毕业论文-年产300吨纤维素酶工厂的初步设计

年产300吨纤维素酶工厂的初步设计摘要纤维素是年产量巨大的可再生性资源，地球上每年光合作用生成的上亿吨生物质中，纤维素占了近一半。目前，自然界中纤维素只有一小部分得到了利用，绝大多数纤维素不仅被白白浪费，而且还会造成环境污染。利用这一年产量巨大的可再生性资源将其转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于人类社会的可持续性发展具有非常重要的意义。本设计采用目前认为是最好的产纤维素酶的菌种里氏木霉作为发酵菌种，液体深层发酵过程中采用变温发酵的方法分别控制菌种的生长和产酶，提取过程中采用超滤、层析等，提高产品的收率。最后采用喷雾干燥做成固态的酶制剂。本设计的主要内容有工厂总平面布置、全厂工艺流程设计、工艺计算、设备的计算与选型、成本核算；另外，完成设计图纸8张，有工厂总平面布置图、工艺流程图（3张）、发酵罐设计图、种子罐设计图、发酵车间设备布置图（平面图和立面图）。根据全厂工艺设计和计算结果可以看出，该设计能够达到工业生产的要求。关键词纤维素酶；液体深层发酵；里氏木霉ABSTRACTCELLULOSEISAKINDOFREPRODUCIBLERESOURCEOFGREATOUTPUT,ITTAKESABOUTAHALFOFTHEHUNDREDMILLIONBIOMATERIALMAKINGBYPHOTOSYNTHESISPRESENTLY,ONLYAFEWCELLULOSEAREUTILIZED,MOSTOFCELLULOSEAREWASTEDANDPOLLUTEENVIRONMENTITISOFGREATIMPORTANCETOTRANSFERTHESERESOURCETOENERGY,FOOD,ANDSOONTHISDESIGNADOPTTRICHODERMAREESEIWHICHPRODUCECELLULASEBESTDURINGTHELIQUIDSUBMERGEDFERMENTATIONCOURSEWECHANGTHETEMPERATUREINORDERTOCONTROLTHEGROWTHTHATGERMGROWSANDPRODUCECELLULASERESPECTIVELYULTRAFILTRATIONANDCHROMATOGRAPHYAREUSEDINTHEEXTRACEPROCESSFORIMPROVETHEYIELDINTHEENDWEMAKESOLIDZYMINBYSPRAYDRINGTHEDESIGNMAINLYINCLUDETHECONTENTSHEREINAFTERTHELAYOUTOFTHEWHOLEFACTORY,THECRAFTARGUMENTATIONOFTHEWHOLEFACTORY，THECALCULATIONOFTHECRAFT，THECALCULATIONANDTYPECHOOSINGOFMAINEQUIPMENTS,THECALCULATIONOFTHECOSTSANDDESIGN8CHARTS,THATARETHELAYOUTOFTHEWHOLEFACTORY,THEDESIGNOFTHECRAFTPROCESS3,THEDESIGNOFTHEFERMENTATIONPOT,THEDESIGNOFSEEDINGTANK,THELAYOUTFOREQUIPMENTSOFTHEFERMENTATIONWORKPLACEICHNOGRAPHYANDSPACEACCORDINGTOTHECRAFTARGUMENTATIONOFTHEWHOLEFACTORYANDTHERESULTOFTHECALCULATION,THEDESIGNCANCOMEUPTOTHEREQUESTOFINDUSTRIALIZATIONKEYWORDSCELLULASELIQUIDSUBMERGEDFERMENTATIONTRICHODERMAREESEI目录1绪论111纤维素酶简介112纤维素酶的研究状况1121国外研究概况2122国内研究概况313纤维素酶的应用4131纤维素酶在果实和蔬菜加工上的应用4132纤维素酶在酱油酿造上的应用4133纤维素酶在酒精发酵中的应用5134纤维素酶在饲料上的应用5135在麻棉混纺织物后整理中的应用6136其它614纤维素酶的发展前景615纤维素酶的生产6151固体发酵生产纤维素酶6152液体深层发酵生产纤维素酶7153固定化酶和细胞916目前国内的有关情况9161国内的需求情况9162主要技术指标9163国内几大生产厂家1017本设计的目的和内容10171本设计的目的10172本设计的主要内容102全厂工艺流程及论证1221无菌空气工艺论证12211无菌空气制备系统工段工艺论证1222发酵工段工艺论证13221发酵工艺流程13222菌种选取13223培养基14224生产方法14225发酵过程的控制1423后提取工段工艺论证15231后提取工艺流程15232提取方法论证153纤维素酶的工艺计算1831物料衡算18311工艺指标18312发酵工段的物料衡算18313提取工段的物料衡算1932热量衡算20321蒸气消耗计算2033水平衡计算22331种子罐冷却水22332发酵罐冷却水2234无菌空气衡算22341发酵罐通风量的计算22342种子培养基等其他无菌空气耗量22343