生物发酵工厂设计

1 绪论 1.1.1 生物发酵工业在国民经济中的地位 当前，世界生物技术发展已进入大规模产业化的起始阶段，蓬勃兴起和迅猛发展的生物医药、生物农业、生物能源、生物制造、生物环保等领域，正在促使生物产业成为世界经济中继信息产业之后又一个新的主导产业。大力发展生物技术产业，是培育新的经济增长点、提升中国产业国际分工地位和保障国家长远发展的客观需要。 所谓生物发酵工业就是利用规模化培养生物细胞（含动物、植物及微生物）来制造产品的工业。进入21世纪以来，建立在传统发酵工业基础上的现代生物发酵工业，产品涉及食品、饲料、化工、制药、肥料等十几个工业领域，产品的产量规模不断扩大，产品的品种不断更新，产品的质量标准也在逐年提升，我国力争到2020年，实现生物技术的跨越发展，使生物技术研发水平跃居世界先进行列；加速科技成果产业化，培育生物新产业，形成2万亿～3万亿元的产值，力争使中国成为生物技术强国和生物产业大国。随着现代生物技术的迅速发展，生物发酵工业在我国国民经济中的地位不断上升，发酵工业已经成为国民经济不可或缺的重要组成部分。 1.1.2 学习“生物发酵工厂设计”课程的意义 生物发酵工厂设计就是生物技术领域的新工艺、新技术及新设备等科研成果在工业化过程中的具体应用，是科研成果转化为生产力的桥梁。生物发酵工厂设计能使生物技术科技成果产业化，甚至培育新的生物产业。 所谓生物发酵工厂设计就是将生物技术成果及相应的技术装备与经济相结合的综合性工作，即为新建、改建、扩建生物发酵工厂而进行的规划论证和编制成套的设计文件。广义的工厂设计还包括对建设项目的投资决策。在生物发酵工业的发展进程中，每一项新工艺、新技术、新设备的应用及每个生物发酵工厂，甚至一个车间的新建、改建及扩建都需要进行设计，而每项设计又都必须符合国民经济发展的需要，符合科学技术发展的新方向，发酵工程才能为社会生产更多、更优质的产品，因此，生物发酵工厂设计是生物发酵工业发展过程中的一个重要环节，在基本建设程序中，工厂设计是在建设施工前完成的。 一个优秀的生物发酵工厂设计应该做到：经济上合理、技术上先进、设计上规范。施工投产后，产品的质量和产量均达到设计的要求，多项技术经济指标应达到或超过同类工厂的先进水平或国际先进水平。同时在环境保护及“三废”治理方面都能符合国家的有关法律、法规和标准。因此，生物发酵工厂设计是生物发酵工业发展过程中的首要环节。面对生物技术成果产业化、甚至培育新的生物产业，新产品层出不穷、质量不断提高、技术装备更新迅速的新形势，作为生物工程类专业的四年制本科生，学习“生物发酵工厂设计”这门课程就更具有重要的现实意义。 1.1.3 生物发酵工厂设计课程的内容 生物发酵工业涉及的产业领域多，产品品种繁杂，内容非常广泛，作为生物工程、食品发酵、生物制药、生物技术等四年制本科专业的学生，“生物发酵工厂设计”是一门专业课，内容着重介绍生物发酵类工厂设计的基本原理和一般设计步骤及方法。具体包括参与建设项目的决策，编制各个阶段设计文件，配合施工和参加验收，进行总结这一全过程的相关内容。 通过本课程的教学，使学生初步了解基本建设的重要意义、一般程序和有关设计文件，学习轻化工工厂有关工艺设计的基本理论及标准和法律规范，掌握生物发酵工厂设计的基本内容方法，培养学生查阅资料、使用工程手册、整理数据及运算和绘图能力。同时，根据教学要求，学生在学习完本课程后，能运用所学的知识，联系生产实际，进行一次为期两周的综合性课程设计，并为以后的毕业设计打下基础和做好准备。生物发酵工厂设计，涉及许多专业的内容，包括生物发酵工艺学、生物工程设备、化工原理、工程制图学、工程力学、电气工程学及土建工程学、气象、地质学、环境等。在整个工程设计中，工艺设计是主线，直接为工艺服务的有机械、设备、自控、电气、建筑、结构、供排水、供气、冷冻、采暖、通风、经济概预算、安全防火与环境保护等部门，这就需要一个协调一致、紧密合作的设计集体去完成。 