年产300吨低聚木糖工厂的设计

江南大学本科毕业论文年产 300吨低聚木糖工厂的设计Design of a factory produced 300 t/a Xylooligosaccharides学 生：专 业：指导老师：二OO三年六月目录第一章 绪论1 第二章 全厂流程和生产工艺说明 3 第三章 全厂物料衡算 63.1 技术指标 63.2 全厂物料衡算 63.3 水电汽的耗量 7第四章全厂化工设备计算、设计及选型104.1 原料处理工段104.2 酶制取工段 124.3 寡糖制备提取工段25 第五章 工厂布置说明及环境说明30 致谢 32 附录一 全厂设备一览表33 附录二 主要参考文献 34 附录三 开题报告35 附录四 文献及翻译 37摘要低聚木糖亦称木寡糖，属功能性低聚糖族，是目前发现的最好的功能性低 聚糖，具有促使双歧杆菌增值，抑制病原菌，防止腹泻、便秘、增强机体免疫力， 抵制肿瘤和分解致癌物等功能，与其他功能性低聚糖相比，用量少，效果好，可 用于糖尿病、肥胖症、和高血压等患者食用，有利于口腔健康，不引起龋齿等特 点，广泛用于食品、医药、和饲料工业。酶法制备低聚木糖的主要原料来源于农 业废弃物，如玉米芯，实现了农副产品的深加工，提高农业附加值，而且保护了 环境，促进了农业产业化结构调整和农村增收创收工作。本次实验设计依据：年产量300t/a，全年生产天数300d/a，提取收率45%, 木聚糖转化率 45%，木寡糖提取收率 65%，本设计采用酶解工艺，最终得到有 效成分80%的成品。关键词: 玉米芯 木寡糖 低聚糖AbstractXylooligosaccharides(sugar oligomers made up of xylose units) are useful for a variety of purposes. There are the best ones among the functional oligosacharides . Xylooligosaccharides shows a remarkable potential for practical utilization in many fields,including pharmaceuticals, feed formulations and agricultural applications, but their most important market developments correspond to food-related applications. Compared with other functional oligosaccharides, They have some peculiarity as follows: little dosage, effective, used to someone who get the disease such as diabetes, obesity, high blood pressure etc., benefited to the mouth cavity health, do not cause the tooth decayed and so on . It is extensive to used for the food, medicine and animal feed industry. This design is to uses the agriculture wastes Corn stalk, manufacture xylooligosaccharide by chemical-enzymatic methods. It protects the environment, but also improves the farmers income.The basis of this designs : the annual product is 300t, the annual production days are 300 .The rate of extraction is 45%. Xylans rate of conversion is 45%. Xylooligosaccharides rate of extraction is 65%. This design lay emphasis on the chemical-enzymatic methods, .Eventually we can gain the availability more than 80%.key words: Xylooligosaccharide Corn stalk第一章 绪 论1. 