其它年产100吨冬虫夏草发酵车间工艺设计Word文档格式.docx
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2.5.发酵工段产品:
未烘干前呈浅黄色,烘干后呈棕黄色,深棕色,色泽均匀的冬虫夏草菌粉。
3. 产品方案
3.1.产品名称和性质:
发酵蝙蝠蛾拟青霉冬虫夏草菌粉,为黄色粉末,气香,味微苦。
3.2.产品的质量规格:
虫草干品含粗蛋白25.32%,粗脂肪8.4%,粗纤维18.53%,碳水化合物28.9%,灰分4.1%,水分10.84%。
另外含虫草酸约7%,还含有游离氨基酸12种,水解后有氨基酸18种,其中成年人必需从食物中供给的8种氨基酸均具备,还有幼儿生长发育所必需的组氨酸。
此外,尚含有维生素B12、麦角脂醇、六碳糖醇、生物碱等。
3.3.产品规模:
100T/a。
3.4.产品包装方式:
桶装。
4.生产方法和工艺流程
4.1.路线的选择——生物发酵法
发酵冬虫夏草菌粉是1992年由中国医学科学院药物研究所首次人工培养获得成功,从天然冬虫夏草中可以分离获得虫草头胞菌、蝙蝠蛾拟青霉菌、中国拟青霉等,它们均可以在液体培养基中培养。
培养基根据分离到的菌株不同有所差异。
液体深层发酵设备规模投资较大,但生产过程相对简单,生产周期短,受环境因子影响少,因此可适合工业化集团经营,所获产品为菌丝体(或菌丝粉)。
4.1.1.冬虫夏草真菌分离
采用组织分离法可以获得植物内生菌做为人工冬虫夏草的生产菌株,即采用直接切取虫草的子座部分或菌核部分的一小块组织,经表面消毒和灭菌水洗后,在无菌操作条件下,由虫草体上转移到培养基上。
切取组织1mm左右,组织切取过大会增加染菌的机会,组织切取过小,一方面在表面消毒过程中易将该组织杀死,另一方面也相应地延长了虫草菌种的生长时间。
取春夏之交的新鲜冬虫夏草的子座,用0.1L汞液表面消毒5min,再用无菌水反复冲洗,在无菌条件下切去外层、避开肠边,切取内部白色组织1c㎡左右,压碎涂于培养基表面,20℃温箱4个月,得到母种[3]。
4.1.2.培养过程[5]
4.1.2.1.斜面培养
以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基(pH6~7)。
于121℃灭菌30min,接种于固体培养基上于27±
1℃,培养4~5d,菌丝均匀长满斜面后,置冰箱4℃保存备用。
4.1.2.2.摇瓶培养
以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基(pH6~7),采用250ml三角瓶装培养基50ml,采用27±
1℃,摇床转速230r/min,振荡培养。
4.1.2.3.摇瓶种子培养
以蔗糖2%,工业蛋白胨0.15%,酵母粉1%,MgSO40.05%,KH2PO40.1%为培养基(pH6~7),采用500ml三角瓶,装培养基120ml,采用27±
1℃,摇床转速230r/min,振荡培养48~60h,镜检菌丝粗壮,无杂菌后,合并作为进罐种子。
4.1.2.4.种子罐培养
葡萄糖25kg/m3,豆粕20kg/m3,豆油0.6kg/m3,硫酸镁0.6kg/m3,磷酸二氢钾0.1kg/m3,蛋白胨3kg/m3为发酵液(pH6~7),采用1m3种子罐,装料系数为0.8,在27±
1℃温度下发酵培养。
4.1.2.5.发酵罐培养
葡萄糖100kg/m3,豆粕25kg/m3,豆油0.9kg/m3,硫酸镁0.9kg/m3,磷酸二氢钾0.2kg/m3,蛋白胨6kg/m3,消泡剂0.6kg/m3为培养基(pH6~7),采用10m3发酵罐,装料系数为0.8,在27±
1℃温度下培养。
4.1.3.发酵液后处理
发酵液
离心过滤
菌丝体
80℃干燥
成品菌粉
粉碎包装
4.2.工艺流程
4.2.1.工艺流程的设计原则[6]
进行工艺设计,必须考虑以下几项原则:
4.2.1.1.保证产品质量符合国家标准,外销产品还必须满足销售地区的质量要求。
4.2.1.2.尽量采用成熟的、先进的技术和设备。
努力提高原料利用率,提高劳动生产率,降低水、电、汽及其他能量消耗,降低生产成本,使工厂建成后能够迅速投入生产,使短期内达到设计生产能力和产品质量要求,并做到生产稳定、安全、可靠。
4.2.1.3.尽量减少三废排放量,有完善的三废治理措施,以减少或消除对环境的污染,并做好三废的回收和综合利用。
4.2.1.4.确保安全生产,以保证人身和设备的安全。
