年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计.docx

1、年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计课程设计For personal use only in study and research; not for commercial use题 目： 冬虫夏草生产工艺设计 For personal use only in study and research; not for commercial use1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

2、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.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

3、厂平面图.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414厘米，不育顶部长38厘米，直径154厘米;上部为子座头部，稍膨大，呈窄椭圆形，长154厘米，褐色，除先端小部外

4、，密生多数子囊壳，顶部不育部长1555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250500微米，直径80200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2030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

5、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67,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

6、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

7、、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

8、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 67) 。于121灭菌30 min , 接种于固体培养基上于271,培养 45d ,菌丝均匀长满斜面后 ,置冰箱4保存备用。4.2 摇瓶培养 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(pH67) ,采用250 ml三角瓶装培养基50 ml,采用271 ,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%

9、, MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%为培养基(pH67) ,采用 500 ml三角瓶 ,装培养基 120 ml ,采用 271,摇床转速 230 r/min ,振荡培养4860 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 67), 采用 1 m3种子罐,装料系数为0.8,在 271 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

10、 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 67), 采用 10 m3发酵罐,装料系数为0.8 ,在 271温度下培养。4.6 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、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，

11、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 共耗时约48 h冷却到27 约1 h接种 0.20 h发酵 44 h7 物料及热量衡算7.1 物料衡算7.1.1物料流程图 发酵罐 种子罐葡萄糖 20kg豆粕 16kg豆油 0.48kg硫酸镁 0.48kg磷酸二氢钾 0.08kg蛋白胨 2.4kg25 C，30mi

12、n 葡萄糖 800kg豆粕 200kg豆油 7.2kg硫酸镁 7.2kg磷酸二氢钾 1.6kg蛋白胨 48kg消泡剂 4.8kg25 C，30min 料水比1：4 料水比1：4 自来水 25 30min 30min 121 121 121，30min 121，30min 1h 冷却至27 C 冷却至27 C 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发酵初糖kg/m31

13、00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(10048%16.5%99%)=6.4103(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

14、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 = V1100=6.4105(kg)(3) 二级种子液量: V2=12%V1=8.0102(m3)式中 12%接种量(4) 二级种子培养液所需糖量: m2=25V2=2.0104 (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=6.6105 (kg)(6) 硫酸镁耗用量: m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=6.24103 (kg)(7) 磷酸二氢钾耗用量: m(KH2PO4)= 0.1V2+0.2V1=1.36103(kg)(8) 消泡剂耗用量: m（消泡

15、剂）=0.6V1=3.84103 (kg)(9) 豆油耗用量: m（豆油）=0.6V2+0.9V1=6.24103 (kg)(10)蛋白胨耗用量: m（蛋白胨）=3V2+6V1=4.08104(kg)(11)豆粕耗用量: m（豆粕）=20V2+25V1=1.76105(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）=6.610548%（11%）=3.1105 (kg)2) 实际生产的冬虫夏草（提取率16.5%）菌丝体为：m（实际）=3.110516.5%=51150(kg)=50.2（t） 50t/a 冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：表7.2 50t/a 冬

16、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）6.410321.33二级种液量(m3)81022.67发酵用糖量(kg)6.41052133.33二级种子液用糖量(kg)2.010466.67糖液总量(kg)6.61052200硫酸镁(kg)6.2410320.8磷酸二氢钾(kg)1.361034.53消泡剂(kg)3.8410312.8豆油(kg)6.2410320.8豆粕(kg)1.76105586.67蛋白胨(kg)4.08104136 冬虫夏草菌粉(kg)50.2167.337.2热量衡算（一）发酵罐需配料量为：G1=800+200+7.2+7.

17、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=5505.2kgQ= Gc（t1- t0）=5505.23.7（121-25）=1.96106（kJ）式中 c发

18、酵液的比热容,3.7 kJ/(kgK)(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=G5%3060=5505.25%3060=137.63(kg)故Q= V1I=137.632198.91 kJ/kg=3.03105（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%(1.96106+3.03105)=3.39105（kJ）(4) 由上述结果可得：Q总=QQQ=1.96106+3.03105+3.39105=2.60106

19、（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)= 2.60106/(2737.23601.53)95%=1282.65(kg)式中 i相应冷凝水的焓（601.53 kJ/kg）蒸汽的热效率，取=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/（30/6095%）=2.60106/(0.595%)=5.47106 (kJ/h) 相应的最大蒸汽耗量为：Dmax=Qmax/(I-i)= 5.47106 /(2737.236

20、01.53)=2562.95(kg/h)式中 I使用表压为0.4 MPa的饱和蒸汽，I=2737.23 kJ/kgi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= D7511=1282.65755=4.81105 (kg)每吨成品耗蒸汽量：DS=4.81105/50.2=9.6103 kg/t最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如

21、表所示。表7.3 50t/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)（为单罐）年消耗量（kg/a)蒸汽0.4（表压）9.61032562.954.811057.3. 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=4404.16755=1.65106(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)=1282.65(kg)式中 蒸汽的热效率，取=95%I使用表压为0.4 MPa的饱和蒸汽

22、，I=2737.23 kJ/kgi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) )=5505.23.7(121-25)/(4.18(70-20)1)=9356.2 (kg) 式中 3.7发酵液的比热容（kJ/(kgK)） 4.18水的比热容（kJ/(kgK)） 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=

23、(9356.2+1282.65)755 =3.99106 (kg)(3) 发酵车间总用水量G总= G原料+ G=1.65106 + 3.99106 =5.64106 (kg)表7.5 50t/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112.5783.318.85.641067.4. 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

24、) 单罐发酵过程用气量（常压空气） V=1080%0.2560=120（m3/h）式中 80%发酵罐装料系数(2) 单罐年用气量 Va=V4875=4.32105（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%Va5=25%4.321055=5.4105（m3/a）式中 5发酵罐个数7.4.3.发酵车间高峰无菌空气消耗量Vmax=5（V+V）=5（120+30）=750（m3/h）7.4.4.发酵

25、车间无菌空气年耗量 Vt=575（V+V）48=2.7106（m3/a）式中 5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）=50.2 (t)，故发酵车间无菌空气单耗为：Vo=Vt/G=2.7106/50.2=5.38104（m3/t）根据上述计算结果，可得出50t/a冬虫夏草厂无菌空气用量衡算表，如表所示。表7.6 发酵车间无菌空气衡算表发酵罐公称容积（m3）单罐通气量（m3/h）种子培养耗气量（m3/h）高峰空气消耗量（m3/h）年空气耗量m3空气单耗（m3/t虫草）1012030 7502.71065.381048 主要工艺设备的设计和选型8.1 设备设计与选型的原则从设备的设计选型情况，可以反