8万吨 α-淀粉酶生产车间的设计

8万t/a α-淀粉酶生产车间的设计

摘 要：本设计为年产80,000t α-淀粉酶的工厂设计，其通过枯草杆菌液体深层发酵、沉淀法提取达到分离纯化出菌体中α-淀粉酶的目的。本设计分别对α-淀粉酶的性质、用途、工艺流程及生产原理都做了相关的阐述，并对有关的物料和热量也作了相应的衡算，以及对标准设备的选型和计算，还对工艺指标、安全问题和环境保护都做了详细的阐述。通过设计得出结论：年产8万吨α-淀粉酶发酵工厂，共有18个500m3发酵罐，每月均放罐180罐，发酵周期为72小时，总提取率为82%，理论α-淀粉酶产量为27.8吨/罐，实际α-淀粉酶产量为31.03吨/罐。每月应投入生产总成本为3993万元，根据目前市场价格，年利润为6195.1万元。

关键词：α-淀粉酶；工厂设计；效益分析；发酵；发酵罐

Plant Design of Sixty thousand t/a α-Amylase

Abstract:This project is designed by a factory which produces 60,000t α-Amylase a year.It achieves the aim of filtration and purification of the α-Amylase by using the deep ferment of hay bacillus and settling method.The design not only respectively illustrate the quality,use,technological process and production principle but also make a materials and heat balance,the type selection and calculation of the standard equipment,further more,illustrate the technic index,the problem of security and the environmental protection detailedly.conclusion made through the design:fermentation factory of 60,000t α-Amylase a year,it contains 35 fermentor of 500m3,The monthly discharge of liquid enzyme is 175 fermentors,The fermentation time is 120 hours,The recovery of liquid enzyme is 80%,The theoretic output is 27.8t per fermentor, while the virtual output is 31.03t per fermentor.It should monthly take the total product cost as 39.93 million yuan,the annual return is 61.951 million yuan, according to the current market price.

Keywords:α-Amylase; Plant design; Profit analysis; Ferment; Fermentor 1 前言

毕业设计是普通高校本科教育的最后一个环节，也是最重要的一个环节，是理论知识和实际应用相结合的重要措施。本设计为年产60,000t α-淀粉酶的工厂设计，其通过枯草杆菌液体深层发酵、沉淀法提取达到分离纯化出菌体中α-淀粉酶的目的。

所有的生物体在一定的条件下都能产生多种多样的酶。因此，人们可以采用适宜的菌种，在人工控制条件的生物反应器中生产各种所需的酶。酶的生产方法主要有提取分离法、生物合成法和化学合成法等。生物合成法是在人工控制条件的生物反应器中，通过微生物细胞的生命活动合成所需的酶的方法，是当今应用最广泛的方法。

淀粉酶是水解淀粉酶和糖原酶类的统称，广泛存在于动植物和微生物中。淀粉酶(amylase)一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元等，根据作用方式可分为α-淀粉酶与β-淀粉酶。α-淀粉酶(α-amylase) 又称为液化型淀粉酶，它作用于淀粉时，随机地从淀粉分子内部切开α-1，4糖苷键，使淀粉水解生成糊精和一些还原糖，所生成的产物均为α-型，故称为α-淀粉酶。α-淀粉酶广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植物（麦芽、山萮菜）及微生物。此酶既作用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，无差别地切断α-1，4链。因此，其特征是引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失。最终产物在分解直链淀粉时以麦芽糖为主，此外，

1

还有麦芽三糖及少量葡萄糖。另一方面在分解支链淀粉时，除麦芽糖、葡萄糖外，还生成分支部分具有α-1，6键的α-极限糊精。一般分解限度以葡萄糖为准是35-50％，但在细菌的淀粉酶中，亦有呈现高达70％分解限度的（最终游离出葡萄糖）。

淀粉酶最早实现了工业生产并且迄今为止是用途最广、产量最大的一个酶制剂品种。特别是六十年代以来，由于酶法生产葡萄糖，以及用葡萄糖生产异构糖浆的大规模工业化，淀粉酶的需要量越来越大，几乎占整个酶制剂总产量的50%以上。在淀粉类食品的加工中a-淀粉酶得到了广泛的应用，现在国内外葡萄糖的生产绝大多数是采用淀粉酶水解的方法。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经a-淀粉酶液化成糊精，再利用糖化酶生成葡萄糖。淀粉酶也在生活中广泛应用，用于餐厅洗碗机的洗涤剂，去除难溶的淀粉残迹等。此外还广泛应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100～110℃的高温操作条件。由于α-淀粉酶应用广泛，产量日益增加，本设计主要是进行年产60,000t α-淀粉酶的工厂设计。

本设计分别对α-淀粉酶的性质、应用、工艺流程及生产原理都做了相关的阐述，并对有关的物料和热量也作了相应的衡算，以及对标准设备的选型和计算，还对工艺指标、安全问题、环境保护及经济效益都做了详细的阐述。本设计以理论设计为依据，以实际生产为参考，在设计过程中综合了相关领域人员的意见，筛选出最佳设计方案，力求接近实际，切合实际。

由于本次毕业设计的复杂性，加上本人水平所限，不当之处，诚请导师批评指正。 2 绪论

2.1 淀粉酶的发展历程

淀粉酶是水解淀粉酶和糖原酶类的统称，广泛存在于动植物和微生物中。它最早实现了工业生产并且迄今为止是用途最广、产量最大的一个酶制剂品种。特别是六十年代以来，由于酶法生产葡萄糖，以及用葡萄糖生产异构糖浆的大规模工业化，淀粉酶的需要量越来越大，几乎占整个酶制剂总产量的50%以上。

早在数千年前，人类就已利用淀粉酶的作用，从事酿酒、制饴糖等。诗经上记载：“若作酒醴，尔惟曲蘖。”曲是长霉的谷子，蘖是发芽的谷粒，二者都含有淀粉酶。就是说酿酒和甜酒，得用曲子和谷芽才能发酵。埃及人在公元前六千年即已用麦芽酿造啤酒。但是将酶提取出来使用，是十九世纪才开始的。1833年佩恩（Payen）和帕索兹（Persoz）从麦芽的水抽提物中用乙醇沉淀得到一种可使淀粉水解生成可溶性糖的物质，称之为淀粉酶(diastase)，并指出了它的热不稳定性，初步触及了酶的一些本质问题[1]。1896年日本人高峰让吉用麸皮培养米曲霉，用水提取再以酒精沉淀，得到淀粉酶为消化剂。此后，运用广泛的学识在美国成立高峰制药厂(Takamine Laboratory)，从事微生物酶的生产与研究。1920年前后，法国人Boidin和Effront等又先后发现枯草杆菌可以分泌耐热而且活性更强的α-淀粉酶，于1926年在德国设厂生产，为微生物酶的工业生产奠定了基础。

