高銳—201207724—L-乳酸發(fā)酵車(chē)間工藝設(shè)備設(shè)計(jì)

1、蘭州交通大學(xué)生物工程課程設(shè)計(jì)題目：L-乳酸發(fā)酵車(chē)間工藝設(shè)計(jì) 院(系)別 化學(xué)與生物工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 生物工程 班 級(jí) 生工1201班 學(xué) 號(hào) 201207724 姓 名 高銳 指導(dǎo)教師 蔡亞?wèn)| 二一四年七月摘 要 L-乳酸是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ木?xì)化學(xué)品，具有廣泛的用途。本設(shè)計(jì)是以發(fā)酵法生產(chǎn)L-乳酸發(fā)酵車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)，以薯干為原料，對(duì)其進(jìn)行直接粉碎、調(diào)漿、液化，然后進(jìn)行液體深層發(fā)酵，以鈣鹽法提取，最后結(jié)晶、干燥得到L-乳酸。其中發(fā)酵培養(yǎng)接種量為5%，發(fā)酵時(shí)間為14h，每升發(fā)酵液可以純化得到L-乳酸產(chǎn)品120g。年操作日300天。發(fā)酵罐高4m，直徑2m，通氣攪拌功率為20.51kW；種子罐高1.4

2、m，直徑0.7m，軸功率為3.36kW。本設(shè)計(jì)總計(jì)投資1860萬(wàn)元，預(yù)計(jì)年銷(xiāo)售額5832萬(wàn)元，生產(chǎn)總費(fèi)用4228.9萬(wàn)元，固定成本217.2萬(wàn)元，最后所得年利潤(rùn)為1385.9萬(wàn)元。本設(shè)計(jì)以工藝設(shè)計(jì)為主線，以工藝流程為順序，畫(huà)出流程圖與設(shè)計(jì)圖，最終設(shè)計(jì)出年產(chǎn)10000噸的L-乳酸發(fā)酵車(chē)間。關(guān)鍵詞： L-乳酸 發(fā)酵車(chē)間 工藝設(shè)計(jì) 工藝計(jì)算Abstract L-lactic acid is a kind of fine chemicals with great potential for development, which have extensive uses. The design focus

3、es on the fermentation workshop process design of producing L-lactic with fermentation method. In this design, raw material are sweet potatoes, and the production processes is direct smashing, conditioning and liquefying, using the gas-liquid submerged fermentation, extracting with the method of pre

4、cipitation by calcium salt, and finally producing L-lactic acid through crystallizing and desiccating. The fermentation inoculum is 5%, fermentation time is 14 hours, per liter of fermentation liquid can be purified and produce 120g L-lactic acid, yearly operation time is 300 days. Fermentation tank

5、 is 4 meters high, diameter is 2 meters, aeration and agitation power is 20.51kW; and seed tank is 1.4meters high, diameter is 0.7 meters, shaft power is 3.36kW. The design has a total investment of 18.6 million yuan, expected annual sales is 58.32 million yuan, the total cost is 42.289 million yuan

6、, fixed costs is 2.172 million yuan, and the annual profit is 13.859 million yuan. The design introduces the design and calculation process of the entire production process and equipment in detail, and introduces the properties, uses and the production situation at home and abroad of L- lactic acid

7、at the same time. Taking process design as the main line, taking process flow as the order, drawing a process flow diagram and design charts, and finally designing a L-lactic fermentation workshop with an annual output of 10000 tons.Keywords: L-lactic acid； The fermentation workshop； Process design；

8、 Process calculation目 錄0. 前言11. 概述21.1 產(chǎn)品概述21.1.1 乳酸的理化性質(zhì)21.1.2 乳酸的用途及功能21.1.3 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況31.2 設(shè)計(jì)概述31.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)31.2.2 設(shè)計(jì)范圍41.2.3 指導(dǎo)思想42. 設(shè)計(jì)42.1 設(shè)計(jì)任務(wù)42.2 工藝設(shè)計(jì)52.2.1 原材料及產(chǎn)品52.2.2 生產(chǎn)流程52.3 工藝計(jì)算6 2.3.1 物料衡算6 2.3.2 能量衡算72.4 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型92.4.1 發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)92.4.2 種子罐的設(shè)計(jì)112.4.3 發(fā)酵液貯罐的設(shè)計(jì)122.4.4 發(fā)酵罐配料罐的設(shè)計(jì)122.4.5 種子罐配料罐的設(shè)計(jì)122

9、.5 廢渣處理132.6 人員組織管理132.7 財(cái)務(wù)分析13 2.7.1 投資分析13 2.7.2 效益分析142.8 工廠設(shè)計(jì)14 2.8.1 工廠選址14 2.8.2 工廠總平面設(shè)計(jì)15 2.8.3 車(chē)間總布局設(shè)計(jì)163. 參考文獻(xiàn)174. 附錄185. 致謝200.前言 乳酸（IUPAC學(xué)名：2-羥基丙酸）是一種化合物，它在多種生物化學(xué)過(guò)程中起作用。它是一種羧酸，分子式是C3H6O3。它是一個(gè)含有羥基的羧酸，因此是一個(gè)-羥酸（AHA）。在水溶液中它的羧基釋放出一個(gè)質(zhì)子，而產(chǎn)生乳酸根離子CH3CHOHCOO。其純品為無(wú)色液體，工業(yè)品為無(wú)色到淺黃色液體。無(wú)氣味，具有吸濕性與毒性。能與水、乙