4.2.1.5.生产过程尽量采用机械化和自动化,实现稳产、高产。
4.2.2.工艺流程方框图(见附图4.1)
5.车间的组成和生产制度
5.1.车间组成及其所需时间
发酵
配料 0.8h
搅拌0.5h
投料0.5h
蒸汽灭菌 1h
冷却到27℃ 约1h
接种 0.20h
发酵44h
发酵的总反应时间为 48h
清洗发酵罐 1.5h
5.2. 人员配置
表5.1车间岗位人员配置表
工段
名称
岗位
人员配制班制
人 数
每班
轮休
合计
发酵
配料罐
2
1
发酵罐
7
3
4
过滤
烘干
6
其他
车间主任
/
车间副主任
合计
15
8
9
17
6.原料的主要技术规格[7]
6.1.葡萄糖[7]
分子式:
C6H12O6;
分子量:
180。
雪白的晶体,易溶于水,难溶于乙醇,具有甜味,甜度仅及蔗糖的74%。
葡萄糖是机体所需能量的重要来源。
据测定,吃进一克葡萄糖,在人体内氧化后,大约可以产生将近16.736kJ热量,在人体中,葡萄糖是靠血液运送到身体各部分的。
葡萄糖是一种很好的保健品。
葡萄糖虽然不能用于合成蛋白质,但能起节约蛋白质的作用。
在葡萄糖供应充足,糖代谢正常的情况下,有利于组织蛋白的合成。
反之,当糖缺乏或糖代谢失常,蛋白质分解就会增加。
在此情况下,则不利于组织内蛋白质的合成。
6.2.蛋白胨
蛋白胨是一种外观呈淡黄色的粉剂,具有肉香的特殊气息。
它作为微生物培养基的主要原料,在抗生素,医药工业,发酵工业,生化制品及微生物学科研等领域中的用量均很大;
不同的生物体需要特定的氨基酸和多肽,因此存在各种蛋白胨,一般来说,用于蛋白胨生产的蛋白包括动物蛋白(酪蛋白、肉类)和植物蛋白(豆类)两种。
6.3.豆粕
豆粕是大豆提取豆油后得到的一种副产品。
豆粕一般呈不规则碎片状,颜色为浅黄色至浅褐色,味道具有烤大豆香味。
豆粕的主要成分为:
蛋白质40%~48%,赖氨酸2.5%~3.0%,色氨酸0.6%~0.7%,蛋氨酸0.5%~0.7%。
豆粕是棉籽粕、花生粕、菜籽粕等12种动植物油粕饲料产品中产量最大,用途最广的一种。
作为一种高蛋白质,豆粕是制作牲畜与家禽饲料的主要原料,还可以用于制作糕点食品,健康食品以及化妆品和抗菌素原料。
6.4.硫酸镁
MgSO4;
120.37。
白色粉末,熔点:
1124(分解),相对密度(水=1):
2.66,溶解性:
溶于水、乙醇、甘油。
主要用途:
医药上用作泻剂。
也用于制革、炸药、肥料、造纸、瓷器、印染料等工业。
6.5.磷酸二氢钾(MKP)
KH2PO4;
136.09。
无色四方晶体或白色结晶性粉末。
相对
密度2.338,熔点252.6℃,溶于水(90℃时为83.5g/100ml水),水溶液呈酸性,
1%磷酸二氢钾溶液的pH值为4.6。
不溶于醇,有潮解性。
加热至400℃时熔化而
成透明的液体,冷却后固化为不透明的玻璃状偏磷酸钾。
用于制药物和焙粉,也可用作肥料,饲料添加剂,食品添加剂,pH调节剂,细菌培养基等。
7.物料及热量衡算[6]
7.1.物料衡算
7.1.1.物料流程图
发酵罐种子罐
料水比1:
4料水比1:
自来水
25℃
30min30min
121℃121℃
121℃,30min121℃,30min
1h
冷却至27º
C
冷却至27º
C
接种量20%
发酵罐
图7.1物料流程图
7.1.2.工艺技术指标及基础数据
(1)主要技术指标如表所示:
表7.1冬虫夏草发酵工艺主要技术指标
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
100
葡萄糖转化率
%
48
生产方法
倒罐率
生产天数
d/a
300
发酵周期
h
发酵初糖
kg/m3
冬虫夏草提取率
16.5%
(2)二级种子培养基
二级种子培养基(kg/m3)配方如下:
葡萄糖25,豆粕20,豆油0.6,硫酸镁0.6,磷酸二氢钾0.1,蛋白胨3,接种量12%。
发酵罐培养液(kg/m3)配方如下:
葡萄糖100,豆粕25,豆油0.9,硫酸镁0.9,磷酸二氢钾0.2,蛋白胨6,消泡剂0.6,接种量12%。
7.1.3.发酵车间的物料衡算
发酵液量生产100吨纯度100%的冬虫夏草菌粉,需耗用的原辅材料及其他物料量
(1)发酵液量:
V1=100000÷
(100×
48%×
16.5%×
99%)=1.3×
104(m3)
式中100——发酵培养基初糖浓度(kg/m3)
48%——葡萄糖转化率
16.5%——冬虫夏草提取率
99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率