淀粉酶的作用方式是在五十年代阐明了淀粉的分子结构以后才逐渐搞清的。淀粉是由葡萄糖通过α-1，4糖苷键构成的直链淀粉和α-1，6位有分支的支链淀粉组成的。粮食淀粉中，直链淀粉约占20-30%，而糯性谷物的淀粉，几乎全部为支链淀粉。豆类（豌豆等）淀粉则大部分为直链淀粉。

直链淀粉约含100-6，000个葡萄糖单位，支链淀粉平均含6，000个以上的葡萄糖单位，最高可达300万。1970年Gunja-Smith提出的支链淀粉的树枝状结构模式，它是由A、B、C三种链所构成。A是外链，通过α-1，6键同B链相接，B链又经α-1，6键同C链相连接，C链是主链，它的一端为非还原性末端，A链、B链均无还原性末端，因此支链淀粉的还原力甚小。

按照水解淀粉方式的不同，主要的淀粉酶可分为四大类：（1）α-淀粉酶：它以糖原或淀粉为底物，从分子内部切开α-1，4糖苷键而使底物水解；（2）β-淀粉酶：从底物非还原性末端顺次水解每相隔一个的α-1，4糖苷键，切下的是麦芽糖单位；（3）葡萄糖淀粉酶：从底物非还原性末端顺次水解α-1，4糖苷键和分支的α-1，6键，生成葡萄糖；（4）解支酶或异淀粉酶：只水解糖原或支链淀粉分枝点α-1，6糖苷键，切下整个侧枝。

此外，还有一些与工业有关的淀粉酶是环式糊精生成酶（这种酶使6或7个葡萄糖构成环式糊精），G4、G6生成酶（这类酶从淀粉非还原性末端切下4或6个葡萄糖分子构成的寡糖），还有α-葡萄糖苷酶

2

（α-glucosy idase）可将游离葡萄糖转移至其他葡萄糖基的α-1，6位上，生成种种含α-1，6键的寡糖，如潘糖与麦芽糖等。其中α-葡萄糖苷酶（α-glucosy idase）又称葡萄糖转移酶（α-glucosy transferase）,以前曾叫麦芽糖酶（malfase）。

工业生产的微生物淀粉酶制剂类型见表2.1。

表2.1 各种微生物所产生淀粉酶的类型

菌 种

枯草杆菌 (Bacillus subtilis) 淀粉液化芽孢杆

菌 (B.amyloliqefacie

ns)

细 菌

巨大芽孢杆菌 (B.megaterium) Pseudomonas stutzeri

产气气杆菌 (Aerobacter aerogens)

软化芽孢杆菌 (B.mecerans) 德氏根霉 (Rhizopus

霉 菌

delemar) 黑曲霉 (Aspergillus niger) 拟内孢霉

酵 母

(Endomy copsis

fibuliger) 卵孢霉

2.2 α-淀粉酶的性质

α-1，4葡聚糖-4-葡聚糖水解酶（α-1，4-glucan-4-glucanohydrolase)

α-淀粉酶作用于淀粉时，可从分子内部切开α-1，4键而生成糊精和还原糖。产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α-构型，故称α-淀粉酶。至今已有不少微生物的α-淀粉酶被高度纯化。

我国对α-淀粉酶的生产与应用做过不少研究。例如枯草杆菌BF7658α-淀粉酶，广泛应用于食品、酿造、制药、纺织以至石油开采等许多方面。此外，也少量生产用作消化剂的米曲霉他卡淀粉酶[2]。

几种来源不同的α-淀粉酶的性质见表2.2。

2.2.1 pH对酶活性的影响 一般α-淀粉酶在pH5.5-8稳定,pH4以下易失活，酶活性的最适pH5-6。哺乳动物的α-淀粉酶能被氯离子激活，在氯离子存在下最适pH7.0。高等植物的α-淀粉酶在pH3.6失活，但在霉菌中，黑曲霉α-淀粉酶耐酸性较强。黑曲霉NRRL330α-淀粉酶的最适PH为4.0。在pH2.5，40℃处理30分钟尚不失活。然而在pH7.0时，55℃处理15分钟，活性几乎全部丧失。黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐

糖化， α-葡萄糖苷酶

α- 糖化 α- α- 糖化，α-

β- β- 异淀粉酶

α-1，4 α-1，4 α-1，4 α-1，6

环状

α-1，4 α-1，4 α-1，6 α-1，4 α-1，6 α-1，4 α-1，4 α-1，6 α-1，4

G2，D G4，D G6，D 直链糊精 CD

α-、液化型

α-1，4

G1，G2，D

淀粉酶类型 α-、糖化型

切开之键 α-1，4

主要生成物 G1，G2，G3，D

G1

G1，寡糖 G1，寡糖 G1，寡糖 G2，寡糖

注：G1，G2表示葡萄糖聚合度；D表示糊精；CD表示环式糊精。

3

酸性的，而米曲霉则相反，其α-淀粉酶经过pH7，55℃处理15分钟，几乎无损失，而在pH2.5处理则完全失活。曲霉的α-淀粉酶可分为耐酸性和非耐酸性二种，黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐酸性的，而米曲霉所生产的α-淀粉酶以非耐酸性的为主[3]。

表2.2 各种α-淀粉酶的性质 碘反

淀粉

酶来源

分解限度%

糊精、麦

枯草杆菌（液化型）

35

芽糖（30%），葡萄糖（6%） 葡萄糖

枯草杆菌（糖化型） 枯草杆菌（耐热型） 米曲霉 黑曲霉 黑曲霉（耐酸性） 根霉 拟内孢霉 卵孢霉 胰脏（人） 唾液（人）

48 96 37 40 40 48 48 48 35 70

41%，麦芽糖58%，麦芽三糖，糊精 糊精，麦芽糖，葡萄糖 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 葡萄糖（96%） 糊精、麦芽糖 麦芽糖 麦芽糖

16 16

- -

+ +

55-70 55-70

4.7-9.5 4.7-9.5

4.9-5.2 4.9-5.2

+ +

- -

13

-

-

75-90

5.0

4.9-5.2

+

+

25

+

+

55-70

4.0-9.0

4.8-5.2

-

-

13

-

-

65-80

4.8-10.6

5.4-6.0

+

+

主要水解产物

应消失点分解限度%

麦芽糖分解力

酚基麦芽糖分解作用

耐热性℃（15分钟处理）

PH稳定性（30℃24hr）

适宜PH

Ca++的保护作用

淀粉之吸附性

16 - + 55-70 1.8-6.5 4.0 + -

16 50 14 14 14

- + - - -

+ + - - -

50-60 35-50 50-70 50-70 50-70

5.4-7.0 6.0-7.5 6.0-10.3 4.8-11 4.8-11

3.6 5.4 5.6 6.9 6.9

- + + + +

- + + + +

4

麦芽 绿豆芽

40 70

麦芽糖 葡萄糖、麦芽糖

13 20

- -

- -

50-70 50-70

4.8-8.0 5.0-8.3

5.3 5.4

+ +

+ +

注：除唾液、胰脏 α-淀粉酶受Cl-激活外，其余都不需Cl-活化。DE值又称葡萄糖值，系指总糖中含葡萄糖的百分率。

耐酸性α-淀粉酶在pH2.0仍保留原始活性80%以上，但在中性和碱性下极不稳定。例如黑曲霉NRRL337α-淀粉酶的耐酸性部分的最适pH为4.0，在pH2.5-6.5稳定，非耐酸性部分的最适pH6.5，在pH5.5-9.5稳定。

