年产1000吨淀粉酶生产工艺设计

1、年产1000吨淀粉酶生产工艺设计摘要：-淀粉酶广泛分布于动物、植物和微生物中，能水解淀粉产生糊精、麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等，是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。目前，-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业。本次设计的淀粉酶发酵厂，分别以玉米粉为碳源，以豆饼为氮源，以bf-7658枯草芽孢杆菌为生产菌种，采用深层发酵法，提取工艺采用盐析法，年产1000吨淀粉酶，日产4吨。同时做出了生产工艺流程图，进行了物料衡算和热量衡算，设计了发酵罐和种子罐的尺寸和车间的布置和结构。关键词：-淀粉酶；生产工艺设计；深层发酵法abstract: alpha a

2、mylase widely distributed in animals, plants and microbes, hydrolysis can produce dextrin, maltose starch, oligosaccharides and glucose and so on, it is the most widely used in industrial production of one of the enzyme preparation. at present, the alpha amylase has been widely used in modified star

3、ch and starch sugar, baking industry, beer brewing, alcohol industry, fermentation and textile and the many industries. the design of the fermentation plant amylase, respectively, with corn flour for carbon sources, to soybean cake as nitrogen source, with bf-7658 bacillus subtilis strains for produ

4、ction, the deep fermentation, by salting-out extraction technology method, with the annual production capacity of 1000 tons of amylase, four tons per day. at the same time make the production process flow diagram, the material balance calculations and heat balance calculations, the design and the si

5、ze of the cans of fermentation tank seeds and workshop layout and structure.keywords: alpha amylase; production process design; deep fermentation人员编制指导老师：陈祖玉组长：丁璟剑 0905151026组员：方开青 0905151030马 劲 0905151027陈澍泽 0905151028蔡 锟 0905151025任务分配资料、文献查找整理丁璟剑 方开青 马 劲 陈澍泽 蔡 锟工艺流程设计丁璟剑物料计算陈澍泽 马 劲热能计算方开青 蔡 锟发酵罐设

6、计陈澍泽种子罐设计 马 劲盐析罐设计蔡 锟车间布置设计 方开青 设计说明书设计排版丁璟剑武汉纺织大学 年产1000吨淀粉酶生产工艺设计目录1 绪论11.1 淀粉酶简述11.2 -淀粉酶的工业应用11.3 展望12 -淀粉酶的性质22.1 -淀粉酶的结构22.2 -淀粉酶的性质22.2.1 底物特异性22.2.2 最适 ph和最适温度22.2.3 金属离子22.2.4 电场强度33 工艺流程设计33.1 生产方法的选择33.2 工艺流程简述43.2.1 菌种的选育及制备43.2.2 培养基的配制43.2.3 种子扩大培养53.2.4 空气灭菌53.2.5 发酵过程的工艺控制63.2.6 下游加工

7、74 工艺计算94.1 工艺技术指标94.2物料衡算94.2.1 原料消耗计算94.2.2 物料衡算表104.3 热量衡算114.3.1连续灭菌热量衡算114.3.2发酵工序热量衡算134.3.3发酵液热处理热量衡算134.3.4淀粉酶干燥过程的热量衡算134.3.5热量衡算表145 设备的工艺计算及选型155.1 发酵罐的设计155.1.1 发酵罐个数的确定155.1.2 发酵罐尺寸的确定155.1.3 发酵罐冷却面积的确定165.1.4 发酵罐搅拌器的设计175.2 种子罐的设计175.2.1 种子罐数量的确定175.2.2 种子罐尺寸的确定175.3 设备一览表186 车间布置设计186

8、.1 车间设计规范和规定186.2.1 发酵车间组成196.2.2 车间布置原则196.3 车间布置及结构197 结论20参考文献21武汉纺织大学 年产1000吨淀粉酶生产工艺设计1 绪论1.1 淀粉酶简述淀粉酶广泛存在于动物、植物和微生物中1，在食品、发酵、纺织和造纸等工业中均有应用，尤其在淀粉加工业中，微生物淀粉酶更是应用广泛并已成功取代了化学降解法；同时，它们也可以应用于制药和精细化工等行业2。根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同3，可将其分为-淀粉酶、-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。其中，-淀粉酶（-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶)多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的

9、-1，4糖苷键4，而生成糊精和还原糖，产物的末端残基碳原子构型为-构型，故称-淀粉酶5。-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中6，当然，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重要的淀粉水解酶，也是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。它可以由微生物发酵制备，也可以从动植物中提取。不同来源的-淀粉酶的性质有一定的区别，工业中主要应用的是真菌和细菌淀粉酶。目前，-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业，是一种重要工业用酶。如在淀粉加工业中，微生物-淀粉酶已成功取代了化学降解法；在酒精工业中能显著提高出酒率。其应用于各种工业中对缩短生产周期，

