生物工程工厂设计-物料衡算

红霉素生产物料衡算

1、红霉素发酵工艺流程示意图

工艺流程如下： 沙土管包子 母瓶斜面培养 子瓶斜面培养 种子培养液 小罐种子液 中罐种子液 大罐发酵 放罐 放罐发酵液预处理 碱化（使PH为8.0-8.4） 板框过滤 滤液（加萃取溶媒） 轻液 结晶 洗水干燥 成品 检验 合格产品 包装（不合格产品 回收)。

一般红霉素工艺如下图所示：

空气 原料 孢子

加压 配料 斜面培养

冷却 发酵 摇瓶培养

除水 碱化 一级种子

过滤 补 萃取 补 二级种子 料

丙醇 成盐 水

淋洗

烘干 包装销售

图1：红霉素生产工艺流程示意图

料 豆油 离心 糖

2、工艺技术指标及基础数据 （1）主要技术指标见表

表1：红霉素发酵工艺主要技术指标 指标名称 生产规模m 单位 t/a 指标数 1600 指标名称 二级种子罐通气及取样损失比s1 一级种子罐通气及取样损失比s2 发酵罐接种比j0 二级种子罐接种比j1 一级种子罐接种比j2 发酵罐补料比i0 发酵罐装料系数k0 二级种子罐装料系数k1 一级种子罐装料系数k2 放罐发酵单位μ2 提取总收率n 单位 % 指标数 10 生产方法 年生产天数t 产品质量μ1 倒罐率r 发酵罐发酵周期T1 二级种子罐发酵周期T2 一级种子罐发酵周期T3 发酵液密度ρ0 二级种子罐发酵液密度ρ1 一级种子罐发酵液密度ρ2 发酵罐通气及取样损失比s0 发酵，萃取，成盐 d/a 750 % h h h Kg/m3 Kg/m3 Kg/m3 % 330 U/mg 3 168 28 30 1050 1150 1200 10 % % % % % % % % U/ml % 10 14 14 12 10 87 84 84 6000 84

表2：培养基配比（质量分数）： 成分 淀粉 豆粉 玉米粉 氯化钠 豆油 碳酸钙 碳酸铵 生物氮 糊精

大罐配比% 5.00 2.20 1.80 0.65 0.50 0.65 0.18 0.80 0.00 中罐配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 1

小罐配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 补全料配比% 4.380 3.000 1.250 1.630 0.880 0.063 0.175 0.000 1.500

（2）发酵罐补料情况

丙醇：发酵后24小时开始补，开始补之前要取样观察菌丝状态，菌丝需呈网状、展开，发酵液粘度达6S左右，补料前半小时去无菌样品，与正点取样相差1~2小时，24~32h时间每4h补12L丙酮，33~144h每小时补6L。

糖：糖可以通过菌体代谢后而调节发酵液的PH值，也可以做为红霉素放线菌的代谢碳源，大罐发酵30h时取样测PH值，大罐补淀粉液化糖1.7t，淀粉0.3kg，在80°C左右保温液化30min，一次消一到两个罐的淀粉液化糖。

油：本发酵工艺补油主要为豆油。发酵后24开始补，其实速率为4L/h，以后看液面调整补油速度。若液面高则应提前2h左右，每4h补6L，放罐前一个班每4h补10L。油用于消泡和提高碳源。

水：放罐前两个班补水，每吨水加泡敌1L，玉米浆10L，30h左右根据液面补500-800t纯水，如果发酵过程中发酵液体积偏少，每班需补100-200L纯水。

全料：6-8小时根据液面下降情况可补全料，补前半小时取样。

3、培养基总物料衡算

（1）放罐成熟发酵液量：

根据产品质量μ1、放罐发酵单位μ2、提取总收率n、年生产天数t、倒罐率r，可计算生产1000kg成品所需的发酵液量。

V0 ?

1000??1?2?n?(1?r)1000?750?106?6000?106?0.84?(1?0.03)?160(m3)（2）放罐成熟发酵液量V0分为三个部分组成： 底料 V01=160×（1-i0-j0)=160×76%=121.6（m3） 种\\液量 V02=160×j0=160×14%=22.4（m3） 补料量 V03=160×i0=160×10%=16（m3）

2

（3）二级种子罐种液量 V1由两部分组成：

底料 V11= V02÷（1- s1）×（1-j1）=22.4÷0.90×70%=17.42（m3） 种液量 V12= V02÷（1- s1）×j1=22.4÷0.90×30%=7.47（m3）

（4）一级种子干种液量V2由两部分组成：

底料 V21= V12÷(1-s2)×（1-j1）=7.47÷0.9×65%=5.39（m3） 接种量 V22= V12÷(1-s2)×j2=7.47÷0.9×35%=2.99（m3）