枯草杆菌α-淀粉酶作用的最适pH范围为5-7。嗜碱细菌中存在着最适pH为4.0至11.0的α-淀粉酶。嗜碱性芽孢杆菌NRRLB3881最适pH9.2-10.5，嗜碱性假单孢杆菌α-淀粉酶最适pH为10。

2.2.2 温度对酶活性的影响 纯化的α-淀粉酶在50℃以上容易失活，但在有大量钙离子存在下，酶的热稳定性增加。芽孢杆菌的α-淀粉酶耐热性较强。枯草杆菌α-淀粉酶，在65℃稳定。嗜热脂肪芽孢杆菌（B.stearother mophilus)和凝结芽孢杆菌(B.coagulans)的α-淀粉酶的热稳定性更强，前者经85℃处理20分钟，尚残存酶活70%；后者在Ca2+存在下，90℃时的半衰期长达90分钟。有的嗜热芽孢杆菌的α-淀粉酶在110℃仍能液化淀粉。地衣形芽孢杆菌（B.licheniformis)的α-淀粉酶其热稳定性不依赖Ca2+，可在EDTA存在下测定酶活性，以区别于非耐热性α-淀粉酶。霉菌α-淀粉酶的耐热性较低，黑曲霉耐酸性α-淀粉酶的耐热性比其非耐酸性α-淀粉酶为高，在pH4，55℃加热24小时也不失活。然而拟内孢霉α-淀粉酶在40℃以下也很不稳定。

经过对各种α-淀粉酶粗制剂的水溶液作加热处理，每分钟升温1.5℃，直至80℃，发现各种酶的残留活性是：真菌来源的为1%；谷物来源的为25%；细菌来源的为92%。α-淀粉酶的耐热性还受底物的影响，在高浓度的淀粉浆中，最适温度原为70℃的枯草杆菌α-淀粉酶，以85-90℃时的活性最高。

2.2.3 淀粉的吸附性与酚基α-麦芽糖苷的水解力 枯草杆菌α-淀粉酶（液化型）能被淀粉所吸附。霉菌α-淀粉酶不能被淀粉所吸附，然而可切开酚基麦芽糖苷，而枯草杆菌液化型α-淀粉酶则不能，据此可以区别二者。

2.2.4 钙离子与α-淀粉酶活性的关系 α-淀粉酶是一种金属酶，每分子酶含一克原子Ca2+。 Ca2+使酶分子保持适当的构象，从而维持其最大的活性与稳定性。

嗜热脂肪芽孢杆菌与枯草杆菌α-淀粉酶在热稳定性上之所以不同，是由于高温对Ca2+的亲和力不同。 钙和酶的结合牢固，依次是霉菌>细菌>哺乳动物>植物。Ca2+对麦芽糖α-淀粉酶的保护作用最明显。枯草杆菌糖化型α-淀粉酶（BSA）同Ca2+的结合比液化型α-淀粉酶（BLA）更紧密。向BSA添加Ca2+对活性几乎不发生影响。单用EDTA处理也不能引起失活，只有在低pH（pH3.0）下用EDTA处理才能去除Ca2+，但若添加与EDTA当量的，并将pH恢复至中性，则仍然可恢复它的活性。

除Ca2+外，其他二价碱土金属Sr2+、Ba2+ 、Mg2+等均无Ca2+的α-淀粉酶恢复活性的能力。

枯草杆菌液化型α-淀粉酶（BLA）的耐热性因Na+、Cl-和底物淀粉的存在而提高。NaCl与Ca2+共存时对提高α-淀粉酶的耐热性的作用尤为显著。

添加Ca2+有助于增加酶的热稳定性，但实际上淀粉中所含微量Ca2+已足够酶的充分活化所需。

2.3 α-淀粉酶的应用

α-淀粉酶是催化淀粉水解生成糊精的一种淀粉水解酶，在食品、轻工和医药领域都有重要应用价值。在疾病治疗方面，α-淀粉酶可以治疗消化不良、食欲不振。当人体消化系统缺少淀粉酶或在短时内进食过量淀粉类食物时，往往引起消化不良、食欲不振的症状，服用含有淀粉酶的制剂，就可以达到帮助消化的效果。常用的有α-淀粉酶、麦芽淀粉酶、胰淀粉酶、米曲霉淀粉酶（高峰淀粉酶）等，通常淀粉酶与蛋白

5

酶、脂肪酶组成复合制剂使用。通常淀粉酶或复合制剂都是制成片剂，以口服方式给药。

2.4 α-淀粉酶的氨基酸组成

α-淀粉酶是由511个氨基酸组成的单个多肽链。机体中胰腺含量最多，由腺泡细胞合成后通过胰管分泌入小肠，唾液腺也可分泌大量淀粉酶入口腔开始消化多糖化合物，此外还可见于卵巢、肺、睾丸、横纹肌和脂肪组织中。

唾液、猪胰、米曲霉（1954）、枯草杆菌（1956、1959）、嗜热芽孢杆菌（1961）以及黑曲霉（1969）、谷芽（1967）的α-淀粉酶的氨基酸组成不同（见表2.3）。其中天冬氨酸和谷氨酸含量较多，含硫氨基酸含量特别低。枯草杆菌液化型α-淀粉酶缺乏胱氨酸与半胱氨酸，因此它不含-SH键与二硫键。酶蛋白的肽链是靠氢键、疏水键与其他键折叠成为紧密的结构。

α-淀粉酶的分子量约50，000左右。枯草杆菌液化型α-淀粉酶结晶的分子量为96，900，用葡聚糖凝胶过滤，可得到分子量约为50，000和约为100，000的两个成分。分子量50，000的成分是α-淀粉酶的单聚体，在有锌存在下，二个单体交连而成含一原子锌的二聚体，EDTA可使二聚体解离为单体。嗜热脂肪芽孢杆菌α-淀粉酶的某些菌株，它的α-淀粉酶分子量只有15，000，但另一些菌株的分子量也有50，000左右。嗜热脂肪芽孢杆菌所产α-淀粉酶，用DEAE纤维素可分成两个分子量稍有不同的同工酶，α-淀粉酶Ⅰ分子量为46，000，α-淀粉酶Ⅱ为43，000。枯草杆菌与脂肪嗜热芽孢杆菌α-淀粉酶之间结构相似。

霉菌α-淀粉酶的一个特征是含有碳水化物。米曲霉他卡淀粉酶中含3%糖类，主要是甘露糖、葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖，其分子比是1：1：2：1.6：0.8：0.5，N-乙酰氨基葡萄糖与酶蛋白中的天冬酰胺相结合。由于糖类残基的不同使α-淀粉酶具有不同的性状。动物α-淀粉酶中也含糖，糖对酶的稳定性是有影响的。