10、醇、甘油混溶，水溶液呈酸性，PKa=3.85。不溶于氯仿、二硫化碳和石油醚。在常壓下加熱分解，濃縮至50%時(shí)，部分變成乳酸酐，因此產(chǎn)品中常含有10%15%的乳酸酐。由于具有羥基和羧基，一定條件下，可以發(fā)生酯化反應(yīng)，產(chǎn)物有三種1。乳酸作為世界公認(rèn)的三大有機(jī)酸之一，自從1780年Scheele發(fā)現(xiàn)乳酸以來(lái)，乳酸的生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)得到大規(guī)模的提高。L-乳酸、L-乳酸鹽及其聚合物廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。此外，以L-乳酸聚合的聚乳酸(PLA)，憑借其可生物降解，生物相容等特性，越來(lái)越受到廣泛的研究和關(guān)注。L-乳酸是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ木?xì)化學(xué)品，具有廣泛地用途。在食品行業(yè)可作為仿佛保鮮劑

11、、調(diào)味料等，在醫(yī)藥方面可作為蒸汽消毒、藥物制劑、載體劑和助溶劑等，在農(nóng)業(yè)畜業(yè)可用于生產(chǎn)緩釋農(nóng)藥，農(nóng)用薄膜以及牧草成熟劑等。目前全世界的產(chǎn)量為10 萬(wàn)噸。我國(guó)占世界產(chǎn)量的10 %。由于聚乳酸產(chǎn)品的研究和開(kāi)發(fā),L-乳酸將有可能代替目前困擾世界各國(guó)的白色熱塑污染產(chǎn)品,成為名副其實(shí)的“綠色”環(huán)保制品。L-乳酸可通過(guò)生物發(fā)酵法和化學(xué)合成法生產(chǎn)制造得到。采用生物發(fā)酵法制得的L-乳酸是目前乳酸生產(chǎn)的重點(diǎn),發(fā)酵法的原料一般是玉米、大米、甘薯等淀粉質(zhì)原料（也有以苜蓿、纖維素等作原料，有研究提出廚房垃圾及魚(yú)體廢料循環(huán)利用生產(chǎn)乳酸的）2。L-乳酸發(fā)酵階段能夠產(chǎn)酸的乳酸菌很多，但產(chǎn)酸質(zhì)量較高的卻不多，主要是根霉菌和乳

12、酸桿菌等菌系。不同菌系其發(fā)酵途徑不同，可分同型發(fā)酵和異型發(fā)酵，實(shí)際由于存在微生物其它生理活動(dòng)，可能不是單純某一種發(fā)酵途徑。若要同熱塑產(chǎn)品在價(jià)格上形成競(jìng)爭(zhēng),L-乳酸發(fā)酵生產(chǎn)的成本必須大幅度下降,生產(chǎn)規(guī)模要擴(kuò)大。此次課程設(shè)計(jì)就是以此為目標(biāo)的對(duì)L-乳酸工業(yè)生產(chǎn)發(fā)酵罐級(jí)車(chē)間布局的設(shè)計(jì)。1.概述1.1 產(chǎn)品概述 1.1.1 乳酸的理化性質(zhì) 乳酸，學(xué)名為-羥基丙酸，分子式為C3H6O3，結(jié)構(gòu)式為CH3CHOHCOOH，相對(duì)分子質(zhì)量90.08，是一種常見(jiàn)的天然有機(jī)酸。乳酸分子內(nèi)含有一個(gè)不對(duì)稱(chēng)碳原子，具有光學(xué)異構(gòu)現(xiàn)象，有D型和L型兩種構(gòu)型，其中L-乳酸為右旋，D-乳酸為左旋3。表1 乳酸的理化性質(zhì)構(gòu)型熔點(diǎn)/比

13、旋光度D20解離常數(shù)（25）熔化熱/（KJ/mol）L25-263.3°1.37×10-416.87D25-263.3°1.37×10-416.87LD1801.37×10-411.35 1.1.2 乳酸的用途及功能 乳酸及其衍生物廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、皮革、紡織等領(lǐng)域2,8。（1）食品行業(yè)：主要用于糖果，飲料(如啤酒、葡萄酒及乳酸類(lèi)飲料)等食品加工業(yè)中，作為酸味劑及口味調(diào)節(jié)劑，被稱(chēng)為安全的食品添加劑。另外還可用于清涼飲料、蔬菜的加工和保藏；（2）醫(yī)藥行業(yè)：在醫(yī)藥方面廣泛用作防腐劑、載體劑、助溶劑、藥物制劑、pH調(diào)節(jié)劑等。L-乳酸是一種重

14、要的醫(yī)藥中間體，可用作生產(chǎn)L-乳酸鈣、L-乳酸鈉、L-乳酸鋅、L-乳酸亞鐵等藥物，還可用作手術(shù)室、病房、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所的消毒劑；（3）化妝品行業(yè)：可用作滋潤(rùn)劑、保濕劑、皮膚更新劑、pH調(diào)節(jié)劑、去粉刺劑、去齒垢劑；（4）農(nóng)藥行業(yè)：L-乳酸具有很高的生物活性，對(duì)農(nóng)作物和土壤無(wú)毒無(wú)害，可用作生產(chǎn)新型環(huán)保農(nóng)藥，在日、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到大力的推廣；（5）紡織、皮革、煙草行業(yè)：乳酸可用來(lái)處理纖維，可使之易著色，增加光澤和觸感柔軟；可使皮革柔軟細(xì)膩，從而提高皮革的品質(zhì)；適量加入L-乳酸，可提高煙草的品質(zhì)，并保持煙草的濕度； 除上述用途外，L-乳酸最主要的用途是聚合生成聚乳酸，它具有良好的相容性和可生物降解性，

