生产管理知识_发酵设备及工厂设计课程设计

南京工业大学 生物与制药工程学院 发酵设备及工厂设计发酵设备及工厂设计课程设计课程设计 设计项目名称 200t/a乳糖酶生产线设计 专 业 班 级 生工类 0902 双号组 指 导 教 师 洪厚胜 张庆文 2 0 1 3 年 1 月 目目 录录 第一章第一章 项目总论项目总论1 1.1 乳糖酶的来源及其特性1 1.2 乳糖酶的基础研究1 1.3 乳糖酶的应用2 1.3.1 在乳产品中的应用.2 1.3.2 在医药领域的应用.2 1.3.3 乳糖酶基因在基因工程中的应用.3 1.4 中国乳糖酶市场分析4 1.4.1 -半乳糖苷酶的市场情况 4 1.4.2 酶制剂生产厂家的产销情况.4 1.4.3 国内市场需求预测.5 1.4.4 本产品更新的特点.5 1.5 生产乳糖酶的一般方法5 1.5.1 利用胞外酶.5 1.5.2 利用胞内酶.6 1.6 乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点6 1.6.1 生产局限性.6 1.6.2 该项目乳糖酶的优点.6 1.6.3 项目综合评价结论.7 1.7 -半乳糖苷酶的生产工艺.7 1.7.1 生产工艺流程图.7 1.7.2 项目技术路线图.8 1.8 工厂组成8 1.8.1 生产车间.8 1.8.2 辅助车间.8 1.8.3 动力车间.8 1.8.4 行管部门.8 I 1.9 厂址选择与建设条件8 1.9.1 厂址选择.8 1.9.2 建设条件.9 第二章第二章 生产工艺生产工艺11 2.1 乳糖酶生产工艺11 2.1.1 原料.12 2.1.2 蒸汽喷射液化.12 2.1.3 过滤.12 2.1.4 连续灭菌.12 2.2 发酵车间12 2.2.1 菌种处理工段.12 2.2.2 发酵罐发酵.13 2.3 分离车间14 2.3.1 过滤.14 2.3.2 陶瓷膜微滤.15 2.3.3 超滤浓缩.15 2.3.4 喷雾干燥.15 2.3.5 脱色.15 2.4 包装车间15 2.4.1 包装及保藏.15 第三章第三章 乳糖酶发酵工段工艺核算乳糖酶发酵工段工艺核算16 3.1 概况16 3.2 原料粉碎工段16 3.3 调浆工段16 3.4 液化工段17 3.5 过滤工段17 3.6 液化糖贮罐17 3.7 连消工段17 II 3.8 发酵工段18 3.8.1 种子罐.18 3.8.2 发酵罐.18 3.8.3 发酵液离心过滤.18 3.8.4 空气系统.19 3.9 水平衡计算20 3.9.1 工艺用水（河水）.20 3.9.2 灭菌冷却用水.21 3.9.3 发酵过程中冷却用水.21 3.9.4 空压机耗水量.21 3.9.5 空气冷却用水量.22 3.10 蒸汽消耗量22 3.10.1 30 m3单罐发酵原料配料消耗蒸汽量22 3.10.2 喷射液化消耗蒸汽量(7 h 完成)23 3.10.3 种子罐消毒.23 3.10.4 连消阶段消耗蒸汽量.23 3.10.5 发酵罐空消蒸汽消耗量.23 第四章第四章 生物反应器的设计生物反应器的设计24 4.1 反应器的论证24 4.2 反应器的设计25 4.2.1 发酵罐.25 4.2.2 种子罐.30 4.3 主要设备选型34 第五章第五章 核算核算36 5.1 概述36 5.2 基础数据36 5.2.1 生产规模和方案.36 5.2.2 实施进度.36 III 5.2.3 费用统计.36 第六章第六章 财务评价财务评价39 6.1 内部收益率（IRR）的计算.39 6.2 主要经济指标39 6.3 不确定性分析39 6.3.1 盈亏平衡分析.39 附表：项目工程设计协作时间表附表：项目工程设计协作时间表41 0 第一章第一章 项目总论项目总论 1.1 乳糖酶的来源及其特性乳糖酶的来源及其特性 乳糖酶是一种酶，它是酵母 Kluyveromyces lactis 的 lac4 基因作为一种乳糖 酶的代号，这个基因是由 3078 bp 核苷酸组成并编码一种 1025 氨基酸形成的一 种以特殊空间排列和物理形状的长链氨基酸组成的复合蛋白，和其它的酶相差 不大。它是一种白色粉末，无味道，无气味，溶解时是一种浅棕色的液体。该 酶是通过一种从酵母菌菌种发酵制备。