组氨酸及氨基是α-淀粉酶表现其活性所必需的。

枯草杆菌糖化型α-淀粉酶只含一个半胱氨酸，其SH基以掩蔽状态存在。天然的酶不受PCMB（对氯汞苯甲酸）的抑制，米曲霉α-淀粉酶中含几个胱氨酸分子，尚有一个掩蔽的半胱氨酸残基。酶蛋白中缺乏暴露SH基或二硫键，也许这是一些α-淀粉酶耐热、耐碱性的原因。酪氨酸对米曲霉与枯草杆菌的α-淀粉酶活性甚为重要，它的酚基中的OH与酶稳定性有关[4]。

表2.3 几种α-淀粉酶的氨基酸组成（每100克蛋白质中克数） 枯草杆菌

氨基酸

液化型MW 48875

天冬氨酸 苏氨酸 丝氨酸 谷氨酸 脯氨酸 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 蛋氨酸

15.09 6.36 6.24 13.46 4.14 5.64 6.02 5.55 1.26

糖化型MW 41000 19.15 6.12 8.57 11.64 2.58 4.90 6.21 4.65 1.96

脂肪嗜热芽孢

杆菌 MW 15600 9.30 6.20 4.24 20.36 16.27 4.24 4.77 8.53 2.66

米曲霉 MW 51500 16.53 10.86 6.48 6.95 4.18 6.59 6.80 6.69 2.20

黑曲霉 耐酸非耐酸性 13.4 6.8 5.6 7.6 3.2 4.8 4.7 5.6 1.9

性 15.3 8.2 6.8 8.1 4.8 5.5 6.0 5.7 2.4

麦芽 MW 4800 15.7 4.2 3.4 9.9 4.5 7.0 6.6 5.4 1.4

唾液 MW 50000 19.3 4.5 7.8 9.6 3.6 6.82 4.43 6.89 2.4

猪胰 MW 45000 14.5 3.9 4.1 10.5 3.6 6.7 6.9 7.8 2.1

6

异亮氨酸 亮氨酸 酪氨酸 苯丙氨酸 组氨酸 赖氨酸 精氨酸 色氨酸 胱氨酸

3.97 6.42 8.31 5.85 3.80 7.30 6.78 6.19 0

6.12 6.18

6.37 4.39 3.19 4.63 5.64 4.76 0.34

6.05 7.22 2.96 6.40 4.33 5.22 3.36 / 3.42

5.20 8.30 9.55 4.25 2.02 5.94 2.72 3.97 1.6

5.5 7.9 9.7 3.5 1.7 2.2 3.1 3.9 1.0

6.0 7.5 10.1 4.1 2.0 5.1 3.4 3.9 0.7

6.7 7.9 6.0 6.2 5.0 5.2 5.8 / 0.4

5.80 5.77 5.51 7.20 3.24 6.33 8.75 7.2 4.4

11.5 5.3 10.1 3.9 4.9 5.8 6.7 2.3

注：MW 为分子量

3 工艺流程设计原则、范围和依据

3.1 概述

工艺流程设计和车间布置设计是工艺设计的两个主要内容，是决定工厂的工艺计算、车间组成、生产设备及其布置的关键步骤。

生产工艺流程设计的主要任务包括两个方面：其一是确定由原料到成品的各个生产过程及顺序，即说明生产过程中物料和能量发生的变化及流向，应用了哪些生物反应或化工过程及设备。其二是绘制工艺流程图。

在发酵生产过程中，原料往往不是直接变成产品，而是通过一系列的半成品或中间产品再变成成品，同时还有副产品和废液、废渣等生成，“三废”必须严格治理。

因为工艺流程设计最关键的是设计，与其他专业设计息息相关，所以需要由浅入深，分阶段进行。同时必须经过反复推敲，精心安排和计算，不断修改和完善，才能完成设计任务。

生产工艺流程的设计往往经历三个阶段，即：生产工艺流程示意图→生产工艺流程草图→生产工艺流程图。

具体地说，生产方法和生产规模确定后就可以开展设计生产工艺流程示意图。工艺流程示意图作出后，就可以进行物料衡算和能量衡算以及部分设备计算和选型。待设备设计全部完成后，再修改、充实工艺流程草图，根据流程草图和设备设计进行车间布置设计。根据车间布置图再来修改工艺流程草图，最后得出生产工艺流程图。

当然上面介绍的示意图→草图→流程图的设计程序并非一成不变，还需要根据设计项目的难度、技术的成熟程度、设计人员水平及实践经验等多方面因素决定[5]。

3.2 工艺流程的设计原则

进行工艺流程设计，必须考虑以下几项原则：

⑴ 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需求。

⑵ 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，使工厂建成后能迅速投产，在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。

⑶ 尽量减少三废的排放量，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。

⑷ 确保安全生产，以保证人身和设备的安全。

⑸ 生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产和高产。

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3.3 工艺流程的设计范围 6万t/a α-淀粉酶工厂生产车间。 3.4 工艺流程的设计依据

⑴ 设计任务书（可行性研究报告）；

⑵ 项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程师作出的技术决定；

⑶ 若引进新原料品种，新技术和新设备时，必须在技术上有切实把握并且依据了正式的试验研究报告和设计鉴定书，经设计院领导核准后方可作为设计依据[6]。 4 车间布置设计

4.1 车间布置设计的目的和重要性

车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑构型式，以及各车间之间与工段之间的相互联系。

车间布置设计是工艺设计中的重要组成部分，它关系着整个车间的命运。即使有了先进的生产工艺流程及正确的设备选型和设计，而没有合理的车间布置相配合，生产也难以正常、顺利地进行，将会影响整个生产管理。诸如：对设备的操作和维修带来的困难；造成人流、货流的紊乱；使车间动力介质造成不正当的损失；增加输送物料的能耗；增加建筑和安装费用；对于发酵工厂，还容易引起成品、半成品的污染损失等。它的牵涉面大，影响到整个车间甚至于几个车间。因此，车间布置设计是一项涉及面广，复杂而细致、重要的设计内容。它不仅要求工艺设计人员要了解生产操作、设备维修和具有一定的安装知识，而且要具备一定的土建、电力、自控仪表、安全、卫生等其他专业的基本知识。在布置时要做到深思熟虑、仔细推敲，提出不同方案进行比较，以取得一个最佳方案。

车间布置设计是以工艺为主导，并在其他专业，如总图、土建、设备、安装、电力、暖风、外管等密切配合下完成的。因此在进行车间布置设计时，要集中各个方面的意见，最后由工艺人员汇总完成[7]。