(2)发酵液配制需糖量(以纯糖计):
m1=V1×
100=1.3×
106(kg)
(3)二级种子液量:
V2=12%×
V1=1.6×
103(m3)
式中12%——接种量
(4)二级种子培养液所需糖量:
m2=25×
V2=4.0×
104(kg)
式中25——二级种液含糖量(kg/m3)
(5)生产100吨冬虫夏草需糖总量:
m=m1+m2=1.34×
(6)硫酸镁耗用量:
m(MgSO4)=0.6V2+0.9V1=1.27×
(7)磷酸二氢钾耗用量:
m(KH2PO4)=0.1V2+0.2V1=2.76×
103(kg)
(8)消泡剂耗用量:
m(消泡剂)=0.6V1=7.8×
103(kg)
(9)豆油耗用量:
m(豆油)=0.6V2+0.9V1=1.14×
(10)蛋白胨耗用量:
m(蛋白胨)=3V2+6V1=8.28×
104(kg)
(11)豆粕耗用量:
m(豆粕)=20V2+25V1=3.57×
105(kg)
(12)冬虫夏草菌丝体量:
1)发酵液冬虫夏草菌丝体含量为:
m(冬虫夏草)=1.3×
106×
(1-1%)=6.2×
105(kg)
2)实际生产的冬虫夏草(提取率16.5%)菌丝体为:
m(实际)=6.2×
105×
16.5%=102300(kg)=102.3(t)
100t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下:
表7.2100t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表
物料名称
生产100t冬虫夏草的物料量
每日物料量
发酵液量(m3)
1.3×
104
43.33
二级种液量(m3)
1.6×
103
5.33
发酵用糖量(kg)
106
4333.33
二级种子液用糖量(kg)
4.0×
133.33
糖液总量(kg)
1.34×
4466.67
硫酸镁(kg)
1.27×
44.72
磷酸二氢钾(kg)
2.76×
42.33
消泡剂(kg)
7.8×
26
豆油(kg)
1.14×
38
豆粕(kg)
3.57×
105
1190
蛋白胨(kg)
8.28×
276
冬虫夏草菌粉(t)
102.3
341
7.2.热量衡算
(一)发酵罐需配料量为:
G1=800+200+7.2+7.2+1.6+48+4.8=1061.6(kg)
(二)种子罐需配料量为:
G2=20+16+0.48+0.48+0.08+2.4=39.44(kg)
(三)根据工艺,需加水量为:
GW=(1061.6+39.44)×
4=4404.16(kg)
注:
料水比=1:
(四)料液总量为:
G=G1+G2+GW=1061.6+39.44+4404.16=5505.2(kg)
(五)醪液煮沸耗热量Q总
由发酵工艺流程(图7.1)可知,
Q总=Q’+Q’’+Q’’’
(1)发酵罐内料液由初温t0=25℃加热至t1=121℃耗热,料液总量G=5505.2kg
Q’=Gc(t1-t0)=5505.2×
3.7×
(121-25)=1.96×
106(kJ)
式中c——发酵液的比热容,3.7kJ/(kg·
K)
(2)煮沸过程中蒸汽带出的热量
煮沸时间30min,蒸发量为每小时5%,则蒸发水分量为
V1=G×
5%×
30÷
60=5505.2×
60=137.63(kg)
故Q’’=V1·
I=137.63×
2198.91kJ/kg=3.03×
105(kJ)
式中I——为在温度121℃下的水的汽化潜热,为2198.91kJ/kg
(3)热损失Q’’’
醪液升温和煮沸过程的热损失约为前二次耗热量的15%,即:
Q’’’=15%(Q’+Q’’)=15%×
(1.96×
106+3.03×
105)=3.39×
105(kJ)
(4)由上述结果可得:
Q总=Q’+Q’’+Q’’’=1.96×
105+3.39×
105=2.60×
(5)故耗用蒸汽量D
使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽,I=2737.23kJ/kg,则
D=Q总/[(I-i)η]=2.60×
106/[(2737.23-601.53)×
95%]=1282.65(kg)
式中i——相应冷凝水的焓(601.53kJ/kg)
η——蒸汽的热效率,取η=95%
(5)发酵过程每小时最大蒸汽耗量Qmax
