年產50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設計

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21 課程設計 題 目： 冬蟲夏草生產工藝設計 目 錄 1前言..……………………………………………….......................…………….. 2設計任務書..……………………………………………….......................….. 3產品方案..……………………………………………….......................……… 4生產方法..……………………………………………….......................……… 4.1斜面培養(yǎng)..………………………………………………...................... 4.2搖瓶培養(yǎng)..………………………………………………...................... 4.3搖瓶種子培養(yǎng)..………………………………………………................ 4.4種子罐培養(yǎng)..……………………………………………….................... 4.5發(fā)酵罐培養(yǎng)..……………………………………………….................... 4.6發(fā)酵液后處理..………………………………………………................ 5工藝流程..……………………………………………….......................……… 5.1工藝流程的設計原則..………………………………………………......... 5.2工藝流程方框圖（見附圖1）..………………………….............. 6工藝耗費時間..………………………………………….......................……… 7物料及熱量衡算..………………………………………......................……… 7.1物料衡算..………………………………………………...................... 7.1.1物料流程圖..……………………………………………….............. 7.1.2工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù)……………………………………...... 7.1.3發(fā)酵車間的物料衡算………………………………………........... 7.2熱量衡算..………………………………………………...................... 7.3發(fā)酵車間水衡算.………………………………………………............... 7.4發(fā)酵無菌空氣消耗量計算..………………………….................... 8主要工藝設備的設計與選型.……………………......................……… 8.1設備設計與選型原則.………………………………...................... 8.2主要設備的選型（發(fā)酵罐）………………………...................... 8.2.1發(fā)酵罐容積的確定……………………………………….............. 8.2.2生產能力計算..………………………………………………............ 8.2.3罐個數(shù)的確定..………………………………………………............ 8.2.4主要尺寸的計算..……………………………………….............. 8.2.5冷卻面積的計算..……………………………………….............. 8.2.6攪拌器的設計..………………………………………….............. 8.2.7設備結構的工藝設計..……………………………….............. 8.2.8設備材料的選擇……………………………………….............. 9參考文獻..……………………………………………….…………….…………….……… 10附圖..………………………………………………........... ………………………… 10.1附圖1 生產工藝流程圖.………………………………................. 