10、提高产品得率和原料的利用率，提高产品质量和节约粮食资源，都有着极其重要的作用。相对地，关于-淀粉酶抑制剂国内外也有很多研究报道7，8。-淀粉酶抑制剂是糖苷水解酶的一种。它能有效地抑制肠道内唾液及胰淀粉酶的活性，阻碍食物中碳水化合物的水解和消化，降低人体糖份吸收、降低血糖和血脂的含量，减少脂肪合成，减轻体重8。有报道表明，-淀粉酶可以帮助改善糖尿病患者的耐糖量9。这一领域研究自2o世纪8o年代和9o年代十分活跃，但目前-淀粉酶抑制剂的研究工作仍处于基础阶段，至今仍未得到有效合理的开发应用。1.2 -淀粉酶的工业应用-淀粉酶是淀粉及以淀粉为材料的工业生产中最重要的一种水解酶，其最早的商业化应用在1

11、984年，作为治疗消化紊乱的药物辅助剂。现在，-淀粉酶已广泛应用于食品、清洁剂、啤酒酿造、酒精工业、纺织退浆和造纸工业。1.3 展望各种-淀粉酶作为一种重要的工业用酶，已经广泛应用于淀粉及淀粉基工业中，且已经取得了很好的使用效果。对缩短生产周期，提高产品得率和原料的利用率，提高产品质量和节约粮食资源，都有着极其重要的作用。但由于不同来源-淀粉酶的性质上 的差异，导致了其应用受到一定的局限，如耐高温-淀粉酶在高温条件下才能发挥最大活力，在低温和中温时其利用效率很低，从而限制了其应用范围。另外，不同-淀粉酶应用于食品中，其安全性有的尚未完全肯定。因此，在以后的研究中，可以通过化学方法或生物方法对-

12、淀粉酶进行改性，扩展其使用的范围，提高使用效率。无论如何，随着科技的发展、研究的深入，-淀粉酶将会得到更加广泛的应用。2 -淀粉酶的性质2.1 -淀粉酶的结构目前，已对很多不同种类和来源的-淀粉酶（黑曲霉、米根霉、人和猪胰腺、人唾液腺、大麦种子和地衣芽孢杆菌)的晶体结构进行了x-射线衍射研究，并得到了高分辨率的晶体结构图。研究表明所有-淀粉酶均为分子量在50ku左右的单体，由经典的三个区域(a、b、c)组成：中心区域a由一个(/)8圆筒构成；区域b由一个小的-折叠突出于3和3之间构成；而c-末端球型区域c则由一个greek-key基序组成，为该酶的活性部位，负责正确识别底物并与之结合。为保持-

13、淀粉酶的结构完整性和活性，至少需要一个能与之紧密结合的ca2+，而cl-往往是-淀粉酶的变构激活因子，并且在所有cl-依赖性的-淀粉酶中，组成催化三联体的残基都是严格保守的10。2.2 -淀粉酶的性质早在1967年，jones 和varner就对小麦中-淀粉酶的活性进行了研究11。不同来源的-淀粉酶的酶学和理化性质有一定的区别，它们的性质对在其工业应用中的应用影响也较大，在工业生产中要根据需要使用合适来源的酶，因此对淀粉酶性质的研究也显得比较重要。 2.2.1 底物特异性 -淀粉酶和其它酶类一样，具有反应底物特异性，不同来源的淀粉酶反应底物也各不相同，通常-淀粉酶显示出对淀粉及其衍生物有最高的

14、特异性，这些淀粉及衍生物包括支链淀粉、直链淀粉、环糊精、糖原质和麦芽三糖等。2.2.2 最适 ph和最适温度 反应温度和ph对酶活力影响较大，不同来源的-淀粉酶有各自的最适作用ph和最适作用温度，通常在最适作用ph和最适作用温度条件下酶相对比较稳定，在此条件下进行反应能最大程度地发挥酶活力，提高酶反应效率。因此，在工业应用中应了解不同的酶最适ph和最适温度，确定反应的最佳条件，最大限度地提高酶的使用效率是很重要的。 通常情况下-淀粉酶的最适作用ph一般在2到12之间变化。真菌和细菌类-淀粉酶的最适ph在酸性和中性范围内，如芽孢杆菌-淀粉酶的最适ph为3，碱性-淀粉酶的最适ph在912。另外，温

15、度和钙离子对一些-淀粉酶的最适ph有一定的影响，会改变其最适作用范围。不同微生物来源的-淀粉酶的最适作用温度存在着较大差异，其中最适作用温度最低的只有2530，而最高的能达到100130。另外，钙离子和钠离子对一些酶的最适作用温度也有一定的影响12。2.2.3 金属离子 -淀粉酶是金属酶，很多金属离子，特别是重金属离子对其有抑制作用；另外，巯基，n-溴琥珀酸亚胺，p-羟基汞苯甲酸，碘乙酸，bsa，edta和egta等 对-淀粉酶也有抑制作用。 -淀粉酶中至少包含一个ca2+，ca2+使酶分子保持适当的构象，从而维持其最大的活性和稳定性。ca2+对-淀粉酶的亲和能力比其它离子强，其结合钙的数量在

