1000吨年苏云金芽孢杆菌厂生产工艺初步设计

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

包文雨

（辽宁石油化工大学，石油化工学院，生物工程1102，辽宁营口，1132050215）

摘 要

苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)于1901年在日本被发现，1911 年由柏林纳从地中海粉螟的患病幼虫中分离出来，并依其发现地点德国苏云金省而命名. 苏云金芽孢杆菌简称苏云金杆菌，是内生芽孢的革兰氏阳性土壤细菌，在芽孢形成初期会形成杀虫晶体蛋白对敏感昆虫有特异性的防治作用。

本设计首先初步介绍了苏云金芽孢杆菌的发展过程，然后就其产品化进行了讨论，苏云金芽孢杆菌的发酵共有两种工艺路线，即液体深层发酵和固态发酵。它们都有其优缺点，但是经过对比论证，最终选择了液体深层发酵。随后根据相关资料确定了苏云金芽孢杆菌的生产周期及期产量，依照期产量对其进行了物料衡算和热量衡算，最后对设备进行了合理的选型。

关键词：苏云金芽孢杆菌；产品化；工艺路线；设备选型

I

1000 tons of Bacillus thuringiensis fermentation process

design workshop

Bao Wenyu

(Class 1102, Department of Biological Engineering, School of Environmental and Biological Engineering,

Liaoning Shihua University, Liaoning Yingkou, 1132050215, China)

Abstract

Bacillus thuringiensis (Bacillus thuringiensis) in 1901, was discovered in Japan in 1911 by the Berliner from the Mediterranean flour moth larvae in the prevalence of isolated and found locations in Germany according to their province and named Bacillus thuringiensis. thuringiensis Called Bacillus thuringiensis, is endogenous Gram-positive Bacillus soil bacteria, initially formed in the spore formation of insecticidal crystal protein (insecticidal crystal protein), insects have specific sensitive rats.

The preliminary design of the first Bacillus thuringiensis introduced the development process, and then conducted a discussion of its products, the fermentation of Bacillus thuringiensis There are two process routes, that is, submerged fermentation and solid-state fermentation. They all have their advantages and disadvantages, but after comparison argument, I finally chose the submerged fermentation. Then determined according to the relevant information of Bacillus thuringiensis and production cycle of production, production was carried out in accordance of the material balance and heat balance, the last of the equipment for a reasonable selection

Key words: Bacillus thuringiensis; product of; process routes; equipment selection

II

目 录

摘 要 ................................................................... 1 ABSTRACT ............................................................................................................................ II 第1章 绪论 .............................................................................................................................. 1

1.1项目背景 ........................................................... 1 1.2苏云金芽孢杆菌介绍 ................................................. 1

1.2.1苏云金芽孢杆菌定义 ....................................................................................... 1 1.2.2苏云金芽孢杆菌资源 ....................................................................................... 2 1.2.3苏云金芽孢杆菌鉴定与分类 ........................................................................... 3 1.2.4孙云锦芽孢杆菌生态学及安全性 ................................................................... 3 1.2.5苏云金芽孢杆菌产品化 ................................................................................... 4 1.3设计方案 ........................................................... 5

1.3.1产品方案 ........................................................................................................... 5 1.3.2选址 ................................................................................................................... 6 1.3.3车间生产过程设计 ........................................................................................... 6

第2章 工艺流程确定与论证 .................................................................................................. 8

2.1工艺流程确定 .............................................................................................................. 8

2.1.1苏云金芽孢杆菌液体深层发酵 ....................................................................... 8 2.2.2苏云金芽孢杆菌固态发酵 ............................................................................... 9 2.2.3小结 .................................................................................................................. 11

第3章 物料衡算 .................................................................................................................... 12

3.1生产条件 .................................................................................................................... 12 3.2各设备的物料衡算 .................................................................................................... 12

3.2.1发酵罐物料衡算 ............................................................................................. 12

III

3.2.2接种罐物料衡算 ............................................................................................. 13 3.2.3过滤后的物料横算 ......................................................................................... 13 3.2.4干燥后的物料衡算 .......................................................................................... 14

第4章 能量衡算 ..................................................................................................................... 15

4.3 热量衡算基础数据的计算和查取 ........................................................................... 16

4.3.1比热容的计算 ................................................................................................... 14 4.3.2 状态热的计算 .................................................................................................. 17 4.3.3 化学反应热的计算 .......................................................................................... 18 4.4热量衡算 .................................................................................................................... 18

4.4.1反应过程的热量衡算 ....................................................................................... 18 4.4.2过滤和离心过程的热量衡算 ........................................................................... 21 4.4.3产品干燥岗位的热量衡算 ................................................................................ 23

第5章 设备确定及选型 ........................................................................................................ 23

5.1 发酵罐的设计 ........................................................................................................... 23

5.1.1 发酵罐的尺寸设计 ........................................................................................ 26 5.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算 ............................................................................ 24 5.2 种子罐的计算 ........................................................................................................... 27

