年产4万吨葡萄糖酸钠工厂设计.docx
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年产4万吨葡萄糖酸钠工厂设计
江西科技师范大学
发酵工程课程设计
题目：
年产4万吨葡萄糖酸发酵工厂设计
院（系）：
生命科学学院
专业：
生物工程
学生姓名：
高彬峰刘翔饶幸虹
学号：
200942282009423020094232
指导老师：
常军
2012年10月22日
目录
1.总论1
1.1设计依据1
1.2设计原则1
1.3主要原辅料供应情况1
1.3.1发酵菌种1
1.3.2培养基的组成1
2.总平面布置及运输2
2.1总平面布置原则2
2.2厂址选择2
2.3工厂总平面布置3
2.3.1生活区3
2.3.2生产区3
2.3.3辅助生产区3
2.3.4“三废”处理区4
2.3.5绿化4
2.4工厂运输4
3.车间工艺4
3.1工艺流程5
3.2物料衡算6
3.3设备及相关管道选型配套明细表7
3.3.1蒸煮设备选型7
3.3.2糖化设备的选型7
3.3.3发酵设备的选型7
3.4.5调浆桶的选型8
3.4.6管道的选择8
3.4.7其它辅助设备8
4.生产线设计9
4.1生产线设计的依据及布局9
4.1.1生产线设计依据9
4.1.2生产线布局9
4.2生产线设计图10
5.总结10
参考文献11
1.总论
本设计采用玉米淀粉、淀粉质（蔗糖）为原料经双酶法制糖，黑曲霉为生产菌种，经菌种逐级扩大培养，深层好氧发酵，发酵代谢的酶将葡萄糖氧化成葡萄糖酸[1]，发酵菌体与发酵液分离后，发酵液经脱色、浓缩、结晶、重结晶、离心分离、烘干、包装后得葡萄糖酸成品。
由于本设计为发酵工厂的设计，着重于设计厂区总平面布置、车间的工艺设计、设备选型。
通过物料衡算，确定发酵车间主要设备发酵罐、种子罐等设备的选型。
1.1设计依据
本次葡萄糖酸工厂设计依据葡萄糖酸的发酵工艺条件，通过查阅相关文献，收集设计基础资料，依据国家现行的有关设计和安装的技术规范，在地理位置合理，气候适宜的地区选择厂址，并设计厂区各车间功能分区，车间合理布局。
1.2设计原则
工厂设计要考虑工厂的特殊要求[2]，如生产所需原材料的供应情况，山东为玉米盛产地，可为发酵生产提供丰富的原料；厂区道路的布置应合理，环厂公路主要用于工厂运输，厂内非主干道主要用于人员流动，道路尽量不迂回，避开人流，实现人车分流的效果；考虑发酵生产所需的条件，选取地理气候适宜的厂址，工厂周边水源应该充足，气候稳定。
1.3主要原辅料供应情况
1.3.1发酵菌种
能发酵葡萄糖产生葡萄糖酸的微生物极多，除了曲霉和醋酸菌（葡萄糖酸杆菌）外，很多种青霉，尤其是产黄青霉，数种假单胞菌，如卵状假单孢菌、荧光假单孢菌等都有人研究过，但用于工业上的只有醋酸菌和黑曲霉，而目前工业上最有竞争力的是黑曲霉，生产葡萄糖酸的黑曲霉能在高浓度和微酸性条件下能迅速氧化葡萄糖成葡萄糖酸，因此本次设计发酵菌种采用黑曲霉。
1.3.2培养基的组成
葡萄糖酸发酵采用的糖浓度很高，采用一次性投料法时，糖浓度为240~300g/L，原料用工业葡萄糖或淀粉水解糖。
发酵培养基中营养物需要量很少。
培养基组成[3]如下（g/L）：
葡萄糖（水解糖）250，磷酸氢铵0.4，磷酸二氢钾0.2，硫酸镁0.2。
培养基的灭菌可以连续或间歇进行，为了提高灭菌效果，要先用硫酸调节pH至4.5。
灭菌后冷却至34℃，送入发酵罐，再用NaOH调pH至6.5。
发酵罐在进料之前要单独灭菌。
主要原辅料[3]有玉米淀粉、营养盐、离子膜液碱、活性炭、硅藻土等，如表1。