15、已廣泛應(yīng)用于包裝業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)和紡織業(yè)4。 1.1.3 國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況 我國(guó)乳酸工業(yè)始建于20世紀(jì)40年代，起步發(fā)展于20世紀(jì)80年代中期至90年代初期，目前，我國(guó)正常生產(chǎn)的乳酸生產(chǎn)廠家有20余家，總生產(chǎn)能力約為2萬(wàn)噸，實(shí)際產(chǎn)量約為1.5萬(wàn)噸。我國(guó)乳酸生產(chǎn)與國(guó)外先進(jìn)水平仍有較大差距，乳酸生產(chǎn)規(guī)模較小，發(fā)酵罐僅30噸/臺(tái)-60噸/臺(tái)，產(chǎn)酸率較低；產(chǎn)品品種仍以DL-乳酸為主，占80，產(chǎn)品色度質(zhì)量不高5：另外在后提取方面更有較大差距，總體上生產(chǎn)成本較商。某些規(guī)劃中要上的L-乳酸項(xiàng)目基本徘徊在年產(chǎn)30005000噸的規(guī)模，規(guī)模效應(yīng)遠(yuǎn)不如國(guó)外。 我國(guó)乳酸的最大消費(fèi)領(lǐng)域是香料和香精行業(yè)，其用量約占乳酸總消費(fèi)

16、量的40，主要用于生產(chǎn)乳酸乙酯用于調(diào)制各種酒類(lèi)6。在啤酒工業(yè)中，調(diào)節(jié)麥芽汁pH，目前全國(guó)約有25的啤酒生產(chǎn)廠在使用乳酸，年消費(fèi)量約為3000t。我國(guó)的L-乳酸只占乳酸產(chǎn)量的2-5，且每年需要進(jìn)口數(shù)萬(wàn)噸優(yōu)質(zhì)的L-乳酸，據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，PLA在未來(lái)10年中，可達(dá)10億磅年的市場(chǎng)規(guī)模，可見(jiàn)其對(duì)L-乳酸消費(fèi)增長(zhǎng)和市場(chǎng)成長(zhǎng)將具有極大推動(dòng)作用。 正因?yàn)長(zhǎng)-乳酸有著廣泛的用途和良好的市場(chǎng)前景，所以自L-乳酸問(wèn)世以來(lái)，就在國(guó)際市場(chǎng)上頗受追捧，需求增長(zhǎng)迅速，其市場(chǎng)價(jià)格為維持在2萬(wàn)噸左右。作為一種重要的食用有機(jī)酸，L-乳酸的需求量?jī)H次于檸檬酸，其市場(chǎng)需求正以每年超過(guò)10的速度在增長(zhǎng)。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求量在5萬(wàn)噸以上，

17、國(guó)際市場(chǎng)需求量約在30萬(wàn)噸，而我國(guó)雖然是有機(jī)酸出口的大國(guó)，但高品質(zhì)的L-乳酸的生產(chǎn)和供應(yīng)卻很少，目前我國(guó)L-乳酸的年產(chǎn)量不足3萬(wàn)噸，可見(jiàn)該產(chǎn)品的市場(chǎng)發(fā)展前景廣闊，頗具開(kāi)發(fā)潛力7。我國(guó)生產(chǎn)的乳酸產(chǎn)品除滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求外，每年都有一定量的出口，出口國(guó)家和地區(qū)主要是日本、韓國(guó)以及其它一些東南亞國(guó)家和地區(qū)。1.2 設(shè)計(jì)概述 本設(shè)計(jì)是關(guān)于L-乳酸發(fā)酵車(chē)間的工藝設(shè)計(jì)，包括確定工藝流程和工藝參數(shù)，物料衡算和能量衡算，確定各種設(shè)備的體積、數(shù)目和規(guī)格等參數(shù)，帶控制點(diǎn)的工藝流程圖、主要設(shè)備圖，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。 1.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）依據(jù)與工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝相關(guān)的各種資料，如化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)。（2）GB/T 501

18、032001 總圖制圖標(biāo)準(zhǔn)。（3）GB5018793 工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范。（4）化工原理。（5）生物工藝原理。（6）生物工程設(shè)備。 1.2.2 設(shè)計(jì)范圍（1）針對(duì)產(chǎn)品的要求進(jìn)行工藝流程的設(shè)計(jì)；（2）主要設(shè)備的計(jì)算和選型；（3）帶控制點(diǎn)的工藝流程圖；（4）主要設(shè)備圖。 1.2.3 指導(dǎo)思想 發(fā)酵工程是用來(lái)解決按發(fā)酵工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的工程學(xué)問(wèn)題的學(xué)科。發(fā)酵工程從工程學(xué)的角度把實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工藝的發(fā)酵工業(yè)過(guò)程分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理）等三個(gè)階段，這三個(gè)階段都有各自的工程學(xué)問(wèn)題，一般分別把它們稱(chēng)為發(fā)酵工程的上游、中游和下游工程。發(fā)酵工程的三個(gè)階段均分別有它們各自的工藝原理和設(shè)備及過(guò)程控制原理

