碱性果胶酶的车间设计

年产400吨碱性果胶酶的发酵车间设计主要内容选题背景以及设计目的和意义果胶酶和碱性果胶酶的性质生产工艺选择物料衡算与能量衡算设备选择车间平面布置和区域布置经济核算一、选题背景以及设计目的和意义•碱性果胶酶是指在碱性环境下具有高活性的果胶酶，广泛应用于苎麻脱胶、纸浆漂白、医药原料提取等方面。近年来，随着纺织工业污染由“末端治理”转向“源头治理”，碱性果胶酶以其低能耗、环境友好、产品品质高等优点广泛应用于棉织物的预处理中。•中国从1990年初也开始研究碱性果胶酶，一般停留在菌种筛选及对酶学特性研究阶段，而对发酵和基因工程改造研究不多。国内厂家多采用原始菌株进行碱性果胶酶粗酶制品的发酵生产，一方面存在酶产量低的问题，另一方面存在碱性耐受谱不完整，酶活不稳定等性能缺陷。且现有碱性果胶酶产品较少，种类单一，需求量大。二、果胶酶与碱性果胶酶的定义果胶酶最初是由MacDonnell从桔子里提取得到的，是指一类能够分解果胶类物质的酶的总称，是含有多种组分的复合酶。根据果胶质结构化学的研究表明，果胶质的化学结构比较复杂，能够催化其分解的果胶酶也种类繁多。碱性果胶酶是指在碱性范围内具有较高活性的果胶酶，一般多指聚半乳糖醛酸裂解酶，属于果胶裂解酶的一种。碱性果胶酶可来源于植物果实和微生物，霉菌、酵母等真菌、细菌和放线菌都可以产生碱性果胶酶。果胶酶和碱性果胶酶的酶学性质•（1）果胶酶的热稳定性比较差，若以果胶为底物，60℃保温15min，酶活力剩余23%。酶作用的最适温度为45~50℃，如低于此温度，作用时间要相应延长。•（2）酶稳定的PH范围3.0~6.0，故此酶在偏酸性条件下促进澄清效果最佳，酶最适PH为3.5~5.5。•（3）Fe、Ca、Zn、Sn等离子对酶有抑制作用，因此在果汁澄清时应注意容器的选择。•（1）采用硫酸铵分级沉淀法进行分离纯化，先用60%的硫酸铵去除杂蛋白，再用90%的硫酸铵最大程度的收集较纯碱性果胶酶。•（2）本实验中，BacillussubtilisWSH03-06所产碱性果胶酶的最适作用温度为55℃，但是在50℃条件下温度稳定性要好；最适pH为9.4，且pH在9.2~9.6范围内稳定性较好。酶液中添加适量的可大幅度的提高酶活力。•（3）采用自制的碱性果胶酶在酶的稳定性最好的pH值、温度、30min沸水条件下添加适量的Ca2+处理棉织物，并与碱精练织物的效果进行了实验对比。酶精练后的果胶去除率、织物润湿性，基本可达到行业标准要求，与碱精练相比，织物手感更柔软，对织物纤维的损失小，并且酶精练工业条件温和，具有良好的工业化前景。三、设计任务年产碱性果胶酶：400t年工作日：300d产品收率：85%接种量：4%发酵周期：3d（发酵1天，种子1天）发酵罐装料系数：70%四、生产工艺选择及流程设计锥形瓶发酵培养基成分•胰蛋白胨10.0，酵母浸出粉5.0，NaCl10.0PH为自然值（g/L）一级种子罐•蔗糖20.0，蛋白胨10.0，玉米浆30.0，硫酸镁1.0，磷酸氢二钾18.4，磷酸二氢钾6.0PH为7.0•取子瓶斜面数只，在无菌室内超净工作台上制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入一级种子罐内二级种子罐•蔗糖20.0，蛋白胨10.0，玉米浆30.0，硫酸镁1.0，磷酸氢二钾18.4，磷酸二氢钾6.0PH为7.0•取一级种子罐的样品，在无菌室内超净工作台上制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入二级种子罐内。发酵•麸皮30.0000，豆饼粉35.3345，硝酸盐0.0455，氯化钠4.2988，氯化钙1.1100•一级种子罐在（35±1）℃，通气培养40~60h后，移种于二级种子罐，在（34±0.5）℃继续通气培养约40h，后期适当补料。培养完成后，移种至发酵大罐内，在32~34℃下继续通气培养72h后放罐。发酵过程中，按糖氮代谢的实际情况补料，后期适当补水。