16、1到10之间。结晶高峰淀粉酶a(taa)包含10个ca2+，但只有一个结合很牢固。通常情况下结合一个ca2+就足以使-淀粉酶很稳定。用edta透析或者用电渗析可以将ca2+从淀粉酶中除去，加入ca2+可以激活钙游离酶。用sr2+和mg2+代替taa中的ca2+，在sr2+和mg2+过量的情况下也能使其结晶。加入sr2+、mg2+和ba2+离子可以激活用edta失活的taa。通常情况下，有ca2+存在淀粉酶的稳定性比没有时要好，但也有报道-淀粉酶在ca2+存在时会失活，而经edta处理后却保留活性，另外，有报道称ca2+对-淀粉酶没有影响。2.2.4 电场强度实验结果表明，不同强度电场导致酶活性

17、增加的效应不同，并且呈非单调性变化。我们认为，不同强度电场对酶蛋白分子的构象产生了不同影响，处理酶所用的电场能量虽然不足以改变酶蛋白氨基酸序列，但可以改变酶蛋白的构象姚占全等13用不同强度电场处理-淀粉酶5min，处理后分别在第1天与第1o天测定电场对-淀粉酶活性的影响。第1天测定结果表明，电场对酶产生明显影响，而且不同强度电场对-淀粉酶活性的影响程度不同，在0.56.0kvcm范围内，酶活性随场强增加呈非单调性变化，与对照组相比，变化幅度在5.5%26.2%之间。第1o天测定，酶活性变化幅度在0.216.3%之间，表明电场对酶产生的影响经过一定时间后趋于消失。3 工艺流程设计3.1 生产方法

18、的选择枯草杆菌bf7658是我国应用广泛的液化型-淀粉酶菌种，国内普遍采用深层发酵法生产工业粗酶。我们从bf7658出发，用紫外光及化学药品反复交替诱变，选育适用于固体发酵的新菌体bf76581。该菌为短杆状，革兰氏阳性，两端钝园，在肉汁表面可生成菌膜，在培养基上菌落呈乳白色，表面光滑、湿润、略有光泽，用碘液试之，菌落周围呈透明圈。(一)固体培养枯草杆菌bf76581生产-淀粉酶将菌种接种于马铃薯琼脂斜面，37培养三天，然后转接到种子液体培养基上 （豆饼粉、玉米粉、酵母膏、蛋白胨火碱、水等），摇瓶培养一定时间，当菌体进入对数生长期时，以0. 5%接种量接入固体培养基（麸皮、米糠、豆饼粉、火碱、

19、水；ph=7左右，常压汽蒸一小时，冷却到3840）在厚层通风制曲箱内，通风保持3742，培养48小时出曲风干。麸曲用1食盐水34倍浸泡，3小时后过滤，调节滤液ph=8，加硫酸铵溶液沉淀酶，经离心，用浓酒精洗涤脱水，40烘干、磨粉即为成品。(二)深层发酵法生产-淀粉酶斜面菌种制法同前。将试管斜面菌种接种到马铃薯茄子饼斜面（培养基同前种子培养基），37培养三天，使之形成芽孢，以提高种子的稳定性。然后接种到500升种子罐，37搅拌通风培养1214小时。当菌体进入对数生长期（镜检细胞密集、粗壮整齐、大多数细胞单独存在，少数呈链状，发酵液=6.36.8，酶活510单位毫升）时，乃转入10000升发酵罐，

20、37，通风，搅拌，培养4048小时。中途三倍碳源的培养基补料，体积相当于基础料的13，从培养12小时开始，每小时一次，分30余次添加完毕。停止补料后68小时罐温不再上升，菌体衰老，80形成空泡，每23小时取样分析一次，当酶活不再升高，可结束发酵。而后向发酵液中添加2%cacl2，0.8%na2hpo4，5055加热处理30分钟，以破坏共存的蛋白酶，促使胶体凝聚而易于过滤。冷却到35，加入硅藻土为助滤剂过滤。滤液加2.5倍水洗涤，洗涤同发酵液混合，真空浓缩数倍后，加（nh4）2so4盐析，盐析物加硅藻土后压滤，滤饼于40烘干，磨粉而成。按此工艺，由酶液到粉状酶制剂的收率为70。对于固体发酵有以下

21、缺点13：1. 限于低湿状态下生长的微生物，故可能的流程及产物较受限，一般较适合于真菌。 2. 在较致密的环境下发酵，其代谢热的移除常造成问题，尤其是大量生产时，常限制其大规模的产能。 3. 固态下各项参数不易侦测，尤其是液体发酵的各种探针不适用于固体发酵，ph值、湿度、基质浓度不易调控，biomass不易量测，每批次发酵条件不易一致，再现性差。 4. 不易以搅拌方式进行质量传递，因此发酵期间，物质的添加无法达到均匀。 5. 由于不易侦测，从发酵工程的观点来看，许多工作都只是在定性或观察性质，故不易设计反应器，难以量化生产或设计合理化的发酵流程。 6. 固体发酵的培养时间较长，其产量及产能常低