19、，它們一起構(gòu)成發(fā)酵工程原理8。 千百年，特別是最近幾十年的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐證明：微生物是發(fā)酵工程的靈魂。近年來(lái)，對(duì)于發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)愈益明朗化，發(fā)酵工程正在走近科學(xué)。 從生物科學(xué)的角度重新審視發(fā)酵工程，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工程最基本的原理是其生物學(xué)原理，而前述的發(fā)酵工程原理均必須建立在發(fā)酵工程的生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上。因此，發(fā)酵工程的生物學(xué)原理是發(fā)酵工程最基本的原理，并且可以把它簡(jiǎn)稱(chēng)為“發(fā)酵原理”9。2 設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本課程是生物工程專(zhuān)業(yè)的一門(mén)實(shí)用性和技術(shù)性很強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)課程。學(xué)習(xí)本課程的日的是使學(xué)生在完成相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程后，尤其是在完成生物工程設(shè)備這門(mén)課程后，綜合運(yùn)用3年所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行工廠的初步

20、設(shè)計(jì)。通過(guò)專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握應(yīng)具備的基本設(shè)計(jì)技能。使學(xué)生走上工作崗位后既能擔(dān)負(fù)起工廠技術(shù)改造的任務(wù)，又能進(jìn)行車(chē)間或全廠的工藝設(shè)計(jì)。本課程任務(wù)是:1.撰寫(xiě)簡(jiǎn)要設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)，內(nèi)容包括前言、工藝選擇及論證、關(guān)鍵設(shè)備計(jì)算等2.繪制產(chǎn)品工藝方案流程圖（若不會(huì)CAD制圖可手繪）。2.2 工藝設(shè)計(jì) 2.2.1 原材料及產(chǎn)品 菌種：米根霉，購(gòu)自中國(guó)工業(yè)微生物菌種保藏中心(CICC)。 發(fā)酵原料：1.種子培養(yǎng)基 葡萄糖 5g 硫酸銨 0.2g KH2PO4 0.06g MgSO4·7H2O 0.01g FeSO4·7H2O 0.02g CaCO3 1.0g (碳酸鈣分開(kāi)滅菌)。 2.發(fā)酵培

21、養(yǎng)基 葡萄糖 10g 硫酸銨 2g KH2PO4 0.6g MgSO4·7H2O 0.1g FeSO4·7H2O 0.3g CaCO3 7.0g (碳酸鈣分開(kāi)滅菌)。 2.2.2 生產(chǎn)流程 本次生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)以薯干為原料，采用直接粉碎、調(diào)漿、液化，進(jìn)行好氣液體深層發(fā)酵，鈣鹽法提取，最后結(jié)晶、干燥得到L-乳酸10。 本次生產(chǎn)工藝的基本過(guò)程是：在接收糖漿后，根據(jù)糖漿組成作適當(dāng)?shù)奶幚砘蚺渲?，配成發(fā)酵原料，進(jìn)行連續(xù)殺菌并冷卻后，進(jìn)入發(fā)酵罐，加入菌種和凈化壓縮空氣后進(jìn)行發(fā)酵；發(fā)酵液經(jīng)升溫、過(guò)濾處理后，進(jìn)入中和罐，用CaCO3中和處理；再經(jīng)過(guò)過(guò)濾洗滌，得到L-乳酸鈣固體，送入酸解罐，再添

22、加H2SO4酸解，并加入活性炭進(jìn)行脫色；然后，通過(guò)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾、酸解過(guò)濾，除去CaSO4及廢炭；酸解過(guò)濾液經(jīng)離子交換處理后，進(jìn)行蒸發(fā)、濃縮，再進(jìn)行結(jié)晶；結(jié)晶后，用離心機(jī)進(jìn)行固液分離，對(duì)得到的濕L-乳酸晶體進(jìn)行干燥與篩選，最后得到成品L-乳酸，見(jiàn)附錄1圖1。2.3 工藝計(jì)算 生產(chǎn)條件：已知發(fā)酵培養(yǎng)接種量為5%，發(fā)酵時(shí)間為14h，發(fā)酵罐的攪拌轉(zhuǎn)速為180rpm，通氣量為0.8VVM，發(fā)酵液密度為1050kg/m3,粘度為0.1Pa·s。每升發(fā)酵液可以純化得到L-乳酸產(chǎn)品120g。年操作日300天，共需生產(chǎn)300/4=75個(gè)周期。水蒸氣138，冷卻水進(jìn)出口溫度根據(jù)實(shí)際情況確定。 以生產(chǎn)1

23、個(gè)周期為計(jì)算L-乳酸需要的輔料及其他物質(zhì)的依據(jù)11。 2.3.1物料衡算 已知發(fā)酵培養(yǎng)基的成分：葡萄糖10g，硫酸銨2g，KH2PO4 0.6g，MgSO4·7H2O 0.1g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.3g，CaCO3 7.0g，水1000ml（密度為1050kg/m3） 發(fā)酵罐L=16.7m3裝料系數(shù) 取=0.7=16.7/0.7=23.86 m3 選用兩個(gè)12 m3的發(fā)酵罐，另選一個(gè)作為備用罐。 每個(gè)發(fā)酵罐的物料計(jì)算：發(fā)酵液 G=1050×8.35= 8768kg葡萄糖 G1=8768kg硫酸銨 G2=8768kgKH2PO4 G3=8768kgMgSO4&

24、#183;7H2O G3=8768kgFeSO4·7H2O G3=8768kgCaCO3 G3=8768kg水 G水=8768kg= 8.6L 種子罐 因?yàn)榻臃N量為5%，故V種=m3 裝料系數(shù) 取=0.7 =0.42/0.7=0.6 m3 應(yīng)取兩個(gè)0.7 m3的種子罐，一個(gè)備用 每個(gè)種子罐的物料計(jì)算：發(fā)酵液 G=8768×5%=438.4 kg葡萄糖 G1=438.4kg硫酸銨 G2=438.4kgKH2PO4 G3=438.4kgMgSO4·7H2O G3=438.4kgFeSO4·7H2O G3=438.4kgCaCO3 G3=438.4kg水 G水