5.2.1种子罐的尺寸计算 .......................................................................................... 27 5.2.2 种子罐轴功率计算 ........................................................................................ 28 5.3 发酵液的贮罐计算 ................................................. 28 5.4过滤器的选择 ...................................................... 29 5.5离心机的选择 ...................................................... 30 5.6干燥机的选择 ...................................................... 31 5.7其他设备的选择 .................................................... 31

IV

第6章 结论 ............................................................................................................................ 32 参考文献 .................................................................................................................................. 33 附录 .......................................................................................................................................... 35

附录一 生产原料 ...................................................... 35 附录二 设备一览表 .................................................... 34

致 谢 ..................................................................................................................................................... 36

V

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工作日（t旺）为82d。2月、3月、4月为生产的淡季，工作日为78d（t淡），中季生产为140d（t中），余下77d为节假日和设备检修日，则全年生产天数为：

t?t旺?t中?t淡?82?140?78?300(d)

计算班产量：2+6+40=48(h)

n每天?24=0.5 t总 n总=n每天x300=150(班） q=Q/kt=1000/0.75*150=9（t/班）

t总______一周期生产时间 t准备______设备准备时间

t清洗______清洗设备时间 t生产______生产Bt的周期 n每天______每天的班次 Q______一年要求达到的产量 q______每班达到的产量 k——设备不均系数,在此取0.75

1.3.2选址

本设计是在通过充分的市场调研，根据田园集团的经验，，在选址方面贯彻了农药工厂选址“应远离重工业区，空气清新，水质清纯，环境幽雅无污染”的原则，其厂址选择在辽宁鞍山达道湾工业区

1.3.3车间生产过程设计

根据苏云金芽孢杆菌生产工艺要求，需以下建筑物或构筑物。 (l)主生产车间:苏云金芽孢杆菌生产线。 (2)原、辅材料库:存放生产用的辅料及包装材料。 (3)发酵室:菌种发酵用。

(4)水处理间:提供液态生产配料用的净化水。 (5)冷库:存放苏云菌芽孢杆菌成品用。

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(6)空压机房:提供某些设备自动化控制所需的压缩空气及生产过程中的需求。 (7)化验室:原辅材料的检验及车间成品的理化指标和微生物的检测[4]。 (8)更衣室、卫生间:供车间工人使用。 (9)锅炉房:提供生产所需要的蒸汽。 (10)配电室:提供生产用电。 7

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第2章 工艺流程确定与论证

2.1工艺流程确定

2.1.1苏云金芽孢杆菌液体深层发

图1 液体深层发酵基本工艺流程

Fig 1 Schem diagram showing submerged fermentation process of Bt

1956 年前苏联发表了用液体培养基摇瓶培养Bt，并用于防治菜青虫的报，从而揭开了 Bt 液体培养的序幕，Bt 制剂之所以能广泛应用，关键在于能通过液体深层发酵大规模生产。其工艺流程如图 1 所示。液体发酵主要有分批发酵、补料分批发酵和连续发酵三种方式。分批发酵一次性投料，工艺简单，但若要达到较高的发酵水平，需要较高的基质浓度，这种情况下很容易产生基质和代谢产物抑制，同时培养基的粘度增加后，由于影响[10] 混合和流动而不利于氧的传递，最终可能使毒效大打折扣。为此人们从

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反应器和工艺角度进行了改进。采用外环流气升式反应器，通过气体喷射推动液体循环流动以取代传统的机械搅拌方式，由于能耗低、结构简单、传质效果好、换热面积大、剪切力低等优点，对Bt毒效的提高有很大帮助，但目前还缺乏大型生产的经验，尚处于研究阶段；提高搅拌速度或增大通风量以改善供氧环境，有助于毒效的提高，但势必以增加能耗为代价。于是有人提出了流加工艺，逐渐提高基质浓度以削弱抑制，也因此实现了Bt的连续发酵，但长时间的连续发酵培养基很容易染菌，菌种也易发生退化或产生无孢突变株。综合两者的优点，补料分批发酵被认为有较好的发展前景，即逐渐补料，一次出料。补料方式又可分为连续式和间歇式，等研究发现间歇式补料比连续式细菌增殖快，芽孢密度大；连续式补料在补料过程中即使细胞增殖缓慢也不会像分批发酵那样很快转入芽孢期，补料浓度过高则不能形成芽孢。通过控制pH值来调节补料，补料过程中pH保持在7.0左右，避免了营养过剩问题，苏云金素产量比分批发酵提高了89.51%。

2.2.2苏云金芽孢杆菌固态发酵

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图2 固态发酵基本流程

Fig2 Schematic diagram solid-state fermentati process of Bt

固态发酵起源于我国传统的“制曲”技术，是利用颗粒载体表面所吸附的营养物质或颗粒本身提供的营养来培养微生物。在相对小的空间内，这些颗粒载体可提供相当大的气液界面，从而满足好气微生物增殖所需要的水份、氧气和营养。20 世纪 50年代，国外开始将这项技术用于 Bt 的发酵生产。70年代，我国许多地区与单位都进行了 Bt 的固态发酵研究[15]，直到上世纪 80 年代，其生产工艺才逐渐完善。传统的固态发酵按设计规模可分为网盘薄层法、皿箱式、大池通风法以及地坪式等发酵方式，如图 2所示。可用于苏云金固态发酵的原料很广泛，但选择时既要考虑物料的营养性，也要考虑载体的通气性。通常使用的载体可分为有机载体和无机载体两类，有机载体如麦麸、米糠、黄豆饼粉、花生饼粉等，既可作为营养源，又兼有载体作用；无机载体如多孔珍珠岩、细沙等，这些物质通气性能较好，但需要另外添加营养成分。杨淑兰等利用麸皮、棉籽饼粉、米糠、草木灰等为发酵原料，进行了百公斤级的Bt subsp. HD-1固态发酵试验，研究发现种龄、发酵温度、初始pH值、基质含水量与草木灰含量等是影响芽孢形成和

