年产300吨纤维素酶工厂的初步设计_本科毕业论文设计.doc

本科生毕业设计 第 1 页 年产 300 吨纤维素酶工厂的初步设计 本科生毕业设计 第 2 页 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 本科生毕业设计 第 3 页 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 本科生毕业设计 第 4 页 abstract cellulose is a kind of reproducible resource of great output, it takes about a half of the hundred million biomaterial making by photosynthesis. presently, only a few cellulose are utilized, most of cellulose are wasted and pollute environment. it is of great importance to transfer these resource to energy ,food, and so on. this design adopt trichoderma reesei which produce cellulase best. during the liquid submerged fermentation course we chang the temperature in order to control the growth that germ grows and produce cellulase respectively. ultrafiltration and chromatography are used in the extrace process for improve the yield. in the end we make solid zymin by spray dring . the design mainly include the contents hereinafter: the layout of the whole factory ,the craft argumentation of the whole factory，the calculation of the craft，the calculation and type 本科生毕业设计 第 5 页 choosing of main equipments, the calculation of the costs. and design 8 charts , that are the layout of the whole factory, the design of the craft process(3), the design of the fermentation pot, the design of seeding tank, the lay out for equipments of the fermentation workplace(ichnography and space).according to the craft argumentation of the whole factory and the result of the calculation, the design can come up to the request of industrialization. keywords: cellulase; liquid submerged fermentation; trichoderma reesei 本科生毕业设计 第 6 页 目 录 1 绪论 1 1.1 纤维素酶简介 1 1.2 纤维素酶的研究状况 1 1.2.1 国外研究概况 .2 1.2.2 国内研究概况 .3 1.3 纤维素酶的应用 4 1.3.1 纤维素酶在果实和蔬菜加工上的应用 .4 1.3.2 纤维素酶在酱油酿造上的应用 .4 1.3.3 纤维素酶在酒精发酵中的应用 .5 1.3.4 纤维素酶在饲料上的应用 .5 1.3.5 在麻棉混纺织物后整理中的应用 .6 1.3.6 其它 .6 1.4 纤维素酶的发展前景 6 1.5 纤维素酶的生产 6 1.5.1 固体发酵生产纤维素酶 .6 1.5.2 液体深层发酵生产纤维素酶 .7 1.5.3 固定化酶和细胞 .9 1.6 目前国内的有关情况 9 本科生毕业设计 第 7 页 1.6.1 国内的需求情况 .9 1.6.2 主要技术指标 .9 1.6.3 国内几大生产厂家 10 1.7 本设计的目的和内容 10 1.7.1 本设计的目的 10 1.7.2 本设计的主要内容 10 2 全厂工艺流程及论证 12 2.1 无菌空气工艺论证 12 2.1.1 无菌空气制备系统工段工艺论证 12 2.2 发酵工段工艺论证 13 2.2.1 发酵工艺流程 13 2.2.2 菌种选取 13 2.2.3 培养基 14 2.2.4 生产方法 14 2.2.5 发酵过程的控制 14 2.3 后提取工段工艺论证 15 2.3.1 后提取工艺流程 15 2.3.2 提取方法论证 15 3 纤维素酶的工艺计算 18 3.1 物料衡算 18 本科生毕业设计 第 8 页 3.1.1 工艺指标 18 3.1.2 发酵工段的物料衡算 18 3.1.3 提取工段的物料衡算 19 3.2 热量衡算 20 3.2.1 蒸气消耗计算 20 3.3 水平衡计算 22 3.3.1 种子罐冷却水 22 3.3.2 发酵罐冷却水 22 3.4 无菌空气衡算 22 3.4.1 发酵罐通风量的计算 22 3.4.2 种子培养基等其他无菌空气耗量 22 3.4.3 发酵车间高峰无菌空气消耗量： 22 3.4.4 发酵车间年用气量： 22 4 纤维素酶发酵工段的设备选型与计算 24 4.1 发酵罐设备选型与计算 24 4.1.1 发酵罐的选型 24 4.1.2 生产能力、数量和容积的确定 24 4.1.3 发酵罐基本尺寸确定 24 4.1.4 冷却面积的计算 25 4.1.5 蛇管设计 27 本科生毕业设计 第 9 页 4.1.6 壁厚计算 29 4.1.7 搅拌器计算 29 4.1.8 搅拌轴功率计算 30 4.1.9 接管设计 32 4.1.10 传动装置设计 .33 4.1.11 发酵罐支座选择 .33 4.2 种子罐的设备选型与计算 33 4.2.1 种子罐的选型 33 4.2.2 种子罐容积和数量确定 33 4.2.3 主要尺寸确定 34 4.2.4 冷却面积的计算 34 4.2.5 设备材料选择 35 4.2.6 壁厚计算 35 4.2.7 种子罐内部结构的工艺计算 36 4.2.8 支座选型 38 4.3 空气过滤器设备选型与计算 38 4.3.1 种子罐分过滤器 38 4.3.2 发酵罐分过滤器 39 4.4 无菌空气制备工艺设备选型与计算 40 4.4.1 工艺流程 40 4.4.2 空气状态的确定 41 本科生毕业设计 第 10 页 4.4.4 储罐 41 4.4.5 一级冷却装置 42 4.4.6 旋风分离器 47 4.4.7 二级冷却器 48 4.4.8 丝网除雾器 50 4.4.9 加热器 50 4.4.10 总过滤器 .52 4.5 提取工段设备计算及选型 53 4.5.1 提取工段工艺流程 53 4.5.2 提取工段设备选型 53 5 全厂布置的说明 55 5.1 工厂总平面布置 55 5.1.1 总平面布置依据 55 5.1.2.