发酵车间高峰无菌空气消耗量22344发酵车间年用气量224纤维素酶发酵工段的设备选型与计算2441发酵罐设备选型与计算24411发酵罐的选型24412生产能力、数量和容积的确定24413发酵罐基本尺寸确定24414冷却面积的计算25415蛇管设计27416壁厚计算29417搅拌器计算29418搅拌轴功率计算30419接管设计324110传动装置设计334111发酵罐支座选择3342种子罐的设备选型与计算33421种子罐的选型33422种子罐容积和数量确定33423主要尺寸确定34424冷却面积的计算34425设备材料选择35426壁厚计算35427种子罐内部结构的工艺计算36428支座选型3843空气过滤器设备选型与计算38431种子罐分过滤器38432发酵罐分过滤器3944无菌空气制备工艺设备选型与计算40441工艺流程40442空气状态的确定41444储罐41445一级冷却装置42446旋风分离器47447二级冷却器48448丝网除雾器50449加热器504410总过滤器5245提取工段设备计算及选型53451提取工段工艺流程53452提取工段设备选型535全厂布置的说明5551工厂总平面布置55511总平面布置依据55512布置原则55513布置说明55514车间布置设计56515设计遵循的原则56516本设计的车间布置说明586经济核算6061投资估算60611设备投资60612土建投资60613全厂总投资6162成本计算61621主要成本计算61622煤耗61623水、电耗61624折旧费及其他费用62625全厂人员安排62626全厂每年销售成本62626全年净收入637结论64参考文献65附录68英语翻译76英文原文76中文译文841绪论11纤维素酶简介纤维素作为植物光合作用的主要多糖类产物,是地球上最为丰富的可再生性天然资源。据估计,地球纤维素每年通过光合作用的更新量约为401010吨,LIITZEN等在1983年推算出纤维素的合成速率相当于全人类每人每天70千克,这一惊人的结果足以显示其对整个人类的价值所在。然而,目前约80未被开发利用,具有极为诱人的前景。对纤维素的深入研究和利用必将是解决当前世界许多国家普遍面临的粮食,饲料和能源短缺及环境污染等问题的一条有效途径,并已成为21世纪各国共同关注的一项重大课题。植物纤维素的高聚合度、毛细管结构、木质素和半纤维素所形成的保护层及其超分子结构中具有高结晶度CRYSTALLINITYINDEX的结晶区存有大量氢键包括分子链内、链间及分子链与表面分子之间形成的氢键是造成纤维素难以被利用的根本原因。从高效和环保的角度出发,纤维素被彻底分解而无污染的一条有效途径便是利用纤维素酶CELLULASE的水解作用。可是,当前纤维素酶的高昂费用是其难以在工业上被推广应用的主要因素。过去的一些研表明,对含纤维素物质进行一定的前处理方法主要有球磨法,汽爆法,射线照射法,酸碱法和氧化法等,但仅是在较低的程度上提高了纤维素酶的水解效率。一些高产菌株的获得,在目前条件下也难以大幅度降低纤维素酶的成本。还需要在这方面开展更广泛而深入地研究。纤维素酶CELLULASE是利用产纤维素酶的菌株经过固体发酵或液体深层发酵提取精制而成的液体状酶制剂。纤维素酶由三种功能不同但又互补的酶组成,能水解天然纤维素成为葡萄糖分子。这三种酶是内切葡聚糖ENDOGLUCANASEEGEC3214、外切纤维素酶CELLOBIOHYDROLASECBH,EC32191和葡萄糖苷酶GLUCANASESGE,EC32121。木酶属被认为是纤维素酶系最全面,分解天然纤维素活力最高的一类丝状真菌。纤维素酶对能源危机、食品和饲料紧张及环境污染等问题的解决有积极的作用,纤维素酶的开发利用将会产生很大的经济价值。纤维素CELLULOSE是植物细胞壁的主要成分，约占植物干重的三分之一至二分之一。世界生产和目前储存的纤维素生物量比任何一种碳水化合物都要多得多，是一种十分巨大的生物质资源，可为人类提供用之不尽的能源。但是目前这一资源的利用大约不到地球上总贮存量的05，仅有一小部分被用于纺织、造纸、建筑、饲料、制药、农肥、燃料等方面，大部分未得到利用而被抛弃或焚烧，不仅造成资源的巨大浪费，而且污染环境，危害很大。如果能利用纤维素酶将大量的纤维素资源酶解成单糖，再经发酵可生产出化工原料、饲料、燃料、食物和药物等，开辟饲料、发酵工业原料和人类食品的新来源，同时还可以处理废物、减少公害、保护环境。因此研究纤维素资源的综合利用具有深远的意义，日益引起世界各国的关注和重视。12纤维素酶的研究状况早期就有研究表明,纤维素酶是一类胞外酶,从培养物滤液中就可以很容易得到。它又属于诱导酶但在细菌方面以固有酶居多,在诱导物存在下,才能大量产生。纤维素酶的分泌又受分解代谢产物阻遏CATABOLITEREPRESSION和反馈抑制FEEDBACKINHIBITION两种作用。许多不溶性的纤维素、可溶性的纤维衍生物、一些低聚糖类对某些单糖和二糖均可作为纤维素酶的诱导物。但需要一提的是,纤维二糖、葡萄糖和甘油等低分子可溶性糖在低浓度时有促进作用而较高浓度时便开始抑制。当然,对于不同微生物来说,同一浓度的同一物质也可能有着不同甚至完全相反的作用。这方面的研究还甚少。