年产吨冬虫夏草发酵车间工艺设计.docx
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年产吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
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课程设计
题目：
冬虫夏草生产工艺设计
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1 前言..………………………………………………......................……………..
2 设计任务书..………………………………………………......................…..
3 产品方案..………………………………………………......................………
4 生产方法..………………………………………………......................………
4.1 斜面培养..……………………………………………….....................
4.2 摇瓶培养..………………………………………………......................
4.3 摇瓶种子培养..………………………………………………...............
4.4 种子罐培养..………………………………………………...................
4.5 发酵罐培养..………………………………………………...................
4.6 发酵液后处理..………………………………………………...............
5 工艺流程..………………………………………………......................………
5.1 工艺流程的设计原则..………………………………………………........
5.2 工艺流程方框图（见附图 1）..…………………………..............
6 工艺耗费时间..…………………………………………......................………
7 物料及热量衡算..……………………………………….....................………
7.1 物料衡算..……………………………………………….....................
7.1.1 物料流程图..……………………………………………….............
7.1.2 工艺技术指标及基础数据……………………………………......
7.1.3 发酵车间的物料衡算………………………………………..........
7.2 热量衡算..……………………………………………….....................
7.3 发酵车间水衡算.………………………………………………..............
7.4 发酵无菌空气消耗量计算..…………………………...................
8 主要工艺设备的设计与选型.…………………….....................………
8.1 设备设计与选型原则.……………………………….....................
8.2 主要设备的选型（发酵罐）……………………….....................
8.2.1 发酵罐容积的确定……………………………………….............
8.2.2 生产能力计算..………………………………………………...........
3
8.2.3 罐个数的确定..………………………………………………...........
8.2.4 主要尺寸的计算..……………………………………….............
8.2.5 冷却面积的计算..……………………………………….............
8.2.6 搅拌器的设计..………………………………………….............
8.2.7 设备结构的工艺设计..……………………………….............
8.2.8 设备材料的选择……………………………………….............
9 参考文献..……………………………………………….…………….…………….………
10 附图..……………………………………………….......... …………………………
10.1 附图 1生产工艺流程图.………………………………................
10.2 附图 2主体设备图.……………………………….....................
10.3 附图 3车间平面图.……………………………….....................
10.4 附图 4工厂平面图.……………………………….....................
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年产 50 吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
1 前言
1.1 产品介绍
冬虫夏草，又名中华虫草，是中国历史中传统的名贵中药材，是由肉座菌目蛇形虫草科蛇形
虫草属的冬虫夏草菌寄生于高山草甸土中的蝠蛾幼虫，使幼虫身躯僵化。
并在适宜条件下，
夏季由僵虫头端抽生出长棒状的子座而形成，即冬虫夏草菌的子实体与僵虫菌核（幼虫尸体）
构成的复合体。
冬虫夏草主要产于中国大陆青海、西藏、四川、云南、甘肃和贵州等省及自
治区的高寒地带和雪山草原。
冬虫夏草菌之子座出自寄主幼虫的头部，冬虫夏草单生，细长呈棒球棍状，长 4－14 厘米，
不育顶部长 3－8 厘米，直径 1．5－4 厘米;上部为子座头部，稍膨大，呈窄椭圆形，长1．5
－4 厘米，褐色，除先端小部外，密生多数子囊壳，顶部不育部长 1．5－5．5 毫米;子囊壳
近表面生基部大部陷入子座中，先端凸出于子座外，卵形或椭圆形，长 250－500 微米，直
径 80－200 微米，每一个子囊内有 8 具有隔膜的子囊孢子。
虫体表面深棕色，断面白色;有
20－30 环节，腹面有足 8 对，形略如蚕
1.2 临床应用
临床上使用虫草素多为辅助治疗恶性肿瘤，症状得到改善的在 91.7%以上；主要用于鼻癌、
咽癌，肺癌，白血病，脑癌以及其他恶性肿瘤的患者。
北冬虫夏草中虫草酸的含量为 3.09
克，野生的虫草为 5.54 克，虫草酸是一种 D-甘露醇，甘露醇能提高血浆渗透压，导致组织
内的水分进入血管内，从而减轻组织水肿，补充血浆。
虫草酸多用于脑水肿，防治急性肾功能衰竭，有调节心、脑、血管的作用，促进人体的新陈
代谢、改善人体的微循环、降血脂、降血压。
虫草多糖的药理试验证明：
虫草多糖具有抗肿瘤、抗传染病的功效、增强性功能、补肾壮阳、