布置原则： 55 5.1.3 布置说明 55 5.1.4 车间布置设计 56 5.1.5 设计遵循的原则： 56 5.1.6 本设计的车间布置说明 58 6 经济核算 60 6.1 投资估算 60 本科生毕业设计 第 11 页 6.1.1 设备投资 60 6.1.2 土建投资 60 6.1.3 全厂总投资 61 6.2 成本计算 61 6.2.1 主要成本计算 61 6.2.2 煤耗 61 6.2.3 水、电耗 61 6.2.4 折旧费及其他费用 62 6.2.5 全厂人员安排 62 6.2.6 全厂每年销售成本 62 6.2.6 全年净收入 63 7 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 84 本科生毕业设计 第 12 页 1 绪论 1.1 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4. 010 10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 (crystallinity index) 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 本科生毕业设计 第 13 页 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(endoglucanase.eg.ec 3.2.1.4)、外切纤维素酶(cellobiohydrolase. cbh, ec 3. 2. 1. 91)和 -葡萄糖苷酶(-glucanases. ge, ec3.2.1.21)。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 0.5，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 本科生毕业设计 第 14 页 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。 1.2 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(catabolite repression) 和反 馈抑制 (feedback inhibition) 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 本科生毕业设计 第 15 页 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3. 03. 5 ,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ph5. 0 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( 本科生毕业设计 第 16 页 a .phoenicus ) 和可可球二孢( bot ryodi plodic theobromoe ) 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。 1.2.1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 g-cx 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 本科生毕业设计 第 17 页 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(humicola insolens)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 cellulaseo 1987 年又推出了一种细菌 纤维素酶(bacterial ceilulase)，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 swiss-prot 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。 1.2.2 国内研究概况 本科生毕业设计 第 18 页 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 sn-91014、康氏木霉 nt-15,e 曲霉 xx-15a，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 nt15-h，nt15h-xt-15h,xt-15h10。其中木霉 nt- 15h 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 本科生毕业设计 第 19 页 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 8.9%， 饲料效率提高 10.0%;裴相元等在鹅日粮中加入 0.75%纤维素 酶后，结果提高了 8.92%的日增重和 15.34%的饲料效率及降 低了 5.1 -7.8%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 lambds embl3 dna 为载 体，通过克隆绿色木酶(trichoderma viride)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 e.coli k802，由此构建了绿色木霉基因文库（ta-ie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 本科生毕业设计 第 20 页 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。 1.3 纤维素酶的应用 1.3.1 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 本科生毕业设计 第 21 页 椰子饼用纤维素酶分解后就可作为食物。 1.3.2 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。 1.3.3 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1 3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 本科生毕业设计 第 22 页 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10- 15kg，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10000-30000ug，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。 1.3.4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 本科生毕业设计 第 23 页 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 01 03)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。 1.3.5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。 1.3.6其它 本科生毕业设计 第 24 页 纤维素酶还广泛应用于地质钻井中，其洗井用量为0 ll kgm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。 1.4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 本科生毕业设计 第 25 页 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。 