1 木寡糖的总述木寡糖是功能性低聚糖家族中功能较好的一种，具有广泛的工业应用。作为 一种附加值高、市场前景看好的功能性食品添加剂，近年来引起了科技界和产业 界的广泛的关注，是目前国内外竟相研究开发的功能性低聚糖之一1。一般认为， 木寡糖是由木二糖至木十糖等组成的，其中以木二糖、木三糖为主要有效成分。 木二糖（xylobiose）和木三糖（xyloteiose）分别由二个和三个木糖（D-xylose） 以B-1, 4糖苷键相连而成，两者均不能为人体消化吸收，但都是可发酵的糖类 物质，皆具有双歧杆菌增殖功效。在自然界中，竹笋等天然植物中含有少量的木 寡糖。另外，一部分植物半纤维素在人体大肠内也可以分解转化为木寡糖2。1. 2 国内外酶法制木寡糖工业概况目前，世界上只有少数国家实现了木寡糖的工业化生产。在日本，木寡糖被 认为是最有前途的功能性低聚糖之一1，已实现工业化生产并广泛应用，目前其 产量已超过1500吨。经日本保健食品学术委员会审定，厚生省第64号许可证认 定木寡糖为特定保健用食品添加剂。日本市场上销售的木寡糖产品是三得利公司 酶法生产的木寡糖，有以下四种产品形式：木寡糖70 （液体），2500日元/kg； 木寡糖35 （粉末），3000日元/kg；木寡糖20 （粉末）,1900日元/kg；（数字表示 木寡糖对总糖含量百分数），片剂（1.4gX48粒，木寡糖含量25%）,每盒单价1580 日元14，且已经应用于饮料和调味醋等产品。此外，三得利公司还有一种胶囊型 产品名为OLIGO+C，即由木寡糖与维生素C复配而成的保健品。其他关于木寡 糖的研究仍以日本为多。如野口等人用纸浆漂白用的芽孢杆菌木聚糖酶来制备木 寡糖，又如荒木等用产碱杆菌（Alcaligenes）生产的B -1，3-木聚糖酶。其他国 家的研究较少，法国Patrice Pellerin等用梭状芽抱杆菌（Clostridium）的木聚糖 酶从玉米芯制备木寡糖3，最近在网上查到欧共体的一篇具体资助项目的木寡糖 的研究发展计划（19982001），建议从农林业的废气物，如玉米芯、麸皮、啤酒 糟、桉树中提取木聚糖，再用物理、化学或生物技术方法制备木寡糖和木糖醇， 并开展应用于药物和食品工业的研究，特别提出了要进行木寡糖的纯化，结构特 征及其作为抗炎药或抗肿瘤剂生物活性量化的研究。我国木寡糖的生产总体还处于研制阶段，目前仅有小规模生产线进行少量产 品的生产，但生产技术基本趋于成熟。 1997 年蔡静平4等报道了真菌分解玉米芯 生产木寡糖的研究。 19992000年吴克5，洪枫6，袁其朋7，杨瑞金8等陆续报 道了他们制备木寡糖的研究结果。1. 3 制备木寡糖几种方法的比较制备木寡糖的原料为木聚糖，它是植物半纤维素的主要组成部分，是自然 界中继植物纤维素后的含量第二丰富的可再生多糖。木聚糖在玉米芯、甘蔗渣、 棉子壳和燕麦、桦木等农林产品中含量相对较高，平均可达30%左右9。木聚糖 存在于植物细胞的细胞壁中，与其他的一些成分以一定的方式相互作用。在木寡 糖生产过程中，这些成分会防碍木聚糖与木聚糖酶之间的作用，从而降低木寡糖 形成速率和最终产品得率，因此在进行木聚糖水解之前，必须对原料进行有效地 处理，提取出木聚糖。木聚糖的制备方法通常有以下几种： 直接高温蒸煮提取木聚糖：Saska等io在1995年提出的直接高温蒸煮提 取法是利用木聚糖含有的乙酰基侧链在高温蒸煮时脱乙酰，形成乙酸，从而使体 系的 pH 值下降，木聚糖分子发生自水解而溶解度增加。但高温蒸煮法的提取液 中还原糖与总糖之比较低，不利于木寡糖的生产，且其它副反应随温度变化而较 明显。 碱法提取木聚糖：日本的Isao Kusakabe在酶法制备木聚糖的研究中对原 料预处理进行了研究，采用不同稀碱溶液提取木聚糖，取得了较好的结果。 酸法提取木聚糖：目前，酸法提取木聚糖已成功用于木糖生产。但酸法提 取木聚糖存在较大的缺点，比如提取液中木糖比例很高，不能满足木寡糖的生产 要求；在提取过程中会产生许多副反应并生成一些可能的致癌物质，从而影响到 终产品的安全性。杨瑞金等在高温蒸煮法的基础上提出酸预处理后湿法蒸煮的方 法，副反应大大降低，且工艺为可行。1. 4 设计目的本设计将提供一套较为可行的年产300吨木寡糖生产线。