表1单位产品葡萄糖酸主要材料消耗指标表
序号
名称
规格
单位
数量
备注
1
玉米淀粉
≥85%
吨
1.06
2
营养盐
公斤
3.0
3
离子膜液碱
30%
吨
0.55
4
活性炭
吸附力≥12
公斤
2.7
5
硅藻土
公斤
5
2.总平面布置及运输
2.1总平面布置原则
（1）工厂总体布局应满足生产要求，符合工艺过程，减少物流量，同时重视各部门之间的关系密切程度。
具体布置模式按功能划分厂区，即将工厂的各部门按生产性质、卫生，防火与运输要求的相似性，本设计将工厂划分为若干功能区段。
采用系统布置设计模式，即按各部门之间物流与非物流相互关系的密切程度进行系统布置，因此可以避免物料搬运的往返交叉，节省搬运时间与费用。
（2）厂区道路适应工厂内外运输要求，线路短捷顺直。
本设计采用环厂运输主干道，线短捷顺直，方便运输。
（3）合理用地。
本设计合理用地并考虑工厂发展的可能性和妥善处理工厂分期建设用地的问题。
（4）充分注意防火、防爆、防振与防噪声。
本设计功能分区明显，各区分开有利于放火。
（5）利用风向等自然条件，减小环境污染。
本设计生活区位于上风向，生产区位于下风向，生活区不会受到生产区有害物质的污染。
2.2厂址选择
本设计将厂址选择在山东省东平县工业园。
（1）交通运输条件比较方便、经济，使企业接近原料、能源产地和产品消费区，消除不合理运输，总体经济效益好。
本设计将厂址选在山东省东平县工业园，山东为玉米盛产地，原料丰富，处于较好地理位置，产品销售便于辐射全国。
（2）东平县以党的十七大和十七届三中全会精神为指导，按照科学发展、又好又快发展的要求，坚持把推进农业产业化经营放在“三农”工作的重要位置来抓，并把工作的着力点和突破口放在加快农业龙头企业建设上，按照“抓龙头、带基地、兴产业、促发展”的思路，以项目建设为载体，加大投入力度，强化工作措施，促进了农业龙头企业规模迅速膨胀，辐射带动能力不断增强，尤其加大了生物产业的扶持力度，因此葡萄糖酸发酵生产生物产业可得到扶持。
（3）东平县工业园处于鲁西南平原北部，东部受鲁中山区的阻挡，境内受季风的影响，属温带季风型大陆性气候，具有四季分明的特点。
交通便利，西距济菏高速公路2km，东临105国道2km，距济南国际机场130km，距泰山火车站和兖州火车站均为60km。
2.3工厂总平面布置
2.3.1生活区
生活区有三座建筑，分别是行政楼、职工活动室、餐厅，位于上风向。
行政楼占地800㎡，为四层建筑，内设有行政办公室、财务室、图书室、办公室等科室及一大一小两会议室（大会议室用于全厂职工会议；小会议室用于日常行政会议），一楼设有接待大厅，行政楼前是广场。
西面是二层餐厅，占地285㎡，餐厅内设丰富的美食，供工厂职工日常就餐。
职工活动中心位于餐厅西侧，占地255㎡，是职工工作之余休息、活动健身的场所，一楼为室内运动场地，设有羽毛球、乒乓球、台球室等器械布置；二楼为阶梯式报告厅，可用于厂内报告、培训及文艺节目表演。
2.3.2生产区
生产区为整个设计项目的核心，布置在工厂的北半区，占地面积3519㎡，分为反应车间，产物出分离车间，精馏车间，包装车间。
2.3.3辅助生产区
厂区配电站、消防站、维修站等构成了项目生产的辅助生产车间。
为方便生产的展开，各车间围绕生产区呈L型布置，相互间以厂区道路和绿化带隔开，达到防火的效果，保证生产安全。
2.3.4“三废”处理区
据统计[3]，目前葡萄糖酸生产中治理“三废”所需费用约占生产成本的1/10，因此“三废”治理好坏成为我国葡萄糖酸行业健康稳定发展的关键因素。
