利用生物发酵法进行年产100吨杜仲胶车间工艺设计毕业论文

JISHOUUNIVERSITY本科生毕业设计题 目：利用生物发酵法进行年产100吨杜仲胶 车间工艺设计作 者： 学 号：20094074012所属学院：资环学院专业年级：09级生物工程指导教师： 职 称：副教授完成时间：201x年y月z日吉首大学教务处制摘 要杜仲是我国特有的经济树种，在我国分布范围广，其皮、叶、果壳中含有丰富的杜仲胶。杜仲胶是天然橡胶的同分异构体，同时也是它的最佳替代品，且经过硫化后性能要优于天然橡胶产品。在航天、国防、医疗和工业行业都有很大的应用价值，实现杜仲胶的产业化发展能给国民经济带来很大的发展。本设计叙述了杜仲胶的发展，概括了杜仲胶生产的整个工艺流程及“三废”治理。并详细而突出的介绍了生产车间的工艺流程及操作原理，控制要点等。对年产量100 吨杜仲胶的生产车间进行了工艺部分、公用系统部分、建筑部分、安全防火及卫生部分和环保部分的设计。关键词：杜仲胶；生物发酵法；杜仲胶产业化ABSTRACTThis design described the development of Eucommia ulmoides rubber and summarized the its technological processes and the treatment of three wastes(waste gas, waste water and waste residues). The process flow and operating principle in the workshop are introduced in detailed and emphatic way. Finally, we made design for the the process, utility system, construction, fire safety, health and environmental protection of the workshop with an annual production capacity of 100 tons.KEY WORDS: Eucommia ulmoides rubber; Bio-fermentation; Eucommia ulmoides rubber industrialization目 录第1章 概述411杜仲胶的用途及发展现状4112 发展状况512未来杜仲胶的开发方向613利用生物发酵法生产杜仲胶的工艺特点714设计范围715设计依据716厂址选择8第2章 工艺部分1021产品方案1024原材料及产品的主要技术规格1225 工艺流程1526物料平衡计算1927设备选型和计算2028 工厂水、电用量的估算2229 劳动力平衡23210 车间平面布置24第3 章公用系统2631给排水系统27第4章 建筑部分2841土建部分2842全厂总平面布置29第5章 企业安全及卫生2951安全2952卫生30第6章 综合管理3261企业原则3262工作制度33第7章 环保3371设计采用标准3372对环境影响的预测34致谢34参考文献35第1章 概述11杜仲胶的用途及发展现状111 产品用途杜仲胶的熔点低，方便加工；常温下为固体，质地较硬，化学性质稳定；且耐摩擦、耐酸碱。但是易氧化变脆，且缺少弹性，在实际生产中没有得到广泛使用。后由于发现杜仲胶有良好的绝缘性，广泛用于海底电缆，但由于其生产成本高，很快就被合成塑料所代替。后经过严瑞芳、傅玉成等随后的研究，通过对杜仲胶进行硫化处理，使得其变成弹性橡胶1。并且开发出热塑性、热弹性和橡胶弹性等三大类不同用途的材料2，经过改性后的杜仲胶具有耐磨、抗撕裂、耐腐蚀、防湿滑、滚动阻力小、节能等优点，这使得杜仲胶在工业生产上的应用范围大大提升，杜仲胶的命运也从此发生了革命性的转变。主要应用有3：(1) 热塑性的应用主要用于医学临床设备，包括骨骼矫正材料、运动护具、腰托、假肢套、牙齿假封剂等。(2) 形状记忆效应的应用主要用于制作生产异型管接头、温控开关、儿童玩具、电缆绝缘保护接头、缓冲器、军事保密材料、热缩管等。(3) 高弹性的应用主要用于橡胶替代品、大变形测量薄膜、雷达密封材料等。112 发展状况杜仲胶的研究开发最早始于 20 世纪 30 年代初前苏联建国初期，按照对杜仲胶研究的进展情况可划分为三个阶段：起步、发展和产业化三个历史阶段4。(1) 起步阶段（20世纪30年代前）这一时期，主要是对杜仲胶的理化特征及其形成机理的专项研究，这一时期对杜仲胶的研究报道不仅零星散乱，且水平较低。(2) 发展阶段（20世纪30年代至70年代）这一时期是杜仲胶发展史的黄金时期，以前苏联为代表。当时在西方国家的经济封锁下，前苏联严重缺乏重要的工业原料三叶橡胶，前苏联学者为寻找三叶橡胶的替代平而开展了对杜仲胶的研究，从杜仲胶的材料学特性到加工工艺等都进行了广泛深入的研究，同时也对杜仲的栽培措施、林分管理及含胶细胞的形态、分布和分化条件等做了系统的研究。(3) 产业化阶段（1984年至今）这一时期以严瑞芳教授的“反式聚异戊二烯硫化橡胶的制法”的研究成功作为开端，由于这种方法可以将杜仲胶制成弹性体。这大大扩大了杜仲胶的应用范围和市场前景。在 20 世纪 50年代初，我国接受苏联专家建议，同时考虑到杜仲树在我国的广适性，开始了杜仲胶的研究和开发利用工作。