通过本设计，对业已成熟的木聚糖酶发酵工艺及酶法制备低聚木糖的工艺进 行整合，使之形成从原料处理、发酵产酶、酶法水解、产物精制等完整的可行的 木寡糖生产线；通过本设计，着重解决制约酶法制备木寡糖生产工艺实施的原料预处理问题，将使用多效直接浓缩方式替代木聚糖提取方法中的酒精沉淀的通用工艺。使用膜法分离技术，组合运用纳滤、超滤等手段实现木寡糖的精制。第二章 全厂工艺流程和生产工艺说明2. 1 流程原料处理酶制备提取玉米芯斜面菌种杀酶111粉碎级培养脱色罐11浸泡种子罐过滤11碱液提取发酵罐浓缩11固液分离絮凝喷雾干燥11浓缩滤液酶解罐成品包装2. 2 工艺流程说明2.2.1 原料处理工段将玉米芯粉碎至13mm大小的颗粒，按1： 10加水在100C下浸泡30min , 滤去水，再加5%的碱液至原处，浸泡30min。离心机固液分离，得含木聚糖的 滤液，用盐酸调 PH 到中性，蒸发浓缩。2.2.2 菌种扩大培养工段2.2.2.1 实验室培养 菌种的培养称40g削皮、切块马铃薯，放入烧杯中，加200ml去离子水，煮30min，取 滤液，用去离子水定容至200ml；称10g麸皮放入烧杯中，方法同马铃薯一样。 对马铃薯、麸皮蒸煮液不同配比以及马铃薯液与葡萄糖混合，分别加入 1.5%琼 脂，杀菌作斜面，在超近台中接种，在35C水浴式培养箱中培养3d左右，可得 到菌种备用。 酶液的制备在500ml放入2g木聚糖，加入用去离子水按1.4%牛肉胨、3%酵母提取液、 1.0%磷酸二氢钾和0.05%硫酸镁配成的培养液100m 1,杀菌。在无菌超净台中接 入菌种23环，在35C空气摇床中培养4d,可得酶液，测酶活并置于4C冰箱 中保存备用。2.2.2.2 种子车间培养 种子罐装液量为 162.5L（250 65%），所有原料在调浆罐溶解后，通过活塞泵 输入种子罐，灭菌条件为O.IMPa, 30min接种管道充分灭菌后保压（O.IMPa）, 在无菌条件下从接种口接入摇瓶种子液，接种量2%,培养温度3637C，培养 时间为 8h。 发酵采用5m3罐，装料量3250L。灭菌条件相同（0.1MPa, 30min）种子罐向 发酵罐中的接种量为5% （162.5L）,通过接种站加入。发酵温度控制在3237C, 通气量为1:0.51:1.0,搅拌转速200400转/分，罐压0.1MPa，发酵时间16h。2.2.3 糖化工艺将溶解好的浆液打入糖化罐，搅拌下加入活力为800IU/m1酶液20 L,水解 温度55C（盘管蒸汽加热维持温度），时间为816h, DSN法测定还原糖，还原 糖达到 5 %时煮沸灭酶终止反应。2.2.4 提取工艺2.2.4.1 中和脱色过滤灭酶的糖化液用板框过滤除去残渣，泵入 20m3 脱色罐，搅拌下加入 HC1 进行中和，调至pH6。脱色在上述脱色罐内进行。加入活性炭0.20.5%,降温并保温在80C,脱 色3060 min,打入板框过滤机趁热过滤除炭。滤液进入25m3储罐。2.2.4.2 超滤滤液经板框过滤后用超滤器进行精滤（超滤膜截留分子量23 万），除去大 分子杂质，操作温度4050C，超滤压力0.30.5Mpa。滤液糖浓度5%左右。 滤液进入储罐。2.2.4.3 纳滤浓缩采用纳米级膜过滤器进行浓缩，浓缩 35 倍，使糖液浓度从 5%提高到 1520%，同时除去小分子物质（盐、单糖）。糖液与小分子溶液分别进入各自 储罐。2.2.4.4 喷雾干燥用喷雾干燥器喷雾干燥即得到白色粉末状木寡糖。糖化工艺转化率 45%以上，总提取收率 65%以上（收率的定义为寡糖对原料多糖的收率）。2.2.5 包装工艺浓缩液从储罐放料口放入塑料桶包装糖粉吸潮性很强，尽快用塑料袋包装第三章 全厂物料衡算3. 1 技术参数发酵周期16h发酵罐装料系数65%发酵酶活800IU/ml木聚糖提取收率45%生产周期24h木聚糖转化率45%生产天数300d/a木寡糖提取收率65%原料含量35%产品质量指标 有效成分80%年产量300t3. 2 全厂物料衡算3.2.1 原料处理工段3.2.1.1 寡糖转化量以年产300t木寡糖设计计算，产品有效成分80%，寡糖提取收率65%。 则由木聚糖转化成木寡糖的量为300 X 80% -F65%=369.2 t3.2.1.2 木聚糖实际需求量木聚糖酶酶解木聚糖转化为木寡糖，其转化效率为 45%（已考虑到木寡糖的精制过程的损失）。369.2F 45%=820.5t3.2.1.3 玉米芯耗量根据工艺技术研究，木聚糖提取率一般在4050%，提取率受原料含量等 因素影响。本设计按照 45%计算，原料玉米芯含半纤维素 35（主要成分为木 聚糖）。