1.1.4 生物发酵工厂设计的特点 生物发酵工厂设计除具有一般工厂设计的共性之外，还具备如下特点：首先，由于生物发酵工厂涉及产业领域广，原料、工艺流程、技术装备有较强的可选择性，增加了设计的难度和自由度；其次，由于生物发酵工厂的主要加工工序是一个极其复杂而又条件温和的生物化学反应过程，而且过程控制及优化是一个动态过程；再次，进入21世纪以来，生命科学领域的科研成果日新月异，新产品、新工艺、新技术、新材料层出不穷，将其科学地应用于工业化生产中，增加了设计的挑战性。这就需要设计者在设计过程中，努力做到技术先进，经济合理。为此，要求设计工作者具有扎实的理论基础、丰富的实践经验和熟练的专业技能，并能够运用先进的设计手段。 一个生物发酵工厂设计的优劣，主要是看工艺生产技术是否可靠、安全适用，在经济上是否合理，成品生产技术、经济指标的先进性，对环境产生污染的程度等。只有全面综合考虑生物发酵工厂设计的特殊性，才能有高质量的设计。 1.1.5 工艺设计与总体设计的关系 本书内容主要针对生物工程类专业本科生，要求学生对生物发酵工厂整体设计有一个概括性了解，而掌握的重点是工艺设计部分。 发酵工厂的总体设计是由各个车间设计所构成的，车间设计是总体设计的组成部分。无论是车间设计还是总体设计，都是由生产工艺设计和其他非工艺设计（包括土建、采暖通风、供水供电等）组成的。 发酵工厂总体设计的范围包括了企业应该配置的一切单项工程的完整设计，一般包括总平面布置，生产车间、动力车间（如锅炉房、变电站、给排水工程）、自控仪表、采暖通风、福利设施、办公楼、厂内外运输、环境保护工程、技术经济与概算等单项工程设计。同时，工艺设计是总体设计的主导设计，生产工艺专业是主体专业，它起着贯穿全过程并组织协调各专业设计的作用，而其他配套专业是根据生产工艺提出的要求来进行设计的。因此，发酵工厂工艺设计的范围是负责全厂生产工艺流程设计的各生产车间的设计，并向配套专业人员提供设计依据，提出设计要求。同时，配套专业也有自身的工艺。例如，供热、供冷、给排水等工程，就要根据供热、供冷、给排水专业知识来负责工艺设计。又如，工艺专业根据生产用水的要求，对工艺用水、冷却用水提出水质、水温等要求。供水专业在设计中要考虑离子交换、电渗析、冷却塔等水处理流程和设备，以满足生产用水的水质、水温等要求。对于车间布置设计，工艺专业根据工艺流程、设备配置对厂房的长、宽、层高及门、楼梯、办公和生活服务用房的位置提出要求。土建专业在设计中尽可能地满足工艺的合理性。反之，土建专业为了贯彻国家标准，要求厂房的长、宽、高要服从模数制的规定，工艺专业也应执行。因此，生产工艺设计不仅要求工艺设计具有先进性和合理性，而且也影响其他协同设计的配套专业设计的先进性和合理性。同时，工艺专业向配套专业提出的要求作为配套专业设计的重要依据。 1.1.6 现代生物技术和工程技术在设计中的应用 现代生物技术也称生物工程，它是以分子生物学为引导，在传统发酵工业基础上建立的为创建新的生物类型或新的生物机能的实用技术，是现代生物科学和工程技术相结合的产物，如微生物工程菌、转基因动植物生物技术、纳米生物技术、新型生物反应器等生物工程设备在生物技术产业化中的应用。 如何将这些新技术在未来的生物发酵工厂中尽快得以推广应用，并且寻找到一个先进性和可行性的*佳结合点是生物工厂设计工作中的难点和突破点。 2 生物发酵工厂设计的概述 2.1 基本建设程序及内容 基本建设就是以资金、材料、设备为条件，通过勘察、设计、建筑、安装等一系列脑力和体力劳动，建设各种工厂、矿山、医院、学校、商店、住宅、市政工程、水利设施等，形成扩大再生产的能力或新增工程效益。 