在这种情况下青岛橡胶二厂开始生产杜仲胶，当时这项生产是作为绝密的军事任务。由此开启了中国杜仲胶研究和开发之路。在1993年中国科学技术协会在特一期科技工作者建议上发表了农业部原部长何康等十六位专家、学者“关于杜仲综合利用尽快产业化的建议”。认为这“是一项前无古人的、具有战略意义、有开发前景的新兴事业。”“成果已基本具备产业化的条件”“建议尽快产业化”。随后在1994年5月5日，国家计委、国家科委、国务院扶贫开发办、国家农业综合开发般的有关领导听取了农业部、中国农学会的汇报后，正式提出：“杜仲的综合开发利用是贫困山区脱贫致富的支柱产业”。目前，我国对杜仲胶的研究已处于世界领先地位，国家也大力支持实现杜仲胶的产业化发展。而我国是世界上最大的橡胶消费国，2011年天然橡胶实际消费量达到320万吨，但国内产量仅60万吨左右，80%依靠进口，数据来源中国橡胶网。资源自给率低已经成为我国橡胶工业发展遇到的最大瓶颈。杜仲橡胶作为新型天然橡胶，是除三叶橡胶之外世界上唯一具有开发前景的优质天然橡胶资源。大力促进杜仲胶产业的发展，一方面可以缓解我国天然橡胶严重短缺的局面，另一方面，对于提升和优化我国橡胶原材料结构，具有重要的战略意义18。12未来杜仲胶的开发方向鉴于当前我国对杜仲胶的研究利用水平，为了提高与橡胶之间竞争力及经济效益可采用以下发展对策：(1) 合理利用原材料。杜仲的叶、种子及皮中都含有杜仲胶，以种子含量最高，其次是树皮，叶片中含量最低，其含量分别为12%15%、5%8%和1%2%5。由于皮是名贵药材，而种子的数量少，只有采取从落叶中提胶的路线，可以使落叶变废为宝。此外，杜仲树叶中也含有多种药用成份。现已有人开发出杜仲茶叶、速溶咖啡、保健饮料、饲料添加剂、药酒等多种产品4。因此，从资源综合利用角度出发，可先从树叶中提取药用成份，开发保健饮料等，然后再提取杜仲胶，这样可达到开发多种产品，提高效益，降低成本的目的。(2) 采用新工艺、新技术提高技术水平，包括：i. 改进发酵技术，使用杜仲老林区的土壤和腐殖质，再结合用杜仲皮作基质，进行多次富集培养，选出优势菌，通过测定其发酵性能指标并建立菌株综合选择指数，筛选生物法提取杜仲胶的优良菌株，并研究优良菌株的发酵适宜条件。从而获取到最优的菌种，提高发酵的效率6。ii. 改进提取工艺，提高提取收率。(3) 生产设备大型化，发酵过程的自动控制使关键设备先进化，自动化。 i. 实现发酵罐大型化ii. 改造传统的空气净化系统(4) 加强废水处理及综合利用，提高环境效益。(5) 深化改革，降低成本，参与国际市场竞争。(6) 跳出单一产品模式，开发多品种，提高企业抗风险能力。(7) 发展高科技，如用重组DNA技术选育更高优良菌种。采用电子计算机及各种传感器控制发酵生产过程。13利用生物发酵法生产杜仲胶的工艺特点生物发酵法分离杜仲胶是利用微生物所产生的胞外酶来降解木质素、纤维、果胶等高分子物质，使木素、果胶等高分子多糖类物质转化为小分子糖类，从而使杜仲叶、皮和种皮的杜仲胶从木素、韧皮纤维和果胶的胶粘中解束分离。再经过离心分离纯化得到高纯度的杜仲胶产品4。此方法成本低，易于实现。14设计范围本设计主要有如下内容：(1) 工艺设计部分：产品方案和规格，生产工艺流程的确定，物料衡算，对车间进行主要设备的选型设计，水电及劳动力平衡。(2) 公用系统部分：给排水系统，供电系统。(3) 建筑部分：车间所需面积要求，车间房屋结构形式及布置。(4) 安全卫生和防火部分：企业财务安全、物品安全以及员工的人身安全(5) 综合管理部分：企业组织原则，生产制度。(6) 环保部分：污水处理。(7) 附录部分：全厂总平面布置图，工艺流程图，生产车间平面布置图。15设计依据本设计过程中的主要参考资料：生物工程工厂设计概论、 现代企业管理概论、 化工原理、 生物工程设备、 天然产物提取工艺学、 酶工程、 生物工艺学以及多种有关资料作为理论基础，并充分利用了吉首大学图书馆的现有资料进行设计。设计能力为年产100吨的杜仲胶工厂。16厂址选择厂址选择即新建工程具体位置的选择，是工业布局的最后环节也是工业基本建设的最前期工作。根据工业布局及项目设计书的各项要求，由规划部门和设计部门在湿地勘察和工业区域技术经济调查的基础上，对目标建设地的条件进行分析评价，选择出其中能基本满足建设要求的方案，最后再做定性和定量相结合的技术和经济综合评价，确定最佳的建设地点。厂址选择一般分为两个阶段：(1) 选定地址范围及建厂地点。该部分主要侧重于厂址的外部区域经济技术条件，它包括：工业原料地和消费地到目标地址的距离；交通条件是否快捷方便；目标地址生产协作条件是否完善；供能、供水的保证程度；以及是否有发展用地的规划；生产成本、土地使用费用等。(2) 确定厂址最后具体位置。主要侧重于项目设计书、厂区总平面布置及其他设计需求。包括：厂址选地条件，如建设地的面积与外形、土地征用的数量、地势坡度、工程地质与水文地质状况；水源地的远近及给排水的扬程；是否需要修建专用运输路线；供电、供能设施的工程量及所需资金；距离城镇生活区的远近；“三废”排放对周围环境的影响及修建环保工程费用；厂址的选择对企业的经营和管理的经济效果有长期的影响。161符合国家的方针政策厂址选择应执行国家现行的有关厂址选择标准，规范及规定。符合所在地区，城市及乡镇的总体规划。