纤维素酶的分泌与细胞膜的通透性有着密切的关系,这是REESE和MAGUIRE得出的结论,他们在绿色木霉QMA6的培养基中添加一定浓度的油酸钠、亚油酸钠、吐温80和蔗糖单棕榈酯等表面活性剂,结果都大量增加了纤维素酶产量,且缩短了产酶时间。在纤维素酶的生产过程中,PH值和发酵时间是关键。MANDLES等发现,在分批培养物发酵过程中,起初PH最好是自然下降到3035,再加控制以防止PH降低,消耗纤维素以后自然上升,这样有利于酶的大量分泌。连续培养的情况不同,保持较低PH时,菌生长受到抑制,酶产量减少,而保持PH50时则可提高酶产量。纤维素酶的发酵过程中,有分泌高峰期,且高峰期的稳定性因培养基不同而有很大差异。故准确控制发酵时间是纤维素酶生产的另一个重要参数。综合上述,这里引发了一个新思路,就是对发酵不同阶段分别进行不同控制如PH值、温度、通气量、培养基成分可能在很大程度上提高酶产量。要获得较高酶产量,发酵方法是非常重要的方面,目前生产纤维素酶的国家主要有日本、美国、德国和荷兰。日本过去多用固体曲生产,后来由于这种方法难于监控,某些组分常常吸附于固体残余物上,增加了提取难度,不利于现代化流水作业,于是不少改为液体深层发酵。美国一直都是使用这种方法,并在此基础上出现了流加培养法、分批发酵法、连续发酵法、二次发酵法以及细胞循环法等等。混合微生物发酵法是纤维素酶生产中的又一新途径。因不同真菌的纤维素酶系在各组分均衡性方面有互补的现象。木霉纤维素酶系中含有较多的CBH和EG,缺少G,而另一类真菌如黑曲霉、海枣曲霉APHOENICUS和可可球二孢BOTRYODIPLODICTHEOBROMOE形成的纤维素酶系却以G为主。故以微生物生态学为基础,将以上两类菌混合在一起发酵,寻求二者均能大量分泌纤维素酶的发酵方法和条件,生产出优质高效的混合纤维素酶,目前只有极少关于这方面的浅层研究。121国外研究概况1906年SEILLIERE发现蜗牛的消化液能够水解棉花纤维素并产生葡萄糖，这是人类首次发现纤维素酶。随后他的工作于1913年得到ALEXANDROWICZ的证实。1933年GRASSMAN等研究了一种真菌的纤维素酶系，分辨出两个组分，这是首次从真菌中分离出纤维素酶。四、五十年代，以美国陆军NATICK研究发展中心为代表的世界许多研究机构开始从不同方面对此进行了艰苦而卓有成效的探索，对产生纤维素酶的微生物进行了大量分离筛选工作，建立起较为完整的分离筛选方法。1950年REESE等提出纤维素酶作用方式的GCX假说以后，开始转入纤维素酶的基础研究，包括纤维素酶的性质、作用方式、培养条件和活力测定方法等等。六十年代以后，由于分离技术的发展，推动了纤维素酶的分离纯化工作，对纤维素酶的组分、作用方式以及诱导作用等方面的研究进展比较快并且实现了纤维素酶制剂的工业生产在应用上也取得了一定成绩。早在1967脾国外专利中就提出了用纤维素酶来消除棉织物上出现的微纤维绒毛小球的想法但这个想法一直未能实现。直到1985年，采用腐殖根霉HUMICOLAINSOLENS发酵的方法，制得了世界上第一个洗涤剂用的纤维素酶，其产品命名为CELLULASEO1987年又推出了一种细菌纤维素酶BACTERIALCEILULASE，并成功地用于ATTACK洗衣粉。从此，纤维素酶也就正式加入了洗涤剂酶的行列。从上世纪八十年代开始，随着分子生物学和基因工程的发展，人们开始利用基因工程的方法对纤维素酶基因进行克隆和一级结构的测定，利用遗传工程从分子生物学水平对纤维素酶生产菌株进行诱变育种，并对纤维素酶蛋白质的氨基酸序列及其分离纯化等方面进行了深入细致的研究。到目前为止，在SWISSPROT蛋白质数据库中，已有140个内切酶，19个外切酶和102个Q_葡萄搪普酶的全序列1988年开始利用结构生物学及蛋白质工程的方法对纤维素酶分子的结构和功能进行研究，包括纤维素酶结构域的拆分与解析、功能性氨基酸的确定、水解的双置换机制的确立、以及分子折叠和催化机制关系的探讨。然而由于纤维素酶蛋白结晶困难，现在关于纤维素酶分子结构与功能关系的研究进展仍比较缓慢。122国内研究概况我国纤维素酶的研究开始于20世纪60年代初。几十年来，北京、上海、成都、无锡、广东、山东、浙江等地的大专院校科研院所进行了纤维素酶的研究工作，选育出一批纤维素酶菌种。如1968年北京选育出一批纤维素酶菌种1970年后中国科学院上海植物生理研究所等单位利用诱变方法获得了产酶能力较高的变异株，并进行了生产试验。70年代后，继续进行纤维素酶产生菌的诱变与选育工作，并对各种微生物来源的纤维素酶组分进行分离纯化、结构和酶学性质的研究关于纤维素酶的特性、作用机理、培养条件、应用试验等方面的报道文献也较多，如王景林等在吸收国内外经验的基础土，先后引进绿色木霉SN91014、康氏木霉NT15,E曲霉XX15A，在此基础上采用了紫外线特定电磁波辐射，线性加速器，亚硝基皿等物理化学的诱变方法获得了高产菌株NT15H，NT15HXT15H,XT15H10。其中木霉NT15H固体培养活力经轻工业部食品质量监督检测中心南京站检侧表明己达到国际先进水平王成华等采用里氏木霉A3，进行紫外线和业硝基呱复合诱变后，得到了产纤维素酶活力较高的里氏木霉91一菌株张中良采用均匀设计研究了影响绿色木霉生产纤维素酶的主要因素，他采用了浅盘固体发酵，得出了绿色木霉生产纤维素酶的最佳条件张荃花等以康氏木霉为菌种进行固体发酵，首先对菌种进行了诱变，并利用酵母菌与康氏木霉间的徽生态关系进行混合发酵，防止了“白毛菌”的污染，提高了酶活力陈春洪等以稻草、花生壳为主要碳源，研究了里氏木霉GAB的产酶条件。