（5）发酵罐底料的物料用量：发酵罐培养基配方×V01÷(1-s0)×ρ0 淀粉：

m01=5%×V01÷(1-s0)×ρ0=5%×121.6÷0.9×1050=7093.3（kg）

豆粉：

m02=2.2%×V01÷(1-s0)×ρ0=2.2%×121.6÷0.9×1050=3121.1（kg）

玉米粉：

m03=1.8%×V01÷(1-s0)×ρ0=1.8%×121.6÷0.9×1050=2553.6（kg）

氯化钠：

m04=0.65%×V01÷(1-s0)×ρ0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.1（kg）

豆油：

m05=0.50%×V01÷(1-s0)×ρ0=0.50%×121.6÷0.9×1050=709.3（kg）

碳酸钙：

m06=0.65%×V01÷(1-s0)×ρ0=0.65%×121.6÷0.9×1050=922.1（kg）

碳酸铵：

m07=0.18%×V01÷(1-s0)×ρ0=0.18%×121.6÷0.9×1050=255.4（kg）

生物氮：

m08=0.80%×V01÷(1-s0)×ρ0=0.80%×121.6÷0.9×1050=1134.9（kg）

糊精：

m09=0.00%×V01÷(1-s0)×ρ0=0（kg）

（6）发酵罐补料物料用量：发酵罐补料培养基配方×V03÷(1-s0)×ρ0

3

淀粉：

m31=4.38%×V03÷(1-s0)×ρ0=4.38%×16÷0.9×1050=817.6（kg）

豆粉：

m32=3%×V03÷(1-s0)×ρ0=3%×16÷0.9×1050=560（kg）

玉米粉：

m33=1.25%×V03÷(1-s0)×ρ0=1.25%×16÷0.9×1050=233.3（kg）

氯化钠：

m34=1.63%×V03÷(1-s0)×ρ0=1.63%×16÷0.9×1050=304.3（kg）

豆油：

m35=0.88%×V03÷(1-s0)×ρ0=0.88%×16÷0.9×1050=164.3（kg）

碳酸钙：

m36=0.063%×V03÷(1-s0)×ρ0=0.063%×16÷0.9×1050=11.76（kg）

碳酸铵：

m37=0.175%×V03÷(1-s0)×ρ0=0.175%×16÷0.9×1050=32.7（kg）

生物氮：

m38=0.00%×V03÷(1-s0)×ρ0=0（kg）

糊精：

m39=4.5%×V03÷(1-s0)×ρ0=1.5%×16÷0.9×1050=280（kg）

（7）二级种子罐底料的物料用量：二级种子罐培养基配方×V11÷(1-s1)×ρ1

淀粉：

m11=1.8%×V11÷(1-s1)×ρ1=1.8%×17.42÷0.9×1150=400.7（kg）

豆粉：

m12=1.5%×V11÷(1-s1)×ρ1=1.5%×17.42÷0.9×1150=333.9（kg）

玉米粉：

m13=0.60%×V11÷(1-s1)×ρ1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）

氯化钠：

m14=0.30%×V11÷(1-s1)×ρ1=0.30%×17.42÷0.9×1150=66.8（kg）

4

豆油：

m15=0.60%×V11÷(1-s1)×ρ1=0.60%×17.42÷0.9×1150=133.5（kg）

碳酸钙：

m16=0.50%×V11÷(1-s1)×ρ1=0.50%×17.42÷0.9×1150=111.3（kg）

碳酸铵：

m17=0.12%×V11÷(1-s1)×ρ1=0.12%×17.42÷0.9×1150=26.7（kg）

生物氮：

m18=0.00%×V11÷(1-s1)×ρ1=0（kg）

糊精：

m19=1.2%×V11÷(1-s1)×ρ1=1.2%×17.42÷0.9×1150=267.1（kg）

（8）一级种子罐底料的物料用量：一级种子罐培养基配方×V21÷(1-s2)×ρ

2

淀粉：

m21=1.8%×V21÷(1-s2)×ρ2=1.8%×5.39÷0.9×1200=129.36（kg）

豆粉：

m22=1.5%×V21÷(1-s2)×ρ2=1.5%×5.39÷0.9×1200=107.8（kg）

玉米粉：

m23=0.60%×V21÷(1-s2)×ρ2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）

氯化钠：

m24=0.30%×V21÷(1-s2)×ρ2=0.30%×5.39÷0.9×1200=21.56（kg）

豆油：

m25=0.60%×V21÷(1-s2)×ρ2=0.60%×5.39÷0.9×1200=43.12（kg）

碳酸钙：

m26=0.50%×V21÷(1-s2)×ρ2=0.50%×5.39÷0.9×1200=35.93（kg）

碳酸铵：

m27=0.12%×V21÷(1-s2)×ρ2=0.12%×5.39÷0.9×1200=8.6（kg）

生物氮：

m28=0.00%×V21÷(1-s2)×ρ2=0（kg）