10.2附圖2 主體設備圖.………………………………...................... 10.3附圖3 車間平面圖.………………………………...................... 10.4附圖4 工廠平面圖.………………………………...................... 年產50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設計 1 前言 1.1 產品介紹 冬蟲夏草，又名中華蟲草，是中國歷史中傳統(tǒng)的名貴中藥材，是由肉座菌目蛇形蟲草科蛇形蟲草屬的冬蟲夏草菌寄生于高山草甸土中的蝠蛾幼蟲，使幼蟲身軀僵化。并在適宜條件下，夏季由僵蟲頭端抽生出長棒狀的子座而形成，即冬蟲夏草菌的子實體與僵蟲菌核（幼蟲尸體）構成的復合體。冬蟲夏草主要產于中國大陸青海、西藏、四川、云南、甘肅和貴州等省及自治區(qū)的高寒地帶和雪山草原。 冬蟲夏草菌之子座出自寄主幼蟲的頭部，冬蟲夏草單生，細長呈棒球棍狀，長4－14厘米，不育頂部長3－8厘米，直徑1．5－4厘米;上部為子座頭部，稍膨大，呈窄橢圓形，長1．5－4厘米，褐色，除先端小部外，密生多數(shù)子囊殼，頂部不育部長1．5－5．5毫米;子囊殼近表面生基部大部陷入子座中，先端凸出于子座外，卵形或橢圓形，長250－500微米，直徑80－200微米，每一個子囊內有8具有隔膜的子囊孢子。蟲體表面深棕色，斷面白色;有20－30環(huán)節(jié)，腹面有足8對，形略如蠶 1.2臨床應用 臨床上使用蟲草素多為輔助治療惡性腫瘤，癥狀得到改善的在91.7%以上；主要用于鼻癌、咽癌，肺癌，白血病，腦癌以及其他惡性腫瘤的患者。北冬蟲夏草中蟲草酸的含量為3.09克，野生的蟲草為5.54克，蟲草酸是一種D-甘露醇，甘露醇能提高血漿滲透壓，導致組織內的水分進入血管內，從而減輕組織水腫，補充血漿。 蟲草酸多用于腦水腫，防治急性腎功能衰竭，有調節(jié)心、腦、血管的作用，促進人體的新陳代謝、改善人體的微循環(huán)、降血脂、降血壓。 蟲草多糖的藥理試驗證明：蟲草多糖具有抗腫瘤、抗傳染病的功效、增強性功能、補腎壯陽、益精氣、防止衰老、延年益壽；對老年人慢性支氣管炎、肺源性心臟病有顯著的功效。能提高肝臟的解毒能力，起到扶肝的作用。降血糖、降血脂，貧血的患者用于補血，增強脾臟的營養(yǎng)性血流量，蟲草多糖、生物活性強，適應性廣，還具耐缺氧、鎮(zhèn)痛、鎮(zhèn)靜的作用。 1.3 研究意義 在20世紀80年代,冬蟲夏草的產量還很高.據(jù)資料記載[6~7],在冬蟲夏草的兩大主產區(qū)西藏和青海,每年的均產量分別達到121,487 kg和30,000 kg.但近來由于生態(tài)環(huán)境的退化和人為的過度采挖,蟲草的產量大幅下降,而且個體變小,質量也有所下降. 大量分析表明，野生蟲草子實體與人工培養(yǎng)的蟲草菌絲體之間，無論是甘露醇、 游離氨基酸、W醇、生物堿及有機酸類等的含量幾乎相同或基本一致。藥理和毒理試驗也證實人工發(fā)酵蟲草和野生蟲草具有類似或更優(yōu)的效果，表明人工培養(yǎng)的蟲草菌絲體基本上可以代替野生蟲草的子實體。鑒于液體發(fā)酵具有周期短，原料及培養(yǎng)條件易得，造價低，收率高和較穩(wěn)定等特點，對蟲草菌絲體的人工發(fā)酵培養(yǎng)應該是主要發(fā)展方向。 2 設計任務書 設計項目名稱：年產50噸冬蟲夏草發(fā)酵車間工藝設計 生產方法：以冬蟲夏草菌種為原料, 發(fā)酵生產冬蟲夏草菌絲體。 生產能力：年產50噸冬蟲夏草菌粉。 主要原、輔料：蝙蝠蛾擬青霉菌種、葡萄糖、豆粕、硫酸鎂、磷酸二氫鉀、蛋白胨。 發(fā)酵工段產品：未烘干前呈淺黃色，烘干后呈棕黃色，深棕色，色澤均勻的冬蟲夏草菌粉。 3 產品方案 產品名稱和性質：發(fā)酵蝙蝠蛾擬青霉冬蟲夏草菌粉，為黃色粉末，氣香,味微苦。 產品的質量規(guī)格：蟲草干品含粗蛋白25.32%,粗脂肪8.4%，粗纖維18.53%，碳水化合物28.9%，灰分4.1%，水分10.84%。另外含蟲草酸約7%，還含有游離氨基酸12種，水解后有氨基酸18種，其中成年人必需從食物中供給的8種氨基酸均具備，還有幼兒生長發(fā)育所必需的組氨酸。此外，尚含有維生素B12、麥角脂醇、六碳糖醇、生物堿等。 產品規(guī)模：50 T/a 。 產品包裝方式：桶裝。 