820.5F 45%=1823.4t1823.4F 35%=5209.6t设计处理量 5500t/a, 生产天数 300d/a玉米芯的日消耗量为：5500F300=18.3t/d3.2.1.4 提取罐数量的确定18.3t玉米芯按1： 10加水，约得220m3醪液。装料系数 65%，220F65%=338.5m3单罐日处理3批，采用6个20m3反应罐。单罐有效容积：20X65% = 13 m33.2.1.5 滤液储罐数量的确定木聚糖含量的计算18.3X35%X45%=2.88t离心后，滤液的体积约为 190m3木聚糖含量=2.88tF 190m3=15.17g/l浓缩后的体积木聚糖在酶解罐中酶解时浓度应在2050g/l之间。取 45g/l , 则有 2.88 X 103 -F45=64 m3 采用三效或多效浓缩设备，将滤液浓缩至64 m3 填料系数为90%64 -F 90%=71.11m3取 2 个 40 m3 的滤液罐。3.2.2 酶制取工段每日消耗酶制剂计量：发酵酶活力为800IU/ml，糖化用酶浓度为800IU/g底物，则 每日用酶量为 2.88X 800F800=2.88 m3/d3.2.3 糖化提取工段糖化罐数量的确定：每日处理木聚糖的体积64 m3,需酶量2.88 m3,填料系数65%（64+2.88）F65%=102.9 m3需要25 m3糖化罐4个，考虑到生产余量及生产设备故障等备用 设置5 个糖化罐取高径比 H：D=1.5：13. 3 水、电、汽的耗量3.3.1 水耗量的计算3.3.1.1原料处理工段耗水量（m3/d）配料用水提取罐中按1： 10浸泡玉米芯，用水183m3/d。排去水加5%的碱液继续浸泡，约耗水128 m3/d。设备清洗用水 仅作简单清洗，取罐体积的10%，为15m3。 则原料处理工段用水总量约为 183+12815=326 m3/d。3.3.1.2酶发酵工段耗水量（m3/d）Q配料用水：种子罐0.2 m3/d；发酵罐4.0 m3/dQ冷却：发酵罐冷却水为1.56t/hr （参见第四章有关计算），发酵周期16小时, 需冷却水26 m3/d。种子罐约为3 m3/d。每批发酵冷却水共需28 m3/d。Q清洗用水设备清洗用水，取罐体积的30%，为5.25X30% = 1.6 m3/d；车间清洗，每日三次，每次2 m3,需6 m3/d。酶发酵工段日耗水量=4.229+7.6=39.8 m3/d3.3.1.3酶解及提取工段（m3/d）Q板框过滤清洗水 约需要5 m3/d；膜清洗水 每个膜过滤器日需清洗3次，每次用水1.5 m3,共需 4X3X1.5 = 18 m3/d其他设备及管道清洗3 m3/d酶解及提取工段总用水量为： 5+18+3=26 m3/d3.3.1.4 锅炉用水日耗用蒸汽量为86.6 m3,锅炉房耗用水量取蒸汽量的1.5倍，则日需水 130 m3。车间总体耗用水量为： （326-41.7）+39.8+26+130=480 m3。3.3.2 蒸汽耗量1 培养基及设备管道灭菌耗用蒸汽量，取装液量体积的 20%。即4.2X20%=0.84 m32 提取工段加热耗用蒸汽每kg物料从30C升温至100C需用蒸汽为：4.2X702200=0.134 kg提取所需用水为311m3，需用蒸汽311X0.134=41.7 m33 浓缩木聚糖的蒸汽耗量：蒸发的水量190-64=126 m3 ，采用三效蒸发器，其设备耗用蒸汽性能为（D/W） min=0.225，实际生产取D/W=0.35，则蒸汽耗量为 126X0.35=44.1 m3日耗用蒸汽总量为： 0.84+41.7+44.1=86.6 m3选用 6 吨锅炉。3.3.3 装机容量与电耗设备装机功率(kw)并发运行功 率(Kw)平均工作时间(h/d)计算功率(kw.h/d)粉碎机组1515690提取工段90303270离心机组55.5376330浓缩机组1010660发酵工序8.68.616138空气系统121220240酶解工序30158240脱色4515290膜过滤303020600喷雾干燥50504200过程泵33186198锅炉505015750合计290.63206功率因子取0.5,实际日耗用动力为3206X0.5 = 1603Kw.h由于各动力设备不是同时运行，最大负荷容量为290kw,工厂总装机容量为350kw。第四章 全厂化工设备计算、设计及选型4. 1 原料处理工段4.1.1 工艺流程玉米芯一粉旷浸泡一5%碱液一固液分 一浓缩滤液4.1.2 设备的选型、设计及计算4.1.2.1 粉碎机的选型玉米芯的日处理量为18.3 t / d,每天工作8小时。