益精气、防止衰老、延年益寿；对老年人慢性支气管炎、肺源性心脏病有显著的功效。
能提
高肝脏的解毒能力，起到扶肝的作用。
降血糖、降血脂，贫血的患者用于补血，增强脾脏的
营养性血流量，虫草多糖、生物活性强，适应性广，还具耐缺氧、镇痛、镇静的作用。
1.3 研究意义
在 20 世纪 80 年代,冬虫夏草的产量还很高.据资料记载[6~7],在冬虫夏草的两大主产区西藏
和青海,每年的均产量分别达到 121,487 kg 和 30,000 kg.但近来由于生态环境的退化和人
为的过度采挖,虫草的产量大幅下降,而且个体变小,质量也有所下降. 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
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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。
2 设计任务书
设计项目名称：
年产 50 吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
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。
生产能力：
年产 50 吨冬虫夏草菌粉。
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。
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
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。
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。
产品规模：
50 T/a 。
产品包装方式：
桶装。
4 生产方法
4.1 斜面培养
以蔗糖 2%,工业蛋白胨 0.15% ,酵母粉 1% , MgSO4 0.05%，KH2PO4 0.1%为培养基（pH 6～
7） 。
于 121℃灭菌 30 min , 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。
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4.2 摇瓶培养
2
以蔗糖 2% ,工业蛋白胨 0.15% ,酵母粉 1%, MgSO4 0.05% , KHPO4 0.1%为培养基（pH6～
7） ,采用 250 ml 三角瓶装培养基 50 ml,采用 27±1 ℃,摇床转速 230 r/min,振荡培养。
4.3 摇瓶种子培养
以蔗糖 2% ,工业蛋白胨 0.15% ,酵母粉 1% , MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%为培养基（pH6～
7） ,采用 500 ml 三角瓶 ,装培养基 120 ml ,采用 27±1℃,摇床转速 230 r/min ,振荡培
养 48～60 h ,镜检菌丝粗壮,无杂菌后,合并作为进罐种子。
4.4 种子罐培养
葡萄糖 25 kg/m3, 豆粕 20 kg/m3 , 豆油 0.6 kg/m3, 硫酸镁 0.6 kg/m3, 磷酸二氢钾 0.1
kg/m3, 蛋白胨 3 kg/m3 为发酵液（pH 6～7）, 采用 1 m3 种子罐,装料系数为 0.8,在 27±1 ℃
温度下发酵培养。
4.5 发酵罐培养
葡萄糖 100 kg/m3, 豆粕 25 kg/m3 , 豆油 0.9 kg/m3, 硫酸镁 0.9 kg/m3, 磷酸二氢钾
0.2 kg/m3, 蛋白胨 6 kg/m3，消泡剂 0.6 kg/m3 为培养基（pH 6～7）, 采用 10 m3 发酵罐,装
料系数为 0.8 ,在 27±1℃温度下培养。
4.6 发酵液后处理
离心过滤80℃干燥
发酵液菌丝体
成品菌粉
粉碎包装
5 工艺流程
5.1 工艺流程的设计原则
进行工艺设计，必须考虑以下几项原则：
◆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。
◆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、
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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。
◆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。
◆确保安全生产，以保证人身和设备的安全。
◆生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。
5.2 工艺流程方框图（见附图 4.1）
6 工艺耗费时间
发酵
配料0.8 h
搅拌0.5 h
投料0.5 h
蒸汽灭菌1 h
冷却到 27℃约 1 h
接种0.20 h
发酵44 h
共耗时约 48 h
7 物料及热量衡算
7.1 物料衡算
7.1.1 物料流程图
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发酵罐种子罐
葡萄糖 800kg葡萄糖 20kg
豆粕 200kg豆粕 16kg
豆油 7.2kg豆油 0.48kg
硫酸镁 7.2kg硫酸镁 0.48kg
料水比 1：
4料水比 1：
4
自来水
25℃
消泡剂 4.8kg25 ºC，30min
25 ºC，30min
30min30min
121℃121℃
121℃，30min121℃，30min
1h
冷却至 27 ºC
冷却至 27 ºC
接种量 12%
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/a50葡萄糖转化率%48
生产方法发酵倒罐率%1
生产天数d/a300发酵周期h48
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发酵初糖kg/m3100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 50 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= 50000÷（100×48%×16.5%×99%）=6.4×103（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=6.4×105（kg）
（3） 二级种子液量:
V2=12%×V1=8.0×102（m3）