25、=438.4kg= 4.3×105ml 2.3.2 能量衡算 發(fā)酵罐 用138水蒸氣先進(jìn)行間接加熱（不銹鋼蛇管傳熱），使培養(yǎng)基從25升至90，再用蒸汽直接加熱，使培養(yǎng)基從90升至121，然后用冷卻水使之冷卻到37。能量衡算如下12： （1）間接加熱過(guò)程的蒸汽量（培養(yǎng)基溫度從25升到90）已知G=1050kg， t1=25 ，t2=90 c=4.18kJ/(kg·) =138 查表得r=2155.6 kJ/kgK=1250-1900 kJ/(m2·h·) 取K=1674 kJ/(m2·h·)=5%-10%，取10%=1215.7 kg

26、式中S為蒸汽耗量，kg；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c為培養(yǎng)基的比熱容，kJ/(kg·)；t1為開(kāi)始加熱時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；t2為加熱結(jié)束時(shí)培養(yǎng)基的溫度，； r為蒸汽的汽化熱，kJ/kg；為加熱過(guò)程中的熱損失可取5%-10%13。已知=1-1.5h 取=1h=1F=18.7 m2 式中為間接加熱所需時(shí)間，G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c為培養(yǎng)基的比熱容，kJ/(kg·)；為加熱蒸汽溫度，；t1為開(kāi)始加熱時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；t2為加熱結(jié)束時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；K為加熱過(guò)程中平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·)；（2）直接加熱過(guò)程的蒸汽量（培養(yǎng)基溫度從90升到121）t1=90 ，

27、t2=121查表得138下=2735.2 kJ/kg， =4.18 kJ/(kg·)=5%-10%，取10% kg 式中S為蒸汽耗量，kg；i為蒸汽的熱焓，kJ/kg ；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；為冷凝水的蒸汽比熱容，kJ/(kg·)；c為培養(yǎng)基的比熱容，kJ/(kg·)；t1為開(kāi)始加熱時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；t2為加熱結(jié)束時(shí)培養(yǎng)基的溫度，； 為加熱過(guò)程中的熱損失可取5%-10%14。 （3）冷卻階段的冷卻水用量 =10 （實(shí)測(cè)當(dāng)培養(yǎng)基溫度t1為80時(shí)，此時(shí)冷卻水出口溫度t2為30）K=1674 kJ/(m2·h·)kJ/(kg·)（Ac2）=

28、1674(1.4=22257.3kg/h=22.2573t/h 式中，W為冷卻水用量，kg/h；c2為冷卻水的比熱容, kJ/(kg·)；t2s為冷卻水進(jìn)口溫度，；t1為培養(yǎng)基冷卻過(guò)程中某時(shí)刻的溫度，；t2為對(duì)應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度是冷卻水出口溫度，；K為平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·)；F為傳熱面積，15。 種子罐 體積小于5 m3采用夾套加熱（1）間接加熱過(guò)程的蒸汽量 已知V種=8.35 m3kgt1=25 ，t2=121 ，r=2155.6kJ/kg=5%-10%，取10% =90.30kg 取=0.5h 式中S為蒸汽耗量，kg；G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c為培養(yǎng)基

29、的比熱容，kJ/(kg·)；t1為開(kāi)始加熱時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；t2為加熱結(jié)束時(shí)培養(yǎng)基的溫度，； r為蒸汽的汽化熱，kJ/kg；為加熱過(guò)程中的熱損失可取5%-10%。K=830-1250kJ/(m2·h·) 取K=1000kJ/(m2·h·)=0.5 F=6.9 m2 式中為間接加熱所需時(shí)間，G為培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c為培養(yǎng)基的比熱容，kJ/(kg·)；為加熱蒸汽溫度，；t1為開(kāi)始加熱時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；t2為加熱結(jié)束時(shí)培養(yǎng)基的溫度，；K為加熱過(guò)程中平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·)；（2）冷卻階段的冷卻水用量 =10 （

30、實(shí)測(cè)當(dāng)培養(yǎng)基溫度t1為80時(shí)，此時(shí)冷卻水出口溫度t2為30） K=1000 kJ/(m2·h·) kJ/(kg·) （Ac2）=1000(1.4=4906kg/h=4.906t/h 式中，W為冷卻水用量，kg/h；c2為冷卻水的比熱容, kJ/(kg·)；t2s為冷卻水進(jìn)口溫度，；t1為培養(yǎng)基冷卻過(guò)程中某時(shí)刻的溫度，；t2為對(duì)應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度是冷卻水出口溫度，；K為平均傳熱系數(shù)，kJ/(m2·h·)；F為傳熱面積，m216。2.4 設(shè)備設(shè)計(jì)及選型（設(shè)備圖見(jiàn)附錄圖2） 2.4.1發(fā)酵罐的設(shè)計(jì) 發(fā)酵罐的尺寸設(shè)計(jì)H/D=1.7-3，取H/D

