年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计.docx
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年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
课程设计
题目：
冬虫夏草生产工艺设计
1前言..……………………………………………….......................……………..
2设计任务书..……………………………………………….......................…..
3产品方案..……………………………………………….......................………
4生产方法..……………………………………………….......................………
4.1斜面培养..………………………………………………......................
4.2摇瓶培养..………………………………………………......................
4.3摇瓶种子培养..………………………………………………................
4.4种子罐培养..………………………………………………....................
4.5发酵罐培养..………………………………………………....................
4.6发酵液后处理..………………………………………………................
5工艺流程..……………………………………………….......................………
5.1工艺流程的设计原则..……………………………………………….........
5.2工艺流程方框图（见附图1）..…………………………..............
6工艺耗费时间..………………………………………….......................………
7物料及热量衡算..………………………………………......................………
7.1物料衡算..………………………………………………......................
7.1.1物料流程图..………………………………………………..............
7.1.2工艺技术指标及基础数据……………………………………......
7.1.3发酵车间的物料衡算………………………………………...........
7.2热量衡算..………………………………………………......................
7.3发酵车间水衡算.………………………………………………...............
7.4发酵无菌空气消耗量计算..…………………………....................
8主要工艺设备的设计与选型.……………………......................………
8.1设备设计与选型原则.………………………………......................
8.2主要设备的选型（发酵罐）………………………......................
8.2.1发酵罐容积的确定………………………………………..............
8.2.2生产能力计算..………………………………………………............
8.2.3罐个数的确定..………………………………………………............
8.2.4主要尺寸的计算..………………………………………..............
8.2.5冷却面积的计算..………………………………………..............
8.2.6搅拌器的设计..…………………………………………..............
8.2.7设备结构的工艺设计..………………………………..............
8.2.8设备材料的选择………………………………………..............
9参考文献..……………………………………………….…………….…………….………
10附图..………………………………………………...........…………………………
10.1附图1生产工艺流程图.……………………………….................
10.2附图2主体设备图.………………………………......................
10.3附图3车间平面图.………………………………......................
10.4附图4工厂平面图.………………………………......................
年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
1前言
1.1产品介绍
冬虫夏草，又名中华虫草，是中国历史中传统的名贵中药材，是由肉座菌目蛇形虫草科蛇形虫草属的冬虫夏草菌寄生于高山草甸土中的蝠蛾幼虫，使幼虫身躯僵化。
并在适宜条件下，夏季由僵虫头端抽生出长棒状的子座而形成，即冬虫夏草菌的子实体与僵虫菌核（幼虫尸体）构成的复合体。
冬虫夏草主要产于中国大陆青海、西藏、四川、云南、甘肃和贵州等省及自治区的高寒地带和雪山草原。
冬虫夏草菌之子座出自寄主幼虫的头部，冬虫夏草单生，细长呈棒球棍状，长4－14厘米，不育顶部长3－8厘米，直径1．5－4厘米;上部为子座头部，稍膨大，呈窄椭圆形，长1．5－4厘米，褐色，除先端小部外，密生多数子囊壳，顶部不育部长1．5－5．5毫米;子囊壳近表面生基部大部陷入子座中，先端凸出于子座外，卵形或椭圆形，长250－500微米，直径80－200微米，每一个子囊内有8具有隔膜的子囊孢子。
虫体表面深棕色，断面白色;有20－30环节，腹面有足8对，形略如蚕
1.2临床应用
临床上使用虫草素多为辅助治疗恶性肿瘤，症状得到改善的在91.7%以上；主要用于鼻癌、咽癌，肺癌，白血病，脑癌以及其他恶性肿瘤的患者。