基本建设是形成固定资产的综合经济活动，它包括国民经济各部门、各单位的生产性和非生产性固定资产的更新、改建、扩建、新建、恢复建设，简单地说，基本建设就是固定资产的建筑、添置和安装。它为国民经济各部门的发展和人民物质文化生活水平的提高建立物质基础。其内容主要包括各种房屋和构筑物的建筑工程，设备的基础、支柱的建筑工程等；生产、动力等各种机械设备的安装工程；设备、工具、器具的购置；其他与固定资产扩大再生产相联系的勘察、设计等工作。 基本建设项目是指按照一个总体设计进行施工的基本建设工程，一般由一个或几个互有内在联系的单项工程组成，建成后在经济上可以独立经营，行政上可以统一管理，也称建设单位。例如，一个生物发酵工厂即为一个建设项目。 基本建设工作涉及面广，受地质、水文等自然条件及物质技术条件的制约因素多，内外协作配合的环节多，只有按计划、有步骤、有程序地进行，才能完成好建设项目，达到预期的效果。而建设项目的完成和组织实施，又必须以设计文件为依据，因此，从事工厂设计工作，必须首先了解工厂基本建设的程序、工厂设计的组成及相关设计文件编制的规则。 2.1.1 基本建设程序的概念及地位意义 基本建设程序是指基本建设项目从设想、选择、评估、决策、设计、施工到竣工验收、投入使用整个建设过程中各项工作必须遵守的先后次序的法则。它是基本建设项目实施全过程中各环节、各步骤之间客观存在的不可违反的先后顺序，是由基本建设项目本身的特点和基本建设进程的客观规律决定的。 基本建设程序是国家对建设项目进行管理的一项重要内容。我国现行的基本建设程序是根据多年的实践经验科学地总结出来的，反映了建设工作所固有的客观自然规律和经济规律，是建设项目科学决策和顺利进行的重要保证，是保证工程质量和投资效益的一项根本原则。在进行项目建设工作中，人们必须遵循基本建设程序，按照科学的逻辑顺序和时间序列先规划研究，后设计施工，不得违反，不得简化，只有这样才能又快又好又省地完成建设任务。 2.1.2 基本建设程序 随着各项建设事业的不断发展，管理体制的逐步革新，基本建设程序也在不断变化，逐步完善和科学化。我国现行的基本建设程序主要包括以下七个阶段。 1. 项目建议书阶段项目建议书是由项目投资者对准备建设项目提出的轮廓性设想和建议，主要确定拟建项目的必要性和是否具备建设条件及拟建规模等，为进一步研究论证工作提供依据。 2. 可行性研究阶段根据项目建议书的批复进行可行性研究工作。对项目在技术上、经济上和财务上进行全面论证、优化和推荐*佳方案，与这一阶段相联系的工作还有由工程咨询公司对可行性研究报告进行评估。另外，现行的基本建设程序取消了原有的编制项目设计任务书阶段，取消了设计任务书的名称，二者合一，统称为可行性研究报告。 3. 设计阶段根据项目可行性研究报告的批复，项目进入设计阶段。由于勘察工作是为设计提供基础数据和资料的工作，这一阶段也可称为勘察设计阶段。这是项目决策后进入建设实施的重要阶段。设计阶段主要工作通常包括扩大初步设计和施工图设计两个阶段，对于技术复杂的项目还要增加技术设计。以上设计文件和资料是国家安排建设计划和项目组织施工的主要依据。 4. 建设准备阶段项目建设准备阶段的工作较多，主要工作包括征地拆迁，搞好“三通一平”（通水、通电、通路、平整土地），落实施工力量，组织物资订货和供应，以及其他各项施工准备工作。这一阶段的工作质量，对保证项目顺利建设具有决定性作用。 5. 施工阶段准备工作就绪后，提出开工报告，经过批准，即可开工兴建；遵循施工程序，按照计划要求和施工技术验收规范，进行施工安装。 6. 竣工验收阶段这一阶段是项目建设实施全过程的*后一个阶段，是考核项目建设成果、检验设计和施工质量的重要环节，也是建设项目能否由建设阶段顺利转入生产或使用阶段的一个重要阶段。工程完工后要按照规定的标准和程序，对竣工工程进行验收，编制竣工验收报告和竣工决算，并办理