4.2 车间布置设计的依据

车间布置设计必须在充分调查的基础上，掌握必要的资料作为设计的依据或供参考。这些资料包括： （1）生产工艺流程图。

（2）物料衡算数据及物料性质，包括原料、半成品、成品、副产品的数量及性质；三废的数量及处理方法。

（3）设备资料，包括设备外形尺寸、重量、支撑形式、保温情况及其操作条件，设备一览表等。 （4）公用系统耗用量，供排水、供电、供热、冷冻、压缩空气、外管资料等。 （5）土建资料和劳动安全、防火、防爆资料。 （6）车间组织及定员资料。

（7）厂区总平面布置，包括本车间与其他生产车间、辅助车间、生活设施的相互联系，厂内人流物流的情况与数量。

（8）有关布置方面的一些规范资料。 4.3 发酵工厂主要车间组成

根据α-淀粉酶生产的工艺要求，结合实际生产情况，需要以下建筑或构建物。 （1）发酵车间

发酵车间是枯草杆菌的发酵场地和α-淀粉酶的生产区。原料经杀毒灭菌等初步加工以后，配制成培养基，为优良菌种提供营养和能量，菌种经种子罐，发酵罐，产出α-淀粉酶，过滤，沉淀，干燥，最终得成品。发酵产酶是生产最重要的环节，占地面积13255.2m2。

（2）提炼车间

紧邻发酵车间，对α-淀粉酶进行精加工、提纯。占地面积5342.4m2。

（3）原料仓库

8

建于发酵车间内，储存各种原、辅材料，并提供必要的储存条件。收购的原料如不能及时进行加工生产，就放置于此，且可保证生产持续进行，面积1221.4m2。根据实际生产情况和原料销售市场的情况，决定原、辅材料购进量的多寡，这样可以随材料市场价格和生产需要，随时调整储量，节约了原料费用和运输成本，节省开支。

（4）种子扩大培养区

位于发酵车间内，便于管道输送。为枯草杆菌的大量繁殖提供条件，有利于下一步发酵的良好进行，面积1309.0m2。

（5）动力设施

围绕生产车间，包括锅炉房、空压站、蓄水池、动力室、变配电室等，为生产车间的发酵生产提供蒸汽、压力、水、电力等，通过管路，线路等直通车间，总占地面积3662m2。 （6）包装车间

紧邻提炼车间，设有包装材料库、成品仓库、检验室等，包装完毕后直接入库。面积约3915.3m2。 （7）化验室

位于生产办公区内的第二、三层，用于进行原料和产品的质量检验，总面积709.3m2。 （8）更衣室、卫生间

位于进入各个车间的必经之地，分左右男女更衣室，不同工段的工人可以分别从不同更衣室进入不同的车间，避免交叉污染，更衣室、卫生间总面积依各车间实际情况而定。 （9）机修车间

紧邻生产区，用于对现有的生产设备维修及定期维护，占地面积1047.9m2。 （10）污水站

建于厂区西北角，用于对工业污水及生活污水的集中净化处理，占地面积1067.5m2。 4.4 车间布置设计的原则

一个优良的车间布置设计应该是，技术先进、经济合理、节省投资、操作维修方便、设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。要达到这样的要求，在进行具体的车间布置设计时，必须从工艺、操作、安全、维修、施工、经济、美观及扩建上考虑。为使车间布置设计能符合上述提出的基本要求，设计时应遵循以下原则：

1. 车间布置应符合生产工艺的要求

车间设备布置必须按流程的流向顺序依次进行设备的排列，以保持物料顺畅地向前输送，按顺序进行加工处理，保证水平方向和垂直方向的连续性。不使物料和产品有交叉和往复的运动。尽可能利用工艺位差，对于有压差的设备，应充分利用高位差布置，以节省动力设备及费用。

一般来说，凡计量设备、高位槽等布置在最高层，主要设备如啤酒厂糖化锅、煮沸锅，布置在中层，贮槽、发酵罐等布置在底层。这样既可利用位差进出物料，又可减少楼面的荷重，降低造价。

2. 车间布置应符合生产操作的要求

（1）每一个设备都要考虑一定地位，包括设备本身所占地位，设备附属装置所占地位，操作地位，设备检修拆卸地位以及设备与设备、设备与建筑物间的安全距离等。

（2）设备布置应考虑为操作工人能管理多台设备或多种设备创造条件。凡属相同的几套设备或同类型的设备或操作性质相似的有关设备，应尽可能集中布置，使之彼此靠近，以便统一管理，集中操作，方便维修及部件的互换。

（3）设备布置不宜过挤或过松，应尽量对称紧凑，排列整齐，充分利用空间。设备间距离充分考虑工厂操作的要求和交通的便利。车间内要留有堆放原料、成品及排出物和包装材料的空地（能堆放一批或一天的量）以及必要的运输通道。具有运动机械的设备，还要考虑设备安全防护装置的地位。

（4）要考虑相同设备或相似设备互换使用的可能性和方便性。这样可充分发挥设备的潜在力量。 （5）设备的自动测量仪表要集中控制，阀们控制尽量集中，便于工人操作。

9

3. 车间布置应符合设备安装、检修的要求

（1）根据设备大小及结构，考虑设备安装、检修及拆卸所需要的空间和面积。

（2）满足设备能顺利进出车间的要求。经常搬动的设备应在设备附近设置大门或安装孔，大门宽度比最大设备宽0.5m，当设备运入厂房后，很少再需整体搬出时，则可设置安装洞，即在外墙留顶留洞口，待设备运入后，再行砌封。

（3）通过楼层的设备，楼面上要设置吊装孔。吊装孔可设计为有盖板或无盖板两种。如无盖板，在孔周围应设可拆的栏杆。一般比较固定的设备，也可在楼层外墙上设置安装洞，设备可在室外吊上，由安装洞口运入。另外，发酵工厂设备通过楼层安装者为数较多。例如酒精厂蒸馏塔，味精厂、柠檬酸厂、酶制剂厂、酒精厂的发酵罐，酒精厂糖化设备，酒母设备等，都是一半在楼下，一半在楼上。凡属此种类型设备安装时，也可直接从设备本身在楼层上的安装孔中吊上，这样安装是比较方便的。

（4）必须考虑设备的检修和拆卸以及运送物料所需要的起重运输设备。起重运输设备的形式可根据使用要求决定。如果不涉及永久起重运输装置时，也应该考虑有安装临时起重运输设备的场地及预埋吊钩，以便悬挂起重葫芦。当厂房内设有永久性起重运输设备时，要考虑物料的起吊和运输设备本身的高度，设备的起吊运输高度，应大于运输途中最高设备的高度。