5

糊精：

m29=1.2%×V21÷(1-s2)×ρ2=1.2%×5.39÷0.9×1200=86.2（kg）

（9）总物料用量：发酵罐补料物料用量+发酵罐补料物料用量+二级种子罐底料的物料用量+一级种子罐底料的物料用量

淀粉：

m1=m01+m31+m11+m21=8440.9（kg）

豆粉：

m2=m02+m32+m12+m22=4122.7（kg）

玉米粉：

m3=m02+m32+m12+m22=2963.6（kg）

氯化钠：

m4=m02+m32+m12+m22=1314.7（kg）

豆油：

m5=m02+m32+m12+m22=1050.3（kg）

碳酸钙：

m6=m02+m32+m12+m22=1081.1（kg）

碳酸铵：

m7=m02+m32+m12+m22=323.4（kg）

生物氮：

m8=m02+m32+m12+m22=1134.9（kg）

糊精：

m9=m02+m32+m12+m22=633.3（kg）

根据年生产1000kg成品发酵所需的原材料及其他物料的衡算结果，可求得年生产16000t成品所需的总物料、每日用量，以及大罐培养基，大罐补全料，中罐培养基和小罐培养基各自所需的物料总量、每日用量。

如下表所示：

6

表3：物料衡算总表

物料名称 淀粉 豆粉 玉米粉 氯化钠 豆油 碳酸钙 碳酸铵 生物氮 糊精

表4：每年各种罐所需培养基原料量

生产1000kg物料量/kg 8440.9 4122.7 2963.6 1314.7 1050.3 1081.1 323.4 1134.9 633.3 1600t/a物料量/t 13505.5 6596.4 4741.8 2103.6 1680.4 1729.8 517.4 1815.9 1013.4 每日物料量/t 40.93 20.0 14.4 6.4 5.1 5.2 1.6 5.5 3.1 成分 配比% 淀粉 豆粉 玉米粉 氯化钠 豆油 碳酸钙 碳酸铵 生物氮 糊精 5.00 2.20 1.80 0.65 0.50 0.65 0.18 0.80 0.00 含量/t 11349.33 4993.71 4085.76 1475.41 1134.93 1475.41 408.58 1815.89 0.00 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 含量/t 641.06 534.21 213.68 106.84 213.68 178.07 42.74 0.00 427.37 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 含量/t 206.98 172.48 68.99 34.50 68.99 57.49 13.80 0.00 137.98 配比% 4.380 3.000 1.250 1.630 0.880 0.063 0.175 0.00 1.500 含量/t 1308.16 896 373.33 486.83 262.83 18.82 52.27 0.00 448 大罐 中罐 小罐 补全料罐 7

表5：每天各种罐所需培养基原料量

大罐 成分 配比% 淀粉 豆粉 玉米粉 氯化钠 豆油 碳酸钙 碳酸铵 生物氮 糊精 5.00 2.20 1.80 0.65 0.50 0.65 0.18 0.80 0.00 含量/t 34.39 15.13 12.38 4.47 3.44 4.47 1.24 5.50 0.00 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 含量/t 1.94 1.62 0.65 0.32 0.65 0.54 0.13 0.00 1.30 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 含量/t 0.63 0.52 0.21 0.10 0.21 0.17 0.04 0.00 0.42 配比% 4.380 3.000 1.250 1.630 0.880 0.063 0.175 0.00 1.500 含量/t 3.96 2.71 1.13 1.48 0.80 0.06 0.16 0.00 1.36 中罐 小罐 补全料罐

4、发酵罐及种子罐体积和个数的确定

（1）发酵罐体积确定：

根据生产1000kg成品所需的发酵液量 V0=160m，可得1600t成品所需发酵液量及每天放罐体积：

V0总= V0×160=1600×160=256000m3 V0每天=V0总÷330=256000÷330=775.8m3 那么每天所需发酵罐总的容积为：

V0容=V0每天÷（1- s0）÷k0=775.8÷0.9÷0.87=990.8m3

3

8

因此可选用200m3的发酵罐，那么每天放罐数为： N大=V0容÷200=990.8÷200=5（台）

考虑到大罐发酵周期为168h（7天），则需要的发酵罐总数为： N大总=5×7=35(台）

把35台分别放入5个车间，每个车间7台，每个车间每天放一个罐。考虑到实际生产天数为6天即可，即6台发酵罐，但为防止其中某个罐发生损坏影响生产，有一台发酵罐作为备用，所以还是7台。