工艺流程说明•（1）锥形瓶培养：吉氏芽孢杆菌S-2菌株在锥形瓶发酵罐中进行培养•（2）种子制备：以320L发酵罐为例，与28～30℃，通风（10～12h为0.3VVm，12h后为1.0VVm），搅拌培养菌体镜检粗壮呈网络状，即可转入发酵。•（3）发酵培养：以夹套型不锈钢发酵罐进行培养基杀菌，冷却到28～30℃，接入320L罐种子，在罐压0.08～0.12MPa，通风（0～24为0.8VVm，24到结束为1.2VVm），搅拌（270r/min）培养24h，果胶酶活力达1000U/ml。•（4）后处理。将发酵液用压滤机压滤除渣，由发酵液得滤液后。经超滤浓缩到酶活力为1000U/ml，加入硫酸铵进行酶的盐析，干燥，粉碎，得到活力4000U/ml的酶粉。五、物料衡算和能量衡算5.1计算基础数据•（1）生产规模：年产400吨碱性果胶酶•（3）生产天数：300天/年•（4）碱性果胶酶日产量：1.34吨•（5）碱性果胶酶年产量：400吨•（6）产品质量：果胶酶活力4000U/mg•（7）发酵液的酶活力：1000U/mL5.2设备选型一、发酵罐的个数•发酵罐体积为200m3，装料系数为70%，酶的比活力为4000U/mg，发酵液的酶活力为1000U/mL，收率为85%。则，每立方米发酵液产酶量约为4.7kg。•每个发酵罐产酶量（以产品计）200×70%×4.7×85%=559.3kg•每天产酶量为1340㎏，则每天需要发酵罐个数为1340/559.3≈3（个）•产品生产周期约为1天，则所需的发酵罐个数为1×3=3（个），总共需要3个发酵罐•V全=V筒+2V封=230m3；封头折边忽略不计，以方便计算。则有V全=0.785D2×2D+0.131D3×2=230，且H=2D,解方程得：D=5m，则H=10m。•由图可知：封头高H封=ha+hb=1250+50=1300（mm）验算全容积•V’全=V筒+2V封=0.785D2×2D+0.131D3×2+0.785D2×0.05•=0.785×52×2×5+0.131×53×2+0.785×52×0.05•=230(m3)=V全三、一级种子罐以及二级种子罐的个数及大小的确定•二级种子罐体积为10m3，接种量均：4%，装料系数为70%，则每天需（3×200×70%×4%)/(8×70%)=3个二级种子罐，发酵周期为1天，则需二级种子罐数为1×3=3个，共需要3个二级种子罐。一级种子罐体积为0.32m3，接种量均：4%，装料系数为70%，则每天需（3×8×70%×4%）÷（0.32×70%）=3个一级种子罐。•二级种子罐装料体积为8m3，但，装料体积为总体积的70%，所以二级种子罐的体积约为10m3。同理，与发酵罐的选型过程相同，则筒体直径为1800（mm）,筒体高为3600（mm），封头高为475（mm）,总高为4500（mm）。•一级种子罐装料体积为0.32m3。但，装料体积为总体积的70%，所以一级种子罐的体积约为500L。同理，与发酵罐的选型过程相同，则筒体直径约为700（mm），筒体高为1400（mm），封头高为200（mm）,总高为1800（mm）。发酵大罐及种子罐示意图5.3原料消耗的计算•年理论消耗麸皮量3×200×70﹪×3﹪×300＝3780（吨）•年理论消耗豆饼粉量3×200×70﹪×3.5﹪×300＝4410（吨）•年理论消耗氯化钠量3×200×70﹪×0.43﹪×300＝541.8（吨）•年理论消耗硝酸盐量3×200×70%×0.00455%×300=3.822（吨）•年理论消耗氯化钙量3×200×70%×0.111%×300=139.86（吨）1------每天放罐数200------发酵罐体积/m370﹪------装料系数0.03------麸皮的质量体积分数/kg/L0.035------豆饼粉的质量体积分数/kg/L0.0043———氯化钠的质量体积分数/kg/L0.00455%---------硝酸盐的质量体积分数/kg/L0.111%----------氯化钙的质量