葡萄糖酸生产的“三废”治理主要有三大途径：
一是对“三废”采取合理有效的治理方法；二是改进合成工艺，将污染消灭在生产工艺过程中；三是对“三废”合理利用，变废为宝。
（1）葡萄糖酸发酵有机废水的处理
该处理工艺的主要部分是曝气池和沉淀池。
废水进入曝气池后，与活性污泥（含大量的好氧微生物）混合，在人工充氧的条件下，活性污泥吸附并氧化分解废水中的有机物，而污泥和水的分离则由沉淀池来完成。
（2）葡萄糖酸发酵废气的处理
发酵过程可以产生大量二氧化碳，而且二氧化碳的纯度也很高，由于二氧化碳的利用价值很高，因此可找专门的二氧化碳处理站来处理，同时也可以自己回收利用生产新产品，这样即解决了废气的处理问题，又带来了额外收入。
（3）葡萄糖酸发酵废渣的处理
利用稀碱浸泡的方法对葡萄糖酸发酵废渣进行预处理，获得杂质含量较低的黑曲霉菌丝体，在此基础上进行麦角固醇的提取。
其次可利用菌丝体细胞壁进行脱乙酰基制备壳聚糖。
再次，对菌丝体细胞壁中的葡聚糖进行处理，获得可以利用的以β-葡聚糖为主的膳食纤维。
2.3.5绿化
总厂布局充分考虑到“绿色、低碳”的生产理念，考虑到当地的气候条件，绿化植物主要以合作杨和沙柳为主，易于成活。
在建筑周围及道路两旁布置了一系列的绿化带，提高了厂区的环境质量，防止生产区的噪音、粉尘等对职工的生活、办公造成影响，为员工提供一个舒适的工作环境。
2.4工厂运输
工厂共有三个大门，正门设在厂的正南，主要供职工及通勤车辆进出。
此外在靠近原料仓库及产品仓库的地方各设一个出口，分别位于厂的西北面及东南面，运输车辆都主要在环厂公路行驶，很少在厂内公路穿插。
厂内非主干道公路主要供给职工过往，实现了高度的人车分流效果。
3.车间工艺
3.1工艺流程
葡萄糖酸生产以玉米淀粉为主要原料，在黑曲霉菌种的作用下，采用深层发酵工艺生成葡萄糖酸溶液，经过滤、浓缩、结晶、分离和二次浓缩、结晶分离后，再烘干制成结晶葡萄糖酸成品，发酵生产工艺流程如图：
图1葡萄糖酸发酵生产工艺流程图
发酵工艺步骤：
（1）糖化：
双酶制糖以玉米淀粉为原料，将淀粉调浆，调pH为7.5，泵送入喷射液化器和液化反应罐，加入α-淀粉酶、糖化酶，经双酶糖化制得可以满足葡萄糖酸生产的糖液。
（2）配料连消：
将原料葡萄糖溶液在调浆罐内配加好打入配料罐，加入营养盐（营养盐投加配比：
（NH4）2HPO40.4g/L、K2HPO40.03g/L、KH2PO40.1g/L、MgSO40.1g/L），在蒸汽的作用下升温到110℃左右进行连续加压蒸汽灭菌，让培养基在管道的流动过程中快速升温、维持和冷却。
（3）发酵：
经连消后的物料接种实验室培养的黑曲霉孢子菌，先后经一级种子罐、二级种子罐培养。
培养过程中由空压机提供无菌空气，同时补充营养盐。
一级种子罐培养条件：
罐压0.08~0.12MPa，罐温37~38℃，风量0.2m3/min。
一级种子罐成熟的指标：
①镜检无杂菌、菌丝健壮；②pH值：
1.9~2.6，总含酸量≥0.10g/100ml；③种龄：
10~14h。
二级种子罐培养条件：
罐压：
0.08~0.12MPa，温度37~38℃，风量0.2m3/min。
二级种子罐成熟的指标：
①镜检：
菌丝健壮，无杂菌；②pH值：
1.9~2.6，总酸量≥0.20g/100ml；③种龄：
6~12h。
经一、二级种子罐培养成熟的黑曲霉菌种，菌种液转入发酵罐。
发酵罐培养条件：
罐压0.08~0.12MPa，罐温39~40℃，风量0.16--0.18m3/min，pH为5~6，在发酵罐内产生葡萄糖酸钠。