式中12%——接种量
（4） 二级种子培养液所需糖量:
m2=25×V2=2.0×104 （kg）
式中25——二级种液含糖量（kg/m3）
（5） 生产50吨冬虫夏草需糖总量:
m=m1+m2=6.6×105 （kg）
（6） 硫酸镁耗用量:
m（MgSO4）=0.6V2+0.9V1=6.24×103 （kg）
（7） 磷酸二氢钾耗用量:
m（KH2PO4）= 0.1V2+0.2V1=1.36×103（kg）
（8） 消泡剂耗用量:
m（消泡剂）=0.6V1=3.84×103 （kg）
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（9） 豆油耗用量:
m（豆油）=0.6V2+0.9V1=6.24×103 （kg）
（10）蛋白胨耗用量:
m（蛋白胨）=3V2+6V1=4.08×104（kg）
（11）豆粕耗用量:
m（豆粕）=20V2+25V1=1.76×105（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）=6.6×105×48%×（1－1%）=3.1×105 （kg）
2） 实际生产的冬虫夏草（提取率16.5%）菌丝体为：
m（实际）=3.1×105×16.5%=51150（kg）=50.2（t）
50t/a 冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：
表 7.250t/a 冬虫夏草发酵车间的物料衡算表
物料名称生产 50t 冬虫夏草的物料量每日物料量
发酵液量（m3）
二级种液量（m3）
6.4×103
8×102
21.33
2.67
6.4×105
发酵用糖量（kg）2133.33
2.0×104
二级种子液用糖量（kg）66.67
6.6×105
糖液总量（kg）2200
6.24×103
硫酸镁（kg）20.8
1.36×103
磷酸二氢钾（kg）4.53
3.84×103
消泡剂（kg）12.8
11
豆油（kg）6.24×103
20.8
1.76×105
豆粕（kg）586.67
4.08×104
蛋白胨（kg）136
50.2
冬虫夏草菌粉（kg）167.33
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）
（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,3.7 kJ/（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=137.63×2198.91 kJ/kg=3.03×105（kJ）
式中I——为在温度 121℃下的水的汽化潜热，为 2198.91 kJ/kg
（3） 热损失 Q’’’
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料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） 故单罐耗用蒸汽量 D
使用表压为 0.4MPa 的饱和蒸汽，I=2737.23 kJ/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（601.53 kJ/kg）
η ——蒸汽的热效率，取η =95%
（5） 发酵过程单罐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 0.4 MPa 的饱和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg
i——相应冷凝水的焓（601.53 kJ/kg）
（6） 蒸汽耗量
已知发酵需要 48 h，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。
经过计算，总共需要 5 个
发酵罐。
据设计，每年发酵次数为 75 批，共产生冬虫夏草 50.2 吨。
年耗蒸汽总量为：
DT= D×75×11=1282.65×75×5=4.81×105 （kg）
每吨成品耗蒸汽量：
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DS=4.81×105/50.2=9.6×103 kg/t
最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如表所示。
表 7.350t/a 冬虫夏草发酵车间总热量衡算表
每吨产品消耗定额
每小时最大用量 年消耗量
名称规格
（kg）（kg/h）（为单罐）（kg/a）
蒸汽0.4（表压）9.6×1032562.954.81×105
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。
共有 5 个发酵
罐，故发酵原料预处理总用水量 GW 为：
GW=4404.16×75×5=1.65×106（kg）
（2）单罐发酵工序用水量
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 0.4 MPa 的饱和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg
i——相应冷凝水的焓（601.53 kJ/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） ）
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=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，罐子数为 11，年发酵工序用水量 G：
G=D+W=（9356.2+1282.65）×75×5 =3.99×106 （kg）
（3） 发酵车间总用水量 G 总= G 原料+ G=1.65×106 + 3.99×106 =5.64×106 （kg）
表 7.550t/a 冬虫夏草发酵车间用水量衡算表
每吨产品消耗定额
每小时用量 每天用量 年耗量
名称规格
（t/t）（kg/h）（t/d）（t/a）
水自来水或深井水112.5783.318.85.64×106
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
10 m3 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）
15
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’=
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