1.5 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。 1.5.1 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 854-b2 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 b-7，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/ig.h滤纸酶活为 299mg 葡萄糖 lg.h.一葡萄糖普酶活 为 1091 mg 葡萄糖/g.h。乌敏辰等(1997)研究了黑曲霉 dm-1 以粗纤维原料的固体培养发酵。乌肠敏辰等(1998)以里 氏木霉 wxr-8 为出发菌株，经紫外和亚硝基呱诱变处理后， 本科生毕业设计 第 26 页 得到一株抗纤维二糖阻遏突变株 rm-27，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 )。xia liming 等(1999)以玉 米芯作为主要碳源，利用里氏木霉 zu-02 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。 tao sun 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(thermoascus aurantiacus)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。gutierrez-cornea 等(1999)以经碱处理 的甘蔗渣为主要碳源，研究了里氏木霉 lm-uc4e i 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 本科生毕业设计 第 27 页 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 91-3 的产酶条件。 1.5.2 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(pemicillum sp.)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 rutc-30 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 rut-c30， 本科生毕业设计 第 28 页 采用 avicel 与鼓皮复合物碳源，使 khzp04-kzhpo;缓冲系统 控制发酵液 ph, 28摇瓶发酵 6d，最高酶活达到 cmc 酶 100-125u/ml， fpa9-12u/ml。余晓斌等(1999)还采用里氏木霉 rutc-30，对 2.5l 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 hc-415 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 0.32-0.4%的 hci 在 12-128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 本科生毕业设计 第 29 页 酶的分泌量(张培德等，2000)。romero 等(1999)以粗糙链抱 霉(neurospora crassa)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 rutc-30 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。svetlana velkovska 等研究了里氏木霉 rut c-30 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(svetlana velkovska et al. ,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(reczey et al. , 1996 )。 韩峰等以拟康氏木霉( trichoderma pseudokoningii )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 本科生毕业设计 第 30 页 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。 1.5.3 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 rut c30 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 ph4.8、 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 4.5d，共 54 组培 养液中含滤纸酶活力平均为 0.70iu/ml，还原糖 26.41 g/l， 糖化率达到理论值的 89.11%。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 本科生毕业设计 第 31 页 52.81 g/l，糖化率为 89.20%。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。 1.6 目前国内的有关情况 1.6.1 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 50%-60%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 本科生毕业设计 第 32 页 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（30m 3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 3.5 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。 1.6.2 主要技术指标 菌株发酵产酶能力：c x酶：400-1400u/ml/h 1u 相当于每小时毫克葡萄糖：c 1酶 60-230u/ml/(24h) 葡萄糖苷酶 5-16 u/ml/h fp 酶：20-54 u/ml/h 产品酶活力：液体 300u/ml，固体 300 u/g 1.6.3 国内几大生产厂家 本科生毕业设计 第 33 页 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 13.8 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，3.6 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 5.0 左右（原液） ，售价为 2.2 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。 本科生毕业设计 第 34 页 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。 1.7 本设计的目的和内容 1.7.1 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。 1.7.2 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） 。 本科生毕业设计 第 35 页 本科生毕业设计 第 36 页 2 全厂工艺流程及论证 2.1无菌空气工艺论证 2.1.1 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