尹清强等在黑白花奶牛日粮中添加纤维素酶50G/头天，产奶量提高89，饲料效率提高100裴相元等在鹅日粮中加入075纤维素酶后，结果提高了892的日增重和1534的饲料效率及降低了5178的饲料消耗。从80年代后期开始有不少的国内学者对纤维素酶进行基因结构与遗传重组方面的研究。如汪天虹等人用鸟枪法从野油菜黄单胞菌S152中克隆到的内切纤维素酶基因，在大肠杆菌中得以表达从微紫青霉中克隆到的CBHI基因在体外无细胞系统中表达从瑞氏木霉DNA文库中克隆到的内切葡纤维素酶III基因在酿酒酵母中表达肖志壮等从里氏木霉DNA文库中分离得到了内切葡聚搪酶侄。玲列，将其重组到酿酒酵母H158中得到表达王建荣等以噬菌体LAMBDSEMBL3DNA为载体，通过克隆绿色木酶TRICHODERMAVIRIDE高分子量基因组DNA的部分酶解片段，并将重组分子进行体外包装后侵染ECOLIK802，由此构建了绿色木霉基因文库（TAIE中科院微生物研究所还专门成立了纤维素酶研究的课题组，通过收集文献与实验数据进行基础理论的研究。20世纪80年代中期上海就生产出纤维素酶。20世纪90年代初黑龙江省海林市万力达集团公司首条年产2000T的纤维素酶生产线投产，但迄今为止，我国规模生产纤维素酶至今仍未解决，形成不了大批量生产，满足不了市场的需要。因此，丹麦诺和诺德公司的酶制剂产品占领了我国绝大部分市场，使进口纤维素酶价格昂贵。13纤维素酶的应用131纤维素酶在果实和蔬菜加工上的应用在果实和蔬菜加工过程中为了使植物组织软化膨润，一般用过度的加热蒸煮，酸碱处理等，这样就使果蔬的香味和维生素损失大。用纤维素酶进行菜的软化可避免上述缺点。另外，可以用纤维素酶分解果实和蔬菜，这样制成的果酱口感好。也可用纤维素酶分解蘑菇，制造一种新调味料。在糖渍果品加工中最近也用纤维素酶取得很好的结果，用砂糖渍果实时，砂糖要通过细胞壁慢慢浸人果实中，这样就需要几天的时间，若是用纤维素酶破坏细胞后，在短时间内即可浸透进去。椰子饼中含有很高的蛋白质和脂肪，糖类含量也很高，但是却不能作为粮食使用，因其纤维素含量较高，所以要用纤维素酶分解纤维素。其酶解工艺如下首先把椰子饼加一定量水蒸煮后，加人纤维素酶，PH45，40振荡，48H后过滤，滤液浓缩喷雾干粉，此粉含有脂肪、糖、蛋白质。纤维素大部分被分解，分解率为50，最高时达80，这样椰子饼用纤维素酶分解后就可作为食物。132纤维素酶在酱油酿造上的应用酱油是大豆蛋白酶水解产物。在酶解过程伴有一系列的发酵过程，为酱油增加了特有的香气和风味。酱油的酿造中蛋白酶的活力要强，为使大豆蛋白从组织中充分裸露，添加的植物崩裂酶活力果胶酶、半纤维素酶，纤维素酶等也要高。酱油酿造主要利用蛋白酶、淀粉酶等酶类对原料进行酶解，若再使用纤维素酶，使大豆等原料的细胞膜膨胀软化破坏，使包藏在细胞中的蛋白质、碳水化合物释放，这样就可以缩短酿造时间，提高产率，同时还提高品质，使氨基酸还原糖含量增加。以78B2为菌种制曲，在酱油酿造人池时，加人1一般可使酱油产量增加5左右，而且成品酱油中还原糖增加，酱香味明显提高。133纤维素酶在酒精发酵中的应用纤维素酶应用于酒精生产提高原料出酒率的主要依据是第一，薯干、玉米、高粱、木薯等淀粉质原料中含有13的纤维素和半纤维素，在纤维素酶的作用下转化成可发酵性糖，使原料中可利用的碳源增加，出酒率提高；第二，纤维素酶对纤维的降解作用，破坏间质结构壁的结构，使其包含的淀粉释放出来，利于糖化酶作用，从而可提高原料的淀粉利用率；第三，降低粉浆、蒸煮醪和糖化醪的粘度，利于醪液的输送和浓醪发酵的顺利实施。将纤维素酶应用于酿酒，每100KG原料可增加出酒量1015KG，节粮20，酒昧醇香，杂醇油含量低；白酒酿造所用原料中纤维含量较大，使用纤维素酶后，可同时将淀粉和纤维素转化为糖，再经酵母分解全部转化为酒精，提高出酒率35，酒体质量纯正，淀粉和纤维利用率高达90。在生产上应用纤维素酶出具有提高发酵率，缩短发酵时间的效果。然而，纤维素酶在酒精生产中的应用远没有完善，许多厂的应用效果并不理想。目前存在的主要问题有一是纤维素酶的活力较低，单位酶活力的生产成本较高，使得其在酒精厂中的应用与推广受到限制；二是酶活力的单位不统一，许多纤维素酶产品其标明的活力单位达1000030000UG，但“U”的具体单位和测定酶活力的底物不详，使其应用缺乏依据；三是纤维素酶在酒精生产中应用的工艺条件有待于进一步研究。134纤维素酶在饲料上的应用畜禽饲料中含有大量的纤维素，除某些反刍动物具有分解纤维素能力外，大部分畜禽不具此能力。纤维素酶是畜牧业中的一种新型饲料添加剂，能够分解结构复杂的纤维索，生成易消化物质葡萄糖，摧毁细胞壁释放内容物，便于动物消化吸收。能够为畜禽体内增加和补充各种消化酶，强化消化系统的酶解功能，增进食欲，促进生长发育。为了提高饲料的消化率，在配合饲料中添加极少量纤维素酶一般在0103即可收到显著效果。当用纤维素酶制剂作用裸麦、大麦、玉米时，可使糖的总氮量明显增加。在青贮饲料中加纤维素酶使纤维素分解促进乳酸发酵，这样处理后的青贮饲料，比对照柔软，曲香味明显提高，酸度和还原物质随纤维素减少而增加。另外加纤维素后，由于纤维素被消化，乳酸发酵提高，贮存性能也提高。