厂址选定时尽可能节约占地面积，少占或者不占用良田耕地；而且要征得城市规划、土地管理、卫生防疫、消防、环保、能源、及交通等有关部门的同意。有些地方还要征得文物和军事部门的同意。不应污染环境、破坏文物古迹、妨碍文化旅游及其他精神文明建设。适合全国和地区工业布局以及产品供需安排的要求；满足城市规划或工业区域规划；尽可能少占地面积；交通运输方便快捷；原则上不破坏文物古迹；不影响旅游、文化和其他精神文明建设；有良好的发展用地；自然灾害相对少；项目完成建设投产后，经济效益好。162以生产条件和经济效果方面考虑(1) 原料：由于杜仲叶中杜仲胶含量只有1%2%，年产100吨需要原料大致为1000吨。量少但是体积大，目前虽然交通发达，空间距离的影响越来越小。出于对运输成本的考虑，尽量离林场较近。(2) 水源：水源对杜仲胶的生产影响不是很大，园区的自来水即可用于生产。(3) 动力：现代工厂对电力依赖是100%，工厂应保证能有持续高质量的电力供应。(4) 劳动力：产品生产无季节性要求，自动化程度高，劳动力需求低，且开发区附近劳动力充足。(5) 交通运输：应尽量靠近国道或者高速，方便原料的运入和产品的运出。(6) 占地：建设时期应尽可能减少破坏自然植被，保护生态环境。(7) 地势：应选择地势平坦，排水便利。(8) 地质：工厂不应建在矿山或下沉地区，淤泥和流沙地区；避开了冲沟和危岩，建厂时期要考虑相应的抗震措施。(9) 排水：生物发酵法生产杜仲胶过程中不会污染水，所以只需对水进行物理处理法即可。(10) 周围环境：厂区周围应有良好的卫生环境，空气清洁。不应存在昆虫及杂菌大量孽生的潜在场所。(11) 协作条件：厂区所在地区应具有良好的协作条件，如维修，运输，包装材料加工，社会福利设施等。第2章 工艺部分21产品方案211 品种产品分为粉末状和块状。212 规格产品规格为：10公斤/袋。214 产品质量要求密度0.91g/cm，拉伸强度极限2028N/m，拉断延伸率1000%，硬度(IRHD)5098，耐油性能良好，允许工作温度-50160。215 生产方案生产计划工作的主要内容：调查和预测产品的需求、测定企业的生产能力、确定目标、制定策略、选择计划方法、正确制定生产计划、库存计划、生产进度计划和计划工作程序、以及计划的实施与控制工作；生产计划的主要指标有：产品品种指标、产品质量指标、产品产量、产值指标和出产期28。(1) 品种指标：指工业企业在品种方面满足社会需要的程度，亦反映企业专业化协作水平、技术水平和管理水平。(2) 质量指标：产品质量指标通常指企业在计划期内，各种产品应达到的质量标准。(3) 产量指标：产品产量指标通常指企业在计划期内应当生产的合格产品的实物数量。产量指标反映企业在一定时期内向社会提供的使用价值的数量，以及企业生产发展水平。(4) 产值指标：产值指标就是用货币表示的产量指标。产值指标可分为：总产值，商品产值，工业增加值等三种形式。(5) 出产期：是为了保证按期交货而确定的产品出产期限。编制生产计划的主要步骤，大致可以归纳如下：(1) 调查研究，收集资料制定生产计划之前，要对企业经营环境进行调查研究，充分收集各方面的信息资料，其主要内容包括：国内外市场信息资料、预测，上期产品销售量，上期合同执行情况及成品库存量，上期计划的完成情况，企业的生产能力，原材料及能源供应情况，品种定额资料，成本与售价。(2) 确定生产计划指标，进行综合平衡确定生产计划指标是制定生产计划的主要内容。主要有：产值的择优和确定；生产进度的合理安排；产品的生产搭配；将工厂的生产指标细分到各个车间、流水线等工作。综合平衡是生产计划制定过程中的重要部分，它包括两个方面：一是利润指标平衡；二是以生产计划为中心，其它配套设施间的平衡。(3) 安排产品出产进度确定生产计划指标后，要将一年的总产量按品种、规格及数量安排到各月、各车间中去，制定出生产进度计划，合理分配和指导企业的生产活动。生产计划要做到：合理分配和充分利用现有资源、均衡生产及按期完成任务。216班产量生产工艺规划中最关键的计算基础是班产量，其量的大小对配套设备、车间布置、车间面积核定，公共设施和辅助设施的大小，以及工人定员等具有指导作用。本设计中每批次发酵算一班，发酵周期为20天4。每月需完成生产杜仲胶9吨。217生产制度目前市场上的杜仲胶是供不应求，工厂的生产制度应按最大产能安排生产。23包装材料规格和要求杜仲胶作为工业用胶对包装袋无特别要求，但由于杜仲胶易被氧化，所以对包装的气密性要求较高。24原材料及产品的主要技术规格24. 杜仲叶原料中的含胶量，决定了生产成本的高低。在实际生产过程中，应尽量选择含胶量高的杜仲叶。影响杜仲叶中含胶量可以分为三个方面：(1) 杜仲叶的采摘时间：早在20世纪30年代的前苏联时期，苏联的学者在对杜仲叶中含胶量的动态变化研究中认为杜仲叶中的胶含量从6月到9月逐渐增加，在9 月以后含胶量增加明显，特别是在 9 月时，积累总量占总胶含量的 30%50%7。而在田兰馨、马柏林、张康健的一系列研究中都表明了杜仲叶中的含胶量跟采摘时间是有关系的811。(2) 杜仲本身遗传因素：张康健等(2002)报道中认为杜仲胶的含量与叶长、叶宽、单叶面积和单叶质量相关性极其显著，叶面积与杜仲胶含率呈显著的负相关12。杜仲个体生长发育特性(遗传因素)也是调控次生代谢产物合成和积累的重要因素，芽开绽期早的个体次生代谢物含量高于芽开绽期晚的个体，椭圆形叶的杜仲胶含量明显高于卵形叶的个体13。