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毒效的重要因素，选择最佳培养条件可使发酵芽孢数稳定在2.0×10 10CFU·g-1，在2000倍稀释度条件下对菜青虫的致死率为100%。基质的通气性主要用含水量来控制。适宜的初始含水量，使得培养基有合适的疏松度，颗粒间存在一定空隙，有助于菌体从培养基获得营养成分和氧的传递，从而促进生长繁殖，而过高的含水量会导致培养基粘结成团，多孔性降低，影响氧的传递；含水量过低，则使培养基膨胀程度降低，水的活度低，抑制菌体生长。Capalbo等人将潮湿的稻谷装入聚丙烯袋接种Bt subsp. tolworthi进行了固态发酵实验室研究，湿度控制在50%~60%，产物田间毒效良好，48 h死亡率可达100%。固态发酵具有低投资、低成本、低排污等优点，但因输送、搅拌、温度、湿度、pH值[8]和供氧等诸多问题缺少工程解决手段而使其发展受到了限制。陈洪章等人首先提出了压力脉动固态发酵技术，利用压力脉动周期刺激强化生物反应和细胞膜传质速率。压力脉动避免了机械搅拌的缺陷，提高了传质传热效率，降低温度、O2和CO2浓度梯度，促进了毒效的提高。目前，压力脉动固态发酵反应器[14]已成功放大到70 m3的工业级生产规模。

2.2.3小结

在发酵过程中，液态发酵流动性好，传质、传热性能优于固态发酵，也便于控制；但在后处理过程中，液态发酵通常需要碳酸钙[7]助滤或离心浓缩，操作复杂且有效成分易流失，而固态发酵可以直接进行干燥、粉碎，能源消耗小，但可湿润性较差。综上所诉，结合近年来工业生产的发展，采用液体深层发酵。

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第3章 物料衡算

3.1生产条件

已知发酵培养接种量为1%，发酵时间为46h，发酵罐的搅拌转速为400~600r/min，通气量为1.75L/min，发酵液密度为1000kg/m3,粘度为0.1Pa·s。年操作日300天，每升发酵液可以纯化得到Bt产品0.45kg，共需生产150个周期。水蒸气170℃，冷却水进出口温度根据实际情况确定。

3.2各设备的物料衡算

发酵罐中成分 啤酒糟1000g，，米粉15g ，豆粕180g ，KH2P03 2g 水占60% 密度为1000kg/m3

3.2.1发酵罐物料衡算

每周期发酵体积：v=9*10^3/0.45=20m3

装料系数?0?V/V0?0.6~0.75 取?0=0.7

vo?v总0.7?30m3

选用三个10m3的发酵罐，另选一个作为备用罐 发酵液 G=1000x10=10000kg

啤酒糟G1=10000x1000/2992.5=3341kg 米粉G2=10000x15/2992.5=50kg 豆粕G3=10000x180/2992.5=138kg KH2P03G4=10000x2/3000.5=6.68kg 水G水=10000x1000/3000.5=3341kg=3341L 3.2.2接种罐物料衡算

接种液为发酵液的1% 接种罐为

v1=v0x1%=0.1m3

选用三个0.1m3的接种罐罐，另选一个作为备用罐

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发酵液G10=Gx1%=100kg

1啤酒糟G1=G1x1%=33.41kg

米粉G12=G1x1%=0.5kg 豆粕G13=G2x1%=1.38kg KH2P03G14=G3x1%=0.067kg 水G水=33.41m3

表1发酵车间物料衡算表

Table 1 Material balance sheet of fermentation workshop 物料名称 接种啤酒糟 接种米粉 接种豆粕 接种KH2P03 发酵啤酒糟 发酵米粉 发酵豆粕 发酵KH2P03