4 生產方法 4.1 斜面培養(yǎng) 　 以蔗糖 2%,工業(yè)蛋白胨0.15% ,酵母粉1% , MgSO4 0.05%，KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH 6～7) 。于121℃滅菌30 min , 接種于固體培養(yǎng)基上于271℃,培養(yǎng) 4～5d ,菌絲均勻長滿斜面后 ,置冰箱4℃保存?zhèn)溆谩? 4.2 搖瓶培養(yǎng) 以蔗糖2% ,工業(yè)蛋白胨0.15% ,酵母粉1%, MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH6～7) ,采用250 ml三角瓶裝培養(yǎng)基50 ml,采用271 ℃,搖床轉速230 r/min,振蕩培養(yǎng)。 4.3 搖瓶種子培養(yǎng) 　 以蔗糖 2% ,工業(yè)蛋白胨 0.15% ,酵母粉 1% , MgSO4 0.05% , KH2PO4 0.1%為培養(yǎng)基(pH6～7) ,采用 500 ml三角瓶 ,裝培養(yǎng)基 120 ml ,采用 271℃,搖床轉速 230 r/min ,振蕩培養(yǎng)48～60 h ,鏡檢菌絲粗壯,無雜菌后,合并作為進罐種子。 4.4種子罐培養(yǎng) 葡萄糖 25 kg/m3, 豆粕20 kg/m3 , 豆油0.6 kg/m3, 硫酸鎂0.6 kg/m3, 磷酸二氫鉀0.1 kg/m3, 蛋白胨3 kg/m3 為發(fā)酵液(pH 6～7), 采用 1 m3種子罐,裝料系數(shù)為0.8,在 271 ℃溫度下發(fā)酵培養(yǎng)。 4.5發(fā)酵罐培養(yǎng) 　 葡萄糖 100 kg/m3, 豆粕25 kg/m3 , 豆油0.9 kg/m3, 硫酸鎂0.9 kg/m3, 磷酸二氫鉀0.2 kg/m3, 蛋白胨6 kg/m3，消泡劑0.6 kg/m3為培養(yǎng)基(pH 6～7), 采用 10 m3發(fā)酵罐,裝料系數(shù)為0.8 ,在 271℃溫度下培養(yǎng)。 4.6 發(fā)酵液后處理 發(fā)酵液 離心過濾 菌絲體 80℃干燥 成品菌粉 　 粉碎包裝 5 工藝流程 5.1工藝流程的設計原則 進行工藝設計，必須考慮以下幾項原則： ◆保證產品質量符合國家標準，外銷產品還必須滿足銷售地區(qū)的質量要求。 ◆盡量采用成熟的、先進的技術和設備。努力提高原料利用率，提高勞動生產率，降低水、電、汽及其他能量消耗，降低生產成本，使工廠建成后能夠迅速投入生產，使短期內達到設計生產能力和產品質量要求，并做到生產穩(wěn)定、安全、可靠。 ◆盡量減少三廢排放量，有完善的三廢治理措施，以減少或消除對環(huán)境的污染，并做好三廢的回收和綜合利用。 ◆確保安全生產，以保證人身和設備的安全。 ◆生產過程盡量采用機械化和自動化，實現(xiàn)穩(wěn)產、高產。 5.2 工藝流程方框圖(見附圖4.1) 6 工藝耗費時間 發(fā)酵 配料 　 0.8 h 攪拌 0.5 h 投料 0.5 h 蒸汽滅菌 1 h 共耗時約48 h 冷卻到27℃　 約1 h 接種 0.20 h 發(fā)酵 44 h 7 物料及熱量衡算 7.1 物料衡算 7.1.1物料流程圖 發(fā)酵罐 種子罐 葡萄糖 20kg 豆粕 16kg 豆油 0.48kg 硫酸鎂 0.48kg 磷酸二氫鉀 0.08kg 蛋白胨 2.4kg 25 C，30min 葡萄糖 800kg 豆粕 200kg 豆油 7.2kg 硫酸鎂 7.2kg 磷酸二氫鉀 1.6kg 蛋白胨 48kg 消泡劑 4.8kg 25 C，30min 料水比1：4 料水比1：4 自來水 25℃ 30min 30min 121℃ 121℃ 121℃，30min 121℃，30min 1h 冷卻至27 C 冷卻至27 C 接種量12% 發(fā)酵罐 圖7.1 物料流程圖 7.1.2工藝技術指標及基礎數(shù)據(jù) （1）主要技術指標如表所示： 表7.1 冬蟲夏草發(fā)酵工藝主要技術指標 指標名稱 單位 指標數(shù) 指標名稱 單位 指標數(shù) 生產規(guī)模 t/a 50 葡萄糖轉化率 % 48 生產方法 發(fā)酵 倒罐率 % 1 生產天數(shù) d/a 300 發(fā)酵周期 h 48 發(fā)酵初糖 kg/m3 100 冬蟲夏草提取率 % 16.5% （2）二級種子培養(yǎng)基 二級種子培養(yǎng)基（kg/m3）配方如下：葡萄糖25，豆粕20，豆油0.6，硫酸鎂0.6，磷酸二氫鉀0.1，蛋白胨3，接種量12%。 