体积分数/kg/L300---------一年生产天数•副产品产量计算•粗酶制剂年产量：32×0.15×300＝1440（吨）32-------滤渣体积m3/d0.15-------每立方米滤渣经烘干所得产品质量㎏300------一年生产天数5.4热量衡算一、发酵罐灭菌用蒸汽•每个200m3的发酵罐灭一次菌大约需6吨，种子罐灭一次菌大约需1.6吨，每天有3个发酵罐和6种子罐用于生产，则一年中用于发酵罐灭菌需用蒸汽量为：(6×3+1.6×6)×300=8280（吨）二、干燥用蒸汽•干燥器（喷雾干燥器、气流干燥器）每小时耗气量大约为：1620Kg/h，每天工作2小时；则一年耗气量为：1620×3×2×300/1000=1458（吨）三、取暖及其它用蒸汽为：3800（吨）•蒸汽的价格为：100元/t，则一年蒸汽花费为(1458+3800+8280)×100=135万元5.5水的衡算•一、发酵耗水•3×200×95﹪×70﹪＝399t/d•3------每天放罐数•200------发酵罐体积/m3•70﹪------装料系数•95﹪------水的质量体积分数•二、洗罐用水•每个发酵罐（包括种子罐）洗涤用水按5吨算：•5×10＝50t/d•三、冷却用水•每罐每发酵一次用水10吨，时间为55小时•10/55×24×10＝43.6t/d四、过滤机用水量每台每次4吨每天工作4小时共2台4×2×4=32t/d五、其他用水量4t/d六、总用水量399+50+43.6+32+4=528.6t/d平均每吨果胶酶用水量528.6/1.04=500.3t/d天津市工业用水价格为6.5元/t，所以一年用水花费为500.3×6.5×300=975585元5.6耗电量的计算一、发酵罐发酵罐搅拌过程中总功率为110Kw，每天有3个罐工作：•110×3×24=7920Kwh二、种子罐•种子罐搅拌过程中总功率为90Kw，每天有6个罐工作：•90×6×24=12960Kwh三、提取耗电量（1）板框过滤机•功率4kw每天工作时间6h共3台耗电量4×6×3=72Kwh（2）超滤装置功率3kw每天工作时间15h共1台耗电量15×3×1=45Kwh（3）喷雾干燥塔功率5kw每天工作时间时间2.5h共1台耗电量5×2.5×1=12.5Kwh（4）气流干燥装置功率7kw每天工作时间时间3h共1台耗电量7×3×1=21Kwh（5）蒸馏装置功率3kw每天工作时间时间24h共1台耗电量3×24×1=72Kwh（6）粉碎机功率7.5kw每天工作时间时间6h共1台耗电量7.5×6×1=45Kwh（7）蠕动泵功率7.5kw每天工作时间时间10h共1台耗电量7.5×10×1=75Kwh（8）离心泵功率10.05kw每天工作时间时间2h共10台耗电量10.05×2×10=201Kwh•除以上几个设备外，生产中其他设备用电较少些，每天用电约21423.5Kwh，非生产生活及其他用电为5000Kwh，天津市工业用电每度约0.8元，则全年总用电量为26423.5Kwh，则本公司一年所需电费约为26423.5×0.8元=21138.8元=2.1万元六、经济效益的计算利润估算•据市场可将我产品（果胶酶）定价为400元/kg，粗酶制剂定价为8元/kg，那年末销售收入为：400×400000+8×1440000=161152万元。•税收=销售利润×33%=161152×33%=53180.16万元•销售利润=销售收入-生产成本=161152万元-53180.16万元=107971.84万元•纯利润=销售利润-税收=107971.84万元-53180.16万元=54791.68万元三废的处理•废气发酵过程中产生的废气主要是二氧化碳，其中可能含有一些颗粒，可以在排气口加一个旋风分离器，除去杂质。将其回收，用于出售。对于生活中产生的废气（如锅炉房排气），经一吸附装置吸附后再排到大气中。•废水废水主要是提取酶后的发酵残留液，需做理化性质检验，确定无毒或抗生素后，再经活性污泥处理，达到国家排放标准后用来灌溉树