单位 kg kg kg kg kg kg kg kg

发

酵

罐

年消耗/kg 5011.5 75 207 100.5 501150 7500 20700 10050

33.41 0.5 1.38 0.066 3341 50 138 6.68

发酵后液体密度变为0.072kg/m3 3.2.3过滤后的物料衡算

查的原液经过过滤后体积变为原来的45%到50%，取50%得:

v滤?v总x50%?15m3 m滤??xv滤?1.08kg

离心后的物料变化很小，故忽略 3.2.4干燥后的物料衡算

物料干燥后水量由体积60%减到4% 干燥后物料质量m=（v*40%）/16%*r

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第4章 能量衡算

4.1 热量衡算目的

热量衡算得主要目的是为了确定设备的热负荷，根据设备热负荷的大小、所处理物料的性质及工艺要求再选择传热面的型式、计算传热面积、确定设备的主要工艺尺寸。

4.2 热量衡算依据

热量衡算的主要依据是能量守恒定律，以车间物料衡算的结果为基础而进 行的,所以，车间物料衡算表是进行车间热量衡算的首要条件。 4.3 热量衡算基础数据的计算和查取

在热量衡算中，大部分物料的物性常数可通过相关的物性常数手册查取，如《化学工程师技术全书》（上、下册），《化工工艺设计手册》（第三版），《纯物质的热化学数据手册》（上、下册）。当遇到手册中数据不全的情况时，就需通过一些公式来估算这些物性常数。在本设计中涉及的物性计算有比热容、汽化热、熔融热、溶解热、浓度变化热效应、燃烧热等，以下介绍它们的计算方法。

4.3.1比热容的计算

（1）气态物质的比热容的计算

对于压强低于5×105Pa 的气体或蒸汽均可作理想气体处理，其定压比热容 为 Cp=4.187·（2n＋3）/M kJ/（kg·℃） 式中 n—化合物分子中原子个数；

M—化合物分子量。 （2）液体的比热容的计算

对于绝大多数有机化合物，其比热容可依据《化工工艺设计手册》（第三版） 查到。先根据化合物的分子结构，将各种基团结构的摩尔热容数值加和，求出摩尔热容，再由化合物的分子量换算成比热容。另外，如果作为近似计算，液体的比热容也

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可按照计算固体比热容的科普定律求取，其具体计算过程见固体的比热容计算。 (3)固体的比热容的计算

固体的比热容可应用科普定律来计算：

C=?Can/M（kj/kg·℃）

式中 Ca—元素的原子比热容kJ/kg·℃，其值见4—2；

n—固体分子中同种原子的个数； M—化合物分子量。

上述公式计算出的是20℃时的比热容，不在20℃时各化合物的比热容将与算出的比热容有出入。凡高于20℃时的化合物，比热容可根据上述公式计算所得结果再加大20～25%。

4.3.2 状态热的计算

状态热一般也称为潜热。它包括汽化热、熔融热、熔解热等，下面分别加以论述。 （1）汽化热

任何温度、压强下，化合物的汽化热均可按下式计算：

qv?(?28.5)?lg?PR?TR?TC/?0.62??1?TR???kJ/kg 式中 PR—对比压强（实际压强与临界压强之比值）；

TR—对比温度（实际温度与临界温度之比值）； TC—临界温度 K。

液体在沸点下的汽化热可按下式计算：

qvb?Tb?(39.8lgTb?0.029Tb)/MkJ/kg

式中 Tb—液体的沸点K； M—液体的分子量。 （2）熔融热

不同物质的熔融热可根据以下公式粗略求出求出，（见《化工工艺设计手册》第三版，上册第二篇P887）：

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?Hm?TmKM

式中：?Hm—熔融热，kcal/kg

M—相对分子质量

Tm—熔点，K

其中：K的取值：元素：2-3，可取2.2 无机物：5-7

有机物：10-16，可取13.5

（3）溶解热

气态溶质的溶解热可取蒸发潜热的负值；固态溶质的溶解热则近似可取其熔融热的值。

4.3.3 化学反应热的计算

为计算各种温度下的反应热，规定当反应温度为298K 及标准大气压时反应热的数值为标准反应热，习惯上用ΔH°表示，负值表示放热，正值表示吸热。这与在热量衡算中所规定的符号正好相反，为避免出错，现用符号q°r表示标准反应热，放热为正，吸热为负，则q°r=－ΔH°。标准反应热的数据可以在《化学工程手册》（第一册）或《化学工艺设计手册》（下）中查到；当缺乏数据时用标准生成热或标准燃烧热求得

4.4热量衡算

4.4.1反应过程的热量衡算 （1）酒糟原料 3341 Kg（25℃） 水：3341Kg

（2）豆粕原料138Kg（25℃） 杂质：30Kg

（3）母液 6490.45Kg（60℃） BT 0.45 Kg 酒糟3000 Kg

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豆粕130 Kg 水3300 Kg 杂质：60Kg 计算过程 (1)Q1的计算：

Q1=ΣmtCp（以0℃为基准）

Cp 的求取：（即：0℃～25℃之间的平均比热容） ABT估算为1.4476； B豆粕估算为2.7043；

C水的Cp 可查阅《化学数据速查手册》上册第70页； D杂质的Cp用以上物质的平均值估算

表2物质的Cp 值一览表 Table 2 Cp of substance list

物质 25℃

A 1.4476

B 2.7043

C 4.1828

D 2.7782

由以上计算可知：

Q1-A=3341×1.4476×25=11005.05KJ Q1-B=138×2.7043×25=9329.835KJ Q1-C=3341×4.1828×25=349368.37KJ Q1-D=30×2.7782×25=2134.005KJ 所以：Q1= Q1-A＋Q1-B＋Q1-C＋Q1-D =401932.26kJ （2）Q4的计算：