菌体代谢过程中产生的热量采用冷却水循环降温的方式以维持发酵罐温度，发酵过程中通入无菌风在恒定的搅拌作用下维持罐内一定的溶解氧，直至罐内料液糖份耗尽终止发酵，加蒸汽升温75~80℃，约2h进行灭菌，放入发酵液贮罐。
（4）过滤：
发酵终止后的物料，含有大量的菌体，采用厢式板框过滤机去除，得到澄清的葡萄糖酸溶液，进入浓缩区。
（5）真空浓缩结晶：
经过滤后的澄清葡萄糖酸溶液进入三效浓缩蒸发水份。
具体流程为料液进入予热器予热后，进入一效加热器，热源为一次蒸汽；加热后的物料进入二效加热器，热源为料液蒸发的二次蒸汽；在三效加热器中，热源为二效物料蒸发产生的二次蒸汽。
三效加热器中加热物料蒸发的二次蒸汽进入冷凝器后变成冷凝水进入调浆作为调浆用水，物料经蒸发水份后，达到一定浓度而结晶放入结晶缸。
蒸汽浓缩时有蒸汽冷凝水产生。
（6）离心分离：
浓缩结晶后的物料，经离心机分离后得到粗结晶，为进一步提高产品质量，将晶体重新溶晶后再浓缩结晶提纯，而部分母液返回三效真空浓缩重复使用，部分作为废液出售。
（7）烘干包装：
重新溶晶后的再结晶分离的晶体，品质较好，可进入振动流化床烘干，晶体烘干后包装入库。
蒸汽烘干有蒸汽冷凝水产生，烘干过程同时产生废气。
（作为原料时，离心分离后的物料，直接进入下工序而不用烘干包装）。
3.2物料衡算
查文献[2]可知，在发酵生产中使用酶活力为20000U/g的α-淀粉酶0.4kg，酶活力为100000U/g的糖化酶1.202kg，发酵温度（38±1）℃，发酵通风量0.1-0.2m3/min，每批发酵周期30h，最高生成速率可达19g·L-1·h-1，发酵生产的发酵液中葡萄糖酸浓度可达260g/L。
（1）生产能力的计算
生产天数：
300天
生产时间共300×24h=7200h，每批产品发酵周期为30h，每年可生产240批产品，本次设计为年产40000t的发酵生产规模。
理论批产量：
40000/240=167t。
每批产品运输包装损耗按2％计算，实际批产量应为167+167×0.2=200.4t，取201t。
（2）每批产品物料消耗计算
产品质量：
国际食用葡萄糖酸质量分数99.5%，实际产率98.5%，副产品约1%；查文献可知，每升发酵液可得260g质量分数为99.5％葡萄糖酸，年产40000吨葡萄糖酸发酵工厂批产量为201t，理论需201×106g÷260g/L=773076L，发酵损失按1％计算，实际所需发酵液为850383.6L，约为851m³发酵液。
每批发酵葡萄糖用量：
850383.6L×250g/L=212595900g，约为212t。
玉米原料用量：
玉米原料含淀粉量为70％，淀粉糖转化率为96.5％，则所需玉米原料量为212t÷70％÷96.5％=315.47t，取316t。
磷酸氢铵用量：
773076L×0.4g/L=309230.4g，取310kg。
磷酸二氢钾用量：
773076L×0.2g/L=154615.2g，取155kg。
硫酸镁用量：
773076L×0.2g/L=154615.2g，取155kg。
α-淀粉酶用量：
773076L×0.4g/L=309230.4g，取310kg。
糖化酶用量：
773076L×1.202g/L=929237.4g，取930kg。
3.3设备及相关管道选型配套明细表
3.3.1蒸煮设备选型
在我国发酵厂，将喷射加热器与后熟器、糖化罐组成了连续蒸煮糖化流程，提高了生产能力，降低了煤耗，改善了劳动条件。
后来又实现了蒸煮醪液的真空混合，蒸煮糖化使用了仪表自动控制，本设计采用罐式连续蒸煮糖化。
