发酵工厂设计计算题详解

第一章测试1【推断题】(2 分)发酵工厂设计是一门综合性、实践性很强的专业课，是在学生入学就开头的课程。

A.对B.错2【单项选择题】(2 分)发酵工厂设计培育的根本功中要求最高的哪个？A.表达B.计算C.绘图D.表格3【推断题】(2 分)小试工艺也要与工厂设计相结合。

A.错B.对4【多项选择题】(2 分)学习工厂设计可以帮助学生胜任哪些生产岗位？A.岗位操作能手B.工程研发人员C.车间治理人员D.技术骨干5【推断题】(2 分)工厂设计既有总体设计又有局部设计A.对B.错6【多项选择题】(2 分)以下哪些专业是工厂局部设计的范围？A.技术经济B.土建C.给排水D.自控E.工艺7【多项选择题】(2 分)专业设计单位进展工厂设计的任务有哪些？A.编制设计文件B.工程立项审批C.协作施工验收D.工程设计总结8【多项选择题】(2 分)评判一个生产工艺先进性要看这几个方面？A.先进性B.经济合理性C.简洁性D.安全牢靠性9【单项选择题】(2 分)以下哪一项不能做为工厂设计的依据A.可行性报告B.设计单位的人数C.总工的技术打算D.试验争论报告10【推断题】(2 分)设计的安全性和牢靠性是设计工作的第一要务，是设计人员进展生物工程工程设计的动身点和落脚点。

A.对B.错其次章测试1【单项选择题】(2 分)根本建设程序是指根本建设工程在整个建设过程中各项工作必需遵守的什么？A.先后挨次B.分类程序C.级别D.道德标准2【推断题】(2 分)建设前期完全是工程申报阶段的工作A.对B.错3【多项选择题】(2 分)工程申报阶段要完成以下哪些工作A.环境评价B.厂址选择C.能源评价D.地质勘探E.安全评价F.可行行争论4【单项选择题】(2 分)以下哪一项工作不属于筹建单位的工作范围？A.设备材料订货B.人员培训C.征地D.修改设计图纸5【多项选择题】(2 分)工程申报书中资源利用和能源耗用耗用分析包括哪些内容？A.工程产品质量要求B.原材料来源、数量C.节能节水措施D.煤、电、气、汽、油的用量6【推断题】(2 分)可行性争论的意义在于避开和削减建设工程决策的失误，提高建设投资的综合效益。

摘要黄原胶是由甘蓝黑腐黄单胞菌利用碳水化合物产生的一种胞外杂多糖，它具有良好的水溶性、增粘性、假塑性和耐酸碱、耐盐及耐酶解的能力，被广泛应用于食品、石油、印染、纺织等领域。