22、于液体发酵。 7. 萃取的产物常因黏度高不易大量浓缩。而对于发酵罐深层培养具有生产周期短、产量高、效益大等优点故选用层发酵法生产-淀粉酶。3.2 工艺流程简述3.2.1 菌种的选育及制备菌种选择性分离的步骤一般是：含微生物材料采集标本材料的预处理菌种的分离富集培养菌种初选菌种复选性能鉴定菌种保藏。土壤是微生物聚集最丰富的场所，菜园和农田耕作层土壤含有丰富的有机物常以细菌和放线菌居多，由于枯草芽孢杆菌生活在中性的环境中，可以采集中性的土壤。采集后可用平板划线法进行菌种分离。由于野生型菌株生产性能较差，可进行诱变育种，利用物理、化学因素诱导遗传特性发生变异，再从变异群体中选择符合人们某种要求如高产

23、的个体。3.2.2 培养基的配制1）培养基的类型培养基的种类很多，可以根据组成、状态和用途等进行分类，按照用途可以分成孢子培养基，种子培养基和发酵培养基。微生物大规模发酵设计主要用到孢子,种子和发酵培养基这三种类型。2） 孢子培养基 孢子培养基配制的目的是供菌体繁殖孢子的，常采用的是固体培养基，对这类培养基的要求是能使菌体生长快速，产生数量多而优质的孢子，并且不会引起菌体变异。对孢子培养基的要求：营养不要太丰富；所用无机盐的浓度要适量；注意培养基的ph和湿度。淀粉酶的孢子培养基配置如下：将麸皮5、豆饼粉3、蛋白胨0.25%、琼脂2%（ph 7.1）制成斜面培养基，在0.1mpa蒸汽灭菌20 m

24、in 。3）种子培养基种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮成为活力强的种子。对于种子培养基的营养要求比较丰富和完全，氮源和维生素的含量也比较高些，浓度以稀薄为好，可以达到较高的溶解氧，供大量菌体生长和繁殖。-淀粉酶的种子培养基的配置：将豆饼1%、蛋白胨和酵母膏各0.4%、氯化钠0.05%配置成种子培养基(ph 7.17.2)，在0.1mpa蒸汽灭菌20 min。4）发酵培养基 发酵培养基的要求是营养要适当丰富和完全适合于菌种的生理特性和要求，使菌种迅速生长、健壮，能在比较短的周期内充分发挥产生菌合成发酵产物的能力，但要注意成本和能耗。-淀粉酶的发酵培养基配方是：麸皮

25、70、小米糠20、木薯粉10%、烧碱0.5%，加水使水量达60，常压蒸汽灭菌1h。3.2.3 种子扩大培养本发酵属于一级种子罐扩大培养，二级发酵。设计流程如下：孢子锥形瓶种子罐发酵罐1）孢子制备将保存在淀粉琼脂斜面上的枯草芽孢杆菌孢子用无菌水洗下，接种到锥形瓶中，在35静置培养24天，待长出大量孢子后作为接种用的种子。2）种子制备将保藏的菌种接种到马铃薯茄子瓶斜面（20%马铃薯煎出汁加mgso47h2o 5 mg/l，琼脂2%，ph 6.77.0），37培养3天。然后接入到20l种子罐，37搅拌，通风培养1214小时。此时菌种进入对数生长期（镜检细胞密集，粗壮整齐，大多数细胞单独存在，少数呈链

26、状，发酵液ph 6.36.8,酶活510u/ml），再接种到发酵罐。3）发酵罐培养培养基的配制：用麦芽糖液配置成含麦芽糖6、豆粕水解液67、na2hpo412h2o 0.8、(nh4)2so4 0.4、cacl2 0.2、nh4cl0.15、豆油1kg、深井水20l，调ph至 6.57.0。发酵罐培养基经消毒灭菌冷却后接入3%5%种子培养成熟液。培养条件为：温度371，罐压0.5kgcm2，风量120h 为1：0.48vvm，20 h后1：0.67vvm，培养时间为2836 h。3.2.4 空气灭菌此课题为好氧发酵，以空气作为氧源。根据国家药品质量管理规范的要求，生物制品、药品的生产场地业需要

27、符合空气洁净度的要求。获得无菌空气的方法有：辐射灭菌、化学灭菌、加热灭菌、静电除菌、过滤介质除菌等。过滤介质除菌是目前发酵工业中空气除菌的主要手段，其介质有棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、金属烧结管等。1） 过滤除菌流程及设备流程如下：采风塔空气粗过滤器空气压缩机储气罐冷却器旋风分离器冷却器丝网除沫器空气加热器总空气过滤器。设备如下：1.采风塔：采风塔建在工厂的上风头，高至少10 m,气流速度8 m/s。2.粗过滤器：主要作用是拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时起一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。3.空气压缩机：作用是提供动力，以克服随后各设备的阻力。4.空气储罐：作用是消除压