发酵生产每批次需要玉米原料量为316t。
每立方米玉米粉重量[6]约为890kg，大约需要316000/890=355m³的玉米，选取D=4m，H=6.8m，V=115m³的蒸煮锅，装料系数为0.8，每个蒸煮锅可装料115×0.8=92m³，50m³玉米原料，42m³水及其他物料，因此需要316/50=6.32，取7个蒸煮锅。
3.3.2糖化设备的选型
本设计采用的糖化设备具有搅拌器和冷却器，底呈弧形，是一个矮而肥的圆柱形，上面有轻便的盖子。
糖化锅容积太小，不易保持糖化的温度，太大则后冷却较慢，容易引起杂菌污染。
本设计的糖化车间用的糖化锅容积15m3，根据发酵工艺需要，采用9个糖化锅。
3.3.3发酵设备的选型
选取总体积为230m³的发酵罐，发酵罐装料系数为0.7，每个发酵罐可装230×0.7=161m³，需发酵罐个数n=851/161=5.28，取该型号发酵罐6个。
3.3.4种子罐容积和台数的确定
（1）种子罐容积的确定：
接种量按10%计算，则种子罐容积：
V种子=V发酵×10%=161×0.1=16.1m3
（2）种子罐个数的确定：
种子罐作为二级发酵设备是负责将一级种子进行扩大培养并随后接入二级发酵罐中进行发酵，一般为便于生产一个二级发酵罐配套二个一级发酵罐。
总接种量为16.1×6=96.6m³。
经计算选用4个容积为30m3的机械搅拌通风式发酵罐作为一级种子罐，2个容积为70m³的二级种子罐。
3.4.5调浆罐的选型
调浆罐是将发酵所需原料混合均匀进入发酵罐发酵。
本设计取6个容积为30m³的调浆罐流动调浆。
3.4.6管道的选择
（1）气相管路：
主要包括压缩空气、O2、CO2、N2管道，DN15不锈钢，在管道末端安装减压阀和快装接口；
（2）液相管路
纯化水管道、注射用水管道、工艺冷水循环管道、饮用水管道、DN25不锈钢，在末端安装手动阀门及压力表；
（3）蒸汽管道：
工业蒸汽管路（用于夹套灭菌）和纯蒸汽管路（用于罐体灭菌），DN25不锈钢，在管道末端安装手动阀门及压力表；反应器上的取样管路、加酸/碱管路、通气管路等，DN15不锈钢。
3.4.7其它辅助设备
降膜蒸发是将料液自降膜蒸发器加热室上管箱加入，经液体分布及成膜装置，均匀分配到各换热管内，在重力和真空诱导及气流作用下，成均匀膜状自上而下流动。
流动过程中，被壳程加热介质加热汽化，产生的蒸汽与液相共同进入蒸发器的分离室，汽液经充分分离，蒸汽进入冷凝器冷凝（单效操作）或进入下一效蒸发器作为加热介质，从而实现多效操作，液相则由分离室排出。
设备主体由Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ效加热器、分离器、热压泵、冷凝器、杀菌器、保温管、料泵、水泵及仪表柜组成。
本设备凡和物料接触均用优质不锈钢制作。
葡萄糖酸发酵工厂的有关设备选型如表4。
表2年产50000t葡萄糖酸钠发酵车间设备一览表
序号
设备名称
规格与型号
台数
材料
1
2
3
蒸煮锅
糖化锅
发酵罐
公称容积115m3，φ4000mm
公称容积15m3，φ2000mm
公称容积230m3，φ5000mm
7
6
6
1Gr18Ni9Ti钢
1Gr18Ni9Ti钢
1Gr18Ni9Ti钢
4
一级种子罐
公称容积30m3，φ2500mm
4
1Gr18Ni9Ti钢
5
二级种子罐
公称容积70m3，φ3500mm
2
1Gr18Ni9Ti钢
6
发酵醪贮罐
V=367.2m3
1
1Gr18Ni9Ti钢
7
调浆桶
V=30m3
6
1Gr18Ni9Ti钢
4.生产线设计
