年产1000吨Bt的车间工艺发酵设计

学号：02207008

2011届本科生毕业论文（设计）

题 目：年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车

间工艺设计

学院(系)： 植保学院 专业年级： 制药071 学生姓名： 白威 指导教师： 陈光友 讲师 合作指导教师： 无 完成日期： 2011.05.27

目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I 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 .......................................................................................................... 1 1.2.3苏云金芽孢杆菌鉴定与分类 .............................................................................................. 2 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 ...................................................................................................... 3 1.3设计方案 .......................................................................................................................................... 4

1.3.1产品方案 .............................................................................................................................. 4 1.3.2选址 ...................................................................................................................................... 5 1.3.3车间生产过程设计 .............................................................................................................. 5

第2章 工艺流程确定与论证 .................................................................................................. 6

2.1工艺流程确定 .................................................................................................................................. 6

2.1.1苏云金芽孢杆菌液体深层发酵 .......................................................................................... 6 2.2.2苏云金芽孢杆菌固态发酵 .................................................................................................. 7 2.2.3小结 ...................................................................................................................................... 8

第3章 物料衡算 ...................................................................................................................... 9

3.1生产条件 .......................................................................................................................................... 9 3.2各设备的物料衡算 .......................................................................................................................... 9

3.2.1发酵罐物料衡算 .................................................................................................................. 9 3.2.2接种罐物料衡算 ................................................................................................................ 10 3.2.3过滤后的物料横算 ............................................................................................................ 11 3.2.4干燥后的物料衡算 ............................................................................................................ 12

第4章 能量衡算 ..................................................................................................................... 13

4.3 热量衡算基础数据的计算和查取 ............................................................................................... 14

4.3.1比热容的计算 ...................................................................................................................... 14 4.3.2 状态热的计算 ..................................................................................................................... 15 4.3.3 化学反应热的计算 ............................................................................................................. 15 4.4热量衡算 ........................................................................................................................................ 17

4.4.1反应过程的热量衡算 .......................................................................................................... 17 4.4.2过滤和离心过程的热量衡算 .............................................................................................. 19 4.4.3产品干燥岗位的热量衡算 .................................................................................................. 21

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 ........................................................................................................... 23 5.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算 ............................................................................................... 23 5.2 种子罐的计算 ............................................................................................................................... 24

5.2.1种子罐的尺寸计算 ............................................................................................................ 24

5.2.2 种子罐轴功率计算 ........................................................................................................... 25 5.3 发酵液的贮罐计算 ....................................................................................................................... 25 5.4过滤器的选择 ................................................................................................................................ 25 5.5离心机的选择 ................................................................................................................................ 26 5.6干燥机的选择..................................................................................................................................27 5.7其它设备的选择.............................................................................................................................28

第6章 工艺存在的问题及展望 ............................................................................................ 29 参考文献 .................................................................................................................................. 30 附录 .......................................................................................................................................... 33

附录一 生产原料 ................................................................ 33 附录二 设备一览表 .............................................................. 33 附录三 工艺流程图 .............................................................. 34 附录四 设备布局图 .............................................................. 35

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

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

设计者：白威 指导老师：陈光友 讲师

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。1956 年前苏联发表了用液体培养基摇瓶培养苏云金杆菌并用于防治菜青虫的报道，从而揭开了苏云金杆菌大规模培养的序幕. 中国从上世纪60 年代也同苏云金杆菌有关的研究，特别是有关分子生物学方面的研究正在持续展开，开始了规模化生产.

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，最终我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

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. 1956 years ago the Soviet Union issued a shake flask with liquid medium and Bacillus thuringiensis for the control of Pieris reports, thus opening a large-scale cultivation of Bacillus thuringiensis prelude. China 60 years from the last century, also with Bacillus thuringiensis Bacteria-related research, particularly in molecular biology research is being continued to expand, and began large-scale production.