乳糖酶特定水解半乳糖苷的键将乳糖转 变成葡萄糖和半乳糖。 乳糖酶又称 半乳糖苷酶，是哺乳动物乳汁中一种重要的营养成分。可催 化乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，多用于乳品工业。哺乳动物的乳糖酶活性随年 龄增长具有典型的生理性降低，所以乳糖酶缺乏是广泛存在的世界性问题。 1889 年，荷兰生物学家 Beijerincek 首次报道了乳糖酶可水解乳糖以来，人们 对于乳糖酶的研究日趋完整。目前，解决乳糖不耐受的最佳方法是用乳糖酶水 解乳糖来生产低乳糖或无乳糖乳制品。而现在商业乳糖酶中乳糖酶的最适温度 在 37 左右或者更高，但是对于乳品加工工业，许多长时间的操作工艺以及贮 存和运输均在低温下进行，低温乳糖酶具有中温乳糖酶无法达到的优越性，所 以近年来成为研究的热点。乳糖酶存在于植物、细菌、真菌、放线菌以及哺乳 动物( 特别是婴儿) 的肠道中。目前只有来源于微生物的乳糖酶有工业应用价 值，利用微生物发酵法制取乳糖酶，具有酶源丰富、产量高、生产成本低、周 期短的特点，而且不受季节、地理位置等因素的影响，但不同微生物来源的乳 糖酶的性质差别较大。 1.2 乳糖酶的基础研究乳糖酶的基础研究 乳糖酶的基本结构及其生物合成对乳糖起水解作用的酶是乳糖酶根皮苷水 解酶( lactase phlorizin hydrolase，LPH) 。LPH 是一种肠上皮细胞微绒毛膜上的 糖蛋白，具有乳糖酶和根皮苷水解酶活性，最适 pH 为 5.56.0。LPH 为一条 多肽链，有乳糖酶和根皮苷水解酶的作用位点，并通过 COOH 末端的一段疏 水氨基酸序列连接在肠牯膜微绒毛膜表面。前乳糖酶原由位于氨基末端的信号 肽域、前导肽域、胞外域、疏水的跨膜锚定区、羧基末段的胞内段组成，在信 号肽引导下进入内质网经过一系列修饰，乳糖酶原进入高尔基体后被糖基化， 1 然后经历细胞内和肠腔的 2 次裂解后形成成熟的乳糖酶。 1.3 乳糖酶的应用乳糖酶的应用 1.3.1 在乳产品中的应用在乳产品中的应用 1.3.1.1 解决结晶问题 由于乳糖结晶在浓缩乳制品或者冷冻制品中往往造成产品的(砂状组织)缺陷， 若在加工中添加 20%30%的乳糖水解酶，不但可以防止结晶现象发生，还可以 增加产品的甜度，减少蔗糖用量。 1.3.1.2 发酵乳制品中的应用 用乳糖水解乳制造酸乳，可以缩短乳凝固时间约 15%20%，且由于乳酸菌 生长快，菌数多，能延长酸乳的货架期，产品黏度也较大，若水解程度较大时， 甜度也增加。因此，在制作水果酸乳时不仅可减少糖的用量，而且水果的风味 也会增强；用乳糖水解乳加工干酪时，可缩短凝乳时间，并使凝块坚实，还可 减少排除乳清时造成的损失，产量可增加 10%。 1.3.1.3 作为替代添加剂 乳清和超滤乳清中的乳糖部分水解可增加产品的甜味，提高糖的溶解度。 不同比例的葡萄糖和半乳糖混合物的甜度相当于蔗糖甜度的 65%80%，溶解度 增加 34 倍，这种糖浆的总固形物含量达 75%，可代替卵蛋白和蔗糖制作面包、 饼干和蛋糕等，还可代替加糖浓缩牛乳制作牛乳软糖等，且不会出现纹理、沙 包、乳糖结晶和焦糖等现象。乳糖溶液经乳糖酶水解形成半乳糖和葡萄糖的混 合液，称为半乳糖葡萄糖糖浆。其甜度与等质量分数的蔗糖相近。可代替蔗糖 用于各种点心、饮料、罐头食品及冰淇淋和雪糕的加工，效果很好。 1.3.1.4 低聚半乳糖的生产 低聚半乳糖是以牛乳中的乳糖为原料，经 -半乳糖苷酶催化水解半乳糖苷 键，生成半乳糖和葡萄糖，并通过转半乳糖苷的作用，将水解下来的半乳糖苷 转移到乳糖分子生成的。低聚半乳糖具有较强的耐酸性、耐热性，不会因为在 加工过程中的高温杀菌及人体胃酸所分解而失去其本来应有的特性，而且能有 效地被双歧杆 B 菌和乳酸杆 A 菌同时利用，因此低聚半乳糖的生产和应用也相 当广泛，特别是在日本，随着人们越来越注重健康，低聚半乳糖将会有很大市 场。 2 1.3.2 在医药领域的应用在医药领域的应用 乳糖酶可作为助消化类药物，适用于婴儿各种消化不良症，如原发性乳糖 酶缺乏，因胃障碍及缺铁所致的幼儿慢性腹泻、幼儿及新生儿腹泻等，且对新 生儿无毒害作用。用于治疗乳糖不耐受的乳糖酶药物还可与其他抗生素联用， 与杜迪和思密达治疗轮状病毒肠炎能明显有效地缩短病程，疗效确切，治愈率 高。