(3) 环境的影响：不同地区间杜仲胶的含量存在显著差异7。根据以上的研究文献可以知道收购或采摘杜仲胶时应该在6月和11月进行，这个时期的叶片含杜仲胶量相对高，可以减少生产成本。杜仲叶成分如表116所示。表 1 杜仲叶子的组成（按干叶子质量计）Table 1 The composition of Eucommia ulmoides leaves组成组分组成组成组成组分胶分3.10黏胶素4.07总氮量1.20树脂6.23五碳糖3.70水溶性物质纤维素8.20半纤维素7.67加热时8.92木质素16.60灰分24.80冷却时5.00注：灰分中含 SiO275%，Al2O36%，Fe 0.2%和 Cu 微量24.2杜仲胶的化学性质杜仲胶（Eucommia Ulmoides Gum，EUM），又名古塔波胶（Gutta Percha），是产于杜仲树的一种天然高分子材料4。其化学组成与天然橡胶相同，都为 (C5H8)n15，但分子构型上两者存在着顺、反的差异。天然橡胶分子式杜仲胶分子式虽然二者在结构上只有顺、反的差别，但是在应用上却是天壤之别。天然橡胶因为有着优越的弹性，在工业上、生活用品、军工产品上处处都有着天然橡胶的身影。而相比之下，杜仲胶由于一直只能做塑料代用品，用途有限，早期利用其良好的绝缘性被用做海底电缆，后很快又被合成塑料代替。杜仲胶的用途一度被边缘化，直到弹性杜仲胶的弹性体制成才改变这种局面。 242杜仲胶的物理性质纯杜仲胶结构式为常态下为灰白色、颗粒絮状，在空气中易被氧化，逐渐成为黄粉末状脆性物质。因此，纯杜仲胶应密封保存或保存在水中。素炼后的杜仲胶在常温下是白色坚硬的物质，薄层似皮革，在 3550时开始发软，5060时发黏，6090时可以被加工成任意形状，具有一定的记忆特性，130以上则会熔化4。杜仲胶在常温下是似皮革状的坚韧絮状物，纯胶无色，商品胶中常带有各种颜色如灰色、黄色，产生颜色的主要原因是含杂质较多或被不同程度的氧化。纯度较高的杜仲胶胶在10时结晶，4050开始有弹性，且容易被伸长，100软化，具有可塑性；但在冷却后恢复原来的性质，具有记忆性。其软化点与可塑性随树脂含量而异：含树脂率2%6%者，软化点为6263；含树脂率7%12%者,软化点为5960；杜仲橡胶的相对密度为0.950.98；平均分子量为160000173000，混炼后降解4。通过前人的研究发现，可以利用杜仲胶的热塑性、热弹性及记忆性开发出相关的工业材料，如航空航天的记忆性材料，最值得关注的是正在研发的杜仲胶高弹性材料。这种材料具有高耐磨性、摩擦产热小、高弹性及空重复利用性等特点，可以用在航空及汽车行业的轮胎开发中；这样不但可以解决长期以来困扰汽车行业、航空业中因为轮胎摩擦放热量大、使用期限短及轮胎弹性小等一系列重大问题，能够最大程度的减小因为轮胎摩擦导致温度过高而爆裂造成的安全事故的概率，更重要的是能够为我国国防事业、航空航天工业的发展提供了一种新型橡胶材料，最大程度地减少对三叶橡胶的依赖度，增强国民经济的稳定性。2杜仲胶的化学性质杜仲胶的密度为0.9450.955，其折射率1.523（20），介电常数2.6。分子量在16万左右4。溶于芳香烃，也溶于加热的脂肪烃、氯代烃（二氯乙烷）、汽油，微溶于乙醇和丙酮，在大多数酯类（如乙酸乙酯）中仅部分溶解或几乎不溶，但能较好的溶于卤代烃（如三氯甲烷、四氯甲烷)中。在 1825之间时能很好地溶于苯和三氯乙烷中，杜仲胶还有耐酸耐碱的性质，所以强碱、强酸乃至氯氟酸都几乎不起作用，此外杜仲胶还有耐油型4。2.杜仲胶产品技术规格主要技术参数：密度0.91g/cm，拉伸强度极限2028N/m，拉断延伸率1000%，硬度(IRHD)5098，耐油性能良好，允许工作温度-50160。25 工艺流程251 杜仲胶的工艺生产原理由于杜仲胶是一种天然高分子化合物，杜仲胶的提取工艺都比较特殊。目前杜仲胶的提取方法可分为碱洗法、机械法、溶剂法、溶剂-沉淀法以及生物发酵法4。下面将分别简单介绍：(1) 碱洗法：其特征在于用碱反复浸洗原料，从而除去杜仲叶中的杂质和不溶性的物质。主要工艺流程为：备料漂洗浸入 2%3%石灰水中压碎水洗发酵洗涤捣碎碱浸(10%NaOH 23h，5%NaOH 12d 冲洗，5%NaOH 34d 冲洗)45温水分离杂质氯漂再水洗1%2%盐酸浸干燥杜仲橡胶17。它主要靠碱洗除去杜仲叶中其它成分。在整个工艺流程中，发酵、碱浸是前期处理的两个重要环节，因为它不但能使原料浓缩而体积减少，还能使一部分杂质如木质素、树脂等，因碱的作用生成碱木素、皂化树脂等，当用水冲洗时，随水排走。离心分离则是后期的主要环节，需多次离心分离，使胶体和剩余杂质分开方能得到较纯杜仲胶。因为它使用机械多，易于大批量生产，实现杜仲胶的产业化发展。但它具有以下不足：(1) 工艺流程复杂，操作困难，对工人熟练程度较高。(2) 依赖大型连续离心设备，增加建厂成本。(3) 耗费氢氧化钠过多，使胶的成本提高。(4) 提取过程用水量大，产生的废液多。(5) 因需多次冲洗，故使部分胶丝被冲走，使其产率减低。(6) 需要大量工业化学原料，生产成本高。(2) 机械法：工艺流程为：备料漂洗发酵冲洗甩干蒸煮脱水甩干打碎过筛漂洗压块成型。此工艺主要是利用高速的涡洗式的水力将杜仲原料打碎，游离出杜仲树胶。该方法适于工业化批量生产，但强力打碎冲洗过程中胶丝流失严重，产率低，且只能制得粗胶，所含杂质较多。