所以每天每个车间生产种子体积为：
V小每天=V1每天÷5=7.24m3
那么每天每个车间所需一级种子罐总的容积为：
V1容=V中每天÷（1-s2）÷k2=7.24÷0.9÷0.84=9.58m3
因此可选用10m3的一级种子罐，那么每天放罐数为：
N小=9.58÷10=1（台）
所以每天每个小罐实际生产种子体积为：
V小=10×（1-s2）×k2÷5=7.56m3
考虑到小罐发酵周期为30h，生产周期为两天，
则每个车间发酵罐的个数为2台。
由于小罐不需要通气搅拌，一般不会损坏，故不需要备用小罐。
所以5各车间需要的二级种子罐总数为：
N小总=2×5=10（台）
（4）补全料罐体积确定：
根据生产1000kg成品所需一级种子罐发酵液量V03=16m3，可得1600t成品所需一级种子罐发酵液量及每天放罐体积：
V2总=V11×1600=16×1600=25600m3
V2每天=V2总÷330=25600÷330=77.6m3
所以每天每个车间所需补料体积为：
V小每天=V1每天÷（1-s0）÷5=17.2m3
所以每个车间可选用体积为20m3的补全料罐。
5、补豆油、丙醇和糖的确定
每大罐补料中的豆油、丙醇、糖各按用量计算，分别流加。
（1）每罐和每车间用量为：
豆油：
V每罐豆油=（144-8-24）×4+8×10÷4=52L=0.052m3
V每车间豆油=V每罐豆油×6=0.31m3
丙醇：
V每罐丙醇=【（32-24）×12÷4+（144-32）×6÷4】=80L=0.08m3
V每车间丙醇=V每罐丙醇×6=0.48m3
糖：
m每罐糖=1.7+0.3=2.0t
m每车间糖=V每罐糖×6=12t
若淀粉糖化液密度为1050kg/m3，那么V每车间糖=1.050×12=12.6
（2）补料罐体积确定
根据上述计算情况，可选用4m3、4m3、20m3的容器分别作为油罐、丙醇罐、糖罐。
6、发酵车间每罐每天所需原料量及培养基总量
根据上面计算结果可计算出每罐所需原料量及培养基总量，如下表所示
表6：
每罐所需原料量及培养基总量
成分
大罐
中罐
小罐
补全料罐
配比%
含量/kg
配比%
含量/kg
配比%
含量/kg
配比%
含量/kg
淀粉
5.00
1146.40
1.80
194.26
1.80
62.72
4.380
792.82
豆粉
2.20
504.41
1.50
161.88
1.50
52.27
3.000
543.03
玉米粉
1.80
412.70
0.60
64.75
0.60
20.91
1.250
226.26
氯化钠
0.65
149.03
0.30
32.38
0.30
10.45
1.630
295.05
豆油
0.50
114.64
0.60
64.75
0.60
20.91
0.880
159.29
碳酸钙
0.65
149.03
0.50
53.96
0.50
17.42
0.063
11.40
碳酸铵
0.18
41.27
0.12
12.95
0.12
4.18
0.175
31.68
生物氮
0.80
183.42
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
糊精
0.00
0.00
1.20
129.51
1.20
41.81
1.500
271.51
合计
11.78
2700.91
6.62
714.44
6.62
230.67
12.878
2331.05
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