每天每个发酵罐实际放罐体积为：V大=200×（1- s0）×k0÷5=156.6m3 （2）二级种子罐体积确定：

根据生产1000kg成品所需二级种子罐发酵液量 V01=22.4m3，可得1600t成品所需二级种子罐发酵液量及每天放罐体积：

V1总= V01×1600=22.4×1600=35840m3 V1每天=V1总÷330=256000÷330=108.7m3 所以每天每个车间生产种子体积为： V中每天=V1每天÷5=21.7m3

那么每天每个车间所需二级种子罐总的容积为： V1容=V中每天÷（1- s1）÷k1=21.7÷0.9÷0.8=28.7m3 因此可选用30m3的二级种子罐，那么每天放罐数为： N中=28.7÷30=1（台）

所以每天每个中罐实际生产种子体积为： V小=30×（1- s1）×k1÷5=22.68m3 考虑到中罐发酵周期为28h，共计两天，

则每个车间发酵罐的个数为2台。考虑到实际情况，如罐的损坏，每个车间多一台，即3台。

所以5各车间需要的二级种子罐总数为： N中总=3×5=15(台）

（3）一级种子罐体积确定：

根据生产1000kg成品所需一级种子罐发酵液量 V11=7.47m3，可得1600t成品所需一级种子罐发酵液量及每天放罐体积：

9

V2总= V11×1600=7.47×1600=11952m3 V2每天=V2总÷330=256000÷330=36.2m3 所以每天每个车间生产种子体积为： V小每天=V1每天÷5=7.24m3

那么每天每个车间所需一级种子罐总的容积为： V1容=V中每天÷（1- s2）÷k2=7.24÷0.9÷0.84=9.58m3 因此可选用10m3的一级种子罐，那么每天放罐数为： N小=9.58÷10=1（台）

所以每天每个小罐实际生产种子体积为： V小=10×（1- s2）×k2÷5=7.56m3

考虑到小罐发酵周期为30h，生产周期为两天，

则每个车间发酵罐的个数为2台。由于小罐不需要通气搅拌，一般不会损坏，故不需要备用小罐。

所以5各车间需要的二级种子罐总数为： N小总=2×5=10(台） （4）补全料罐体积确定：

根据生产1000kg成品所需一级种子罐发酵液量 V03=16m3，可得1600t成品所需一级种子罐发酵液量及每天放罐体积：

V2总= V11×1600=16×1600=25600m3 V2每天=V2总÷330=25600÷330=77.6m3 所以每天每个车间所需补料体积为： V小每天=V1每天÷（1-s0）÷5=17.2m3

所以每个车间可选用体积为20m3的补全料罐。

5、补豆油、丙醇和糖的确定

每大罐补料中的豆油、丙醇、糖各按用量计算，分别流加。 （1）每罐和每车间用量为：

豆油：

V每罐豆油=（144-8-24）×4+8×10÷4=52L=0.052m3

10

V每车间豆油=V每罐豆油×6=0.31m3 丙醇：

V每罐丙醇=【（32-24）×12÷4+（144-32）×6÷4】=80L=0.08m3 V每车间丙醇=V每罐丙醇×6=0.48m3 糖：

m每罐糖=1.7+0.3=2.0t m每车间糖=V每罐糖×6=12t

若淀粉糖化液密度为1050kg/m3，那么V每车间糖=1.050×12=12.6 （2）补料罐体积确定

根据上述计算情况，可选用4m3、4m3、20m3的容器分别作为油罐、丙醇罐、糖罐。

6、发酵车间每罐每天所需原料量及培养基总量

根据上面计算结果可计算出每罐所需原料量及培养基总量，如下表所示

表6：每罐所需原料量及培养基总量

大罐 成分 配比% 淀粉 豆粉 玉米粉 氯化钠 豆油 碳酸钙 碳酸铵 生物氮 糊精 合计 5.00 2.20 1.80 0.65 0.50 0.65 0.18 0.80 0.00 11.78 含量/kg 1146.40 504.41 412.70 149.03 114.64 149.03 41.27 183.42 0.00 2700.91 中罐 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 6.62 含量/kg 194.26 161.88 64.75 32.38 64.75 53.96 12.95 0.00 129.51 714.44 小罐 配比% 1.80 1.50 0.60 0.30 0.60 0.50 0.12 0.00 1.20 6.62 含量/kg 62.72 52.27 20.91 10.45 20.91 17.42 4.18 0.00 41.81 230.67 补全料罐 配比% 4.380 3.000 1.250 1.630 0.880 0.063 0.175 0.00 1.500 12.878 含量/kg 792.82 543.03 226.26 295.05 159.29 11.40 31.68 0.00 271.51 2331.05 11

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