在饲料中添加纤维素酶后，喂幼鸡、仔猪及一般虚弱动物时，喂养效果明显，喂蛋鸡可提高产卵量，喂乳牛时，不仅可以使体重增加，而且提高产乳量。135在麻棉混纺织物后整理中的应用天然纤维如棉、麻等纺织品具有较强的吸湿、透气性，倍受消毒者青睐。但棉、麻及其混纺布料上存在细毛，与皮肤接触时会产生刺痒感，因此近几年来，利用纤维素酶进行生物整理越来越受到纺织界的重视。利用纤维素酶进行酶处理，能使麻、棉表面剥离和纵向复合细胞间层侵蚀，使纤维梢丝束化或脱落，能极大地降低对皮肤的刺痒，提高棉麻织物的服用性能及产品的档次。136其它纤维素酶还广泛应用于地质钻井中，其洗井用量为0LLKGM孔段体积，它能在静压下使淤塞在井壁内冲洗液中的魔芋聚糖催化水解为单糖，快速恢复岩层的透水性质，提高洗并质量。此外，利用纤维素酶生产的洗涤剂可作为降硬剂使用，它是一种具有高活性纤维素酶的浓缩洗涤剂组合物，性能极佳。除此之外，纤维素酶在造纸、环保、草药提取等方面也得到了一定的应用。14纤维素酶的发展前景纤维素酶具有广阔的应用前景，当前只有少数发达国家拥有纤维素酶的生产及应用技术，产品的垄断造成市场价格奇高不下。国内生产厂家少、生产规模小，应用技术尚需进一步攻关，产品供应以进口为主，供需矛盾较大。建设纤维素酶装置，可满足市场需求同时可以充分利用秸杆改善环境，具有较好的经济效益和社会效益我们相信随着现代生物技术的进展，纤维素酶工艺的发展将提高到一个新的水平。21世纪是知识经济时代，随着人们对纤维素酶研究工作的深人，纤维素酶必将在食品，饲料，环境保护，能源和资源开发等各个领域中发挥越来越大的作用。如何加大对纤维素酶研究和开发的科技投人和经费投人，改变目前规范小，工艺、设备落后、菌种酶活低、生产成本高、生产技术水平低下的现状，尽快采用各种行之有效的高新技术，发展具有中国自己知识产权的新酶种、新产品、新剂型、满足市场的需求，是当务之急。15纤维素酶的生产纤维素酶的生产和其它酶制剂一样，主要有固体发酵和液体深层发酵两种，国内外在这方面做了许多有价值的工作。151固体发酵生产纤维素酶张中良等1997采用均匀设计研究了绿色木霉1号固体发酵生产纤维素酶的条件。施安辉等1997以绿色木霉为菌种，用熬皮和谷糠做碳源，固体发酵生产纤维素酶，并研究了其在食品工业中的应用。王景林等1996将野生型康氏木霉854B2经多种理化诱变因子及空间微重力辐射等因素处理，选育到1株高活力纤维素酶突变株B7，研究了固体发酵培养的最佳条件。赵小立等1996采用铜蒸气激光对黑曲霉诱变处理，筛选到纤维素酶高产菌株，用稻草鼓皮固体培养基，28发酵培养4D,每克湿曲的最高酶活CMC酶活为2839MG葡萄糖/IGH滤纸酶活为299MG葡萄糖LGH一葡萄糖普酶活为1091MG葡萄糖/GH。乌敏辰等1997研究了黑曲霉DM1以粗纤维原料的固体培养发酵。乌肠敏辰等1998以里氏木霉WXR8为出发菌株，经紫外和亚硝基呱诱变处理后，得到一株抗纤维二糖阻遏突变株RM27，得到了其固体发酵的最佳条件。段金柱等2000对绿色木霉产纤维素酶固体发酵和液体发酵进行了比较研究，结果显示固体发酵产率比液体发酵产率高25，且酶组分比例高于液体发酵。吴克等以绿色木霉为实验菌株，采用固体发酵法生产纤维素酶，发现CMC酶和滤纸酶活在发酵过程中可以同时达到最大值，同时他们还建立了通过测定发酵曲中的麦角固醇含量来反映菌株生物量的方法吴克等，2002。XIALIMING等1999以玉米芯作为主要碳源，利用里氏木霉ZU02固体发酵，研究了水分含量、麦鼓添加量、起始PH对纤维素酶合成的影响。TAOSUN等1999以绿色木霉SL为菌种，采用固体发酵，通过调节气压使发酵的CMC酶活达到了1400IU/G，而浅盘发酵的对照组，其酶活只有450IU德，发现通过气压调节，可以使纤维素酶产量提高，这可能与气压调节可以改变菌株膜的运动，进而有利于产酶有关。SOUZA等1999以橙色热子囊菌THERMOASCUSAURANTIACUS为菌株，采用响应面法研究了木聚糖酶的固体发酵，发现起始含水量和甘蔗渣的量是影响产酶的最主要因素。GUTIERREZCORNEA等1999以经碱处理的甘蔗渣为主要碳源，研究了里氏木霉LMUC4EI和黑曲霉ATCC10864共同发酵产纤维素酶的条件。AWAFO等2000用中心组合正交设计来优1998以稻草、花生壳为主要碳源，研究了里氏木霉GAB的产酶条件。夏黎明1999在固体发酵条件下，筛选出一株纤维二糖酶高产黑曲霉，并对其发酵条件进行了研究。张礼星1999利用里氏木霉，以啤酒厂的废糟为原料，添加适量数皮和稻草粉为培养基进行了固体发酵研究。崔福绵1995等从生霉棉布上分离出康宁木霉，经诱变处理获得了高产纤维素酶的突变株CP88329，并研究了其固体发酵的条件。郑佐兴等1996从木霉、曲霉和食用菌中筛选了高产纤维素酶的菌种，并研究了产酶的最佳条件。王成华等199以玉米秸杆粉和鼓皮为碳源，研究了里氏木霉913的产酶条件。152液体深层发酵生产纤维素酶采用固体发酵虽然有许多优越之处，但仍存在发酵水平不稳定，不适于大规模生产等弊端，因此对纤维素酶液体深层发酵的研究很有意义，国内外许多学者在这方面做了大量的工作。梁霆等1997选育青霉菌PEMICILLUMSP用于纤维素酶液体深层发酵条件和生产工艺的研究，探讨了纤维素酶一级和三级液体培养的条件。余晓斌等1998研究了增强里氏木霉RUTC30产纤维素酶的方法。