18.3F8=2.3 t / h考虑工业放大,选择工作能力 4 t / h 的粉碎机。要求粉碎结果为直径1mm3mm的颗粒。4.1.2.2提取罐的设计Q材质选择提取罐在原料浸泡时，需要使用5%氢氧化钠，考虑到防腐，采用316L不锈 钢板制作。Q几何尺寸的确定提取罐设搅拌，取平盖，椭圆封底，两档桨式搅拌。由前面计算可知，每天将处理220 m3料液，填料系数65%,220F65%=338.46 m3采用三班制，每班一批，单批处理量为:338.46 -F 3=112.83 m3取6个20m3的提取罐取高径比H / D=2 / 1，单罐体积：V=112.83/6=18.8 m3V= n D2H/4 + n D3/24=18.8 D=2.23 m 圆整到推荐的系列值 D=2200mm H=4500mm 查附录一表 15 封头高度： h1=550mm 直边高度 h2=50mm 封头面积 5.57m2容积 V =1.58m3封校核容积 V实V =V +V =0.785X2.22X4.55+1.58=18.9 m318.8 m3实筒封V V 满足要求实Q壁厚的确定提取罐为低压容器，参照发酵工艺原理附录一表 13，确定壁厚 8mmQ搅拌功率计算搅拌轴功率 P=3.5d5n3pa/ 102（kw）式中3.5常数（双浆式45角搅拌器）d 搅拌器直径 d=D/3=0.73mn 搅拌器轴转速 n=125 r/minP溶液重度P =1150kgf/ m3 =117.2N/m3a 搅拌器档数a =2102转换系数，由kg m/s kwP=15kwPg=k p/ n =25kw式中k附加消耗功率系数，取1.5n传动效率，取0.9p轴功率（kw）依此查有关手册，结合转速，选择合用的电机。支座选择选用支撑式支座，主要接管管径确定人孔取D =500mm,标准图号JB583-64-4g进水管取 Dg=80mmg出料管取 Dg=80mmg其他配件按照标准件选用。4.1.2.3 离心机的选型由于物料处理量大，固形物含量高，选用SG型三足式刮刀下卸料调速离心 机。该离心机具有物料适应性强，运转平稳、效率高、劳动强度低等优点。料液 从顶部与主轴同轴线的加料管连续加入布料盘上，固相物料留在滤网内侧、料层 厚度由专门的限位器控制，洗涤液通过洗涤管加入，脱液完毕，转鼓降速用刮刀 将固相物料刮落下来从转鼓上出料口卸出。SGl250 型号有关性能参数如下：转鼓内径 1250mm ；转鼓高度500mm ；转鼓容积 250L装料限量 310kg ；转鼓转速 0-900r/min ；分离因数 550电机型号 YZTv62-4L ， 功率18.5KW， 转速 01200r/min ；外形尺寸-（长X宽X高）2587 X 1900 X 23354.1.2.4 三效蒸发器浓缩量计算与选型工艺要求的物料浓缩量为126m3，选用型号JMZ-20,蒸发量20000kg/hr的 三效浓缩器。其生蒸汽消耗量4500kg/hr，各效真空度：第一效OmmHg，第二 效448 mmHg，第三效640 mmHg，各效蒸发温度：第一效99C，第二效76C, 第三效53Co4.1.2.5滤液储罐的设计Q填料系数为 90%64 -F 90%=71.11 m3取2个40 m3的滤液储罐。高径比H / D=2 / 1v=71.11/2=35.56v1= n D2H/4 + n D3/24=35.56 D=2.75 m 圆整到推荐的系列值 D=2800mm H=5500mm查附录一表15 封头高度：h1=700mm 直边高度h2=50mm封头面积 8.91m2容积 V =3.18m3封校核容积V实V =V +V =0.785X2.82 X5.45+3.18=36.72 m335.56m3实筒封V V 满足要求实Q壁厚的确定贮罐为常压容器，确定壁厚 8 mm。4. 2酶制取工段4.2.1 工艺流程斜面菌种一一级培养一二级种子罐培养T发酵罐T絮凝4.2.2设备的选型、设计及计算4.2.2.1 发酵罐的设计Q选型：采用机械搅拌通风发酵罐。Q容积的确定：填料系数取 65%V0=2.88 -F 65%=4.43 m3采用5m3的发酵罐一只，全容积6.27 m3主要尺寸的计算i 公称直径的确定：一般径高比为1:23。考虑到酶发酵泡沫多，易染菌。因此采用径高比小的较好。 取径高比为1:3,公称容积为5m3，材料为不锈钢。V = V +2V =0.785D2X3D+2nD3 / 24=6.27全 筒封D=1.34mH=4.01m经圆整后，取 D=1300mm,H=4000mm。