28、缩空气的脉动。要求：h/b=22.5 v=（0.10.2）v1 其中，h为罐高；b为罐直径；v1为空压机每分钟排气量（20，1105pa状况下）。5.旋风分离器：是利用离心力进行气-固或气-液沉降分离的设备。作用是分离空气中被冷却成雾状的较大的水雾和油雾粒子。6.冷却器：空压机出口温度气温在120左右，必须冷却。另外在潮湿的地域和季节还可以达到降湿的目的。7.丝网除沫器：可以除去空气中绝大多数的20m 以上的液滴和1m以上的雾滴，一般采用规格为直径0.2540孔且高度为150的不锈钢丝网。8.空气加热器：列管内走空气，管外走蒸汽。可将空气湿度由100%降低到70%以下。9.总过滤器：填充物按下

29、面顺序安装：孔板铁丝网麻布活性炭麻布棉花麻布铁丝网孔板。介质要紧密均匀，压紧一致，上下棉花层厚度为总过滤层厚度的1/4，中间活性炭层为1/3。2） 无菌空气的检查现在采用的无菌检查实验方法有肉汤培养法、斜面培养法和双碟培养法。这里采用斜面培养法来检查。具体方法如下：500ml三角瓶内装斜面培养基50m1，其组成为麦芽糖6、豆粕水解液6、na2hpo412h2o 0.8、(nh4)2so40. 4、cacl2 0.2、nh4c1 0.15，ph 6.57.0，接种后置旋转式摇床亡，(371)下培养28h左右备用。3.2.5 发酵过程的工艺控制1）发酵过程的补料策略中间补料是在发酵过程中补充某些营

30、养物料、水或产酶促进剂，以满足微生物的代谢活动和产酶的需要。-淀粉酶生产中要经常补料，用3倍年度浓度碳源的培养基补料，体积相当基础料的1/2，从培养12h开始，每小时1次，分30余次补加完毕。延长了发酵时间，提高了酶活力和单罐产量。2）发酵过程ph值的控制各种微生物需要在一定的ph环境中方能正常生长繁殖。培养基中c/n比值高，发酵液倾向于酸性，ph偏低；c/n比值低，发酵液倾向于中性或碱性，ph偏高。-淀粉酶最适 ph为6.87.2。因此，在发酵过程中，可通过添加适量的尿素或碳酸钙等来调节ph上升或下降。3）发酵过程温度的控制温度对微生物的生长、产物的合成和代谢调节有重要作用。温度变化一方面影

31、响各种酶反应的速率和蛋白的性质，另一方面影响发酵液的物理性质。不同的菌种有着不同的最适温度。枯草杆菌发酵温度控制在3537最适宜。4）溶氧的控制-淀粉酶发酵是需氧发酵，无论是基质的氧化，菌体的生长还是产物的合成均需大量的氧气。若发酵液中氧气不足，可通过加大通气量，适当降低温度，提高罐压，补水，提高搅拌速度来控制。-淀粉酶发酵过程中，012 h通气量为1：0.67 vvm，12 h至发酵结束通气量为1：（1.01.33） vvm 搅拌转速200r/min。 罐压0.5kg/cm2。5）染菌的控制在工业发酵中，染菌轻则影响产品的质和量、重则倒罐或停产、影响工厂效益。因此要严格无菌操作，种子灭菌要彻

32、底，净化空气设备，操作要慎重，设备灭菌要彻底。若在前期染菌，应重新灭菌；中期染菌，应偏离杂菌生长条件；后期染菌，可提前或及时放罐。可能出现的异常发酵现象：1.培养基变稀：可能是噬菌体污染或营养成分缺乏；2.培养基过浓：会抑制微生物的生长，考虑可能是污水污染；3.耗糖较慢：可能原因是种子生长能力降低，检测种子是否衰退，发酵条件是否合适，以及营养成分是否全面，尤其注意缺磷；4.ph值不正常： 用缓冲对来调节，检查是否染杂菌，碳氮比是否合适；5.生长缓慢：最可能的原因就是营养成分不足。3.2.6 下游加工下游加工过程是生物工程的一个组成部分，是生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大

33、量培养获得，以上述发酵、反应液或培养液分离、精制有关产品的过程。下游加工过程的一般工艺流程为： 固体细胞破碎分离发酵液预处理固液分离 液体初步纯化高度纯化成品加工1）发酵液的过滤和预处理预处理就是除去高价离子和蛋白质，对高价离子的去除可以采用草酸或磷酸，草酸它与钙离子生成的草酸钙，还能促使蛋白质沉淀，加磷酸既能降低钙离子也能降低镁离子。对于蛋白质的沉淀可以加入絮凝剂，调节ph值或加热。过滤：采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温。2）提取-淀粉酶常用的提取方法有：盐析法、乙醇淀粉吸附法和喷雾干燥法，这里用盐析法。具体方法：发酵液经热处理，冷却到40，加入硅藻土为助滤剂过滤。滤饼加2.5倍水