管斌等2000利用紫外线、亚硝基呱等对里氏木霉进行诱变处理，选育得到一株抗分解阻遏的突变株，液体发酵使其纤维素酶活力提高了3倍。余晓斌等1998通过比较，筛选出里氏木霉RUTC30，采用AVICEL与鼓皮复合物碳源，使KHZP04KZHPO缓冲系统控制发酵液PH,28摇瓶发酵6D，最高酶活达到CMC酶100125U/ML，FPA912U/ML。余晓斌等1999还采用里氏木霉RUTC30，对25L罐分批和流加发酵产酶条件及其优化进行了系统研究，发现高菌体量是获得纤维素酶高产的关键因素之一。李忠兴等1999以康宁木霉T215为生产菌，在30T气升式发酵罐中进行了液体深层发酵生产纤维素酶的扩大实验。陈庆森等1999系统地研究了高产纤维素酶生产菌里氏木霉TB9701与饲料酵母混合共发酵玉米秸杆粉合成菌体蛋白质和利用纤维素的关系，优选出一条最佳的共发酵工艺途径和条件。谭宏等1996在摇瓶试验的基础上，采用里氏木霉HC415菌株进行了SL自控罐产纤维素酶深层发酵试验。林开江等1998将30玉米粉用03204的HCI在12128水解缩合反应2H后，稀释5倍作为纤维素酶发酵碳源，研究了液体发酵产纤维素酶的工艺。王遂等1998在实验室摇瓶实验的基础上，进行了纤维素酶的二级和三级液体深层发酵的工业生产性试验。郝志军等研究了青霉NXP25生产纤维素酶的发酵条件，到一株绿色木霉，初步研究了其发酵生产纤维素酶的条件及酶学性质，发现在发酵培养基中添加蜗牛酶可以提高纤维素酶的分泌量张培德等，2000。ROMERO等1999以粗糙链抱霉NEUROSPORACRASSA为菌种，将麦杆磨碎过筛作为主要碳源，研究了麦杆浓度、温度和初始PH对葡聚糖内切酶、葡聚糖外切酶和一葡萄糖昔酶活性的影响，同时对胞外和菌体中蛋白质含量也进行了观察，发现菌体生长和产酶的培养条件不同，在培养基中加入蛋白酶抑制剂，可以避免纤维素酶在发酵过程中的较大波动。DOMINGUES等2000研究了里氏木霉RUTC30在液体摇瓶培养时的形态，也探讨了培养基组成和接种量对菌丝形态和纤维素酶产量的影响。SVETLANAVELKOVSKA等研究了里氏木霉RUTC30生产纤维素酶的条件，并建立了纤维素酶分批发酵的动力学模型SVETLANAVELKOVSKAETAL,1997。有人采用里氏木霉作为发酵菌株，以经过爆汽处理的柳木为主要碳源，分别研究了该菌在摇瓶、4L和22L发酵罐中的产酶情况RECZEYETAL,1996。韩峰等以拟康氏木霉TRICHODERMAPSEUDOKONINGII为生产菌株，经诱变后液体发酵，得到了较高的酶活力韩峰等，2002。张德强等采用绿色木霉液体发酵生产纤维素酶，研究了培养基组成、培养条件对产酶的影响张德强等，2001。王冬等1995研究了L一山梨糖提高木霉纤维素酶合成速率机制，认为其主要机制不是阻碍细胞壁的正常合成，促进了酶的分泌，而是通过降低了菌丝体的生长速率来起作用。干冬等1996以虫荧光素酶法检验了四株丝状真菌在葡萄糖一无机盐液体培养过程中的胞内ATP含量，结果表明只有当胞内ATP浓度低于10MG/ML时，真菌才开始合成胞外纤维素酶以不同浓度的各种碳源培养时，菌体胞内ATP含量只要超过1了MG/ML,FPA的合成即发生阻遏，菌体胞内ATP含量与FPA合成呈显著负相关以高效液相色谱HPLC法检测了菌体培养液中的。AMP含量，在非阻遏条件下，外源CAMP可以提高FPA的合成水平，但外源CAMP不能解除己经发生的酶合成阻遏，菌体ATP和CAMP水平是调节真菌纤维素酶合成的重要因子。153固定化酶和细胞除固体发酵和深层液体发酵外，有人还对纤维素酶的固定化进行了研究。夏黎明等1998采用多孔聚酷材料固定里氏木霉RUTC30菌丝细胞，将固定化细胞在生长限制条件下重复分批培养，使纤维素酶的合成与玉米秸杆纤维原料的酶解糖化祸合在一个反应器中同时进行。在30、初始PH48、摇瓶转速150R/MIN的条件下，连续重复进行12次分批培养试验，每次玉米杆用量为60G/L，培养周期45D，共54组培养液中含滤纸酶活力平均为070IU/ML，还原糖2641G/L，糖化率达到理论值的8911。固定化菌丝形态正常。在间歇补料条件下，玉米杆原料的总量可提高，7D后还原糖浓度达5281G/L，糖化率为8920。这种方法将产酶和糖化同时进行，工艺简单、成本低廉、易于连续自动化操作。陈盛等1996以蟹壳为原料提取壳聚糖，用戊二醛作交联剂，将纤维素酶固定于壳聚糖上，探讨了一定量干壳聚糖载体与交联剂浓度、给酶量等最适固定化酶条件。HAAPALA等1996利用尼龙网固定化里氏木霉后，其所产的内切葡聚糖酶和木聚糖酶活性均高于游离菌丝当以乳糖、纤维素和山梨糖为碳源时，氮源显著影响这两种酶活性。16目前国内的有关情况161国内的需求情况21世纪被称为生物技术的世纪，国家十分重视生物技术工程在工农业方面的应用。根据市场调查和研究分析，纤维素酶的应用，不但能够提高产品质量和产量，而且可大大地降低生产成本，该产品的生产弥补了国内市场缺口，因此具有较大的发展潜力和广阔的市场前景。我国的饲养业在农业中占举足轻重的地位，近年来，随着人们生活水平的不断提高，对肉、蛋、奶的需求量越来越大，饲养业的发展，对饲料添加剂的需求量必然会急剧上升。纤维素酶作为饲料添加剂，可使饲料的消化率从5060提高到80以上，按我国年产饲料5000万吨计，以1的加入量，需求量有5万吨以上。