其它年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计.docx
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其它年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
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[1]
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[2]。
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—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—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—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—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—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—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[4]。
2.设计任务
2.1.设计项目名称：
年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
2.2.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.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。
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：
100T/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——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0.1L汞液表面消毒5min，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1c㎡左右，压碎涂于培养基表面，20℃温箱4个月，得到母种[3]。
4.1.2.培养过程[5]
4.1.2.1.斜面培养
以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%，KH2PO40.1%为培养基（pH6～7）。
于121℃灭菌30min,接种于固体培养基上于27±1℃,培养4～5d,菌丝均匀长满斜面后,置冰箱4℃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%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基（pH6～7）,采用250ml三角瓶装培养基50ml,采用27±1℃,摇床转速230r/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%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基（pH6～7）,采用500ml三角瓶,装培养基120ml,采用27±1℃,摇床转速230r/min,振荡培养48～60h,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25kg/m3,豆粕20kg/m3,豆油0.6kg/m3,硫酸镁0.6kg/m3,磷酸二氢钾0.1kg/m3,蛋白胨3kg/m3为发酵液（pH6～7）,采用1m3种子罐,装料系数为0.8,在27±1℃温度下发酵培养。
4.1.2.5.发酵罐培养
葡萄糖100kg/m3,豆粕25kg/m3,豆油0.9kg/m3,硫酸镁0.9kg/m3,磷酸二氢钾0.2kg/m3,蛋白胨6kg/m3，消泡剂0.6kg/m3为培养基（pH6～7）,采用10m3发酵罐,装料系数为0.8,在27±1℃温度下培养。
4.1.3.发酵液后处理
发酵液
离心过滤
菌丝体
80℃干燥
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 1h
冷却到27℃ 约1h
接种 0.20h
发酵44h
发酵的总反应时间为 48h
清洗发酵罐 1.5h
5.2. 人员配置
表5.1车间岗位人员配置表
工段
名称
岗位
名称
人员配制班制
人 数
每班
轮休
合计
发酵
工段
配料罐
2
1
1
2
发酵罐
7
3
4
7
过滤
烘干
6
2
4
6
其他
车间主任
/
1
/
1
车间副主任
/
1
/
1
合计
/
15
8
9
17
6.原料的主要技术规格[7]
6.1.葡萄糖[7]
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
蛋白胨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，因此存在各种蛋白胨，一般来说，用于蛋白胨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：
MgSO4；分子量：
120.37。
白色粉末，熔点:
1124（分解），相对密度（水=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℃，溶于水（90℃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400℃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[6]
7.1.物料衡算
7.1.1.物料流程图
发酵罐种子罐
料水比1：
4料水比1：
4
自来水
25℃
30min30min
121℃121℃
121℃，30min121℃，30min
1h
冷却至27ºC
冷却至27ºC
接种量20%
发酵罐
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/a
100
葡萄糖转化率
%
48
生产方法
发酵
倒罐率
%
1
生产天数
d/a
300
发酵周期
h
48
发酵初糖
kg/m3
100
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/m3）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/m3）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÷（100×48%×16.5%×99%）=1.3×104（m3）
式中100——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）
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=V1×100=1.3×106（kg）
（3）二级种子液量:
V2=12%×V1=1.6×103（m3）
式中12%——接种量
（4）二级种子培养液所需糖量:
m2=25×V2=4.0×104（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=1.34×106（kg）
（6）硫酸镁耗用量:
m（MgSO4）=0.6V2+0.9V1=1.27×104（kg）
（7）磷酸二氢钾耗用量:
m（KH2PO4）=0.1V2+0.2V1=2.76×103（kg）
（8）消泡剂耗用量:
m（消泡剂）=0.6V1=7.8×103（kg）
（9）豆油耗用量:
m（豆油）=0.6V2+0.9V1=1.14×104（kg）
（10）蛋白胨耗用量:
m（蛋白胨）=3V2+6V1=8.28×104（kg）
（11）豆粕耗用量:
m（豆粕）=20V2+25V1=3.57×105（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）=1.3×106×48%×（1－1%）=6.2×105（kg）
2）实际生产的冬虫夏草（提取率16.5%）菌丝体为：
m（实际）=6.2×105×16.5%=102300（kg）=102.3（t）
100t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：
表7.2100t/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）
1.3×104
43.33
二级种液量（m3）
1.6×103
5.33
发酵用糖量（kg）
1.3×106
4333.33
二级种子液用糖量（kg）
4.0×104
133.33
糖液总量（kg）
1.34×106
4466.67
硫酸镁（kg）
1.27×104
44.72
磷酸二氢钾（kg）
2.76×103
42.33
消泡剂（kg）
7.8×103
26
豆油（kg）
1.14×104
38
豆粕（kg）
3.57×105
1190
蛋白胨（kg）
8.28×104
276
冬虫夏草菌粉（t）
102.3
341
7.2.热量衡算
（一）发酵罐需配料量为：
G1=800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6（kg）
（二）种子罐需配料量为：
G2=20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44（kg）
（三）根据工艺，需加水量为：
GW=（1061.6+39.44）×4=4404.16（kg）
注：
料水比=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总=Q’+Q’’+Q’’’
（1）发酵罐内料液由初温t0=25℃加热至t1=121℃耗热，料液总量G=5505.2kg
Q’=Gc（t1-t0）=5505.2×3.7×（121-25）=1.96×106（kJ）
式中c——发酵液的比热容,3.7kJ/（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
V1=G×5%×30÷60=5505.2×5%×30÷60=137.63（kg）
故Q’’=V1·I=137.63×2198.91kJ/kg=3.03×105（kJ）
式中I——为在温度121℃下的水的汽化潜热，为2198.91kJ/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%×（1.96×106+3.03×105）=3.39×105（kJ）
（4）由上述结果可得：
Q总=Q’＋Q’’＋Q’’’=1.96×106+3.03×105+3.39×105=2.60×106（kJ）
（5）故耗用蒸汽量D
使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kg，则
D=Q总/[（I-i）η]=2.60×106/[（2737.23－601.53）×95%]=1282.65（kg）
式中i——相应冷凝水的焓（601.53kJ/kg）
η——蒸汽的热效率，取η=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Qmax=Q总/（30/60×95%）=2.60×106/（0.5×95%）=5.47×106（kJ/h）
相应的最大蒸汽耗量为：
Dmax=Qmax/（I-i）=5.47×106/（2737.23－601.53）=2562.95（kg/h）
式中I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kg
i——相应冷凝水的焓（601.53kJ/kg）
（6）蒸汽单耗
已知发酵需要48h，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=D×75=1282.65×75=9.62×104（kg）
每吨成品耗蒸汽量：
DS=9.62×104/102.3=940.37kg/t
最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如表所示。
表7.3100t/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）
940.37
2562.95
9.62×104
7.3.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GW为：
GW=4404.16×75=3.30×105（kg）
（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）η]=1282.65（kg）
式中η——蒸汽的热效率，取η=95%
I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽，I=2737.23kJ/kg
i——相应冷凝水的焓（601.53kJ/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℃冷却至t2=25℃，冷却水使用t3=20℃的深井水，终温为t4=70℃，逆流操作，冷却时间t=1h。
则每小时耗水量为：
W=Gc（t1-t2）/（c水t（t4-t3））
=5505.2×3.7×（121-25）/（4.18×（70-20）×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）×75=8.0×105（kg）
（3）发酵车间总用水量G总=G原料+G=3.30×105+8.0×105=1.13×106（kg）
表7.5100t/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）
年耗量（t/a）
水
自来水或深井水
11.39
156.94
3.77
1.13×103
7.4.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
10m3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=10×80%×0.25×60=120（m3/h）
式中80%——发酵罐装料系数
（2）单罐年用气量
Va=V×48×75=4.32×105（m3）
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%×120=30（m3/h）
每年用气量为：
Va’=25%Va×10=25%×4.32×105×10=1.08×106（m3/a）
式中10——发酵罐个数
7.4.3.发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax=10（V+V’）=10×（120+30）=1500（m3/h）
7.4.4.发酵车间无菌空气年耗量
Vt=10×75×（V+V’）×48=5.4×106（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
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