4. 车间布置应符合厂房建筑的要求

（1）凡是笨重设备或运转时会产生很大振动的设备，如压缩机、粉碎机、大型通风机、离心机等，应该尽可能布置在厂房的底层，以减少厂房楼面的荷载和振动。

（2）有剧烈振动的设备，其操作台和基础不得与建筑物的柱、墙连在一起，以免影响到建筑物的安全。

（3）设备布置时，要避开建筑的柱子及主梁。如设备吊装在柱子或梁上，其荷重及吊装方式需事先告知土建专业人员，并与其协商。

（4）厂房内所有操作台须统一考虑，避免平台支柱零乱重复，影响车间美观、生产操作及检修。 （5）设备不应该布置在建筑物的沉降缝或伸缩缝处。

（6）在厂房的大门或楼梯旁布置设备时，要求不影响开门和行人出入。

（7）在不严重影响工艺流程顺序的原则下，将较高设备尽量集中布置，这样可以简化厂房体形，节约厂房体积，另外还可利用建筑上的有利条件，如利用天窗的空间安装较高设备。

5．车间布置应符合节约建筑投资的要求

（1）凡是可以露天或半露布置的设备，例如发酵厂、啤酒厂的发酵罐，无菌空气设备，贮槽等。可根据使用和操作的特点，与设备设计配合采取露天或半露天布置，减少建筑面积，节约厂房建筑费。

（2）厂房非高层化是近代工厂的设计特点。啤酒厂现代糖化楼设计采用低层建筑，具有设计容易，施工和安装设备简单，建筑费用较低，动力消耗少，操作维修方便等优点。除非在场地特别紧张的地方，不得已才用高层建筑。一般以采用低层建筑为好。

（3）工艺管道应集中布置，要尽可能地缩短设备间管线，供汽、供无菌空气、供电的设备位置应尽量靠近负荷中心，使管线最短，热损量少，减少管线投资和节约能耗。

（4）尽量采用一般的土建结构，非必要时，尽可能少用或不用特殊的土建结构。 （5）设备的操作面尽可能与通道安排在同一侧。 6．车间布置应符合安全、卫生和防腐蚀的要求

（1）发酵工厂车间卫生是正常生产的首要环节。因此，在车间布置设计时，必须考虑到车间卫生条件，特别是种子培养，发酵车间要建在上风区，远离污染源。车间内通风、排废水、废气要安排布置，防止杂菌污染和交叉污染。

（2）要为工人操作创造良好的安全卫生条件。设备布置时尽可能做到工人背光操作，高大设备避免靠窗布置，以免影响采光。对运转时噪声大或粉尘多、有毒气、腐蚀气体的设备，应考虑采取隔断（离）、加强通风除尘等措施，以保证操作人员健康。

10

共需要的发酵罐数N1= （2919.11×72）/(500×4) =17.5，取N1=18（个）

每天应有6个发酵罐出料。每年工作300天， 实际产量验算：550×0.75×6×300/8.21=82216.80（t/a）； 富裕量（82216.80-80000）/80000=2.7%，能满足产量要求。

⑶主要尺寸的计算 (现按公称容积500 m3的发酵罐举例计算) V全＝V筒 + 2V封 封头折边忽略不计，以方便计算。 则有

V全＝0.785D2 × 1.9D + (πD3×2)/24 = 550 H=1.9D；解方程得： 1.49D3 + 0.26D3

= 550

3 D ? 550 取D＝1.75? 6.8m

6.8m ,H=12.9m 圆柱部分容积 V1＝0.785×6.82

× 12.9＝ 468 （m3） 上、下封头体积 V2＝V3＝πD3/24＝π×6.83/24＝41（m3 ） 总体积： V全＝V1+ V2+ V3＝468+41+41＝550（m3 ） 取发酵罐的填充系数?=75%，实际装液量为： 550×75%＝412.5（m3） ⑷冷却面积的计算： 本设计采用经验值计算法

查资料知α-淀粉酶发酵罐的冷却面积取1 m2 / m3 ；

由上知填充系数?=75%，则每一个500 m3的发酵罐换热面积： A= 550×75%×1=412.5（m2）

⑸搅拌器设计

该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出： 搅拌器叶径Di＝D/3＝6.8/3＝2.27（m） 叶宽B＝0.2d＝0.2×2.27=0.45（m） 弧长l＝0.375d＝0.375×2.27=0.85（m） 底距C＝D/3＝6.8/3＝2.27（m） 盘径di＝0. 75Di＝0.75×2.27=1.7（m） 叶弦长L＝0.25 Di＝0.25×2.27=0.57（m） 叶距Y＝D＝6.8（m） 弯叶板厚δ＝14（mm）

采用两档搅拌，搅拌转速110r/min。

26

⑹搅拌轴功率的计算 本设计采用经验值计算法

查资料知通常α-淀粉酶发酵按1kw / m3发酵液；对于公称容积为500 m3的发酵罐，装液量为412.5m3

则应选取功率大于或等于412.5kw的电机。

⑺设备结构的工艺设计

设备结构的工艺设计，将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。

①空气分布器：本罐使用单管通风，风管直径计算见⑽接管设计。 ②挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。

③密封方式：本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。

④冷却管布置：随着发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套形成的冷却面积已无法满足生产要求，于是使用管式冷却装置。蛇管因易沉淀污垢且不易清洗而不采用；列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多；因此广泛使用的是竖直蛇管冷却装置。

ⅰ. 求最高热负荷下的耗水量W

式中 QW?c总t?tp21?Q总?——每1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：

Q总＝4.18×4000×412. 5＝6.89×106 kJ/h

c——冷却水的比热容，4.18KJ/(kg·K) pt——冷却水终温，t=27℃ 22t——冷却水初温，t=20℃ 11将各值代入上式

3

冷却水体积流量为0.065m/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总S

6.89????

W ? ＝ 2.35???? kg/h=65.3kg/s

? 4.18 27 20? ?

总为截面积为：

S总=W/v=0.065/1=0.065(m2 )

式中 W——冷却水体积流量，W= 0.065 m3/s

v——冷却水流速，v=1m/s

进水总管直径

取Dg300×8；

S0.065总 ?????????????????????????????????????????? 0.288(m)d S 总 0.785 0.785

2

ⅱ. 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则：S总＝n?0.785d0取n=12，

S d0= 总 0.065

=0.080(m)

n?????????????????? 0.785 12 ? 0.785

27

查表：选φ89×3.5无缝管，d内＝82mm， d内>d0，认为可满足要求，d平均＝85.5mm。 现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为： l0＝πD＝3.14×500＝1570mm ⅲ. 冷却管2总长度L计算：冷却管总面积F＝412.5m，无缝钢管φ89×3.5，每米冷却管面积为F0＝3.14×0.0855×12

＝0.268m，则：L=F/F0 = 412.5/0.268=1569.18(cm) 23

冷却管占有体积V＝0.785×0.089×1539.18＝9.57mⅳ. 每组管长L0和管组高度：L0 ＝L/n= 1569.18/12=128.265(cm)

另需连接管4.735m，L实＝L + 4.735 ＝128.265+ 4.735=133（m） L＝2499m 可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头300mm。设发酵罐内附件占有体积为1m3，3则占有体积为V管+V附件＝9.57+1＝10.57（m）

2

筒体液面高度为：{V总×75% +（V管+V附件）—V3 }/ S 截面 =（412.5+10.57—41）/0.785 ×6.8 ＝10.53 (m)