ii 封头：采用标准椭圆型封头，查发酵工厂工艺设计概论(吴思方主编)附表 15得封头的主要尺寸为：曲面高度 h=325mm，直边高度h2=25mm，内表面积1.93m2，容积 0.321m3，壁厚 8mm。iii 实际容积校正：发酵罐计算容积：V =V +2V =nD2XH /4+2X0.321=6.95m3实 筒封计V =V实全实际装液面高度：V =5X 65%=3.25m3液L =(V -V )/S液装液封头 圆筒=4X(3.25-0.321)/ (3.14X1.32)=2.2(m)iv 壁厚计算：罐灭菌压力2atm，罐设计受压3atm(表压)，材料：不锈钢。S=PD/230可-P-P+C式中： P-罐受压(表压， kgf/cm2)， P=3D-罐径(mm), D=1300-焊缝系数，0=0.88-钢允用应力，不锈钢可=35/4C-腐蚀余度(mm)，C=4S=3X1300/(230X35X0.8/4-3)+4=6.43mm。经圆整，取壁厚 8mm。搅拌器设计及搅拌功率的计算。 考虑到发酵罐径高比比较小。为了使发酵液充分混匀，保持均一。根据经验 酶制剂厂一般都采用涡轮式搅拌器，本次设计采用六弯叶涡轮搅拌器。 搅拌器主要尺寸计算该搅拌器的各部尺寸与罐径 D 有一定的比例关系，现将主要尺寸列如下：搅拌器叶径=D J 3=1.3 / 3=0.433(m)，取 d=0.45m=450mm内叶宽 B=0.2d=0.2x450=90mm 取 B=90mm弧长 l=0.375d=0.375x450=169mm 取 l=170mm底距 c=D/ 3=1300/ 3=433mm 取 c=450mm盘径 dj=0.75d=0.75x450=338mm 取 dl=340mm叶弦长 L=0.25d=0.25x450=112mm 取 L=110mm弯叶板厚 S=12mm档数确定经计算，设计第一档搅拌浆距罐底的高度为 500mm。第二档的高度为 1000mm，第三档高1500mm。液体装液高度2200mm。因此采用三档搅拌。第 三档叶片离液面的距离为 700mm。 转速校正根据经验：50L的发酵罐搅拌器直径112mm，转速N=470r/min,以P0/V为 基准放大。求得：N2=Ni(Di/D2)2/3=470x(112/450)2/3=186r/min搅拌轴功率的计算(用修正的迈凯尔式求搅拌功率)计算 Rem： Rem=D2N p/u式中：D搅拌器直径(m), D=0.450N搅拌器转速(r/s), N=186/60=3.1P醪液密度(kg/m3)，取P =1050u 醪液粘度(N.s/m2),u =1.3x10-3Rem=0.452x3.1x1050/(1.3x10-3)=5.07x105104视为湍流,则搅拌功率准数 Np=4.7计算不通气时的搅拌轴功率P0P0/=NpN3p D50p式中：Np在湍流搅拌状态时，其值为常数4.7N搅拌速率，N=186r/min=3.1r/sD搅拌器直径，D=0.45mp醪液密度，P =1050kg/m3P0/=4.7x3.13 X 0.455 X 1050=2712.9W=2.71KW 三档搅拌： P0=3P0/=3x2.71=8.12KW。 计算通气时的轴功率 Pg：Pg=2.25X10-3x(P02ND3/Q0.08) 0.39式中：P0不通风时的搅拌功率(KW)，p0=8.12。N轴转速(r/min), N=186D搅拌器直径(cm)，D=45cm。Q通风量(ml/min)本次工艺中通风比=0.251.0vvm。取最小设计通风比为 0.25vvm。 (如通风量变大 Pg 变小，安全。 )Q=5X65%x0.25x106=8.1x105(ml/min)Pg=2.25X10-3x8.122x186x453/(8.1X105) 0.080.39=4.97KWg 求电机功率P电：P电=Pg/ni n2n3X1.01采用三角带转动效率n 1=0.92滚动轴承效率n 2=0.99滑动轴承效率n 3=0.98端面密封增加的功率为 1%P =4.97xl.01/（0.92x0.99x0.98）=5.62（KW） 电电机功率选择 7.5KW。轴径计算：按扭转强度计算轴上最大剪应力W轴材料允许的剪应力。即 T =M（）/WF4，可满足工艺需求。夹4 材料选择：考虑到不锈钢表面比a3钢光洁，对生产有利，故采用不锈钢 壁厚计算：对于夹套的容器，应按外压容器计算壁厚。考虑到冷却水压力与容器内的压 力有不同时存在的情况，取水压作为容器外压。确定外压容器壁厚的方法有三种：计算法，图算法和查表法。其中查表法得出的 值，比计算法和图算法求出的两值大。