34、洗涤，洗液同发酵液合并后，在45真空浓缩数倍后，加(nh4)2so4 至40%饱和度。盐析沉淀物加硅藻土后过滤，滤饼于40烘干磨粉即成粗酶制品。由酶液到粉状制酶剂的收率为70%。成品固体酶制剂的干燥方法有烘房、气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥、振动干燥和真空冷冻干燥。由于喷雾干燥生产能力大，维修保养简单，因此生产中常采用这种方法。3）纯化-淀粉酶的纯化方法可采用凝胶过滤法，就是以特定的凝胶物质为分子筛装入层析柱，再通过分离溶液时大于凝胶孔径的分子会被排阻在胶粒外，因此它们将“绕道通过”；小于该孔径的分子，由于可以自由出入胶粒内外，因此将沿着胶粒缝隙而直接流出。通过一段程度的凝胶层析柱后，大小分子将

35、依次先后流出。3.3 枯草芽孢杆菌生产发酵-淀粉酶工艺总流程图孢子斜面孢子悬浮液种子罐发酵罐补料罐 热处理 粗滤盐析压滤 干燥 喷雾干燥粉碎填充剂混粉包装4 工艺计算4.1 工艺技术指标1）枯草杆菌bf7658生产-淀粉酶采用玉米粉、豆饼粉为原料。-淀粉酶工艺技术指标见表4-1。表4-1 -淀粉酶工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a1000生产方法液体深层培养发酵年生产天数d/a250产品日产量t/d4产品质量酶活力 u/g2000产品含水量%8倒罐率%1发酵周期h48生产淀粉酶转化率%512）主要原来质量指标：玉米粉的淀粉含量为86%，豆饼粉的蛋白质含量为44%。3）接种量为5%。4

36、.2物料衡算4.2.1 原料消耗计算1）生产淀粉酶的总转化率为51%。2）从发酵液中提取淀粉酶要经过发酵液热处理、过滤、浓缩、盐析和干燥工序，见表4-2。表4-2 各提取工序的收率序号提取工序名称收率%1发酵液热处理932过滤863浓缩954盐析995干燥933）生产1000kg 淀粉酶需耗用的原材料，辅料及其他物料的量实际应生产的淀粉酶总量：1000（93%86%95%99%93%）=1429.5kg进入发酵罐的干基质原料量：1429.551%=2802.0kg发酵液中固形物质浓度一般为5%6%，所以发酵液的量：2802.06%=46700.0kg按接种量5%计算，所以种子罐中的发酵液量为：

37、46700.05%=2335.0kg豆饼粉消耗量为：46700.06.7%+2335.04%=3222.3kg玉米粉消耗量为46700.09.3%+2335.03%=4413.2kgna2hpo4消耗量为：46700.00.8%+2335.00.8%=392.3kgcacl2 消耗量为：46700.00.2%=93.4kgnh4cl 消耗量为：46700.00.118%+2335.00.15%=58.6kg豆油消耗量为：2335.00.15%=3.5kg-淀粉酶的消耗量：应用酶活力为2000u/g的-淀粉酶在培养基灭菌时，促使发酵罐中的淀粉液化，其用量按8u/g原料计算，酶用量为：4413.2

38、82000=17.7kg盐析过程硫酸铵消耗量：发酵液过滤后，加2.5倍水洗滤后，将洗涤水和过滤液合并，进行真空浓缩到浓度为30%，最后所得溶液量为：46700.0+2802.02.5=53705.0kg经真空浓缩后的溶液量为：53705.0=4603.3kg盐析时，向溶液加入硫酸铵，硫酸铵达到40%的饱和度是进行盐析，查硫酸铵饱和度的常用表，要使硫酸铵饱和度从0到40%，需要添加硫酸铵的量为243g/l154603.31000243=1118.6kg4.2.2 物料衡算表由上述生产1000kg淀粉酶的物料衡算结果，可求1000t/a 淀粉酶生产发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果见表4-3 所

39、示。表4-3 1000t/a 淀粉酶生产发酵车间的物料平衡算表 单位：kg物料名称生产1t淀粉酶的物料量1000t/a淀粉酶生产的物料量每日物料量干基质原料量2802.02.810611208发酵液的量46700.04.71071.9105种子罐发酵液量2335.02.31069340豆饼粉消耗量3222.33.21061.3104玉米粉消耗量4413.24.41061.8104na2hpo4消耗量392.33923001569.2cacl2 消耗量93.493400373.6nh4cl 消耗量58.658600234.4豆油消耗量3.5350014.0-淀粉酶的消耗量17.71770070.