31、=2.0式中，H/D為高徑比，即罐筒身高與內(nèi)徑之比；V0為公稱(chēng)容積，即筒身容積Vc加上底封頭容積Vb之和。=12D=1.91m， 圓整D=2m， H=2D=4m已知，取d=0.4D=0.8m已知，取W=D=0.2m已知，取B=0.9d=0.72m 圓整B=0.8m已知，取S=1.5d=1.2m（取25mm）式中為封頭的直邊高度，m；Vb為底封頭容積，m3。D為內(nèi)徑，m；W為擋板寬度，m；d為攪拌器直徑，m；S為兩攪拌器間距；B為下攪拌器距底間距；S1為上攪拌器至液面間距。m3發(fā)酵液的圓柱體積V柱=16.7/21.12=7.23 m3發(fā)酵液的柱體高h(yuǎn)=假設(shè)用兩層攪拌器，所以Sl=2.31.2=1

32、.1m檢驗(yàn)：Sl/d=1.1/0.8=1.375在1-2范圍內(nèi)17。 發(fā)酵罐攪拌器軸功率計(jì)算已知d=0.8m，D=2m 液位高 HL=2.3+0.8=3.1mn=180rpm=3r/s =1050kg/ m3 =0.1Pas =>104 （屬湍流狀態(tài)）P=kn 3d 5=4.8 33 kW校正系數(shù)f= =實(shí)際P*=f P=1.04kW因?yàn)橛袃蓪訑嚢杵鱌2= P*(0.4+0.62)=46.37 (0.4+0.62)=74.20標(biāo)準(zhǔn)狀況下的通氣量Q0=VLVVM=0.816.7/2=6.68 m3/min= () = 6.68() =4.42 m3/minNa= Pg=46.37 kW式中

33、，Qg為工況通氣量，m3/min；d為攪拌器直徑，m；n為攪拌器旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/s；Pg為通氣攪拌功率，kW ；P為不通氣攪拌功率，kW；Q0為標(biāo)準(zhǔn)狀況通氣量，m3/min；Na為通氣準(zhǔn)數(shù)，代表發(fā)酵罐內(nèi)空氣的表現(xiàn)流速與攪拌器葉端速度之比。 2.4.2 種子罐的設(shè)計(jì) 種子罐的尺寸計(jì)算H/D=1.7-3，取H/D=2.0=0.6D=0.7m, H=2D=1.4m已知 取d=0.4D=0.28m 圓整d=0.3已知,取W=D=0.07m 圓整W=0.1m已知，取B=1.0d=0.3m 已知, 取S=1.5d=0.45m 圓整S=0.5m（取25mm）m3發(fā)酵液的圓柱體積V柱=0.420.0542=0.

34、37 m3發(fā)酵液的柱體高h(yuǎn)= 圓整h=1m式中為封頭的直邊高度，m； Vb為底封頭容積，m3。D為內(nèi)徑，m；W為擋板寬度，m；d為攪拌器直徑，m；S為兩攪拌器間距；B為下攪拌器距底間距；S1為上攪拌器至液面間距。 假設(shè)用一層攪拌器，所以S1=h=1m，檢驗(yàn)：S1/d=1/0.3=3.3不在1-2范圍內(nèi)。假設(shè)用兩層攪拌器，則S1=h/2=0.5m，S1/d=0.5/0.3=1.7，在1-2范圍內(nèi)。所以采用兩層攪拌器。 種子罐軸功率計(jì)算種子罐單位體積軸功率P=7-8kW/ m3 取P=8kW/ m3P種子=0.42kW 2.4.3 發(fā)酵液貯罐的設(shè)計(jì)V=16.7/2=8.35 m3取=0.75=8.

35、35/0.75=11.13m3查化工手冊(cè)取兩個(gè)12 m3的貯罐公稱(chēng)直徑DN=1800mm，L1=3400mm 2.4.4 發(fā)酵罐配料罐的設(shè)計(jì)V=16.7/2=8.35 m3取=0.8=8.35/0.8=10.44m3查化工手冊(cè)取1個(gè)12 m3的配料罐,型號(hào)為JB1423-74。公稱(chēng)直徑DN=2200mm，H=3200mm，D=2240mm 2.4.5 種子罐配料罐的設(shè)計(jì)V種=m3取=0.8=0.42/0.8=0.52m3查化工手冊(cè)取1個(gè)0.5m3的配料罐，型號(hào)為JB1425-74。2.5 廢渣出理 以乳酸廠的主要副產(chǎn)物乳酸渣為主要原料,添加其它輔料,采用多菌種混合固態(tài)發(fā)酵，可生產(chǎn)出高蛋白飼料1

36、8。因此，本發(fā)酵車(chē)間所產(chǎn)生的乳酸渣可積存下來(lái)批量賣(mài)給飼料廠，也可在車(chē)間生產(chǎn)流程中添加相關(guān)工序，將高蛋白飼料的生產(chǎn)與L-乳酸的生產(chǎn)結(jié)合起來(lái)。既不污染周?chē)h(huán)境，又可提高車(chē)間收益。2.6 人員組織管理表2 發(fā)酵工廠人員安排序號(hào)部門(mén)或崗位人員編制/人備注1管理人員262生產(chǎn)技術(shù)部323供銷(xiāo)部564質(zhì)控部185辦公室66財(cái)務(wù)部67工程部208生產(chǎn)車(chē)間98人員不足部分可采取臨時(shí)招聘9項(xiàng)目開(kāi)發(fā)部1510人力資源部811運(yùn)輸隊(duì)2012合計(jì)305 2.7 財(cái)務(wù)分析2.7.1 投資分析投資估算（1）用于建筑工程的各項(xiàng)費(fèi)用700萬(wàn)； （2）用于購(gòu)置各種設(shè)備、工具和器具的總費(fèi)用為1100萬(wàn)； （3）不可預(yù)見(jiàn)費(fèi)用30萬(wàn)