發(fā)酵罐培養(yǎng)液（kg/ m3）配方如下：葡萄糖100，豆粕25，豆油0.9，硫酸鎂0.9，磷酸二氫鉀0.2，蛋白胨6，消泡劑0.6，接種量12%。 7.1.3發(fā)酵車間的物料衡算 發(fā)酵液量生50噸純度100%的冬蟲夏草菌粉，需耗用的原輔材料及其他物料量 (1) 發(fā)酵液量: V1= 50000(10048%16.5%99%)=6.4103(m3) 式中 100——發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 48%——葡萄糖轉化率 16.5%——冬蟲夏草提取率 99%——除去倒罐率1%后的發(fā)酵成功率 (2) 發(fā)酵液配制需糖量（以純糖計）: m1 = V1100=6.4105(kg) (3) 二級種子液量: V2=12%V1=8.0102(m3) 式中 12%——接種量 (4) 二級種子培養(yǎng)液所需糖量: m2=25V2=2.0104 (kg) 式中 25——二級種液含糖量（kg/m3） (5) 生產50噸冬蟲夏草需糖總量: m=m1+m2=6.6105 (kg) (6) 硫酸鎂耗用量: m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=6.24103 (kg) (7) 磷酸二氫鉀耗用量: m(KH2PO4)= 0.1V2+0.2V1=1.36103(kg) (8) 消泡劑耗用量: m（消泡劑）=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)冬蟲夏草菌絲體量: 1) 發(fā)酵液冬蟲夏草菌絲體含量為： m（冬蟲夏草）=6.610548%（1－1%）=3.1105 (kg) 2) 實際生產的冬蟲夏草（提取率16.5%）菌絲體為： m（實際）=3.110516.5%=51150(kg)=50.2（t） 50t/a 冬蟲夏草發(fā)酵車間的物料衡算表如下： 表7.2 50t/a 冬蟲夏草發(fā)酵車間的物料衡算表 物料名稱 生產50t冬蟲夏草的物料量 每日物料量 發(fā)酵液量（m3） 6.4103 21.33 二級種液量(m3) 8102 2.67 發(fā)酵用糖量(kg) 6.4105 2133.33 二級種子液用糖量(kg) 2.0104 66.67 糖液總量(kg) 6.6105 2200 硫酸鎂(kg) 6.24103 20.8 磷酸二氫鉀(kg) 1.36103 4.53 消泡劑(kg) 3.84103 12.8 豆油(kg) 6.24103 20.8 豆粕(kg) 1.76105 586.67 蛋白胨(kg) 4.08104 136 冬蟲夏草菌粉(kg) 50.2 167.33 7.2熱量衡算 （一）發(fā)酵罐需配料量為：G1=800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6 (kg) （二）種子罐需配料量為：G2=20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44 (kg) （三）根據(jù)工藝，需加水量為：GW=（1061.6+39.44）4=4404.16(kg) （四）料液總量為：G=G1+G2+GW=1061.6+39.44+4404.16=5505.2 (kg) （五）醪液煮沸耗熱量Q總 由發(fā)酵工藝流程（圖7.1）可知， Q總=Q’+Q’’+Q’’’ (1) 發(fā)酵罐內料液由初溫t0=25℃加熱至t1=121℃耗熱，料液總量G=5505.2kg Q’= Gc（t1- t0）=5505.23.7（121-25）=1.96106（kJ） 式中 c——發(fā)酵液的比熱容,3.7 kJ/(kgK) (2) 煮沸過程中蒸汽帶出的熱量 煮沸時間30min，蒸發(fā)量為每小時5%，則蒸發(fā)水分量為 V1=G5%3060=5505.25%3060=137.63(kg) 故Q’’= V1I=137.632198.91 kJ/kg=3.03105（kJ） 式中 I——為在溫度121℃下的水的汽化潛熱，為2198.91 kJ/kg (3) 熱損失Q’’’ 料液升溫和煮沸過程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即： Q’’’=15%（Q’+ Q’’）=15%(1.96106+3.03105)=3.39105（kJ） (4) 