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

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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酵

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

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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，Kang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。Zhou等通过控制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

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，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

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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，我采用液体深层发酵。

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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

9x103 每周期发酵体积：v总?=20m3

0.45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

1000啤酒糟G1=10000x=3341kg

2992.515米粉G2=10000x=50kg

2992.5180豆粕G3=10000x=138kg

2992.52KH2P03G4=10000x=6.68kg

2992.51000水G水=10000x=3341kg=3341L

2992.59

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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

发酵液G10=Gx1%=100kg 啤酒糟G11=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

单位 发酵罐

10000g发酵液/期

kg 33.41 kg 0.5 kg 1.38 kg 0.066 kg 3341 kg 50 kg 138 kg 6.68 发酵车间物料衡算表

发酵后液体密度变为0.072kg/m3

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物料名称 年消耗/kg

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 5011.5 75 207 100.5 501150 7500 20700 10050

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3.2.3过滤后的物料横算

图3

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

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3.2.4干燥后的物料衡算

图4

物料干燥后水量由体积60%减到4% 干燥后物料质量 m剩?

v总x40%x?密?0.45kg 96%

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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。 设备的热量平衡方程式

对于有传热要求的设备，其热量平衡方程式为：

Q1＋Q2＋Q3=Q4＋Q5＋Q6

式中 Q1—物料带入到设备的热量kJ；

Q2—加热剂或冷却剂传给设备和所处理物料的热量kJ； Q3—过程热效应kJ；

Q4—物料离开设备所带走的热量kJ； Q5—加热或冷却设备所消耗的热量kJ； Q6—设备向环境散失的热量kJ。 （1）Q1与Q4

Q1与Q4均可用下式计算： Q1（Q4）=ΣmtCp kJ

式中 m—输入（或输出）设备的物料量kg；

Cp—物料的平均比热容kJ/kg·℃； t—物料的温度℃。

该式的计算基准是标准状态，即0℃及1.013×105Pa 为计算基准。因为物料的比热容是温度的函数，上式中物料的比热容是指进、出口物料的定压平均比热容，对于进口物料取基准温度与物料进口温度的平均温度下的比热容；对于出口物料取基准温度与物料出口温度的平均温度下的比热容。对于不同物料的比热容可查《化学工程手册》（第1 册）或《化学工艺设计手册》（下），若查不到，各种估算方法求出相应温度下的比热容值。

（2）过程热效应Q3

化学过程的热效应包括化学反应热与状态变化热。纯物理过程只产生状态变化热；而对于化学反应过程，在产生化学反应的同时，往往还伴有状态变化热。在热量衡算中，过程热效应Q3的符号为：放热为正；吸热为负。

（3）Q5与Q6的确定

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根据工艺操作经验，（Q5＋Q6）一般为（Q4＋Q5＋Q6）的5%～10%，只要计算出Q4，就可以确定（Q5＋Q6），从而计算出Q2。

（4）Q2的计算

由以上计算过程得到Q1、Q3、Q4、Q5、Q6后，根据热量平衡方程式求出设备 的热负荷Q2。Q2正值表示需对设备加热；负值表示需冷却。 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：

?Can C?（kJ/kg?℃）M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%。

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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）：

?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，

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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。

（1）用标准生成热求q°r，其公式为

qr???vqf?kJ/mol式中 v—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正；

qf??标准生成热 kJ/mol。（2）用标准燃烧热求q°r，其公式为

?qr???vqckJ/mol式中 ν—反应方程中各物质的化学计量数，反应物为负、生成物为正；

?qc?标准燃烧热 kJ/mol。

（3）标准燃烧热的计算

理查德认为：有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需的氧原子数成直线关系。即：Richard认为：有机化合物的燃烧热与完全燃烧该有机化合物所需的氧原子数成直线关系。即：

?qc? ?a＋x?b(kcal/mol)

式中 a、b—常数，与化合物结构相关，其值见《化工工艺设计手册》（上册第二篇P884-888表21-119）；

X—化合物完全燃烧时所需的氧原子数

?(4)q?f与qc的换算，有盖斯定律可得： ?qc?qf?? ?nq?ce(kJ/mol)

式中：qf?—标准生成热 kJ/mol；

?qc—标准燃烧热热 kJ/mol；

n—化合物中同种元素的原子数；?qce—元素的标准燃烧热热 kJ/（g?atom），其数值见表?2。

(5)不同温度下反应热qrt的计算

因反应恒定在t℃温度下进行，而且反应物及生成物在（25～t）℃范围内 均无相变化，则qtr计算公式为

t?qr? qr??t-25???vCp?kJ/mol

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?式中 qr—标准反应热kJ/mol；

v—反应应方程中各物质的学计计量数，反应物为负，生成物为正；

Cp—反应物或生成物在（25～t）℃范围内的平均比热容 kJ/kg·℃； t—反应温度 ℃。

表5—2 元素标准燃烧热一览表

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 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 温度 25℃

A 酒糟 1.4476

B 豆粕 2.7043

物质的Cp 值一览表

由以上计算可知：

C 水 4.1828

D 杂质 2.7782

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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：

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?℃） M(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 温度 60℃