37、元（按建筑工程費(fèi)用的20%）； （4）其他費(fèi)用30萬(wàn)元。 總計(jì)投資：700+1100+30+30=1860萬(wàn)元 資金籌措： （1）銀行貸款：1000萬(wàn)元 （2）債權(quán)人投資：700萬(wàn)元 （3）自身投資：500萬(wàn)元 總計(jì)：2200萬(wàn)元 2.7.2 效益分析年經(jīng)營(yíng)費(fèi)用的計(jì)算 （1）土建折舊費(fèi)：土建投資：700萬(wàn)元，折舊時(shí)間以12年計(jì)，不計(jì)殘值。 則每年 700/1258.3 萬(wàn) （2）設(shè)備投資折舊費(fèi)： 設(shè)備投資：1100萬(wàn)元，折舊時(shí)間以8年計(jì)，不計(jì)殘值。 則每年（1100-1100x5%）/8130.6萬(wàn) （3）總折舊費(fèi)： 58.3+130.6188.9萬(wàn)， 維修費(fèi)以折舊費(fèi)的15： 188.9

38、15;1528.3萬(wàn) （4）全年折舊費(fèi)、維修費(fèi)為： 188.9+28.3217.2萬(wàn) 年產(chǎn)10000t費(fèi)用包括：以全年計(jì)算 (1) 原料： 銷(xiāo)售收入粗利潤(rùn)=58323655.32176.7萬(wàn)元 (2) 包裝等： 年產(chǎn)量×（紙箱費(fèi)+包裝袋+輔助材料+封口膠帶） =10000×（469.20+241.20+18+12）=740.4萬(wàn)元 (3) 用水： 年產(chǎn)量×耗水量（t/t產(chǎn)品）×水費(fèi)（元/t）10000×20×1.530萬(wàn)元 (4) 用電：年產(chǎn)量×耗電費(fèi)（元/t產(chǎn)品）10000×170.40170. 4萬(wàn)元 (5)

39、用汽： 年產(chǎn)量×蒸汽費(fèi)（元/t產(chǎn)品）/1000010000×60/1000060.00萬(wàn)元 (6) 工資： （1×2500+158×1200+14×1000+77×1200）×12=358.2萬(wàn)元 (7) 稅收： 年銷(xiāo)售額×稅率5832×8466.56萬(wàn)元 (8) 銷(xiāo)售費(fèi)： 按銷(xiāo)售額的1.5計(jì)算 5832×1.587.48萬(wàn)元 (9) 商檢費(fèi)： 按銷(xiāo)售額的0.5計(jì)算 5832×0.529.16萬(wàn)元 (10)貸款利息： 年貸款×利率1000萬(wàn)元×880萬(wàn)元 (11)管

40、理費(fèi)用： 30萬(wàn)元 生產(chǎn)總費(fèi)用： 4228.9萬(wàn)元 綜上所述，年利潤(rùn)為：年銷(xiāo)售額生產(chǎn)總費(fèi)用固定成本 = 58324228.9217.2 = 1385.9 萬(wàn)元 2.8 工廠設(shè)計(jì)2.8.1 工廠選址項(xiàng)目廠址選擇在武漢西湖區(qū)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)，東西湖區(qū)地處長(zhǎng)江左岸，武漢市的西北近郊，漢江、漢北河及府環(huán)河匯合之處。位于北緯30°34-30°47，東經(jīng)113°53-114°30之間，是古云夢(mèng)澤的一部分。境域自姑嫂樹(shù)向西沿張公堤至舵落口接漢江干堤至新溝，再接舊府河堤至辛安渡，東北沿淪河、府河（又名捷涇河）經(jīng)北涇嘴、黃花澇、大李家墩至戴家山，全境東西長(zhǎng)38公里，南北寬22.

41、5公里，總面積499.71平方公里。該區(qū)環(huán)繞城區(qū),城郊相連.距市中心商業(yè)區(qū)10公里,距漢口火車(chē)站7公里,距武漢天河國(guó)際機(jī)場(chǎng)18公里,距長(zhǎng)江外貿(mào)碼頭15公里.開(kāi)發(fā)園所在的武漢市位于京廣鐵路與長(zhǎng)江黃金水道十字交匯點(diǎn),東去上海,南京,西抵重慶,成都,南至廣州,香港,澳門(mén),北上北京,天津,距離均在1000公里左右.開(kāi)發(fā)園與八大交通要道相連,即107國(guó)道,316國(guó)道,京珠高速公路,漢渝鐵路,漢江水運(yùn)航線,武漢市中環(huán)線,武漢繞城公路,天河機(jī)場(chǎng)高速公路,各交通要道在此相互匯通,縱橫交錯(cuò)交通極為便利。此外示范區(qū)地勢(shì)平坦，工程基礎(chǔ)條件良好，周?chē)鷽](méi)有污染源等不利于建廠的環(huán)境因素。廠址與原料基地之間均為高級(jí)公路相通

42、，保證了原料采收期對(duì)運(yùn)輸時(shí)間的限制。而銷(xiāo)售地區(qū)也在上述中心城市，便于冷鏈運(yùn)輸和分銷(xiāo)，適于建酸奶加工廠19。2.8.2 工廠總平面設(shè)計(jì)項(xiàng)目占地15000m2，其中生產(chǎn)區(qū)占地6000 m2，位于廠區(qū)中心；生活區(qū)占地1500m2，位于廠區(qū)東北角。工廠坐北朝南，從南大門(mén)進(jìn)廠，豁然呈現(xiàn)在眼前的是一個(gè)橢圓形的花壇，花壇中心設(shè)置有噴泉、假山，這種色彩鮮明、動(dòng)靜結(jié)合的搭配，給人一種清新潔凈、生機(jī)盎然的感覺(jué)，烘托出項(xiàng)目產(chǎn)品新鮮、方便、衛(wèi)生的底蘊(yùn)?；▔北闶钦嫉?440m2 的主生產(chǎn)車(chē)間，寬敞明亮，布置有現(xiàn)代化的生產(chǎn)線20。洗手間、空氣凈化設(shè)備、衛(wèi)生隔墻等設(shè)施一應(yīng)俱全，全面適應(yīng)生產(chǎn)的需要。廠區(qū)東側(cè)是機(jī)修間和鍋爐