竖直蛇管总高H＝10.53+ 0.3 ＝10.83 （m），取管间距为0.5m。 又两端弯管总长l0＝3.14×0.5=1.570m，两端弯管总高为1m 则一圈管长：L＝2（H + l0 ）＝2×（10.83 + 1.57）＝24.8（m） ⅴ. 每组管子圈数n0

n0=L0/L=128.265/24.8=5.17;取n0=5。

L实＝24.8×5×12+4.735×12=1544.82﹥1539.18（m）

现取管间隔为2.5D外=2.5×0.089=0.2225（m），竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，显然与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。

ⅵ. 校核布置后冷却管的实际传热面积：

2 F实＝πd平均L实＝3.14×0.0855×1544.82＝414.73m而前有F=412.5㎡，F

实

⑻设备材料的选择

本设备选用碳钢制作，以降低设备费用。

＞F，可满足要求。

⑼发酵罐壁厚的计算

28

方法：公式计算或查表法 ①计算法确定发酵罐的壁厚S； S?PD2?????P?C式中 P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa D——发酵罐内径，D=700cm [σ]——A3钢的许用应力，[σ]=127MPa φ——焊缝系数，现取φ=0.7 C——壁厚附加量, C=0.28 cm 0.4?700S? 2?127?0.7?0.4?0.28＝1.9cmC＝C1 + C2 + C3 ＝ 0.8 + 2 + 0 ＝2.8mm＝0.28cm 式中 C1——钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2——腐蚀裕量，现取C2=2mm C3——加工减薄量，对冷加工C?0，热加工封头C?S?10%；现取C?0

3303选用20mm厚的A3钢板制作，查表知：直径7m，厚20mm，筒高14m，每米高度重14114kg，

G筒＝14114×14＝197596kg ②封头壁厚计算（椭圆封头）：

S?PD2?????P?C式中 P=0.4 Mpa；D=700cm； [σ]=127 MPa

C＝C1 + C2 + C3 ＝ 0.08 + 0.2 + 0.2 ＝0.39cm； φ=0.7

S?0.4?700?0.39＝2cm2?127?0.7?0.4查手册圆整S＝2，G封＝2864kg

⑽接管设计

表6.5 接管长度h （mm）

公称直径Dg ≤15 20-50 70-350 70-500 不保温接管长 80 100 150 保温设备接管长 130 150 200 适用公称压力（MPa） ≤40 ≤16 ≤16 ≤10 ①接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径的大小和有无保温，一般取100-200mm,具体值见表：

②接管直径的确定：主要根据流体力学方程式计算。

33排料管：实装量474.75m，设2h之内排空，物料体积流量Q＝474.75/(3600×2)＝0.0659m/s；

29

22

发酵醪液流速v＝6m/s，排料管截面积F物＝Q/v＝0.0659/6＝0.011 m；F物＝0.785d。 管径 F物?0.011?0.118m d?0.7850.785取无缝管133×4，125>118mm，认为适用。 通风管：压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20～25m/s，现通风比0.1～0.18vvm，常温下为20℃，0.1MPa下的情况，要折算到0.4MPa、30℃状态。风量Q1取大值，

33Q1＝474.75×0.18＝85.46m/min＝1.43m/s 气态方程式计算：

3Qf＝1.43×(0.1/0.35)×(273+30)/(273+20)＝0.423m/s，取风速v＝50m/s，则风管截面积 2Ff＝Qf /v＝0.423/50＝0.0085m 2

Ff＝0.785d气，则

因通风管也是排料管，故取两者的大值。取d＝133×4无缝管，可满足工艺要求。

322排料时间复核：物料流量Q＝0.659m/s，流速v＝6m/s，管道截面积F＝0.785×0.125＝0.0123m，在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为0.011/0.0123＝0.89倍，排料时间t＝2×0.89＝1.8h

⑾支座选择 2.种子罐

⑵种子罐容积和数量的确定

F

0.0085 f

?????????????????????????????????d 0.104 m 气 0.785 0.785

对于75 m3以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座。故本设计选用裙式支座。

⑴种子罐的选型 采用机械搅拌通风发酵罐。

①种子罐容积的确定：按接种量10%计算，则种子罐容积为 ： V种＝V总×10％＝633×10％＝63.3 m3 式中V总——发酵罐总容积（m3）

②种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上7罐，需种子罐7个。 ⑶主要尺寸确定 种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H/D＝2，则种子罐总容量为： V’32

2D＝63.3 m3

总＝2V’封 + V’筒＝2×πD/24 + 0.785D×

D＝3.26m，取D＝3.4m，则H＝2D＝6.8m，封头高度H封＝ha +hb＝850+ 50 ＝900mm， 罐体总高H'?2H'?H'?2?900?6800?8600(mm) 罐封筒

单个封头容量

30

封头表面积S封＝13m2

， 圆筒容量V'?0.785D2?2D?0.785?3.42?6.8?61.707(m3筒)， 不计上封头容积 V′有效=5.596+61.707=67.303m3

校核种子罐总容积V'总?2V'封?V'筒?2?5.596?61.707?72.899(m3) 比需要的种子罐容积63.3 m3

大，可满足设计要求。 ⑷冷却面积的计算 ①发酵产生的总热量：同前发酵罐： Q总＝4.18×4000×47.475＝7.94×105kJ/h ②夹套传热系数 K＝4.18×(250～350)kJ/(m2?h?℃) 取K＝4.18×330kJ/(m2?h?℃) ③平均温差：发酵温度32℃，水初温20-23℃，取21℃，水终温25℃，则 平均温差△tm＝（11+7）/2＝9℃ ④需冷却面积F Q总 7.94????

F ? K?t＝ 64.0 m 2

m ＝

4.18 ? 330 ? 9

⑤夹套高度（封头以上）

πD×h+ S封＝64.0m

2

h=4.8m

⑥核算夹套冷却面积：

S夹＝πD×h+ S封 S夹＝64.2m

2

H液≈H夹＝4.8m （封头以上）

夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。综上，传热需要的面积F=64.2m2

该设计夹套能提供的冷却面积为S夹＝64.2m

2

S夹＞F，可满足工艺要求。 ⑸设备材料选择：A3钢 ⑹壁厚计算 31

方法：计算法、图算法和查表法 ①计算法求种子罐的壁厚：

?mPL?0.4S?D?式中 D——设备的公称直径，?2.6ED???C340cm

m——外压容器的稳定系数，与设备的其始椭圆度有关，在我国，m=3 P——设计压力，与水压有关，P=0.4Mpa C——壁厚附加值，C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18

L——筒体长度，L=680cm

将数值代入公式：

53 S340 ?????????????????????????????????????????? ＝20.4 2.68cm 0.4 680 ?0.18＝ 取28mm .????????????????????????????????? ②种子罐封头的厚度6

?δ封 ⅰ 对于上封头：查表法得?

?δ封＝22mm，质量G＝45.2kg

ⅱ 对于下封头：取?

?δ封＝28mm。

③冷却夹套壁厚δ

?夹

夹套直径与筒体直径关系为?: D夹＝D内+250＝?