在酿酒过程中加入纤维素酶，既提高了产品质量，又可提高产量，节约大量粮食，酿酒业年需求量在千吨以上。由于纺织业的发展和改革，纤维素酶的应用也越来越广泛，仅水洗布生产一项，国内每年需求在600吨以上。纤维素酶已广泛应用于棉纺织品（牛仔服、西服等）的水洗整理，可以取代浮石，获得优质花斑和悬垂度；纤维素酶还可作为饲料添加酶，增加动物（牛、猪、鸡等）的消化代谢功能。此外，该酶制剂还被广泛用于果汁加工、酿造等领域，市场潜力很大。采用液体深层发酵工艺（30M3发酵罐）和固态发酵工艺（1吨/天）生产纤维素酶的技术已通过省级鉴定，现已用于工业化生产，并获得了良好经济效益。经喷雾干燥制备的酶粉目前售价10万/吨，成本约35万/吨；经固态发酵制成的粗酶粉，作为饲料添加酶，目前售价34万/吨，而成本大约20004000元/吨，利润十分丰厚。162主要技术指标菌株发酵产酶能力CX酶4001400U/ML/H1U相当于每小时毫克葡萄糖C1酶60230U/ML/24H葡萄糖苷酶516U/ML/HFP酶2054U/ML/H产品酶活力液体300U/ML，固体300U/G163国内几大生产厂家广州裕立宝生物科技有限公司,是一家广州市政府认定的高新技术企业，从事酶制剂的研发与生产。该公司主要生产液态纤维素酶。北京盛世嘉明科技开发有限公司的前身是北京宁馨儿生物科技开发有限公司销售公司，北京宁馨儿生物科技开发有限公司是依托中国科学院微生物研究所和中国食品发酵研究所的科研力量专门从事科研成果转化的科研生产型企业，主要从事酶的生产和应用技术的开发与研究。该公司生产食品级纤维素酶，售价为138万/吨。该产品酶活为10000U/G。上海三杰生物技术有限公司主要生产粉状纤维素酶黄褐色冷冻干粉，酶活力15U/MG，15元/1克；黄褐色冷冻干粉，酶活力300U/MG，23元/克。邢台市太和生物化学技术有限公司主要生产中性固态纤维素酶，酶活为2000U/G，36万/吨。广州荟科生物科技有限公司主要生产液态纤维素酶，棕色液体，PH值在50左右（原液），售价为22万/吨。此外还有宁夏和氏璧生物技术有限公司，上海诺科化工新材料有限公司，东莞宝丽美化工有限公司，湖北立业生物制品有限公司，广州伯凯生物技术有限公司。由上面的一些资料可以看出固态的酶比液态的酶要贵。固态的酶的价格相差也很大，主要看其酶活，酶活越大，价格越高。本设计生产的酶为固态的纤维素酶，酶活在10000U/G，由上面的价格参考来看可以卖到10万/吨左右。17本设计的目的和内容171本设计的目的纤维素酶几乎能用于以植物为原料的一切加工业，在饲料添加剂、纺织业、石油开采、果蔬加工、发酵工业、造纸、中成药加工等方面有着非常广泛的用途，特别在饲养、酿酒行业需求很大，仅水洗布，国内每月就需求5000吨左右，而且目前国内该产品是缺口，每年需大量外汇进口。到目前为止，我国液体纤维素酶生产厂家较少，产量很小。根据市场调查和研究分析，纤维素酶的应用，不但能够提高产品质量和产量，而且可大大地降低生产成本，该产品的生产弥补了国内市场缺口，因此具有较大的发展潜力和广阔的市场前景。预计在今后的几年内，该产品在国际市场上仍将供不应求。172本设计的主要内容本设计的主要内容有工厂总平面布置、全厂工艺流程设计、工艺计算、设备的计算与选型、成本核算；另外，完成设计图纸8张，有工厂总平面布置图、工艺流程图（3张）、发酵罐设计图、种子罐设计图、发酵车间设备布置图（2张）。2全厂工艺流程及论证21无菌空气工艺论证211无菌空气制备系统工段工艺论证无菌空气系统工艺流程空气粗过滤器储气一级冷却空气加热丝网分离二级冷却旋风分离空气总过滤空气分过滤纤维素酶为好氧发酵生产，需大量空气。作为氧源，空气中含有大量各式微生物，会干扰甚至破坏预定发酵的正常进行。所以，空气的除菌成为耗氧发酵工程的一个重要环节。“无菌空气”通常指经过除菌过滤后，空气的含菌量限制在105内。发酵工业工厂所使用的空气除菌流程随各地的气候条件不同而有很大差别。本设计根据当地的情况，采用“两级冷却、分离、加热”的空气除菌流程，它可适应各种气候条件，尤其适用于潮湿的地区，能充分的分离空气中含有的水分，提高过滤效率。第一次冷却后空气中大部分的水和油结成较大的雾粒析出，由旋风分离器分离。第二冷却器使空气进一步冷却，析出一部分较小的雾粒，由丝网分离器分离。通常第一级冷却到3035，第二级冷却到2025除水后相对湿度仍为100，须再用加热的方法将空气的相对湿度降至4050，再通过空气过滤器过滤除菌。1）采风采风口设在离地面10M以上，以保证采到较洁净的空气，空气含菌量保持在103104之间。2）高效前置过滤利用压缩机的抽吸作用，使空气经高效过滤后，进入压缩空气机，无菌程度高。3）空气压缩一般工厂选用往复式空气压缩机供气，但它的运转使空气带进油雾，导致传热面的油膜影响，降低空气的给热系数，给空气冷却带来困难。虽然离心式空气压缩机和涡轮式空压机没有易损的零部件，没有润滑油的污染，但其比较适用于大型发酵工厂（投资大），由于本厂是中小型工厂设计，所以采用水冷式无油润滑的往复式压缩机。4）空气贮罐作用是消除压缩机排出空气量的脉动，维持稳定的空气压力，同时也可以利用重力沉降作用分离部分油雾。采用立式贮气罐。5）一级冷却经过压缩的空气温度很快达到120。