(3) 溶剂法：工艺流程为：备料漂洗发酵轻洗干燥溶剂提取(石油醚、苯、甲苯等)蒸馏提取粗胶加丙酮净化。此工艺主要是利用利用有机溶剂将原料中的胶浸提出来，而与其他组分分离。该工艺有胶丝流失量小、产率高且无污染等优点。缺点是溶剂抽提不易，需经过多次反复提取。在老爹公司实习时发现，浸提液中的杂质不能像石油醚一样蒸发掉，它们会沉析在杜仲胶里，经过多次提取依然有杂质存在的现象，杜仲胶成块状。用丙酮加热回流提纯，这样得到的胶也不是很纯，不便于精制。严瑞芳等发明了以杜仲树叶为原料提取杜仲胶的新工艺方法(申请号：90101268.8)，其特点是采用碾滚机械将树叶表面非含胶组分磨碎，使树叶中含胶组织暴露出来，达到含胶富集的目的，然后筛去废渣，用有机溶剂提取杜仲粗胶和净化。用该法提胶，可节省原料，并能定时定量简单操作4。(3) 溶剂沉淀法：其特征在于用有机溶剂（如石油醚）将杜仲胶从杜仲叶叶中浸提出来，加入沉淀剂使胶沉淀或者冷藏使胶沉淀而发生相分离。该工艺先将原料打碎蒸煮，使胶丝部分游离出来，增加原料与溶剂的接触面积，缩短提取时间、提高杜仲胶的提取率。再加入酒精作沉淀剂或者直接冷藏，利用其溶解性将杜仲胶沉淀出来，而大量的杂质此时并没有沉析，这样可得较纯的杜仲胶。且胶质疏松，较易用丙酮进一步提纯为精胶，经丙酮净化后可制得纯白色的杜仲胶。溶剂可经分馏后循环使用，对环境污染较少，且生产成本小，原料利用率较高。(4) 生物发酵法：生物分离杜仲胶是利用微生物所产生的胞外酶来降解木质素、纤维、果胶等高分子物质，使木素、果胶等高分子多糖类物质转化为小分子糖类，从而使杜仲叶、皮和种皮的杜仲胶从木素、韧皮纤维和果胶的胶粘中解束分离4。再经过离心分离纯化得到高纯度的杜仲胶产品。此方法成本低，易于实现。重点是找到合适微生物进行高效快速的对杜仲叶进行发酵而又不产生过多难以除去的杂物。生物发酵法生产杜仲胶的生产原理如图1：微生物发酵处理破坏木质素、纤维素结构，使杜仲胶分离预处理过的杜仲叶发酵后的混合液杜仲胶产品分离、纯化2.工艺流程图纤维素酶预处理产品包装冲胶纯化水营养物质菌种培养接种培养20天精选杜仲叶灭菌工艺操作要点：(1) 杜仲叶的精选：在收购杜仲叶时应成色和质地较好的且采摘日期为6月或者9月的杜仲叶，这个时段的杜仲胶含量最高。(2) 碎化、蒸煮：将杜仲叶碎化后可以增加与菌种的接触面积，缩短发酵时间；蒸煮可以杀死杂菌，同时可以缩短发酵时间。(3) 接种培样：此步骤是整个工艺流程中最重要的部分，也是最难的部分。应注意控制发酵罐内的温度、ph、湿度，且要防止杂菌污染，使菌群处于最适生长环境。发酵天数控制在20天，此时发酵最充分。(4) 灭菌：此步跟第二步灭菌所采用方法一样。(5) 冲胶：洗去可溶于水的杂质，应注意胶的流失。(6) 纯化：使用离心分离法，实现杜仲胶的纯化。(7) 包装：按照工艺规格将产品进行包装。(8) 产品：产品存放仓库时应注意防潮防虫。26物料平衡计算工艺设计中，物料衡算是在工艺流程确定后进行的。目的是根据原料与产品之间的定量转化关系，计算原料的消耗量，各种中间产品、产品和副产品的产量，生产过程中各阶段的消耗量以及组成，进而为热量衡算、其他工艺计算及设备计算打基础。物料衡算是以质量守恒定律为基础对物料平衡进行计算。物料平衡是指“在单位时间内进入系统(体系)的全部物料质量必定等于离开该系统的全部物料质量再加上损失掉的和积累起来的物科质量”。(1) 物料利用率：成品杜仲胶K=100%杜仲原胶K1=96%（提取损耗按4%）杜仲K2=1.5%（出胶按1.5%）(2) 物料总量：成品杜仲胶G=100t/100%=100t杜仲原胶G1=G/K1=100t/96%=104.2t杜仲叶G2=G1/K2=104.2t/1.5%=6946.7t(3) 蒸汽：主要用于某些设备及管道的消毒,用量约为0.75t/h。(4) 电：动力用电高峰期在杜仲胶原料的加工及提取期，其余时间只是发酵、供热、 清洗、照明等设备用电。加工提取期主要动力用电负荷如下：设备名称数量单台动力（kw）每天工作时间(h)每天平均用电量(kwh)减速机111888包装机17.5860空气压缩机17.5860振动筛11110110电动葫芦17.5860供热设备211581840排污泵67.54180给水泵210480离心泵121181056其他8400合计222427设备选型和计算271原则物料计算是设备选型的根据，而设备选型则要符合工艺的要求。设备选型是保证产品质量的关键和体现生产水平的标准，又是工艺布置的基础，并且为动力配电用量计算提供依据。设备选型应根据每一个品种单位时间(小时或分)产量的物料平衡情况和设备生产能力来确定所需要设备的台数。因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则：(1) 保证工艺过程实施的安全可靠（包括设备材质对产品质量的安全可靠；设备材质强度的耐温、耐压、耐腐蚀的安全可靠；生产过程清洗、消毒的可靠性等）。(2) 经济上合理，技术上先进。(3) 投资省，耗材料少，加工方便，采购容易。(4) 运行费用低，水电汽消耗少。(5) 操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人劳动强度，实施机械化和自动化方便。