在各步骤中,加热过程耗热量最大,且知加热时间为30min,热效率为95%,
故Qmax=Q总/(30/60×
95%)=2.60×
106/(0.5×
95%)=5.47×
106(kJ/h)
相应的最大蒸汽耗量为:
Dmax=Qmax/(I-i)=5.47×
106/(2737.23-601.53)=2562.95(kg/h)
式中I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽,I=2737.23kJ/kg
i——相应冷凝水的焓(601.53kJ/kg)
(6)蒸汽单耗
已知发酵需要48h,放罐、洗罐、维修的时间要60天,一年生产300天,60天用于维修,48小时发酵,大概4天生产一批产品,每年生产75批产品。
据设计,每年发酵次数为75批,共产生冬虫夏草102.3吨。
年耗蒸汽总量为:
DT=D×
75=1282.65×
75=9.62×
每吨成品耗蒸汽量:
DS=9.62×
104/102.3=940.37kg/t
最后,把上述计算结果列成热量消耗综合表,如表所示。
表7.3100t/a冬虫夏草发酵车间总热量衡算表
名称
规格
每吨产品消耗定额(kg)
每小时最大用量(kg/h)
年消耗量(kg/a)
蒸汽
0.4(表压)
940.37
2562.95
9.62×
7.3.发酵车间水衡算
(1)原料预处理用水量
已知一次发酵原料预处理用水量为4404.16kg,每年发酵次数为75次。
故发酵原料预处理总用水量GW为:
GW=4404.16×
75=3.30×
105(kg)
(2)发酵工序用水量
A.蒸汽灭菌用水量
由上述热量衡算可知
D=Q总/[(I-i)η]=1282.65(kg)
式中η——蒸汽的热效率,取η=95%
I——使用表压为0.4MPa的饱和蒸汽,I=2737.23kJ/kg
B.冷却水用量
已知发酵一次,料液总量为G=5505.2kg,把醪液从t1=121℃冷却至t2=25℃,冷却水使用t3=20℃的深井水,终温为t4=70℃,逆流操作,冷却时间t=1h。
则每小时耗水量为:
W=Gc(t1-t2)/(c水t(t4-t3))
=5505.2×
(121-25)/(4.18×
(70-20)×
1)
=9356.2(kg)
式中3.7——发酵液的比热容(kJ/(kg·
K))
4.18——水的比热容(kJ/(kg·
年发酵工序用水量
据设计,每年发酵次数为75次,年发酵工序用水量G:
G=D+W=(9356.2+1282.65)×
75=8.0×
(3)发酵车间总用水量G总=G原料+G=3.30×
105+8.0×
105=1.13×
表7.5100t/a冬虫夏草发酵车间用水量衡算表
每吨产品消耗定额(t/t)
每小时用量(kg/h)
每天用量(t/d)
年耗量(t/a)
水
自来水或深井水
11.39
156.94
3.77
1.13×
7.4.发酵过程无菌空气消耗量计算
发酵车间无菌空气消耗量主要用于菌丝体发酵过程中通风供氧。
7.4.1.单罐发酵无菌空气耗用量
10m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.20-0.25vvm,取最高值0.25vvm进行计算。
(1)单罐发酵过程用气量(常压空气)
V=10×
80%×
0.25×
60=120(m3/h)
式中80%——发酵罐装料系数
(2)单罐年用气量
Va=V×
48×
75=4.32×
105(m3)
式中75——每年单罐发酵批次
48——发酵周期(h)
7.4.2.种子培养等其他无菌空气耗量
一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气的耗量的25%。
故这项无菌空气耗量为:
V’=25%V=25%×
120=30(m3/h)
每年用气量为:
Va’=25%Va×
10=25%×
4.32×
10=1.08×
106(m3/a)
式中10——发酵罐个数
7.4.3.发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax=10(V+V’)=10×
(120+30)=1500(m3/h)
7.4.4.发酵车间无菌空气年耗量
Vt=10×
75×
(V+V’)×
48=5.4×
75——每年单罐发酵批次
7.4.5.发酵车间无菌空气单耗
根据设计,实际冬虫夏草年产量m(实际)=102.3(t),故发酵车间无菌空气单耗为:
Vo=Vt