经过一级冷却，温度降至35，使大部分的水和油结成较大的雾粒析出。6）油水分离一级冷却后，大部分的水和油结成较大的雾粒析出，由旋风分离器分离。7）二级冷却空气进一步冷却至20，使部分水分结成较小的雾粒。8）油水分离第二次冷却后，析出一部分较小的雾粒，由丝网分离器分离。经第二次冷却，分离后的空气，油水去除得较为彻底。9）加热二次冷却后，空气的相对湿度仍为100。相对湿度较大，通过过滤器时易打湿过滤介质使之失效。加热空气至35，可以将相对湿度降低至4050，保护过滤介质。10）过滤除菌介质借助惯性碰撞，截留，沉降，凝聚等作用除去微生物和较小的尘埃颗粒。22发酵工段工艺论证221发酵工艺流程里氏木霉斜面培养基摇瓶培养种子罐稻草洗净粉碎灭菌处理发酵罐222菌种选取国外对纤维素酶的研究有近40多年的历史，纤维素酶产生菌主要有木霉、青霉和曲霉等，其中里氏木霉被认为是最好的纤维素酶产生菌之一。里氏木霉能用于纤维素酶生产在于其具备如下条件1里氏木霉生产纤维素酶产量要高。而且可以通过物理或化学诱变获取高产菌株；2里氏木霉容易培养和控制。里氏木霉要求的生长环境粗放，适应性较强，易于控制，便于管理；3里氏木霉产纤维素酶的稳定性好。在通常的生产条件下，能够稳定的用于生产，不宜退化；4里氏木霉产生的纤维素酶容易分离纯化。其产生的纤维素酶是胞外酶，发酵完成后，纤维素酶容易与菌体分离纯化得到所需的酶；5里氏木霉及其代谢物安全无毒，不会影响生产人员和环境，也不会对纤维素酶的生产造成不良影响。综上，在本设计中我选择里氏木霉作为生产菌种。223培养基斜面培养基土豆PDA斜面,30培养6D后使用。种子培养基质量分数,麸皮2葡萄糖3NH42SO4015发酵培养基质量分数,稻草粉6豆饼粉1,KHPO05,CACL03,224生产方法纤维素酶的生产可采用固体培养和液体深层培养两种方法。固体培养设备比较简单，易于推广，但容易污染杂菌而液体深层培养的方法易于控制，不易染杂菌，生产效率高，目前生产上常采用液体深层培养法生产纤维素酶。我国对纤维素酶的研究和生产也已开展了广泛的研究，大多数采用固体发酵。对液体发酵生产纤维素酶的研究报道尚不多见，固体发酵有许多优越之处，但发酵水平不稳定，不适于大规模生产，而液体深层发酵就改变了这一点。通过分批发酵或流加发酵可获得高活力纤维素酶，最高酶活均以流加发酵模式取得。流加发酵已越来越广泛的应用于工业生产和科学研究，流加发酵可避免高底物浓度的抑制或分解代谢阻遏，并可获得最高的菌体浓度，最大的单位体积产率，进而降低下游提取的成本。本设计选用液体深层发酵。225发酵过程的控制1）温度的调节控制温度是影响细胞生长繁殖和发酵产酶的重要因素之一。在不同的发酵阶段，应该控制不同的培养温度。发酵前期，培养温度应稍高些，以有利于菌体的生长，里氏木霉一般控制前期培养温度为30（即最适生长温度），大约保持12H；进入产酶期后，应适当降低培养温度，里氏木霉产酶期培养温度一般为28较低的温度有利于提高酶的稳定性，延长细胞产酶时间。2）PH值的调节细胞产酶的最适PH值通常接近于酶反应的最适PH值。PH值应控制在4650范围内，此时产酶量及酶活性较高。3）发酵时间的控制里氏木霉生产纤维素酶的发酵时间一般为120H。4）通气量的控制里氏木霉是好氧的霉菌，它的呼吸作用需要耗氧，氧的供应不足将影响里氏木霉的生长发育和纤维素酶的产生。所以，应保证发酵液中一定的溶氧量。发酵早期，菌体刚刚萌发，数量较少，呼吸强度较弱，耗氧速度较低，应控制通气量为10203；进入对数生长期以后，菌体代谢旺盛，呼吸强度提高，细胞大量分裂，细胞浓度迅速增加，因此耗氧速度较快，应控制通气量为11,产酶时期，细胞分裂完全，细胞浓度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧气，应控制通气量为11。5）搅拌速度的控制搅拌既可以增加发酵液中的溶氧量，又能保证菌体与培养基的充分接触，使发酵过程能顺利进行。剧烈的搅拌会导致纤维素酶发生表面变形引起失活，而且快速的搅拌容易打断菌丝，引起机械损伤和代谢发生变化。6）表面活性剂的添加非离子性表面活性剂TWEEN80与TWEEN20能够积聚在细胞膜上，增加细胞的通透性，有利于纤维素酶的分泌，所以可增加酶的产量，添加量为061而且添加表面活性剂TWEEN还有利于提高酶的稳定性和催化能力。7）产物促进剂的添加在里氏木霉产纤维素酶的过程中，添加一定量的聚乙烯醇、醋酸钠等产物促进剂能提高纤维素酶的产量。23后提取工段工艺论证231后提取工艺流程调PH45发酵液絮凝罐板框过滤超滤2倍体积002005MOL/L单宁离心溶解60丙酮溶液磷酸缓冲液002005MOL/L亲和层析纯化酶干燥磷酸缓冲液232提取方法论证1）过滤在大工业生产上，一般采用板框过滤法，以得到含有纤维素酶的滤液。常用的过滤介质主要有滤纸、滤布、玻璃纤维、陶瓷滤板等。为了加快过滤速度，提高分离效果，经常需要添加助滤剂，常用的助滤剂有硅藻土、活性炭、纸粕等。常用的过滤方式有常压过滤、减压过滤与加压过滤3种。在纤维素酶的生产中常采用以压力泵或压缩空气为过滤推动力的压滤机来进行过滤，并且采取添加助滤剂，降低悬浮液粘度和适当提高温度等措施来加快过滤速度和提高分离效果。此外，加压设备比较简单，过滤速度较快，过滤效果较好。在里氏木霉生产纤维素酶的过程中，在常压下滤饼形成后，一般采用加压至0304M