(6) 结构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确实性能优良的设备。(7) 考虑生产波动与设备平衡，留有一定余量。(8) 考虑设备故障及检修的备用。272设备一览1. 送料出渣：设备名称规格或型号数量翻斗拖拉机3 t1电动葫芦1t1计量称2t12. 菌种制作：设备名称规格或型号数量菌种发酵罐20 t2发酵液贮罐50m32摆线针轮减速机Xw-D9-43-11KW Q出33rmin Q入1400rmin2水汽混合器50602管道离心泵Q50 m3/h ,H32m1无堵塞管道排污泵Q43 m3/h ,H13m13. 发酵设备：设备名称规格或型号数量发酵罐5Om34配制罐5 m32计量罐10 m32热交换器Cummins/39688101无堵塞管道排污泵Q43 m3/h ,H13m24. 清洗设备：设备名称规格或型号数量螺杆泵口径80mm，压力6kg/cm24高压清洗机P5-6MPa,Q9.3L/min20管道离心泵Q43 m3/h ,H13m25. 纯化设备：设备名称规格或型号数量多能提取罐20吨2外循环蒸发器100030001配制罐WPY-G1溶媒贮罐25 m31暂存罐25 m32不锈钢管道离心泵Q4 m3/h ,H16m2管道离心泵Q52 m3/h ,H32m16. 包装设备：设备名称规格或型号数量真空包装机DZL-1501振动筛1*0.4M1金属探测器EJH-D30017. 污水处理设备：设备名称规格或型号数量洗脱水贮罐25m31瀑气池400 m31耐腐蚀泵Q10 m3/h ,H30m2无堵塞管道排污泵Q43 m3/h ,H13m18. 制水设备：设备名称规格或型号数量无盐水贮罐20 m32软化水贮罐1 m31管道离心泵Q44 m3/h ,H24m19. 供热设备：设备名称规格或型号数量锅炉4t1软化水装置鹏琦/ JMT1给水泵835 m3/h210. 空压系统：设备名称规格与型号数量微型空压机JB-10HP4压缩空气贮罐10m3128 工厂水、电用量的估算生产用水：每生产一吨杜仲胶耗水量为2.5m3 用电估算：设备名称数量单台动力（kw）每天工作时间(h)每天平均用电量(kwh)减速机111888包装机17.5860空气压缩机17.5860振动筛11110110电动葫芦17.5860供热设备211581840排污泵67.54180给水泵210480离心泵121181056其他8400合计222429 劳动力平衡劳动定员见表：职工生产人员基本工人（岗位生产工人）、辅助工人（维修、研发、运输、等）非生产人员管理人员生产管理人员服务人员行政人员后勤服务人员（1）车间基本工人人员及职责：工序工人数职责车间主任1负责整个工艺流程原料管理2原料验收、管理及搬运发酵过程操作员4负责工艺流程监控和设备运转检验1负责产品合格率检查封袋2负责产品装袋运输2负责将产品运入仓库产品仓库管理1负责仓库产品管理菌种研发2负责研发新菌种总计15生产辅助人员：电工：1人 负责全厂电力设备维护，及维护全厂供电的线路。机修人员：2人 负责全厂生产设备的维护（2）非生产人员的安排：职称人数职责厂长1负责全厂事务副厂长2负责生产销售及协助厂长工作秘书1负责协助厂长工作财务1负责统管全厂财务核算及经济分析人事2管理全厂人事档案及人员招聘门卫4管理进出人员、车辆及财物防盗后勤4为企业职工提供生活服务总计15210 车间平面布置车间平面布置是工艺设计的重要组成部分，关系整个车间的命运。主要母的是为了对厂房的配置和设备的排列做出合理的安排，并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑结构型式，以及各车间之间与工段之间的相互联系。2101车间布置原则(1) 符合生产工艺要求的原则(2) 符合生产操作要求的原则：i. 每一个设备要考虑一定的位置。ii. 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。iii. 设备布置不宜过挤或过松，宜尽量对称紧凑，排列整齐，充分利用空间。iv. 要考虑相同设备或相似设备互相使用的可能性和方便性v. 设备的自动测量仪表要集中控制，阀门控制集中，便于工人操作。(3) 车间布置应符合设备安装、检修要求的原则i. 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；ii. 满足设备能顺利进出车间的要求；iii. 通过楼层的设备，楼面上要设置吊装空；iv. 考虑设备的检修和拆卸以及运送所需要的起重运输设备。(4) 车间布置应符合厂房建筑要求的原则：i. 凡笨重设备或运转时会产生很大振动的设备应布置在厂房的底层；ii. 有剧烈振动的设备，其操作台和基础不得与建筑物的柱子、墙连在一起；iii. 设备布置时，要避开建筑的柱子以及主梁；iv. 厂房操作台要统一考虑；v. 设备不应该布置在建筑物的沉降缝或伸缩缝处；vi. 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；vii. 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。(5) 车间布置应符合节约建设投资要求的原则：i. 厂房采用非高层化设计；ii. 工艺管道集中布置，减少管线投资和节约能耗；iii. 