i 用计算法求夹套内罐的壁厚。S=D mPL/(2.6ED)0.4+C式中：D设备的公称直径，D=130cm。m外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3。P设计压力与水压有关，P=0.4MPa。E金属材料的弹性模量，不锈钢取2X105。C壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18。L筒体长度，L=400cm。将数值代入公式 S=130x3x0.4x400/(2.6x2x105x100)0.4+0.18=1.44cm根据经验，取 S=8mm 就已足够。ii 封头的厚度：取封头厚度为 10mm。iii 夹套壁厚：根据经验：当D 在700-1800mm时，D =D +100内 套 内所以， D =D +100=1300+100=1400mm套内查发酵工厂设计概论(吴思方主编)附表13。确定外套壁厚d =10mm，夹套内有导流板。套 接管设计：i 排料管计算发酵罐装液量为5x65%=3.25m3。设20min之内排空，则发酵液体积流量：Q=3.25/1300=0.0025 m3/s发酵醪液流速取V=1m/s，排料管截面积为F :物F =Q/V=0.0025/1=0.0025m2物F = n d2/4物管径 d=F /(n/4)1/2=(0.0025/0.785)1/2=56.4mm物ii 按通风管计算：压缩空气0.4MPa，支管气体流速为2025m/s,现通风比0.251 .Ovvm，空压 机进口空气温度t=35C，压强P=0.1MPa。发酵罐入口无菌空气温度t=32C, P/=0.4MPa。风量 Q 取大值，Q=26x1.44=37.44m3/min=0.624m3/s。利用气态方程式计算工作状态下的风量 Qf：Qf=Q X (P/P/)x(TT)=0.624x(0.1/0.4)x(273+32)/(273+35)=0.154m3/s取风速V=25m/s，则风管截面积Ff为：Ff= Qf/V=0.154/25=0.0062m2Ff=( n /4)d2d &=4XF/ n 1/2=(4X0.00434/3.14)1/2=0.088(m)取通风管与排料管管径相同，以两者中较大的为基准。经查表取88X4的无缝钢管。 发酵罐的支座选型采用裙式发酵罐支座。发酵罐内径D =1.3m，设计支座为1300X14mm材料：不锈钢内4.2.2.2种子罐 种子罐的选型种子罐选型同发酵罐，仍采用机械搅拌通风发酵罐。 种子罐容积和数量的确定接种量为 5%V 2=V X 5%=5X 5%=0.25m3种 2 总 种子罐生产周期为8小时，发酵罐周期为16小时，所以一只种子罐可以匹配两 只发酵罐，因此需0.25m3种子罐一只。 主要尺寸确定高径比 H： D=2： 1V 2=(2 n24)D3+0.785D2 X 2D=250种2D=0.515m，取 D=1.03mm。圆整到推荐值： D=0.5m , H=1查表得：封头曲面高度125mm，直边高度50mm，内表面积0.349m2，封头容积 0.0262m3罐体总高 1+2*0.05=1.10m单个罐头容积 V = n D3/24+0.785D2*0.05=0.026m3封圆筒容积：V =0.785D2*2D=0.19625m3筒不计上封头容积 V =2V +V =0.2225m3总封 筒校核种子罐总容积 V =2V +V =0.25m3总封 筒符合要求 冷却面积的计算：根据计算和资料介绍，当罐的容积VW5m3，用夹套冷却，可满足生产要求，如 容积大于5m3,则随着比表面积的减小，而无法满足生产要求。另外，采用夹套 冷却虽然传热效果不甚好，但可保证罐内光洁、易清理，不易染菌，仍为大家乐 于采用。现用夹套冷却。i发酵产生的总热量：同前发酵罐计算方法一样。种子罐为0.25m3。发酵罐容积 为5m3。粗略的按发酵罐的5%计算种子罐的放热量，即45658.27X5%=2283kJ/hrii 夹套传热系数：K=4.187 X (150250)KJ/(m2.hr.C)现取 k=4.187x150 KJ/(m2.hr.C)iii 平均温差：发酵温度：32C，水初温在2023C之间，取水初温：20C，水终温：27C。At1=32-20=12C，At2=32-27=5CA tm5=(At1-At2)/ln(At1 仏t2)=(12-5)/ln(12/5)=8.0Civ 换热面积 F5：F4=Q总仆叫5)=2283/(150x4.187x8.0)=0.454m3v计算夹套冷却面积：按静止液体高度确定夹套高度。