由上述結果可得： Q總=Q’＋Q’’＋Q’’’=1.96106+3.03105+3.39105=2.60106（kJ） (5) 故單罐耗用蒸汽量D 使用表壓為0.4MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg，則 D= Q總/[( I-i)η]= 2.60106/[(2737.23－601.53)95%]=1282.65(kg) 式中 i——相應冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） η——蒸汽的熱效率，取η=95% (5) 發(fā)酵過程單罐每小時最大蒸汽耗量Qmax 在各步驟中，加熱過程耗熱量最大，且知加熱時間為30min，熱效率為95%， 故 Qmax= Q總/（30/6095%）=2.60106/(0.595%)=5.47106 (kJ/h) 相應的最大蒸汽耗量為： Dmax=Qmax/(I-i)= 5.47106 /(2737.23－601.53)=2562.95(kg/h) 式中 I——使用表壓為0.4 MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg i——相應冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） (6) 蒸汽耗量 已知發(fā)酵需要48 h，放罐、洗罐、維修的時間要60天，一年生產300天，60天用于維修，48小時發(fā)酵，大概4天生產一批產品，每年生產75批產品。經過計算，總共需要5個發(fā)酵罐。 據(jù)設計，每年發(fā)酵次數(shù)為75批，共產生冬蟲夏草50.2噸。年耗蒸汽總量為： DT= D7511=1282.65755=4.81105 (kg) 每噸成品耗蒸汽量： DS=4.81105/50.2=9.6103 kg/t 最后，把上述計算結果列成熱量消耗綜合表，如表所示。 表7.3 50t/a冬蟲夏草發(fā)酵車間總熱量衡算表 名稱 規(guī)格 每噸產品消耗定額（kg） 每小時最大用量(kg/h)（為單罐） 年消耗量（kg/a) 蒸汽 0.4（表壓） 9.6103 2562.95 4.81105 7.3. 發(fā)酵車間水衡算 (1) 原料預處理用水量 已知一次發(fā)酵原料預處理用水量為4404.16kg，每年發(fā)酵次數(shù)為75次。共有5個發(fā)酵罐，故發(fā)酵原料預處理總用水量GW為：GW=4404.16755=1.65106(kg) (2) 單罐發(fā)酵工序用水量 A. 蒸汽滅菌用水量 由上述熱量衡算可知 D= Q總/[( I-i)η]=1282.65(kg) 式中 η——蒸汽的熱效率，取η=95% I——使用表壓為0.4 MPa的飽和蒸汽，I=2737.23 kJ/kg i——相應冷凝水的焓（601.53 kJ/kg） B. 冷卻水用量 已知發(fā)酵一次，料液總量為G=5505.2kg，把醪液從t1=121℃冷卻至t2=25℃，冷卻水使用t3=20℃的深井水，終溫為t4=70℃，逆流操作，冷卻時間t=1h。則每小時耗水量為： 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——發(fā)酵液的比熱容（kJ/(kgK)） 4.18——水的比熱容（kJ/(kgK)） 年發(fā)酵工序用水量 據(jù)設計，每年發(fā)酵次數(shù)為75次，罐子數(shù)為11，年發(fā)酵工序用水量G： G=D+W=(9356.2+1282.65)755 =3.99106 (kg) (3) 發(fā)酵車間總用水量G總= G原料+ G=1.65106 + 3.99106 =5.64106 (kg) 表7.5 50t/a冬蟲夏草發(fā)酵車間用水量衡算表 名稱 規(guī)格 每噸產品消耗定額（t/t） 每小時用量（kg/h) 每天用量(t/d) 年耗量（t/a) 水 自來水或深井水 112.5 783.3 18.8 5.64106 7.4. 發(fā)酵過程無菌空氣消耗量計算 發(fā)酵車間無菌空氣消耗量主要用于菌絲體發(fā)酵過程中通風供氧。 7.4.1.單罐發(fā)酵無菌空氣耗用量 10 m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速率為0.20-0.25vvm,取最高值0.25vvm進行計算。 (1) 單罐發(fā)酵過程用氣量（常壓空氣） V=1080%0.2560=120（m3/h） 式中 80%——發(fā)酵罐裝料系數(shù) (2) 單罐年用氣量 Va=V4875=4.32105（m3） 式中 75——每年單罐發(fā)酵批次 48——發(fā)酵周期（h） 7.4.2.種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量 一般取這些無菌空氣消耗量之和約等于發(fā)酵過程空氣的耗量的25%。故這項無菌空氣耗量為： V’=25%V=25%120=30（m3/h） 每年用氣量為： Va’=25%Va5=25%4.321055=5.4105（m3/a） 式中 5——發(fā)酵罐個數(shù) 7.4.3.發(fā)酵車間高峰無菌空氣消耗量 Vmax=5（V+V’）=5（120+30）=750（m3/h） 7.4.4.發(fā)酵車間無菌空氣年耗量 Vt=575（V+V’）48=2.7106（m3/a） 式中 5——發(fā)酵罐個數(shù) 75——每年單罐發(fā)酵批次 48——發(fā)酵周期（h） 7.4.5.發(fā)酵車間無菌空氣單耗 根據(jù)設計，實際冬蟲夏草年產量m（實際）=50.2 (t)，故發(fā)酵車間無菌空氣單耗為： Vo=Vt/G=2.7106/50.2=5.38104（m3/t） 根據(jù)上述計算結果，可得出50t/a冬蟲夏草廠無菌空氣用量衡算表，如表所示。 表7.6 發(fā)酵車間無菌空氣衡算表 發(fā)酵罐公稱容積（m3） 單罐通氣量（m3/h） 種子培養(yǎng)耗氣量（m3/h） 高峰空氣消耗量（m3/h） 年空氣耗量m3 空氣單耗（m3/t蟲草） 10 120 30 750 2.7106 5.38104 8 主要工藝設備的設計和選型 8.1 設備設計與選型的原則 從設備的設計選型情況，可以反映出所設計工廠的先進性和生產的可靠性。因此在設備的工藝設計和選型時應考慮如下原則： (1) 保證工藝過程實施的安全可靠（包括設備材質對產品質量的安全可靠；設備材質強度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠；生產過程清洗、消毒的可靠性等）。 (2) 經濟上合理，技術上先進。 (3) 投資省，耗材料少，加工方便，采購容易。 (4) 運行費用低，水電汽消耗少。 (5) 操作清洗方便，耐用易維修，備品配件供應可靠，減輕工人勞動強度，實施機械化和自動化方便。 (6) 結構緊湊，盡量采用經過實踐考驗證明確定性能優(yōu)良的設備。 (7) 考慮生產波動與設備平衡，留有一定裕量。 (8) 考慮設備故障及檢修的備用。 (9) 發(fā)酵罐生產能力、數(shù)量和容積的確定。 8.2 主要設備的選型[6] 8.2.1發(fā)酵罐 8.2.1.1 發(fā)酵罐容積的確定 由《發(fā)酵工廠工藝設計概論》表6-2可知10m3發(fā)酵罐，公稱容積為10m3，總容積為10.8m3。 8.2.1.2 生產能力計算 每天需要發(fā)酵液量V＝21.33 m3 設發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ＝0.8， 則每天需要發(fā)酵罐的總容積V0＝21.33/φ＝26.66 m3 8.2.1.3罐個數(shù)的確定 使用單罐公稱容量為10m3的六彎葉機械攪拌通風發(fā)酵罐，則需要發(fā)酵罐的個數(shù)為N1。公稱容積為10m3的發(fā)酵罐，總容積為10.8m3，根據(jù)公式有 N1＝V0τ/（V總24）＝26.6648/(10.824)=5（個） 其中： τ＝48h——發(fā)酵生產周期 V0——每天需要發(fā)酵罐的總容積 24——一天有24h 故取公稱容積10m3發(fā)酵罐5個； 8.2.1.4主要尺寸的計算 已知V全=V筒+2V封=10.8 m3；封頭折邊忽略不計，以方便計算。則有 V全=0.785D22D＋(π/24)D32=10.8,H=2D； 解方程得：1.57D3＋0.26D3=10.8 D=1.8,故H=2D=3.6m ； 據(jù)《發(fā)酵工廠工藝設計概論》附錄一表15，知封頭高H封=ha+hb=450＋50=500(mm) 驗算全容積V全： V’全=V筒+2V封=0.785D22D＋(π/24)D32+0.785 D20.052 =0.7851.823.6+π/121.83+0.7851.820.052 =10.9 m3 與V全=10.8 m3 相近 8.2.1.5 冷卻面積的計算 為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質最多及環(huán)境氣溫最高時也能冷卻下來，必須按照發(fā)酵生成熱最高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下，設計冷卻面積。 