北冬虫夏草中虫草酸的含量为3.09克，野生的虫草为5.54克，虫草酸是一种D-甘露醇，甘露醇能提高血浆渗透压，导致组织内的水分进入血管内，从而减轻组织水肿，补充血浆。
虫草酸多用于脑水肿，防治急性肾功能衰竭，有调节心、脑、血管的作用，促进人体的新陈代谢、改善人体的微循环、降血脂、降血压。
虫草多糖的药理试验证明：
虫草多糖具有抗肿瘤、抗传染病的功效、增强性功能、补肾壮阳、益精气、防止衰老、延年益寿；对老年人慢性支气管炎、肺源性心脏病有显著的功效。
能提高肝脏的解毒能力，起到扶肝的作用。
降血糖、降血脂，贫血的患者用于补血，增强脾脏的营养性血流量，虫草多糖、生物活性强，适应性广，还具耐缺氧、镇痛、镇静的作用。
1.3研究意义
在20世纪80年代,冬虫夏草的产量还很高.据资料记载[6~7],在冬虫夏草的两大主产区西藏和青海,每年的均产量分别达到121,487kg和30,000kg.但近来由于生态环境的退化和人为的过度采挖,虫草的产量大幅下降,而且个体变小,质量也有所下降.大量分析表明，野生虫草子实体与人工培养的虫草菌丝体之间，无论是甘露醇、游离氨基酸、W醇、生物碱及有机酸类等的含量几乎相同或基本一致。
药理和毒理试验也证实人工发酵虫草和野生虫草具有类似或更优的效果，表明人工培养的虫草菌丝体基本上可以代替野生虫草的子实体。
鉴于液体发酵具有周期短，原料及培养条件易得，造价低，收率高和较稳定等特点，对虫草菌丝体的人工发酵培养应该是主要发展方向。
2设计任务书
设计项目名称：
年产50吨冬虫夏草发酵车间工艺设计
生产方法：
以冬虫夏草菌种为原料,发酵生产冬虫夏草菌丝体。
生产能力：
年产50吨冬虫夏草菌粉。
主要原、辅料：
蝙蝠蛾拟青霉菌种、葡萄糖、豆粕、硫酸镁、磷酸二氢钾、蛋白胨。
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
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。
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。
产品规模：
50T/a。
产品包装方式：
桶装。
4生产方法
4.1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。
4.2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。
4.3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。
4.4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。
4.5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。
4.6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
5工艺流程
5.1工艺流程的设计原则
进行工艺设计，必须考虑以下几项原则：
◆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。
◆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。
◆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。
◆确保安全生产，以保证人身和设备的安全。
◆生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。
5.2工艺流程方框图（见附图4.1）
6工艺耗费时间
发酵
配料 0.8h
搅拌0.5h
投料0.5h
蒸汽灭菌1h共耗时约48h
冷却到27℃ 约1h
接种0.20h
发酵44h
7物料及热量衡算
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：
4
自来水
25℃
30min30min
121℃121℃
121℃，30min121℃，30min
1h
冷却至27ºC
冷却至27ºC
接种量12%
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
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
50
葡萄糖转化率
%
48
生产方法
发酵
倒罐率
%
1
生产天数
d/a
300
发酵周期
h
48
发酵初糖
kg/m3
100
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50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=50000÷（100×48%×16.5%×99%）=6.4×103（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=6.4×105（kg）
（3）二级种子液量:
V2=12%×V1=8.0×102（m3）
式中12%——接种量
（4）二级种子培养液所需糖量:
m2=25×V2=2.0×104（kg）
式中25——二级种液含糖量（kg/m3）
（5）生产50吨冬虫夏草需糖总量:
m=m1+m2=6.6×105（kg）
（6）硫酸镁耗用量:
m（MgSO4）=0.6V2+0.9V1=6.24×103（kg）
（7）磷酸二氢钾耗用量:
m（KH2PO4）=0.1V2+0.2V1=1.36×103（kg）
（8）消泡剂耗用量:
m（消泡剂）=0.6V1=3.84×103（kg）
（9）豆油耗用量:
m（豆油）=0.6V2+0.9V1=6.24×103（kg）
（10）蛋白胨耗用量:
m（蛋白胨）=3V2+6V1=4.08×104（kg）
（11）豆粕耗用量:
m（豆粕）=20V2+25V1=1.76×105（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）=6.6×105×48%×（1－1%）=3.1×105（kg）