（3）Q4=ΣmtCp（以0℃为基准）

Cp 的求取：

A BT的 Cp可根据“科普法则”估算而得；

C??Can（kJ/kg?℃） M17

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=

(1.8?6?2.3?12?2.6?4)?4.18

140.18=1.455158 kJ/Kg·℃

B酒糟估算； C豆粕估算；

D水的Cp 可查阅《化学数据速查手册》上册第70页； E杂质的Cp用以上物质的平均值估算

表3物质的Cp 值一览表 Table 3 Cp of substance list

物质 温度 60℃

A BT 1.746

B 酒糟 1.737

C 豆粕 3.245

D 水 5.019

E 杂质 2.937

由以上计算可知：

Q4-A =0.45×1.7462×60=47.1473KJ Q4-B =3300×1.7371×60=343945.8KJ Q4-C =130×3.2452×60=25312.56KJ Q4-D =3300×5.0194×60=993841.2KJ Q4-E =60×2.9370×60=10537.2KJ

所以：Q4=Q4-A+ Q4-B+Q4-C+Q4-D+Q4-E =1373683.907kJ

(3)Q3的计算：

BT生物反应热查看有关资料得出为1122976.17 （4）Q5＋Q6的计算

据工艺要求，可以有：Q5＋Q6=5%～10%（Q5＋Q6＋Q4） 故取Q5＋Q6=8%（Q5＋Q6＋Q4）=119450.7739 （5）Q2的计算

∵Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5＋Q6

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∴Q2 =Q4＋Q5＋Q6－Q1－Q3

=1373683.90+119540.7739-401932.26-1122976.17 =-31.6837kJ （6）冷却剂的消耗量： W=-Q2/C(Tk-Th)

Th：冷却剂的初温为-5℃；

Tk：放出的冷却剂的末温为15℃；

C：冷却剂的比热容（-5℃与15℃之间的平均比热容），可查阅《化工工艺设计手册》第647 页

可得：2.8197KJ/kg·℃

则：w为0.56kg

所需冷冻盐水量为：0.56Kg。

4.4.2过滤和离心过程的热量衡算 浓缩液3300 Kg 乌洛托品0.45 Kg 杂质60 Kg 水3300Kg

离心和过滤后： 滤饼 2000 Kg 水3000Kg

乌洛托品0.45×99.9%=0.45 Kg 杂质200Kg

计算过程 （1）Q1的计算：

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Q1即上工段带来的Q4 （2）Q4的计算：

所以：Q1= 1373683.907

Q4=ΣmtCp（以25℃为基准） 所以： Q4=－0.2 Q1=-274736.7814kJ （3）Q3的计算：

① 化学反应热：此过程没有发生化学反应，故化学反应热为0KJ； ② 状态变化热：

结晶热：（有0.01kg 的BT结晶出来）

乌洛托品的结晶热可以近似采用其熔融热，对于有机物： Hm=Tm/M*K

根据文献记载：BT的熔点为130～134℃，用405.15K计算，系数取13.5： Hm=405.15/140.18*13.5=39.02kcal/mol=163.11kJ/mol 则结晶热为：5467*1000/140.18*(-163.11)=-6361266.73KJ 则结晶热为：【0.01X1000X（—163.11）】/140.18=-11.63 所以：Q3=11.63kJ （4）Q5＋Q6的计算

据工艺要求，可以有：Q5＋Q6=5%～10%（Q5＋Q6＋Q4）

取Q5＋Q6=8%（Q5＋Q6＋Q4）

Q5＋Q6=-23890.08kj （5）Q2的计算：

∵Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5＋Q6 ∴Q2 =Q4＋Q5＋Q6－Q1－Q3

=-274736.781+(-23890.08)-1373683.907-11.63=-1672322.128kJ （6）冷却剂的消耗量： W=-Q2/c(Tk-Th)

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Th：冷却剂的初温为-25℃； Tk：放出的冷却剂的末温为-10℃；

C：冷却剂的比热容（-15℃与-10℃之间的平均比热容）：选取25%NaCl冷冻盐水，（见《化工工艺设计手册》上册，第二篇P847

可得：C=3.3022KJ/kg·℃ 则：w=101285.3327

所需冷冻盐水量为：101285.3327Kg。 4.4.3产品干燥岗位的热量衡算

（1）滤饼：（5754.74kg）: a ：5754.74×95%=5467Kg

b杂质：10.86Kg c.水：276.88Kg

（2）水蒸汽：254.74Kg （3）粗品(0.45)： a ：0.45Kg

b杂质：0.001Kg c 水：22.14kg

表4 物质的Cp 值一览表 Table 4 Cp of substance list

物质 温度 150℃

A BT 1.7462

B 水 4.1828

C 水蒸汽 1.87

D 杂质 2.5997

注：水蒸气的定压比热,1.87kJ/kg,(查《化学工程师技术全书》第1219页); 计算过程

（1）Q1的计算（以25℃为基准）： Q1=0kJ （2）Q4的计算：

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Q4=ΣmtCp（以25℃为基准）：

Q4-A=5467×1.7462×(150-25)= 1193309.43KJ Q4-B=22.14×4.1828×(150-25) =11575.90KJ Q4-C=254.87×1.87×(150-25)= 59575.86KJ Q4-D=10.86×2.5997×(150-25)= 3529.09KJ