此次毕业设计的题目是年产1000 吨黄原胶发酵工厂设计。

为满足生产任务的要求，通过查阅相关的文献书籍，收集黄原胶发酵生产资料，从而设计出经济合理的黄原胶发酵生产路线。

随后对工艺流程中所涉及的物料和热量等进行了衡算，同时完成了对主要生产设备和辅助设备的合理选型。

另外，绘制出厂区总平面布置图、发酵车间的平面布置图、发酵车间立体布置图、全厂的工艺流程图、发酵罐的结构图和精馏塔的结构图。

关键词：年产1000吨黄原胶；发酵；工厂设计AbstractXanthan gum is an anionic extracellular heteropolysaccharide produced by the bacterium Xanthomonas campestris XUB-11.It has good water solubility and viscosity, plasticity and increasing resistance to acid and alkali, salt and enzyme-resistant ability.Xanthan gum is widely used in petroleum, printing and dyeing, food, textile and other fields.The topic of this graduation project is an annual output of 1000 tons of xanthan gum fermentation plant design. To meet the requirements of production task, by reviewing some relevant articles and books, collecting the fermentation production of xanthan gum, thus scheme out the economic rationality of xanthan gum fermentation route. Subsequently to compute material and heat balance involved in the technological process ,and complete a reasonable selection of main production equipment and auxiliary equipment. In addition, draw the layout of the factory, chief fermentation workshop, floor plan, three-dimensional layout of the fermentation plant, whole plant process flow diagram, structure diagram of the fermentation tanks and distillation column chart.Keywords:an annual output of 1000 tons of xanthan gum; fermentation; plant design目录摘要 (I)Abstract (II)第一章绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 黄原胶的结构特性 (1)1.3 黄原胶的物化性质 (2)1.4 黄原胶的生产制备 (4)1.4.1菌种 (4)1.4.2培养基 (4)1.4.3发酵工艺 (5)1.4.4提取工艺 (7)1.5 黄原胶的应用 (9)1.6 国内外黄原胶的发展研究现状及生产消费状况 (10)第二章工艺计算 (12)2.1 物料衡算 (12)2.1.1总物料衡算 (12)2.1.2发酵物料衡算 (13)2.1.3酒精沉淀分离物料衡算： (14)2.1.4干燥和破碎物料衡算 (15)2.1.5酒精回收车间物料衡算 (15)2.2 热量衡算 (16)2.2.1发酵车间热量衡算 (17)2.2.2干燥过程热量衡算 (19)2.2.3回收过程热量衡算 (19)2.3 发酵车间无菌空气耗量的计算 (20)2.3.1发酵罐的个数确定 (20)2.3.2发酵无菌空气耗量 (21)2.3.3种子培养等其他无菌空气耗量 (21)2.3.4发酵车间高峰无菌空气消耗量 (21)2.3.5发酵车间无菌空气年耗量 (21)2.3.6发酵车间无菌空气单耗 (22)第三章设备的工艺设计及设备选型 (23)3.1 概述 (23)3.1.1设备工艺设计及选型的意义 (23)3.1.2设备工艺设计及选型的原则 (23)3.1.3设备工艺设计及设备选型的依据 (23)3.2 发酵车间 (24)3.2.1发酵罐的选型 (24)3.2.2生产能力、数量和容积的的确定 (24)3.2.3发酵罐个数的确定 (25)3.2.4主要尺寸的计算 (25)3.2.5冷却面积的计算 (25)3.2.6搅拌器设计 (26)3.2.7搅拌轴功率的计算 (27)3.3 酒精回收车间 (29)3.3.1塔板数的确定 (29)3.3.2塔径的计算 (31)3.4 换热器的计算 (32)3.4.1冷却面积的计算 (32)3.4.2最高热负荷下的耗水量 (33)3.4.3冷却管组数和管径 (34)3.4.4冷却管总长度计算 (34)3.5 设备材料的选择 (35)3.5.1发酵罐壁厚的计算 (36)3.5.2种子罐 (38)3.6 空气分过滤器 (46)3.6.1种子罐分过滤器 (46)3.6.2发酵罐分过滤器 (47)3.7 板框过滤设备计算 (48)3.8 流化床干燥器的计算 (49)3.8.1临界流化速度 (49)3.8.2操作流化速度 (50)3.8.3流化床几何尺寸 (51)3.8.4物料在干燥器内停留时间 (52)第四章厂址选择及车间布置设计 (54)4.1厂址选择 (54)4.1.1厂址选择的一般性原则 (54)4.1.2从投资和经济效益方面考虑厂址选择 (54)4.1.3厂址的选择依据 (54)4.2 总平面布置设计 (55)4.2.1工厂总平面布置设计原则 (55)4.3车间布置 (56)4.3.1车间布置的基本原则和要求 (56)4.3.2年产1000吨黄原胶工厂的车间布置 (57)第五章发酵工厂配套工程 (58)5.1 黄原胶发酵有机废水的处理 (58)5.2 黄原胶发酵废气的处理 (58)5.3 黄原胶发酵废渣的处理 (59)5.4 黄原胶发酵工厂供电系统 (59)5.5 黄原胶发酵工厂给排水工程 (59)第六章设计结果及总结 (60)参考文献 (62)致谢 (64)附录 (64)第一章 绪论1.1 引言许多微生物都分泌胞外多糖,它们或附着在细胞表面,或以不定型粘质的形式存在于胞外介质中,这些胞外多糖对于生物体间信号传递、分子识别、保护己体免受攻击、构造舒适的体外环境等方面都发挥着重要的作用。