40、8硫酸铵消耗量1118.61.11064474.44.3 热量衡算4.3.1连续灭菌热量衡算1）加热所需的蒸汽量w，可按下式计算：w=式中： g物料流量，kg/hc物料的比热容，kg/（kgk）t1物料的初始温度，t2物料加热后的温度，i加热蒸汽的热焓，2738kj/kg加热蒸汽凝结水的热焓，=t4.1682）冷却水用量m，可用下式计算：m=式中： g物料流量，kg/ht1物料的初始温度，t2物料加热后的温度，c1物料的比热容，kg/（kgk）c0冷却水比热容，kg/（kgk）t1冷却水进口温度，t2冷却水出口温度，3）培养液连续灭菌用蒸汽量 假设发酵过程所用的发酵罐为100m3，装料系数为0

41、.7，那么每罐产淀粉酶的量应为：1006%48.68%0.770%=1.43t而前面的物料衡算中已知年产千吨商品淀粉酶的工厂，日产淀粉酶为4t，一般来说发酵的操作时间需要48h（其中发酵时间为42h），这样生产需要的发酵罐应为：=5.59罐取整后6罐。每日投罐次为61.43=4.20罐，日运转5.59=4.9罐。每罐初始体积为70 m3。灭菌过程中用0.4mpa蒸汽（表压），其i=2743kj/kg，分两步加温，先用板式换热器将物料由20预热到75，再加热到120，而冷水温度由20升至45。设灭菌时间为3h，需要料流量为：19032=31.67t/h发酵液的比热c=cu（1-w0）式中： c原

42、料比热，kj/(kgk)cu水的比热，kj/(kgk)w0原料浓度，%c=4.18（1-6%）=3.93kj/（kgk）灭菌所用的蒸汽量为：w蒸汽1=2499kg/h=2.5t/h这样，每天的灭菌蒸汽用量就是2.523=15t/d，其中高峰用量是2.5t/h,平均用量是1524=0.63 t/h。4)培养液冷却用水量 由培养液板式换热器灭菌流程可知，120的热料先通过与生料进行热交换，降温至80后，再用冷却水冷却至37。在此过程中冷却水由20升温至45，由此计算出冷却水的用量：m冷却1=51214kg/h=51t/h全天冷却水用量为5132=306t/d5）发酵罐空罐灭菌的蒸汽用量 发酵罐体的

43、体积为100m3，假设罐体是由不锈钢制成，此时体的重量为25.7t，冷却排管重为4.5t，不锈钢比热容是0.5kj/(kgk),用0.2mpa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15mpa（表压）下，由20升温至127，蒸汽的用量为：w蒸汽2=544kg/h6）充满发酵罐空间需要的蒸汽量 考虑到罐内有排管，搅拌器等配件所占有的空间，罐的自由体积按100 m3计算，充满空间需要的蒸汽量为：w蒸汽3=1001.622=162.2kg/h式中：v发酵液发酵罐自由空间，即全容积，m3加热蒸汽的密度，kg/ m3，0.2mpa的蒸汽密度为1.622kg/ m37)灭菌过程中的热损失 设发酵罐的外壁温度为70

44、，此时辐射与对流的联合给热系数为：=33.9+0.9（70-20）=43.4kj/（m2hk）100 m3发酵罐的表面积为110 m2，消耗蒸汽量为：w蒸汽4=109.1kg/h罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗量：w蒸汽5=22.5kg/h式中：0.001罐壁附着洗涤水的平均厚度，mm灭菌过程的蒸汽渗漏消耗的蒸汽 一般灭菌过程的蒸汽渗漏可取总蒸汽消耗量的5%。空罐灭菌时的蒸汽消耗量为：w空灭=881.9 kg/h每次空罐灭菌的时间是1.5h，消耗的蒸汽量为：881.91.5=1322.9kg/罐每日耗用的蒸汽量为：1322.95=6614.5kg/d平均耗用蒸汽量为：6614.524=275.6k

45、g/h4.3.2发酵工序热量衡算发酵过程中产生的热量及冷却水用量 淀粉酶的发酵热约为3.0104kj/（m3h）。100m3的发酵罐，一般装料量是70m3，使用新鲜的冷却水进行冷却，那么冷却水的用量为：m=50239kg/h=50t/h式中：10冷却水进口温度，20冷却水出口温度，因为每天运转的发酵罐是4.9罐，高峰用水量为504.9=245t/h，日用水量为：2450.824=4704t/d式中：0.8各罐发热状况均衡系数平均用水量为：470424=196t/h4.3.3发酵液热处理热量衡算发酵完毕后，需要对发酵液进行热处理，加热温度到55，维持30min，每日所用消耗的蒸汽量为：w热处理=

46、5359kg/d平均耗用蒸汽量为：535924=223kg/h4.3.4淀粉酶干燥过程的热量衡算经板框压滤机压滤后湿淀粉酶含水量30%左右，干燥后含水应小于8%，用热空气进行干燥。进入加热器的空气温度是18，相对湿度70%，通过加热器使空气升温到45，从干燥器出来的空气温度为25。年产千吨淀粉酶，需要日产湿淀粉酶6.14t，一班生产，即6.1480.77t/h。干燥后失去的水分为：=183.5kg/h查阅有关手册可知，18的空气，当相对湿度70%是，他的绝对湿度是x0=0.009kg/kg干空气，热焓i0=41.8kj/kg干空气，加热到45时，空气的热焓i 1=60.1kj/kg干空气。根据