则：Q4= Q4-A＋Q4-B＋Q4-C＋Q4-D

=1193309.43+11575.90+59575.86+3529.09=1267990.28kJ

（3）Q3的计算：

A.此过程没有生物热，故为0KJ b.状态变化热：

汽化热：

水：qv=-2432.65kJ/Kg（查《化工工艺设计手册》第三版上册第二篇P819）

Qv=-2432.65?254.87??620009.51kJ Q3=-620009.51kJ （4）Q5＋Q6的计算

据工艺要求，可以有：Q5＋Q6=5%～10%（Q5＋Q6＋Q4）

取Q5＋Q6=8%（Q5＋Q6＋Q4） Q5+Q6=8/92Q4

=8/92*1267990.28=110260.02KJ （5）Q2的计算：

∵Q1＋Q2＋Q3 = Q4＋Q5＋Q6

∴Q2 =Q4＋Q5＋Q6－Q1－Q3

=1267990.28+110260.02-0- (-620009.51)

=1998259.81kJ

（6）水蒸气消耗量（间接加热）

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可按以下公式计算： W=Q2/（H-CT）η

式中W：蒸汽的消耗量，Kg或Kg/h；

Q2

H：蒸气的热焓：2253.02KJ/kg（查阅《化工工艺设计手册》第三版上册716页）；

T：冷凝水温度，为80℃；

η：加热效率。对保温设备可取0.97-0.98，不保温设备取0.93-0.95。 W=1998259.81/(2253.02-1.87*80)*0.95=1000.01Kg 即：所需的水蒸汽消耗量为1000.01Kg。

第5章 设备确定及选型

5.1 发酵罐的设计

5.1.1 发酵罐的尺寸设计

H/D=1.7~3，取H/D=2.0

4式中，H/D为高径比，即罐筒身高与内径之比；V0为公称容积，即筒身容积Vc加上底封V0??D2H?0.15D3

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头容积Vb之和。

2D=1.91m， 圆整D=4m， H=2D=6m 已知d/D=1/2～1/3，取d=0.4D=0.8m 已知W/D=1/8～1/12，取W=1/10D=0.2m

已知B/d=1.8～10，取B=0.9d=0.72m 圆整B=0.8m 已知S/d=1.5～2.5，取S=1.5d=1.2m

V0??D3?0.15D3=10

4式中hb为封头的直边高度，m；Vb为底封头容积，m3。D为内径，m；W为挡板宽度，m；d为搅拌器直径，m；S为两搅拌器间距；B为下搅拌器距底间距；S1为上搅拌器至液面间距。

Vb?Vb??D2hb?0.13D3（hb取25mm）

?4?22?0.025?0.13?23?1.12m3

发酵液的圆柱体积V柱=16.7/2－1.12=7.23 m3

7.23?2.3m D2??()2Sl=2.3－1.2=1.1m 假设用两层搅拌器，所以

发酵液的柱体高h=

检验：Sl/d=1.1/0.8=1.375在1~2范围内。

5.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算 已知d=0.8m，D=2m

液位高 HL=h?B=2.3+0.8=3.1m

n=180rpm=3r/s ρ=1050kg/ m3 μ=0.1Pa?s P=kn3d5ρ=4.8 ?33 ?0.85?1000?43.10kW 实际P*=f P=1.04?43.10?45.12kW 因为有两层搅拌器

P2= P*(0.4+0.6?2)=45.12? (0.4+0.6?2)=73.56 标准状况下的通气量Q0=VL?VVM=0.8?16.7/2=6.68 m3/min

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Qg= Q0(173+t/273)*0.1013/(0.1013+0.05)+0.5*1000*9.81*10^-6*H = 6.68?(273+25/273)*0.1013/(0.1013+0.05)+0.5*1000*9.81*10^-6*3.1 =4.40 m3/min

Na=Qg/nd^3=4.40/90*0.8^3=0.092>0.035

?Pg/P?0.62?1.85Na Pg=46.37?(0.62?1.85?0.092)?20.45 kW

式中，Qg为工况通气量，m3/min；d为搅拌器直径，m；n为搅拌器旋转转速，r/s；

Pg为通气搅拌功率，kW ；P为不通气搅拌功率，kW；Q0为标准状况通气量，m3/min；Na为通气准数，代表发酵罐内空气的表现流速与搅拌器叶端速度之比。

5.2 种子罐的计算

5.2.1种子罐的尺寸计算

H/D=1.7~3，取H/D=2.0 4?V0?D3?0.15D3=0.13

2D=0.4m, H=2D=0.8m

已知d/D=1/2~1/3 取d=0.4D=0.28m 圆整d=0.3 已知W/D=1/8~1/12,取W=1/10D=0.07m 圆整W=0.1m 已知B/d=0.8~1.0，取B=1.0d=0.3m