发酵工艺与设备第十五章发酵工厂工艺计算15.1 物料平衡计算15.2 热量平衡计算15.3 水平衡计算15.4 耗冷量计算15.5 无菌压缩空气消耗量计算15.6 抽真空量计算15.3水平衡计算一. 水平衡的意义、方法和步骤1、水平衡的意义■反应需要水发酵过程中，水是不可缺少的原料生物化学反应，微生物或酶作催化剂催化反应一般都是以水作为介质进行缺水，酶无法被激活，微生物无法生长■培养基需要水以糖为碳源，培养基中含80%的水微生物才能进行生长、繁殖和代谢原料处理、培养基制备、加热和冷却、设备清洗比如，生产1吨酒精，用水量在80吨；生产1吨啤酒，用水量在10吨（不包括麦芽生产）；■有关操作中加水必须严格控制原料的蒸煮、糖化和发酵过程有最佳的原料、基质浓度范围必须严格控制加水量如用糖蜜生产酒精，流加培养基中含糖17~20%生产效率和糖酒转化率较高■是发酵生产过程中的一个重要的设计步骤与下列因素密切相关：物料平衡计算和热量平衡计算设备的计算和选型产品成本、技术经济■与废液排放量密切相关2、水平衡的方法和步骤水平衡与热量平衡同时进行方法和步骤与物料平衡相似■基本依据▲遵守质量守恒定律：即进入系统（设备）操作的全部水质量等于操作后离开该系统（设备）的全部水质量和损失的水之和；▲热量衡算（平衡）；■方法和步骤（1）明确计算的目的和要求明确水平衡的目的和要求确定采取何种计算方法计算项目要全面、细致为后一步设备设计提高可靠依据（2）绘出水衡算的流程示意图使研究对象形象化和具体化使计算目的正确、明了利用框图和线条来表示研究的系统图形表达要简单、明了代表取得内容要详细、准确标出主要物料（原料或主产品）和辅助物料（辅助原料或副产品）需标明各物料的流量、组成、温度和压力等参数不得遗漏，必须反复核对（3）写出生物反应方程式根据发酵工艺过程发生的生物反应写出主反应和副反应的方程式；对复杂的反应过程：可写出反应过程通式和反应物组成忽略次要的所占比重很少的副反应；（4）收集设计数据和有关的物化常数数据资料包括：生产规模，年生产天数，原料、辅料和产品的规格、组成及质量等物化常数包括：密度、比热容等可在化工、生化设计手册中查到；（5）确定工艺指标和消耗定额工艺指标、原材料消耗定额和经验数据根据所用的生产方法、工艺流程和设备参考同类型生产工厂的实绩水平来确定必须是先进和可行的是衡量企业设计水平高低的标志；（6）选定计算基准计算基准是工艺计算的出发点选得正确，才能使计算结果正确，可使结果大为简化应根据生产过程的特点，选用统一的标准常用的标准：A、单位时间产品量或单位时间原料量适应于连续操作过程及设备的计算如酒精工厂的设计，以每小时消耗的原料量或每小时生产的酒精量为计算基准B、单位重量、单位体积或单位摩尔数的产品或原料对固体或液体，常用单位质量（t或Kg）对气体，常用单位体积（L，m3）或单位摩尔数（mol、Kmol）对热量，一般用焦耳（J，KJ）如啤酒工厂设计：可以100Kg原料为基准或以100L啤酒为基准进行计算；C、以加入设备的一次物料为基准计算如啤酒、味精、酶制剂、柠檬酸生产可以投入发酵罐的每批次物料量为基准；上述B和C类基准常用于间隙操作过程及设备的计算（7）由已知数据，可进行水平衡计算（8）校核与整理计算结果对主要计算结果必须进行校核确保计算结果准确无误一旦发现差错，立即更正以免导致大量返工重算，甚至延误设计进程。

发酵工厂设备与设计1．实罐灭菌定义、操作过程、判断标准、灭菌热量计算例3-1 P4：定义：将培养基配置在发酵罐里，用饱和蒸汽直接加热，已达到预定灭菌温度并保温维持一段时间，然后再冷却到发酵温度，这种灭菌过程成为培养基实罐灭菌。

P5：操作过程：1、把配置好的培养基泵入发酵罐内，密闭发酵罐后，开动搅拌2、稍开阀门15和阀门9，引入蒸汽进夹套预热培养基至75-90度，保持夹套压强表的表压50-100kpa3、培养基预热到75-90度后，开阀门1和稍开阀门4，排尽蒸汽管道中的冷凝水后，再开阀门2，从空气管道引入蒸汽进发酵罐。

关阀门15，并停止搅拌。

4、开阀门5，稍开阀门7，排尽蒸汽管道里的冷凝水后，开阀门6，从取样管道引入蒸汽进发酵罐5、开阀门13，稍开阀门11，排尽蒸汽管道里冷凝水后，开阀门10，由出料管引入蒸汽进发酵罐。