47、热量平衡可知：=q物料+q损失-q初湿式中：空气经过干燥后的热量变化，kj/kgi1和i2出空气加热器和出干燥器的空气热焓，kj/kg干空气x1和x2出空气加热器和出干燥器的湿度，kg/kgq物料加热物料所消耗的热量，kj/(kgk)q损失损失的热量，通常为有效热量的10%q初湿物料初始温度时中的每kg水的热含量，j/kgq物料=0.771000(45-18）0.44.18183.5=189kj/kg水q损失=0.1 （5954.19+0.47254.18+189-184.18）=266kj/kg水此时=184.18-189-266=-380kj/kg水假设 x2=0.018i2=60.1+（

48、-380）（0.018-0.009）=57kj/kg空气此时空气的消耗量为：=20389kg/h45时空气的比热容为0.79m3/kg，那么实际消耗的空气体积量就为：203890.79=16107m3/h若使用0.1mpa的蒸汽进行加热，热损失按15%进行计算，消耗的蒸汽量是：w=195kg/h每天蒸汽用量是1958=1560kg/d，平均每小时的蒸汽的用量是65kg/h。4.3.5热量衡算表根据上述计算结果可列出生产过程消耗的蒸汽的量，如表4-4表4-4 1000t/a 淀粉酶生产发酵车间的蒸汽汇总表生产工序日用蒸汽量t/d平均蒸汽用量t/h培养基连续灭菌15.000.63发酵罐空罐灭菌6.

49、600.28发酵罐发酵4.800.20发酵液热处理5.280.22淀粉酶干燥1.560.065合剂33.241.45 设备的工艺计算及选型5.1 发酵罐的设计5.1.1 发酵罐个数的确定用枯草杆菌bf7658生产-淀粉酶是耗氧的，所以选择机械搅拌通风发酵罐，选用100m3的发酵罐，每天生产4t-淀粉酶，发酵周期为48h，每天所需发酵液的量v1为：v1=186m3式中：1.022发酵液相对密度假设发酵罐的装料系统数=70%，则发酵罐需要总体积v0：v0=266m3发酵罐个数的确定，公称体积为100m3的发酵罐，总体积为118m316,则发酵罐的个数为：n=4.51个式中：发酵周期，hv总发酵罐总

50、体积， m3取公称体积为100 m3的发酵罐6个，其中一个留作备用。5.1.2 发酵罐尺寸的确定发酵罐设计为圆柱椭圆形封头发酵罐，材质选用不锈钢，型号为304，取罐的径高比为h:d=2:116v全=v筒+2v封=118 m3椭圆封头体积：v封=式中：椭圆封头的直边高度，m椭圆短半轴长度，标准椭圆=d故发酵罐的全面积为：v全=封头拆边忽略不计，以方便计算，则v全=103.6h=2d故1.57d2+0.26d3=103.6d=3.84m取d=4m，h=2d=8m查表可知封高：h封=ha+hb=1000+50=1050mm封头容积v封=9.02m3圆柱体部分的容积v筒=100.48m3验算全容积v全

51、=100.48+9.022=118.5m3设计符合要求5.1.3 发酵罐冷却面积的确定为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗质量最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。淀粉酶在发酵过程中，每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量约为4.186000kj(m3h)。采用竖式列管换热器，经查表，总传热系数 k=4.18500kj(m3h)，主发酵期控制发酵温度t在37，冷却水进口温度t1为10，出口温度t2为20。平均温度差tm为30 3010 2020 10t1=t-t1=30-10=20t2=t-t2=

52、30-20=10=14.43对公称容量100m3的发酵罐，每天平均装罐2.5罐，每罐实际装液量为：1922.5=76.8m3则换热面积为f=64m25.1.4 发酵罐搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体特征选用。由于淀粉酶发酵过程中有中间补料操作，对混合要求比较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部尺寸与罐径d有一定比例关系：搅拌器叶径=1.33m 取d=1.3m叶宽b=0.2d=0.21.3=0.26m弧长l=0.375d=0.49m底距=1.3m盘径di=0.75d=0.751.3=0.98m叶弦长l=0.25d=0.251.3=0.33m叶

53、距y=d=4m弯叶板厚=12mm取两板搅拌，搅拌转速n2可根据50m3罐，搅拌器直径1.05m，转速n1=110r/min，以等p0/v为基准放大求得：=95r/min5.2 种子罐的设计5.2.1 种子罐数量的确定种子罐与发酵罐对应上料，发酵罐平均每天上2.5罐，所以需要种子罐3个。种子培养14h左右，辅助操作时间6h，生产周期大约为20h，所以3个种子罐能满足实际生产需求。5.2.2 种子罐尺寸的确定按接种量5%计，每日所需的种子液量为：1905%=9.5m3所需种子罐的容积为9.50.73=4.5m3所以选择公称容积为5m3的通风搅拌椭圆盖发酵罐。取径高比为h:d=2:1，则种子罐的总容积为v全=v筒+2v封v全=5d=1.4m取d=1.5m，则h=2d=3m查表可得，封头高h封=ha+hb=375+25