2

A BT 1.746

1

B 酒糟 1.737

2

C 豆粕 3.245

4

D 水 5.019

0

E 杂质 2.937

物质的Cp 值一览表

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

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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 ∴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： Q1即上工段带来的Q4 （2）Q4的计算：

Q4=ΣmtCp（以25℃为基准）

所以：Q1= 1373683.907

19

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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?TmKM

根据文献记载：BT的熔点为130～134℃，用405.15K计算，系数取13.5：

405.15?Hm??13.5?39.02kcal/mol?163.11kJ/mol

140.185467?1000则结晶热为：?(?163.11)??6361266.73kJ

140.18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)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。

20

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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 温度 150℃

A BT 1.7462

B 水 4.1828

C 水蒸汽 1.87

D 杂质 2.5997

物质的Cp 值一览表

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：

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）

21

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

取Q5＋Q6=8%（Q5＋Q6＋Q4）

则：Q5?Q6?8Q4928 ??1267990.28

92 ?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）

可按以下公式计算：

W=Q2

(H?CPT)?

式中W：蒸汽的消耗量，Kg或Kg/h；

Q2:?由蒸汽传给物料及设备的热量，kJ或kJ/h;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）；

CP:?水蒸气的定压比热,1.87kJ/kg,(查《化学工程师技术全书》第1219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。

则：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。

22

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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

?V0?D2H?0.15D3

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加上底封头容积Vb之和。

2D=1.91m， 圆整D=4m， H=2D=6m

d11已知?~，取d=0.4D=0.8m

D231W11已知?~，取W=D=0.2m

10D812B已知?0.8~1.0，取B=0.9d=0.72m 圆整B=0.8m

dS已知?1.5~2.5，取S=1.5d=1.2m

dVb?V0??D3?0.15D3=10

?4D2hb?0.13D3（hb取25mm）

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

4发酵液的圆柱体积V柱=16.7/2－1.12=7.23 m3

7.23发酵液的柱体高h=?2.3m

D2??()2假设用两层搅拌器，所以Sl=2.3－1.2=1.1m 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

ReM=

nd2??3?0.82?10004 ??1.016?104>10（属湍流状态）

0.1P=kn3d5ρ=4.8 ?33 ?0.85?1000?43.10kW

23

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

11(2/0.8)(3.1/0.8)?1.04(D/d)(HL/d) =33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

273?t0.1013Qg= Q0()?

1273(0.1013?0.05)??1000?9.81?10?6?HL20.1013273?25 = 6.68?()?

1273(0.1013?0.05)??1000?9.81?10?6?3.123

=4.40 m/min

校正系数f=

Na=

Qgnd3?4.40?0.092?0.035

90?0.83?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

?V0?D2H?0.15D3

42D=0.4m, H=2D=0.8m

d11已知?~ 取d=0.4D=0.28m 圆整d=0.3

D231W11已知?~,取W=D=0.07m 圆整W=0.1m

10D812B已知?0.8~1.0，取B=1.0d=0.3m

dS已知?1.5~2.5, 取S=1.5d=0.45m 圆整S=0.5m

d4?Vb??0.72?0.025?0.13?0.73?0.0542m3

4发酵液的圆柱体积V柱=0.42－0.0542=0.37 m3 Vb?V0??D3?0.15D3=0.13

?D2hb?0.13D3（hb取25mm）

24

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

发酵液的柱体高h=

V柱0.37??0.96m 圆整h=1m D23.14?0.352??()2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。

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=13.3m

3

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

dVA?p? dtruv(V?Ve)/AdV3

______瞬时的过滤速度，滤液/s； mdt?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

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年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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、无霉变 米粉，是指以大米为原料，经浸泡、蒸

煮、压条等工序制成的条状、

丝状米制品

豆粕

豆粕一般呈不规则碎片状，颜色为浅黄豆粕的主要成分为：蛋白质40%～48%，色至浅褐色，味道具有烤大豆香味

赖氨酸2.5%～3.0%，色氨酸0.6%～

0.7%，蛋氨酸0.5%～0.7%

KH2P03

深紫色或古铜色结晶。无臭。味甜而涩 溶于14.2份冷水、3.5份沸水。相对密

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 33

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

工艺流程图

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附录三

年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

附录四 设备布局图

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年产1000吨苏云金芽孢杆菌的发酵车间工艺设计

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，我向我的指导老师张秀云老师、陈光友老师表示最衷心的感谢！同时，我也感谢我的所有任课老师，还有感谢“中心”在这次设计完成过程中也给予的大量支持和帮助，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！

36

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/w1fh.html