静止液体浸没筒体高度：H0=(V -V )/S0 醪 封 罐=(0.25x65%-0.0262)/(0.52xn/4)=0.694(m)装液高度 HL=H +H0L 封 0=0.694+0.175=0.869m=869mm夹套可能实现的冷却面积为封头表面积 S 与圆筒被液体浸没的筒体外表面积 S 封之和。筒S =S +S =nDH0+S =3.14x0.5x0.694+0.349=1.44(m2)夹 筒 封 0 封传热需要的面积F4=0.474m2，该设计夹套能提供的冷却面积为S夹=1.44m2。S F4，可满足工艺需求。夹4 材料选择： 由于种子罐较小，而且对无菌要求较高，有些厂家考虑到不锈钢表面比 A3 钢光 洁，对生产有利，故大多采用不锈钢作种子罐。本次设计采用不锈钢。 壁厚计算： 对于夹套的容器，应按外压容器计算壁厚。考虑到冷却水压力与容器内的压力有 不同时存在的情况，取水压作为容器外压。确定外压容器壁厚的方法有三种：计算法，图算法和查表法。其中查表法得出的 值，比计算法和图算法求出的两值大。i 用计算法求夹套内罐的壁厚。S=D mPL/(2.6ED)0.4+C式中：D设备的公称直径，D=50cm。m外压容器的稳定系数，与设备的起始椭圆度有关，在我国，m=3。P设计压力与水压有关，P=0.4MPa。E金属材料的弹性模量，不锈钢取2X105。C壁厚附加量，C=C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18。L筒体长度，L=110cm。将数值代入公式 S=50x3x0.4x110/(2.6x2x105x90)0.4+0.18=0.48cm根据经验，取 S=4mm 就已足够。ii 封头的厚度：取封头厚度为 4mm。iii 夹套壁厚： 查发酵工厂设计概论(吴思方主编)附表 13。确定外套壁厚d套=4mm,夹套内有导流板。 设备结构的工艺设计i挡板：根据全挡板条件，B X Z/D=0.5式中：B挡板宽度，B=(0.1 0.12)D=0.1X500=50mmD罐径，D=50mmZ挡板数Z=0.5D/B=0.5 X 90/50=0.9,取 Z=2 块。ii搅拌器：种子罐仍采用六弯叶涡轮搅拌器。搅拌器叶半径 d=D/3=167mm，叶宽 B=0.2d=34mm弧长 l=0.375d=63mm底距 c=D/3=167mm，盘径 di=0.75d=125mm叶弦长 L=0.25d=42mm弯叶板厚6 =4mm 经计算采用两档搅拌，计算方法与前发酵罐内搅拌器相同。iii 冷却水接管设计由前所知需冷却热量Qmax=2383.8KJ/hr。冷却水温20-27C, 水的比容 Cw=1X4.187KJ/kg.C则耗水量 W 为：W= Qmax/Cw(t2-t1)=2283/1x4.187X(27-20)=81.32kg/h=2.26X10-5m3/s取水流速V=1m/s；则冷却管直径d为 d=4W/(nV)1/2=4x2.26X 10-5/(3.14 X 1)1/2=0.0054m 查金属材料表，取焊接管Dg=8mm,可满足生产要求。 取冷却水管接管长度 h=40mm。4、3寡糖制备提取工段4.3.1 流程 本设计是制取木寡糖，产品形状为粉末状。本工艺采用压滤后直接进行超滤浓缩、 及干燥的精制过程。最终可以保证所得产品有效含量80%的木寡糖粉末。 其提取工段设备流程如下：木聚糖f酶解罐f杀酶f脱色罐f过滤f超滤浓缩设备f喷雾干燥器f成品。4.3.2 各单体设备选型、设计以及热衡算4.3.2.1 糖化罐 每日处理木聚糖的体积64 m3,需酶量2.88 m3,填料系数65%(64+2.88)/ 65%=102.9 m3需要25 m3糖化罐4个，考虑到生产余量及生产设备故障等备用 设置5个糖化罐取径高比 H：D=1.5：1V 全=V +2V =0.785D2 X1.5D+2 n D3 / 24=25.8筒封D=2.62mH=3.92m经圆整后,取 D=2600mm,H=4000mm。 封头： 采用标准椭圆型封头,查发酵工厂工艺设计概论(吴思方主编)附表15得封头的主要尺寸为：曲面高度h1=650m m,直边高度h2=50m m,内表面积7.71m2, 容积2.56m3，壁厚12mm。 实际容积校合：糖化罐计算容积：V =V +2V =nD2XH /4+2X2.56=26.62m3实 筒封计V V 符合要求实全实际装液面高度：V =26X65%=16.9m3液L =(V -V )/S液 装液 封头 圆筒=4X(