6、分别稍开阀门16、阀门17、阀门18，派出活蒸汽，调节进气阀门和排气阀门的开度使罐压保持在表压105kpa，温度恒定在121度，维持20-25min7、完成保温时间后，关一路排汽，再关一路进汽（次序不能颠倒），最后三路排汽与三路进汽全部关闭8、开阀门3和阀门2引入无菌空气。

9、开阀门8，关阀门9，开阀门14，夹套引入冷却水，开搅拌，冷却降温到发酵工艺要求的温度。

特别要注意，无菌空气未被引入发酵罐之前不能开夹套冷却水冷却培养基，不然易发生发酵罐的罐压跌零，罐体被吸瘪，这是不锈钢夹套发酵罐在实罐灭菌操作中常会发生的事故P5：判断标准：培养基灭菌后达到无菌要求；营养成分破坏少；灭菌后培养基体积与计料体积相符；泡沫要少。

P7-9：灭菌过程热量计算：①间接加热所需时间：t=G c/K A*ln[(t s-t1)/(t s-t2)]t为间接加热所需时间，h；G为培养基质量，kg；c为培养基的比热容，KJ/（kg·℃）；K为加热过程中平均传热系数，kg/(cm2·h·℃)间接加热蒸汽消耗量：S=G c(t2-t1)(1+η)/r②直接加热蒸汽消耗量：S=G c(t2-t1)(1+η)/(i-C s t2)保温阶段蒸汽消耗量：S=1.19Ft(p/V)0.5冷却阶段：冷却时间t=GC1/WC2*A/(A-1)*ln[(t1s-t2s)/(t1f-t2s)]冷却水用量A=e KF/WC2=(t1-t2s)/(t1-t2)2.连续灭菌优点，流程设备，喷热加热器工作原理，维持管操作特点，冷却设备类型P10：优点：①采用高温，快速灭菌，物料受热时间短，营养成分破坏少，培养基连消后质量好，发酵单位高；②发酵罐的利用率高；③蒸汽负荷均衡，锅炉利用高；④适宜采用自动控制；⑤降低劳动强度。

发酵罐的工艺尺寸常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸已标准化设计。

其几何尺寸比例如下：H0/D=1.7～3.5 H/D=2～5 d/D=1/3～1/2 W/D=1/12～1/8B/D=0.8～1.0 h/D=1/4 单位全部为m发酵罐大小用公称体积表示，V0=∏D2×H/4+0.15D3其中：H0-发酵罐圆柱形筒身高度D-发酵罐内径H-罐顶到罐底的高度D-搅拌器直径W-挡板宽度B-下搅拌器距罐底的距离S-搅拌器间距h-底封头或顶封头高度香菇多糖包括胞内与胞外多糖，以每100ml发酵液中菌丝体干重2.5克计，则每100ml发酵液中粗多糖总量为52.2mg即0.522kg/m3 。

按标准曲线绘制方法，依据粗多糖在蒸馏水中的吸光度可知，其纯多糖含量为80.96％，最终纯化产品纯度96％。

年生产香菇多糖1吨，年生产日300天，发酵周期为96h,清理及维修发酵罐的总时间为1天，则总的发酵时间为5天，装料系数为70%。

一年需放罐的次数：300/5=60次所需发酵罐体积：1000/60/0.522/70％/80.96％×96％=54.09m3所以选用V=10m3发酵罐，则需6个。

发酵罐中，高径比为1.74，取H/D=2.5；搅拌器直径为1/3直径；取d/D=1/3；档板为0.1倍直径，取d1/D=0.1；下部搅拌器到底部距离为：B/D=1；S/D=2.5；W/D=1/8由公式V全=πD2[H+2(hb+D/6)]/4，H=2D， hb可忽略， V全=10m3，代入得2.224D3=10，得出：D=1.65mH=2×1.7=3.4md=1.65/3=0.55md1=0.1×1.7=0.17mW=1.7/8=0.2125mB=D=1.65S=2×1.65/3=1.1mh=D/4=0.4125液面高度=0.7×（H+h）=2.66875m本发酵过程中选用机械搅拌式发酵罐，国内普遍采用六弯叶或六箭叶圆盘涡轮式，本设计中因罐小要求加强轴向混合，故选用六箭叶圆盘涡轮式。