4.1生产线设计的依据及布局
4.1.1生产线设计依据
（1）首先要保证产品质量符合国家标准，尽量采用成熟先进的的技术和设备，尽量减少三废的排放，有完善的三废治理措施，做好回收和综合利用，确保生产安全，保障人生安全和设备安全。
尽量采用机械化和自动化，实现稳产高产。
（2）生产车间设计功能分区，形成产品生产的流水线，避免迂回曲折，节省人力和物力。
（3）根据发酵工艺流程图设计原料变成产品的路线，设备计算及选型，确定设备生产能力数量及选型参数，绘制工艺流程图。
（4）生产线主要工序原料→糖化→发酵→分离提纯→精制→包装。
4.1.2生产线布局
（1）原料存放区
每批次产品消耗玉米原料316t，约355m³体积，发酵生产车间原料库占地168㎡，装料系数为0.5，可存放168㎡×10m×0.5=840m³体积的玉米原料，可至少满足2批产品发酵生产需要，位置与蒸煮区相近，可以提高作业效率，减少二次倒运。
（2）蒸煮区
蒸煮设备与原料室相邻，采用7个容积为115m³的蒸煮锅，将原料蒸煮后有利于微生物和酶的作用，利于下一步糖化。
（3）糖化区
糖化罐与蒸煮区相邻，采用9个容积为15m³的糖化锅，通过使用糖化设备加热和搅拌，调节酶的最适宜的温度和pH值，使很多不溶性物质在酶的作用下转变为可溶性物质而溶解出来，制成符合要求的醪液，提高糖化浸出物的收得率，为下一步发酵提供良好的发酵醪。
（4）调浆区
调浆区包括缓冲设备，种子罐，调浆罐，灭菌器，与糖化区相邻，将调好的浆液送入发酵罐中发酵。
（5）发酵区
发酵区包括6个容积为230m³的发酵罐，将调配好的的发酵醪液发酵生产葡萄糖酸初成品，经脱色、离心、干燥后得到产品。
4.2生产线设计图
5.总结
本次设计的是葡萄糖酸发酵工厂。
工厂地址选在玉米盛产地山东，发酵生产所需原材料丰富廉价；西距济菏高速公路2公里，东临105国道2公里，交通运输便利；工厂依山傍水，具有丰富的水源，气候适宜，四季分明。
由于全国葡萄糖酸生产厂家集中在山东、河北两地，产品需求集中，销售状况好。
工厂的总平面设计布局合理，运输车辆都主要在环厂公路行驶，很少在厂内公路穿插，厂内公路主要供给职工过往，将人流、货流通道分开，避免交叉，实现了高度的人车分流效果。
厂区生产线布局按L型分布，在生产过程中，整条生产线排列尽量紧凑，既可节约土地，又尽可能的避免工段之间的管道拐弯，充分保证了物料的通畅性和输送动力的节约性，而且减少管道回转次数。
工厂各车间之间分开布局，功能区分明确，且能有效防止火灾串烧。
工厂的布局预留发展用地，考虑了工厂发展的可能性和分期建设的需要。
本设计“葡萄糖酸发酵工厂是个最初理论的设计，具有许多的局限性，具体实行还要葡萄糖酸行业特点和建厂方的自身经济条件。
参考文献
[1]黄方一,发酵工程[M].武汉:
华中师范大学出版社,2008.40-50.
[2]吴思方.发酵工厂工艺设计概论[M].北京:
中国轻工业出版社,2005
[3]张静,童群义.响应面法优化黑曲霉发酵产葡萄糖酸的研究[J].安徽农业科学.2008,36（9）:
3720-3722.
[4]汪镇安.化学工艺设计手册[M].北京:
化学工业出版社,2003.
[5]丁浩.化工工艺设计[M].上海:
上海科学技术出版社,1989.
[6]贺小贤.生物工艺原理[M].北京:
化学化工出版社,2007.
[7]王志魁,刘丽英,刘伟.化工原理[M].北京:
化学工业出版社,2010.5.
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