計算冷卻面積使用牛頓傳熱定律公式，即 F=Q/（K△tm） 對于冬蟲夏草發(fā)酵，每1 m3發(fā)酵液，每1h傳給冷卻器的最大熱量約為： 4.186000 kJ/（m3h）。 采用豎式列管換熱器，取經驗值K=4.18500 kJ/（m3h℃） 平均溫差△tm：△tm=（△t1－△t2）/（ln（△t1/△t2）） 32℃→32℃ 20℃→27℃ 代人，得 △tm=（12－5）/（ln12/5）=8℃ 對公稱容量10 m3的發(fā)酵罐，每天裝2.5罐，每罐實際裝液量為21.33/2.5=8.53(m3） 換熱面積F=Q/（K△tm）=4.1860008.53/(4.185008)=12.8 (m2) 8.2.1.6攪拌器設計 機械攪拌通風發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種型式，可根據(jù)發(fā)酵特點、基質及菌體特性選用。由于冬蟲夏草發(fā)酵過程有中間補料操作，對混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器。 該攪拌器的主要尺寸如下： 攪拌器葉徑 Di=D/3=1.8/3=0.6(m) 取d=0.6（m） 弧長l=0.375d=0.3750.6=0.225(m) 底距C=D/3=1.8/3=0.6(m) 盤徑di=0.75Di=0.750.6=0.45(m) 葉弦長L=0.25d=0.250.6=0.15(m) 葉距Y=D=1.8(m) 彎葉板厚δ=12（mm） 取兩檔攪拌，攪拌轉速N2可根據(jù)10m3罐，攪拌器直徑0.63m，轉速N1=145r/min，以等P0/V為基準放大求得： N2=N1(D1/D2) 2/3 =145（0.63/0.6）2/3 =150(r/min) 8.2.1.7設備結構的工藝設計 設備結構的工藝設計，是將設備的主要輔助裝置的工藝要求交代清楚，供制造加工和采購時取得資料依據(jù)。其內容包括：空氣分布器、擋板、密封方式、攪拌器及冷卻管布置等?，F(xiàn)分別簡述如下： (1) 空氣分布器：對于好氣發(fā)酵罐，分布器主要有兩種形式，即：多孔（管）式和單管式。對通風量較小（如Q=0.02-0.5ml/s）的設備，應加環(huán)型或直管型空氣分布器；而對通氣量大的發(fā)酵罐，則使用單管通風，由于進風速度高，又有渦輪板阻擋，葉輪打碎、溶氧是沒有問題的，本罐使用單管進風。 (2) 擋板：擋板的作用是加強攪拌強度，促進液體上下翻動呵控制流型，防止產生渦輪而降低混合和溶氧效果。如罐內有相當于擋板作用的豎式冷卻蛇管，扶梯等也可不設擋板。為減少泡沫，可將擋板上沿略低于正常液面，利用攪拌在液面上形成的渦旋消泡。本罐應有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板。 (3) 密封方式：隨著技術的進步，機械密封已在發(fā)酵行業(yè)普遍采用，本罐擬采用雙面機械密封方式，處理軸與罐的動靜問題。 (4) 冷卻管布置：對于容積小于5m3的發(fā)酵罐，為了便于清洗，多使用夾套冷卻裝置。隨著發(fā)酵罐容量的增加，比表面積變小，夾套形成的冷卻面積已無法滿足生產要求，于是使用管式冷卻裝置。蛇管因易沉積污垢且不易清洗而不采用;列管式冷卻裝置雖然冷卻效果好，但耗水量過多；因此廣泛使用的是豎直蛇管冷卻裝置。在環(huán)境溫度較高的地區(qū)，為了進一步增加冷卻效果 ，也有利用罐皮冷卻的。 為了保證發(fā)酵罐的冷卻，單是計算出冷卻面積是不夠的，還要有足夠的管道截面積，以供足夠的冷卻水通過。管道截面太大，管徑太粗不易彎制，冷卻水沒有充分利用；太細則冷卻水流經管路不到一半，水溫已與料溫相等。 8.2.1.8設備材料的選擇 發(fā)酵設備的材質選擇，優(yōu)先考慮的滿足工藝的要求其次是經濟性。為了降低造價，冬蟲夏草發(fā)酵可用碳鋼制作發(fā)酵設備，本設備選用A3鋼制作。 參考文獻 [1] 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