例16-1某厂在1OOL机械搅拌发酵罐中进行淀粉酶生产试验，所用的菌种为枯草杆•获得良好的发酵效果-拟放大至20m a生产罐°此发酵液为牛顿型流体宁黏度10_^P« * s ,密度—lOSOkg/ni3^试验罐的尺寸为：直径D=375mm -搅拌叶轮D t—125mm ,高径比4f/D = 2・液fM H K=1-5JD, 4块挡板的W/D = O.1装液量为60人，通气速率1. OVVm ,使用两挡圆盘六直叶涡轮搅拌器.转速co=350r/min o通过实验研究*证明此发酵为高耗氧的生物反应.故可按体税溶氧系数相等之原则进行放大。

计算试验罐的爲值:先求搅拌雷诺准数'<350/60)(0. 125)^ X 10202・ 25 X 10~3=4・ 13 X 10"故发酵系统属充分湍流*功率系数0＜故两组叶轮的不逋气时搅拌功率为: 尸。

=2N^p^= 2 X 6 X (需「X 1Q20 X 0. 1255=74- 1(W) = 0, 0741(kW)通气搅拌功率为(按式l-6-31a计算)P严2. 25 X 10一叹厂汕II2. 25 X 10-* g. 074卩X 35。

尤12・5凡60000°' oa=6 0395(kW)从而可算出溶氧系数，虽=C2・ 36 + 3- 3 X 2)0八，W®" X 10~p8- 96(0. 0395/0・06)^^ X 54・ 30*7 X 350°7X 10_,7・ 01 X 10-6 Cmol O2/ (mK • min * a/tm〉(pq)J其中，空截闻气速为二X 37- 5Z| = 54” 3(cm/min)=60 X 1000/(2)按几何相似原则确定20n?生产罐的尺寸：据题设儿何尺寸比例.放大罐与小罐相同，则有H ⑴=2亠 = = 1尽而有效装料体积仍取60%＜由此可得’V L = 20 X 60% = ^D 2X 1. 5D4口『得 D2. 1 / m > H = 2- 4 D 5・ 20m ，D = D/3 = 0•了2m,L 5 D = 3・26m这就是按几何相似原则计算求得的2Q*1生产罐的尺寸。

1、简述新建工厂的基本建设阶段（程序）及其内容。

答：按项目的内在联系和发展过程，建设程序一般包括：（1）、建设前期的工作程序，其主要内容有项目申请阶段和初步设计阶段等；（2）、建设期的工作程序，主要包括开工建设、单项工程验收、试生产、主管部门验收和移交生产等；（3）、交付使用期的工作程序，主要内容是设计单位进行回访总结、资料存档等工作。

2、简述项目建议书的任务、意义和主要内容。

答：任务：项目建议书是设计工作的前奏，其任务是向国家、省、市有关主管部门直接申请工程项目，以期批准立项，进行厂址选择调研工作及可行性研究工作。

意义：对于大、中型工程项目国家有严格的管理规定，需要按程序报国家有关部门批准。

对于小型工程项目，项目建议书由主管部门批准，可按明确的设计方案，直接进行施工图设计，使设计程序得以简化。

内容：1、投资项目提出的必要性；2产品方案、拟建规模和建设地点的初步设想；3、资源情况、建设条件、协作关系的初步分析；4、投资估算和资金筹措设想；5、项目大体进度安排；6、经济效益和社会效益的初步评价。

3、简述可行性研究的任务、意义和主要内容。

答：任务：根据三级经济规划(包括国家、地区与行业的)要求，或根据市场经济的要求，对拟建(扩、改建)工程项目的技术性、经济性和工程实施性，进行全面调查、预测、分析和论证，做出是否合理可行的科学评价，最后，写出可行性研究报告，为对项目做出决策提供可靠依据。

意义：可行性研究实质是对投建的工程项目，进行全面的技术经济分析，从而避免和减少建设项目决策的失误，提高建设投资的综合效益，是决定项目投资命运的关键。

如果没有可行性研究，或者有研究但不深入、分析预测不准确、经济评价不科学，都会对项目的投资与投产带来难以弥补的经济损失。

内容：1、总论2、根据经济预测、市场预测确定项目建设的规模和产品方案3、资源、原材料、动力、运输、供水等配套条件及公用设施的落实情况4、建厂条件、厂址选择方案及总图布置方案5、工艺技术、主要设备选型、建设标准及相应的技术经济指标6、主要单项项目、公用辅助设备、总体布置方案和土建工程量估计7、环境保护、安全生产、劳动卫生、消防、GMP等要求和采取的相应措施方案8、企业组织、劳动定员和人员培训设想9、建设工期和实施进度10、投资估算和资金筹措11、经济效益和社会效益评价12、结论4、简述发酵工厂的组成及厂区划分的基本方法。