43、房。廠區(qū)西側(cè)布置的是原料庫(kù)、成品庫(kù)和辦公樓、實(shí)驗(yàn)室。工廠的道路均按照工廠設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行布置，主干道路寬6m，兩側(cè)布置有綠化帶，環(huán)繞整個(gè)廠區(qū)。并設(shè)有人行道和緩沖區(qū)，充分做到人車(chē)分離、安全生產(chǎn)。廠區(qū)的綠化帶布置合理，栽種常綠樹(shù)木和草類(lèi)，使整個(gè)廠區(qū)四季如春，顯得生機(jī)盎然21。現(xiàn)在食品工廠大多采用輕鋼結(jié)構(gòu)的廠房，輕鋼建筑材料重量輕、建設(shè)周期短，相對(duì)建筑成本比較低，同時(shí)，輕鋼結(jié)構(gòu)廠房相對(duì)跨度大，對(duì)設(shè)備在廠房中的布置影響小，框架結(jié)構(gòu)對(duì)于不同功能分隔和以后的變更都非常的方便，因此，本設(shè)計(jì)也將采用輕鋼結(jié)構(gòu)廠房進(jìn)行設(shè)計(jì)22。我國(guó)夏季多為東南風(fēng)，冬季多為西北風(fēng)，因此本設(shè)計(jì)將動(dòng)力系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)放置在整個(gè)廠區(qū)的東

44、側(cè)，避免因?yàn)轱L(fēng)向的問(wèn)題影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)根據(jù)乳制品GMP要求，本設(shè)計(jì)的廠房具有通排風(fēng)系統(tǒng)，避免外界的污染進(jìn)入到車(chē)間內(nèi)部。主車(chē)間物流為南北走向，人流為東西走向，因此，在主廠房北側(cè)設(shè)置原輔料倉(cāng)庫(kù)和容器整理中心，對(duì)原、輔料進(jìn)行儲(chǔ)存和瓶、箱等包裝容器的初步滔滔和整理.原料經(jīng)過(guò)加工處理，生產(chǎn)出的成品由主廠房南側(cè)經(jīng)過(guò)冷庫(kù)儲(chǔ)存和恒溫月臺(tái)分配后由物流配送系統(tǒng)運(yùn)送出廠。恒溫月臺(tái)能夠避免成品在分配過(guò)程中處于高溫環(huán)境，從而造成對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響23。主場(chǎng)房人流方向?yàn)闁|西走向，人流經(jīng)過(guò)主廠房一次換鞋、更衣、二次換鞋、消毒池以及風(fēng)淋間后通過(guò)人流通道進(jìn)入各個(gè)生產(chǎn)崗位進(jìn)行生產(chǎn)。設(shè)計(jì)中人流路線與物流路線沒(méi)有交叉，因此能夠避免事

45、故和操作失誤。2.8.3 車(chē)間總布局設(shè)計(jì)主生產(chǎn)車(chē)間的墻壁采用24 墻，間隔6m 均勻布置0.5m× 0.5m 的方形柱網(wǎng)，柱網(wǎng)中間布置2m寬的窗戶(hù)，便于通風(fēng)和采光。通風(fēng)窗戶(hù)設(shè)置空氣凈化設(shè)施，此外還設(shè)有吸音孔，以減少噪聲污染24。車(chē)間人員入口門(mén)為2m× 2.7m，物流出口的門(mén)為2.2m×3.0m。管架布置標(biāo)高3.2m，車(chē)間地坪采用防滑瓷磚鋪面，設(shè)有地溝，便于沖洗和排污25。車(chē)間南門(mén)入口處設(shè)消毒間，其左右兩側(cè)分別是男女更衣室及浴室，主要供工人進(jìn)出，再往里是走廊通往生產(chǎn)線，主車(chē)間內(nèi)兩條生產(chǎn)線分布在車(chē)間縱向?qū)ΨQ(chēng)軸線兩側(cè)，原料由冷庫(kù)通過(guò)鏟車(chē)通過(guò)北門(mén)消毒室運(yùn)輸?shù)街魃a(chǎn)車(chē)間兩側(cè)進(jìn)入到車(chē)間內(nèi)，兩條生產(chǎn)線在車(chē)間內(nèi)呈S 型走向，成品由靠近成品冷庫(kù)的車(chē)間一端送出，從而可以避免交叉污染，使人流物流在車(chē)間內(nèi)線路流暢26，主車(chē)間設(shè)備平面布置圖見(jiàn)附錄圖3。3. 參考文獻(xiàn)1 金其榮，張繼民，徐勤.有機(jī)酸發(fā)酵工藝學(xué)M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1989.2 王博彥，金其榮.發(fā)酵有機(jī)酸生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)M.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社2000.3 凌關(guān)庭.食品添加劑手冊(cè)M.化學(xué)工業(yè)出版社，2000.4 徐忠，汪群慧，姜兆華.L-乳酸的制備及