2）实际生产的冬虫夏草（提取率16.5%）菌丝体为：
m（实际）=3.1×105×16.5%=51150（kg）=50.2（t）
50t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表如下：
表7.250t/a冬虫夏草发酵车间的物料衡算表
物料名称
生产50t冬虫夏草的物料量
每日物料量
发酵液量（m3）
6.4×103
21.33
二级种液量（m3）
8×102
2.67
发酵用糖量（kg）
6.4×105
2133.33
二级种子液用糖量（kg）
2.0×104
66.67
糖液总量（kg）
6.6×105
2200
硫酸镁（kg）
6.24×103
20.8
磷酸二氢钾（kg）
1.36×103
4.53
消泡剂（kg）
3.84×103
12.8
豆油（kg）
6.24×103
20.8
豆粕（kg）
1.76×105
586.67
蛋白胨（kg）
4.08×104
136
冬虫夏草菌粉（kg）
50.2
167.33
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）
（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=5505.2×5%×30÷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’’’
料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’’’=1.96×106+3.03×105+3.39×105=2.60×106（kJ）
（5）故单罐耗用蒸汽量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）发酵过程单罐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）蒸汽耗量
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。
经过计算，总共需要5个发酵罐。
据设计，每年发酵次数为75批，共产生冬虫夏草50.2吨。
年耗蒸汽总量为：
DT=D×75×11=1282.65×75×5=4.81×105（kg）
每吨成品耗蒸汽量：
DS=4.81×105/50.2=9.6×103kg/t
最后，把上述计算结果列成热量消耗综合表，如表所示。
表7.350t/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）（为单罐）
年消耗量（kg/a）
蒸汽
0.4（表压）
9.6×103
2562.95
4.81×105
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。
共有5个发酵罐，故发酵原料预处理总用水量GW为：
GW=4404.16×75×5=1.65×106（kg）
（2）单罐发酵工序用水量
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
i——相应冷凝水的焓（601.53kJ/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））
=5505.2×3.7×（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·K））
年发酵工序用水量
据设计，每年发酵次数为75次，罐子数为11，年发酵工序用水量G：
G=D+W=（9356.2+1282.65）×75×5=3.99×106（kg）
（3）发酵车间总用水量G总=G原料+G=1.65×106+3.99×106=5.64×106（kg）
表7.550t/a冬虫夏草发酵车间用水量衡算表
名称
规格
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
112.5
783.3
18.8
5.64×106
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×5=25%×4.32×105×5=5.4×105（m3/a）
式中5——发酵罐个数
7.4.3.发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax=5（V+V’）=5×（120+30）=750（m3/h）
7.4.4.发酵车间无菌空气年耗量
Vt=5×75×（V+V’）×48=2.7×106（m3/a）
式中5——发酵罐个数
75——每年单罐发酵批次
48——发酵周期（h）
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）=50.2（t），故发酵车间无菌空气单耗为：
Vo=Vt/G=2.7×106/50.2=5.38×104（m3/t）
根据上述计算结果，可得出50t/a冬虫夏草厂无菌空气用量衡算表，如表所示。
表7.6发酵车间无菌空气衡算表
发酵罐公称容积（m3）
单罐通气量（m3/h）
种子培养耗气量（m3/h）
高峰空气消耗量（m3/h）
年空气耗量m3
空气单耗（m3/t虫草）
10
120
30
750
2.7×106
5.38×104
8主要工艺设备的设计和选型
8.1设备设计与选型的原则
从设备的设计选型情况，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。
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定性能优良的设备。
（7）考虑生产波动与设备平衡，留有一定裕量。
（8）考虑设备故障及检修的备用。
（9）发酵罐生产能力
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