?

3650mm 查表法得夹套壁厚δ夹＝9mm，夹套内有导流板。 ④冷却夹套封头壁厚δ′夹

查表法得夹套封头壁厚δ′夹＝22mm ⑺设备结构的工艺设计 ①挡板

根据全挡板条件， B

D?Z?0.5式中 B——挡板宽度 B=（0.1～0.12）D＝0.1×3400＝340mm D——罐径 D=3400mm Z——挡板数：

D3400 Z ? 0.5 B ? 0.5 ? 340 ＝ 5

取Z=6块（考虑裕量）

②搅拌器：仍采用涡轮搅拌器 直径Di＝0.3～0.35D，现取Di＝0.35D＝0.35×3400＝1190mm＝1.2m

32

叶片宽度h＝0.2Di＝238mm，弧长r＝0.375Di＝446.3mm 盘径φ＝0.75Di＝892.5mm，叶弧长l＝0.25Di＝297.5mm 搅拌器间距Y＝Di＝1190mm，底距b＝Di/3＝396.7mm

搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大，50L罐N1＝470r/min，搅拌器直径Di＝112mm

2/32 D????????2 112???????????

470 ? 97r/min ? 1.62m/s ????????????????????????????????????????N 2 N ???????????????????/ ? 1 D1190 ???????????????????2 3

Rem?D2N??式中 D——搅拌器直径，D=1.2m

N——搅拌器转速，N=1.62（r/s） 3

ρ——密度，ρ=1050㎏/ m

μ——粘度，μ=1.3×10-3N·s/㎡ 将数代入上式；

视为湍流，依据Np—Rem图表，则搅拌功率准数Np=90kw

取两档搅拌。

③进风管（进出料管）：该管为物料与通风共用，管底距罐底25-60mm之间，现取30mm向下单管。 ⅰ. 按通风管计算管径：设罐压0.4MPa，发酵温度32℃，风速v＝45m/s，通风比为 0.18vvm，常压下33t0＝20℃，0.1MPa，送风量V＝47.475×0.18＝8.55m/min＝0.14 m/s 将通风换算成工作状态下求通风管直径，计算如下： 气态方程式计算：

3Qf＝0.14×(0.1/0.4)×(273+32)/(273+20)＝0.036m/s，已知风速v＝45m/s，则风管截面积 3Ff＝Qf /v＝0.036/45＝0.0008m

1.22?1.62?????

Re. ? ＝ ???????? 1.9

? -3 m 1.3 ? 10

F f 0.0008????????????????????????????????? d 10.785 0.032 0.785

m

?47.475m3物料，物料流量V＝47.475/（2×3600）＝0.00659 m3/s，ⅱ. 按输送物料算管径：2h送完物?

管道截面为F，物料流速v＝，则： ?3.2 m/s mV

0.00659 2 物 0.002mF ??????????? ＝ 3.2 设管径为 v m

F 0.002

????????????????????????????????? d 0.05m 2 0.785 0.785

???mm 取d1、d2两者大值，作为进料（气）管，现取管径D＝50mm，查表，取φ58×3无缝管。 2

Ff＝0.785d1，则

33

5

④冷却水管：由前知需冷却热量Qmax＝4.18×4000×47.475＝7.94×10kJ/h，冷却水温变化23℃→27℃，水比热容cw＝1×4.18kJ/(kg?℃) 则耗水量为：W????????????????????????Q ?5 ? 10 C 7.94

w2 ? 4.18 t 1 ?

( t

27?23) 取水流速v=45m/s;?47488(kg/h)

3 则冷却管直径为 ?????????m /s)

d ????????????????????????0.01323查表，取焊接管45 0.02

? Dg=22mm0.785

m 可满足生产要求；取冷却水管接管长度h=880mm。 ⑻支座选择 选用支撑式支座，将种子罐置于楼板上。 3.空气分过滤器 ⑴种子罐分过滤器

①分过滤器过滤层直径的计算：

D滤层＝4V?v式中V——通过分过滤器的空气（在0.4MPas）流量（m3/s）

V47.4750.1 3 305 1 0.4 ＝ 293 ?0.18 ??????????????????????????60 0.0371m /s 式中V?

?

s——通过分过滤器的气速，取vs=12m/s代入式中：

D 滤层 4 ? 0. 0371

＝ 3.14 ? 12 ＝0.063m 取D滤层＝70mm ②分过滤器直径计算：

D过滤器＝（1.1-1.3）D滤层 D过滤器＝1.3D滤层＝1.3×70＝91mm 圆整值D过滤器＝100mm ③分过滤器的强度计算： 设计压力P＝0.4×1.25＝0.5MPa，φ＝0.7，[σ]＝127MPa，C＝0.2cm 则分过滤器厚度为： S?PD2?????P?C

S ??????????????????????????????????0.5 ? 10 0.2??0.23 cm 2 ??127??0.7 ?0.5

? ? 34

取S＝4mm

④进出气管：与种子罐进出气管相配合，取φ58×3。 ⑤数量：分过滤器一般是与种子罐相配合，现7个种子罐，配7台分过滤器。 ⑥滤层厚度：使用经树脂处理过的滤纸5-6层，夹持在两花板中。花板孔φ8，孔间距14mm，周围不钻孔，开孔率40％左右。 ⑦分过滤器高度：圆筒部分h＝（1.1-1.5）D，现取h筒＝1.5×D过滤器＝1.5×100＝150mm；锥体部分h＝（1.5-2.0）D，现取h锥＝1.5D过滤器＝1.5×100＝150mm

⑵发酵罐分过滤器

①分过滤器滤层直径计算：

D滤层＝4V?vs式中V——通过发酵罐分过滤器的空气（在0.4MPa）流量（m3/s） V474.75 0.1 ? 0.4 ＝3 305 293 ?0.18 1??????????????????????????60 0. 371 m /s ?式中 Vs——通过分过滤器的气速，取vs=12m/s

则 D滤层 ＝4 ? 0. 371

3.14 ? 12 ＝0.198m 取D滤层＝200mm

②分过滤器直径计算： D过滤器＝（1.1-1.3）D滤层

现取D过滤器＝1.3D滤层＝1.3×200＝260mm 查表选无缝钢管或钢板卷制。圆整到推荐值D过滤器＝300mm

③分过滤器的壁厚：设计压力P＝0.5Mpa，φ＝0.7，[σ]＝127MPa，C＝0.28cm S?PD?C

2?????P S ＝ 0.5 ? 30 ? 0.28＝0.36(

2 ??127??0.7 ?0.5

cm)

取S＝5mm

④进出气管：与设备通风管一致，取φ133×4无缝罐 ⑤数量：分过滤器与发酵罐相配合，每罐一个，共需35台。 ⑥滤层厚度：同种子罐，分过滤器5-6层超细玻璃纤维滤纸，经树脂处理过使用。 ⑦分过滤器高度：比例参数同种子罐

h筒＝1.5D过滤器＝1.5×300＝450mm；

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