尽量采用一般的土建结构；iv. 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、卫生的要求：i. 发酵工厂车间卫生是正常生产的首要环节；ii. 要为工人操作创造良好的安全卫生条件；iii. 凡产生腐蚀性介质的设备，其基础、设备周围地面、墙、柱都要采取防护措施；iv. 易燃易爆车间要考虑方便工人疏散和防火灭火措施。(7) 车间布置应符合生产发展的要求。2102车间布置详情参见附图第3 章公用系统公用系统是指与全厂各部门、车间、工段有密切关系的，为这些部门所共有的一类动力辅助设施的总称。对本设计来说，这类设施包括给排水、供电、通风等工程。对公用系统的要求如下：(1) 满足生产要求：对供电、供水系统，只有把供电、供水能力按高峰季节各产品的小时需要总量，来确定它们的设计能力，才认为是具备了足够的适应性，且需要考虑组合式结构，是指不要搞单一的变压器，而应设置多台变压器，以便有不同的能力组合，适应不同的负荷。(2) 符合卫生要求：生产用水的水质必须符合卫生部规定的工业用水卫生标准；如锅炉的型号、烟囱的高度、运煤、出灰的通道、污水处理的工艺流程等，是否选择得当，都与工厂的环境卫生有密切关系。(3) 运行可靠：运行可靠是指供应的数量和质量要有可靠而稳定的参数，例如水的数量、水的质量、供电量与稳定性，必须要满足生产的实际需要。参数的稳定性也非常重要。如水温、水压、电流、电压、湿度等。(4) 费用经济：投资少、收益高。这就要求设计人员在进行设计时，要准确地收集和整理设计原始材料，进行多方案的比较，避免贪大求洋。还得注意各部门和去全厂的关系，一近期的一次性投资和长期的经常性费用的关系。从而使设计达到投资最少，经济效益最好。31给排水系统水在生物工程工厂的地位，就某种意义来说，与所用生产原料占有同样重要的地位。用水量大，对水质要求高，排水量大，排水的废水对环境污染较严重，是生物工程工厂的特点之一。因此，给排水工程的设计，在生物工程工厂的设计占有重要的地位。与一般的生物工程工厂不同，利用该工艺生产杜仲胶所产生的废水对环境没有污染，只需进行简单的物理沉淀法进行污水处理即可达到污水排放标准。本设计采用城市自来水作为工厂水源。311全厂用水量计算(1) 工艺用水：利用生物发酵法每生产1kg杜仲胶预计将耗水2.5m3，故全年总耗水量W=2.5m3/kg*100000kg。(2) 工厂生活用水：生活用水于当地气候，生活习惯以及卫生设备完善程度有关，可依据当地相关企业或居民的生活用水量来确定，可根据下式进行计算：W=KNQ/1000T(3.1)18式中：W一最大小时生活用水量，比K一用水变化系数N一用水量Q一使用人数T一使用时间(3) 消防用水：厂区消防用水量为10一75L/s，车间消防用水量以2*2.5L/s计，如发生火警，可通过生产和生活用水的调整加以解决，此外，厂区、车间消防用水管道压力应保证水枪出水口充实水柱不小于10m19。312配水系统由于采用城市自来水作为供水水源，所以需要建设一个自来水水池或水塔以调节水量和水压。输水干管一般采用铸铁管或预应力钢筋混凝土管。生活饮用水不得和非生活用水的直接相连，在以生活用水作为生产备用水源时，应在两种管道连接处设两个闸阀，并在中间加排水口等防止污染生活用水的措施。输水管道和配水管道网间设置分段检修用阀门，并在必要位置上装设排气阀、进气阀或泄水阀。有消防给水任务的管道直径不小于100mm，消防栓间距不大于120m，厂区、车间消防用水管道压力应保证水枪出水口充实水柱不小于10m。314排水系统排水系统设计内容包括两部分：排水官网、污水处理。排水管网汇集各生产车间的生产污水、冷却污水、卫生间污水和生活污水。借助重力排放至污水处理间进行污水处理。32 供电系统要求及相关措施：(1) 工厂的供电设计是电力系统的一个组成部分，必须符合电力系统的要求。(2) 工厂的供电系统必须满足工厂生产的需要，保证高质量的用电。本设计采用双变电器供电以满足生产要求。(3) 必须考虑电路的合理利用与节约，供电系统的安全与经济运行，施工与维修方便。第4章 建筑部分41土建部分土建设计包括建筑设计和结构设计。车间建筑设计要解决平面布置和立面处理，使之符合生产工艺要求，满足采光、通风、防火等要求；建筑设计还要适当注意到美观。土建设计的原则：(1) 建筑设计应贯彻“经济、适用，在可能条件下注意美观”的原则。(2) 建筑设计应尽量做到标准化、定型化和系列化。(3) 建筑设计应注意因地制宜，就地取材，积极慎重地采用新技术和新材料。所选用的材料应是经过同类型装置考验过的、能满足设计要求的。(4) 结构设计应保证结构具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性，并应注意验算结构构件在制作、运输、安装等施工阶段的强度和刚度，从而保证建筑物或构筑物在建造和使用过程中的安全。对于易燃、易爆、有腐蚀、有振动的厂房，应注意其特殊要求。(5) 在保证安全适用的原则下，力求经济，不但要注意节省工程造价，而且还要注意节省工程建成后的维护费用。(6) 按国家标准对建筑物进行防雷、防火、防污染、防噪声进行处理。本工程土建设计均严格执行国家颁发的现行设计规范、规定和法定计量单位、部颁标准。