已知S/d=1.0~2.5, 取S=1.5d=0.45m 圆整S=0.5m V=3.14/4D^2h+0.13D^3（hb取25mm）

V=3.14/4*0.7*0.7*0.025+0.13*0.7^3=0.0542m3 发酵液的圆柱体积V柱=0.42－0.0542=0.37 m3

发酵液的柱体高h=V/3.14*(D/2)^2=0.37/3.14*0.35*0.35=0.96m 圆整h=1m

式中hb为封头的直边高度，m； Vb为底封头容积，m3。D为内径，m；W为挡板宽度，m；d为搅拌器直径，m；S为两搅拌器间距；B为下搅拌器距底间距；S1为上搅拌器至液面间距。

V0??D2H?0.15D3

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假设用一层搅拌器，所以S1=h=1m 检验：S1/d=1/0.3=3.3不在1~2范围内。 假设用两层搅拌器，则S1=h/2=0.5m

S1/d=0.5/0.3=1.7，在1~2范围内。 所以采用两层搅拌器。 5.2.2 种子罐轴功率计算

3 3

?种子罐单位体积轴功率P’=7~8kW/ m取P’=8kW/ m

?P种子=0.13?8?10.4kW 5.3 发酵液的贮罐计算

V=30/3=10 m3 取?0=0.75

V0?V/0.75=10/0.75=13.3m3

查化工手册取三个14 m3的贮罐 公称直径DN=1800mm，L1=3400mm 5.4过滤器的选择

dV/Dt______瞬时的过滤速度，m3滤液/s；

?p______滤液通过滤饼层及过滤介子的总压力，Pa； V______生成厚度为L的滤饼所获得滤液体积，m3；

ve______过滤介子的当量滤液体积，m3； r______滤饼的比阻，l/m2； u______滤液的粘度，Pa。S；

v______单位体积滤液所对应的滤饼体积，m3滤饼/m3滤液； A______过滤面积，m3 选择以下过滤机

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表5 板框式压滤机390型技术参数:( 压滤机390型过滤面积1m2-3m2)

Table 5 frame filter press type 390 technical parameters: (390 type filter press filtration area 1m2-3m2)

过 滤 面 积 m2

滤 饼 厚 度 mm

过 滤 压 力

长 (MP

长L1 宽B

L a)

地脚中心

mm 外形尺寸mm

质 备

量 注

宽 K

高 H

型 号

滤 板 规 格 mm 滤

容 板

数

积 量

m3 (块)

BMSAQS/390 -25U

1 390 4 13

2 × 25 9 25 0.6 3 390 14 38 有不

650 1000100330

150 2000 锈钢 0 0

材质

经计算得dv/dt?2.5m3/h

0根据v0为14m3 v总?v0x3?52m3

0v总 t??20.8h?48h（48h为一周期）dv dt故选择板框式压滤机390型

5.5离心机的选择

过滤后，除去大固体杂质后体积变为原来的45%~50%，按最大计算取50%，即

0V滤?V总x50%?26m3 v速= V滤/48?0.54m3/h

根据离心沉降速度公式v速

dp______滤液悬浮圆形颗粒直径m；

2drdp(?p??)2?r?dt18??p______滤液悬浮圆形颗粒密度kg/m3；

?______离心机中液体的密度kg/m3； u______液体的黏度Pa。S； r______颗粒到旋转轴中心的距离m；

?______离心机角速度rad/s；

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计算得r?2

查找工具书符合标准的选取为Lw系列卧式螺旋卸料沉降离心机

表6 Lw系列卧式螺旋卸料沉降离心机

Table 6 Lw horizontal screw discharge sedimentation centrifuge

型号

转鼓形式

转鼓长度（mm）

转鼓长径比

转鼓最高转速（r/min）

LW355

逆流式

860-14

2.42-4

3500

2500 最高分利因素

混合液处理量（m3/h） 2-8

18.5+8

1800-2

机电功

主机重

率（kw） 量（kg）

5.6干燥器的选择

处理物料量为800kg/h。物料干燥后水量由60%减到4%。干燥介质为空气，初温150c，相对湿度50%，经预热器加热至1200c进入干燥器，出来温度为450c，相对湿度80% (1)水分蒸发量W

L1=800kg/h，w1?0.6,w2?0.04则

Lc?L1w(1?w1)?320kg/h

X1?1?1.51?w1

w2X2??0.0421?w2

W?Lc(X1?X2)?466.56

(2)空气消耗量

查的空气t0?150c,?0?50%湿度H0?0.005kg水/h。空气t2?450c,??80%湿度为

H2?0.052kg水/kg干气

干空气消耗量

W?8573kg干气/hH2?H0200c,101.325kPa下湿空气比体积为

（3）风量qv

G?vH?(0.774?1.244H)

T101.33X?0.836m3/kg干气273pqv?GvH?7167m3/h 用此风量选用干燥机

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表7 干燥机参数 Table 7 dryer parameters

行业

型CT

2300×

RXH-41-C

-C

300 -2000

Ⅲ

1.45 54

80 10350 +-2 144

3220×

6

每次

配用

耗

散

风量

上

配用

外形尺寸

配套烘

5.7其它设备的选择

离心泵的选择 根据输送系统的流量与压头选择：

表8 ISG型系列立式离心泵 Table 8 ISG series vertical centrifugal pump 编号 型号 流量流量 扬程 效率 (%) 转速 (r/min) 电机功率 (kw) 0.75 汽蚀余量 (m) 2.5 (m3/h) (L/S) (m) 1005 25-125 2.8 0.78 20.6 28 2900 然后根究成产安装具体确定个数管道的选择 在具体生产中按流量的具体情况决

第6章 结论

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苏云金杆菌[19]制剂作为微生物农药，要取代化学农药，除了依靠人们生态意识的提高，更要从技术上达到高效价、低成本、规模化，从选育菌种、降低培养基成本、提高发酵控制水平、减少后处理过程中毒效损失等各环节优化.在发酵及后处理过程中，液态发酵和固态发酵存在各自的优势和缺点. 液态发酵的流动性好，有利于传质、传热和控制，但液态深层发酵在溶氧技术和设备方面还有改善的潜力，气升式反应器有望用于苏云金杆菌大规模液态深层发酵. 除培养基成本外，发酵液的后处理是制约苏云金杆菌液态发酵生产的重要因素之一. 常用的工艺是吸附-压滤法，加入大量碳酸钙作为吸附助滤的载体，占产品质量的80%~90%，造成产品效价低、体积大. 还可采用离心、沉淀的方法，但离心工艺需投资高转速的离心设备，且上清液流失了很多有效成份，要求回收. 沉淀法简单，但回收效果差，污染环境. 加强发酵液后处理研究，提高有效成份回收率对液态深层发酵具有重要意义.同液态深层发酵相比，苏云金杆菌固态发酵以麸皮等为载体，发酵后可直接进行干燥、粉碎，步骤简单. 固态发酵在后处理过程中节省了能源，但产品存在湿润性能较差的问题. 国内大部分厂家使用麸皮为主原料，麸皮既是碳源，也是发酵载体，但麸皮粘度大，不利于通风散热，且亲水性差，导致有的产品湿润时间高达十几分钟，达不到三分钟以下的部颁标准. 需要寻找新的、廉价的、营养源丰富、通气好、湿润性能强的原料和载体，或选择合适的表面活性剂处理产品，以使在不影响[9]发酵水平和毒力效价的情况下缩短湿润时间. 苏云金杆菌固态发酵的发酵工艺和设备目前普遍的状况是生产规模小、设备简陋、劳动强度大，由于人工操作造成产品质量不稳定，发酵过程产生的热量不能及时排出而影响了菌体生长和伴孢晶体的形成[10] . 固态发酵正在逐步从浅盘发酵向深层发酵发展，从浅盘式半开放式发酵逐步发展成为全封闭、全自动固态发酵，生产过程逐渐实现计算机在线控制，有效地解决了固态发酵过程中的供氧、散热、湿度调节、防止污染等问题. 在物料准备、蒸料、接种、发酵及干燥等方面，采用连续蒸料、接种，使用洁净封闭式固态发酵设备，发酵、烘干过程在同一设备中顺序完成，形成完整的自动化生产流水线，可以大改善生产环境，消除人为因素对产品质量的影响，提高产品毒力效价.苏云金芽孢杆菌液态发酵与固态发酵各有优

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点，应因地制宜地选择生产方式. 预计在今后一定时期内，苏云金杆菌的液态发酵与固态发酵将共存.

参考文献

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控制鞘翅目害虫的研究现状[J].武夷科

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附录

附录一 生产原料 物质名称 啤酒糟

外观 浅黄色至深黄色

其他性质

啤酒糟主要由麦芽的皮壳、叶芽、不溶性蛋白质、半纤维素、脂肪、灰分及少量未分解的淀粉和未洗出的可溶性浸出物组成。

米粉

浅黄色至深黄色粉末，无虫蛀、无米粉，是指以大米为原料，经浸泡、

霉变

豆粕

蒸煮、压条等工序制成的条状、

丝状米制品

豆粕一般呈不规则碎片状，颜色为豆粕的主要成分为：蛋白质40%～浅黄色至浅褐色，味道具有烤大豆48%，赖氨酸2.5%～3.0%，色氨酸香味

0.6%～0.7%，蛋氨酸0.5%～0.7%

KH2P03 深紫色或古铜色结晶。无臭。味甜溶于14.2份冷水、3.5份沸水。相

而涩

对密度2.703

附录二 设备一览表

主要设备一览表

设备名称 发酵罐 种子罐 储罐 过滤器 离心机 干燥机 离心泵 搅拌槽

参数 4000nmx8000nm 40nmx80nm 1800nmx3400nm 390nm×390nm v=13m3

WG=3500r/min 2300nm×3220nm×2000nm

R=2900r/min WG=1500r/min

台数 3 3 4 1 1 1 10台以上

3

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致 谢

通过努力这次设计顺利完成了，并最终定稿，看着自己的劳动结晶，内心充满了感激。在此，向我的指导老师韩秋菊老师表示最衷心的感谢！在此谨表示诚挚的谢意！在完成设计的过程中，我们专业的同学之间互相讨论，互相帮助，我真心感谢全专业同学的支持与帮助！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/vje8.html