42全厂总平面布置根据建设项目的性质、规模、组成内容和使用要求，因地制宜地结合当地的自然条件、环境关系，按国家有关方针政策、有关规范和规定合理布置建筑，组织交通线路，布置绿化，使其满足使用功能或生产工艺要求，做到技术经济合理、有利生产发展、方便职工生活，称为建筑总平面布置。工厂设计总平面设计就是要合理结合用地条件，并按整个生产工艺流程合理的布置全厂不同使用功能的建筑物、构筑物，将各建筑组成一体18。第5章 企业安全及卫生51安全公司安全包括财务安全、物品安全及员工的人身安全。只有保证了公司的安全，才能使得公司能够正常的运行及后续发展。安全应从以下几个方面做起。511财务安全财务安全就是保证财务过程中的安全，即财务报表的安全与财务资金的安全。在财务安全工作中，需要注意的问题有：财务人员选择、现金及财务报表防损防盗、财务管理制度的制定。1. 财务工作人员的选择财务工作人员的选择直接关系得到财务工作的是否能正常运行。财务人员必须有相应的从业资格证，并且应有职业道德和良好的职业操守；不得做违反法律法规和伤害公司利益的事。2. 现金及财务报表防损防盗财务室必须安装有铁门、铁窗、铁保险柜、报警器、灭火器等安全防范设施。所有设施必须牢固可靠，保险柜使用双保险锁或者密码锁，存放点必须安全合适。报警器必须与值班室相联，并24小时有人值班。财务系统的计算机应做到专机专用，使用密码才能进入系统，且处于单独的网络中，减少遭受网络攻击的可能性。财务系统及财务报表应每天进行备份，必须使用光盘与磁盘同时进行备份，加大数据可恢复性。重点区域如财务室内部、进入财务室的通道应装有监控探头。512物品安全厂区内的物品安全主要是防火防雷及防盗，厂区的所有建筑物设计应符合GB50016-2010建筑设计防火标准及GB 50057-2010建筑设计防雷标准。物品防盗是工厂日常重要工作，对保证生产环节的正常进行有着重要作用。513生产人员的人身安全安全大于生产，说明了生产人员的人身安全的重要性。在生产过程中，要对生产人员进行完全的安全生产培训，并进行定期考核。以此提高人员的安全意识，减少生产事故的几率。52卫生521生产车间卫生(1) 车间须保持清洁卫生，每日下班前必须清扫，每周进行一次大扫除，并定期对工具容器及空气进行消毒；(2) 车间内须做好防尘、防鼠、防蟑螂工作；(3) 车间内地面保持无积水；(4) 员工进入车间前应进入更衣室穿戴清洁的工作衣帽，洗手，并浸泡消毒液，换工作鞋经消毒池消毒。522个人卫生在进入生产车间前，员工应将工作服、工作帽、工作鞋等穿戴好，并保持整洁。经常检查领口、袖口、及下摆是否松脱，使用前先进行消毒处理，穿好工作服后要进行水清洗一皂液一水清洗一烘干，烘干后再用酒精消毒后方可进入车间，发酵车间人员必须每半小时用75%酒精喷淋对手进行清洗消毒，便于降低发酵时杂菌污染的概率19。523仓库卫生仓库分为原料仓和产品仓，对卫生的要求分别如下：1. 原料仓：杜仲叶易发生虫蛀和在潮湿时易霉变，仓库应保持干燥，应积极做好防虫、防潮工作。2. 产品仓：产品检验合格入库后，仓管员应根据产品档次密封包装、贴好标签、分类存放、妥善保管。同时应做好四防：防湿、防潮、防火、防盗。产品进仓后仓管员应登记造册，产品进出要严格办理交接签收手续，仓管员要搞好仓库环境，确保产品卫生安全，贮藏条件要达到清洁、干燥和相对避光。仓库周边及库内严禁存放与产品无关的杂物，并定期检查库内产品，每月进行盘点、检查一次，发现问题及时解决。第6章 综合管理61企业原则公司实行董事会领导下的总经理负责制，总经理由董事会成员选举产生，并对董事会负责。参照现代企业管理体制，本着“精干、高效”原则，根据企业需要，公司下设办公室（负责公司人事、财务、后勤等工作）、技术部（负责公司的生产技术、质量管理及新产品开发等工作）、生产部（负责公司的生产管理工作）、营销部（负责公司的原料供应和产品推销工作）22。本公司约需员工60人，其中管理人员15人。机构设置如图？。董事会总经理副总经理副总经理办公室营销部技术部生产部62工作制度制订生产制度，目的是明确生产作业计划。首先是制定各季度的生产任务和进度，将生产任务具体落实到各个班组各个工人。其次就是制定各生产工艺中不同工序之间的配合制度，做到不同工序在时间与空间的合理衔接，协调生产；再次，日常生产制度实行岗位责任制、多劳多得制，奖勤罚懒、奖优罚劣，严格将各种责任落实到每一个人，职工可以实行合同工制度，同时各车间、班组实行优化组合形式19。最后，严格把守产品的质量关，做到问题及时解决。工作日及产能安排如下：年工作日定为300天，2400小时。日生产0.33吨，年产量100吨。第7章 环保71设计采用标准为达到国家要求的建厂标准，优化工厂环境，本项目环境设计执行如下标准：(1) （87）国环字第002号文件，关于颁发建设项目环境保护设计规定的通知。(2) 环境空气质量标准GB30951996(3) 大气污染物综合排放标准GB162971996(4) 地面水环境质量标准GB383888(5) 污水综合排放标准GB89781996(6) 工业企业噪声控制设计规范GBJ878572对环境影响的预测杜仲胶生产是用微生物的发酵工厂，较传统企业来说对周围环境影响小。所以在生产过程中三废只要进行灭菌后，再进行一般处理即可。(1) 废水杜仲胶提取生产过程中排放的废水主要是设备及地面清洗用水，生产用水经处理后可循环利用，不含任何有害成份，可用于农田灌溉或直接排放，不会对周围环境造成有害影