此类药物可调整肠道正常菌群，拮抗轮状病毒，对肠黏膜上皮细胞损伤有 一定治疗效果。很多药物中都含有乳糖酶，如乳糖酶冻干酵母制剂、酵母乳糖 酶肠溶微囊制剂等。医学上乳糖氢呼吸检查被广泛用于诊断乳糖酶缺陷，最常 见的是乳糖不耐受症状的诊断，Oberacher M 等通过 3 个呼吸实验说明这个呼 吸测试对乳糖酶缺陷具有良好的敏感性和特异性，呼吸实验可以简化但时间无 法缩短。研究发现对乳糖的分解能力也可作为一些疾病发生风险的标志，实验 测试者对乳制品食物消化后，双歧杆菌和大便乳酸菌的检测表明某些疾病的发 生风险和乳制品食物的摄入有关。对于乳糖不耐受的治疗，用乳酸杆菌和半乳 糖苷酶治疗乳糖不耐症的病人，通过氢呼吸实验的结果可知，乳酸杆菌和半乳 糖苷酶都强烈提高胃肠道对乳糖的摄入吸收。由此可知益生菌对于乳糖不耐受 治疗持续性较好 1.3.3 乳糖酶基因在基因工程中的应用乳糖酶基因在基因工程中的应用 1.3.3.1 在载体构建中的应用 乳糖酶基因编码的产物水解底物 X-gal，可呈现蓝色，易于检测和观察，在 构建表达载体 LacZ 基因置于启动子下游，通过蓝白斑来筛选阳性重组载体。 1.3.3.2 作为报告基因的应用 乳糖酶是一种常用的报告基因分子，经常与荧光素酶报告基因一起转染细 胞，被用作荧光素酶报告基因检测的内参照，从而消除因为质粒的转染效率不 同而带来的误差。汪国忠等以 -galactosidase 质粒为报告基因，将其与自制氟 碳气体微泡黏附，制备载基因微泡。利用诊断性超声破裂微泡进行体外心肌细 胞基因转染，采用原位染色及酶学定量检测 -galactosidase 表达水平，同时进 行细胞活性检测。其作为报告基因还用于研究启动子的效能和启动子不同位点 突变对表达效能的影响。陈晓月等为检测构建的枯草芽胞杆菌分泌表达载体 pGPST 中启动子和信号肽的活性，将 -半乳糖苷酶基因插入表达载体的多克 3 隆位点，构建含有 -半乳糖苷酶基因的重组质粒 pGPST-lacZ。 1.3.3.3 构建产乳糖酶基因工程菌 利用基因工程技术，可以将活性高的乳糖酶基因导入易于培养、生产繁殖 迅速的微生物体内，从而降低乳糖酶生产成本。 1.4 中国乳糖酶市场分析中国乳糖酶市场分析 1.4.1 -半乳糖苷酶的市场情况半乳糖苷酶的市场情况 随着科学技术的发展和人们对乳糖酶的进一步研究，乳糖酶的应用范围越 来越广，将来乳糖酶的应用就不仅仅局限于解决乳糖不耐受问题，还将在食品、 医药、环保、基因治疗等各个领域发挥重要作用，具有广阔的市场前景。由于 近年来低温乳糖酶的研究成为热点，乳糖酶的生产成本也将大幅降低，乳糖酶 的适应性也将提高。目前，研究人员也正在从我国寒冷地区的土样中对低温乳 糖酶产生菌株进行筛选并且将克隆其基因到大肠埃希菌中表达，随着研究的深 入，低温乳糖酶的工业化生产及其在各个方面的应用将会逐步实现。乳糖酶在 乳品加工中的潜力远在上世纪初即为人们所知，但到 50 年代，人们对乳糖不耐 受症的进一步认识才逐渐被重视。60 年代，由微生物中制取的乳糖酶商品化生 产后，乳糖酶的应用才得以推广，对于乳糖酶的使用也得到了深入广泛的开展。 1.4.1.1 解决乳糖酶缺乏者食用乳制品的问题 乳制品中的乳糖需经位于小肠严密上皮细胞的乳糖酶水解为半乳糖和葡萄 糖后才能被集体吸收利用。集体乳糖酶缺乏可分为 3 类：（1）先天性乳糖酶缺 乏，指出生时乳糖酶活性即低下或缺乏，这是一种罕见的常染色体隐性遗传病； （2）继发性乳糖酶缺乏，指由于各种原因致小肠上皮损伤而导致的暂时性的乳 糖酶活性低下，常见病因如感染性腹泻、局限性回肠炎、免疫球蛋白缺乏症、 营养不良等，多于机体疾病康复后恢复正常；（3）原发性乳糖酶缺乏，是由于 乳糖酶活性随年龄逐渐降低而引起的，无其他影响，是最常见的一种乳糖酶缺 乏，发生时间因种族和地区不同而不同，有的在婴儿断乳后开始发生，有的 20 岁左右才开始出现，我国多发于 7-8 岁时发生。乳糖酶缺乏随不同国家，不同 种族人群的变化而变化，亚洲 6090%，澳大利亚白人 06%，欧洲 30%以上， 非洲 90100%，美国白人 12%，黑人 70%，日本人 100%。3-13 岁中国儿童乳 4 糖酶缺乏发生率为 87%。食物中的乳糖进入小肠后，由于乳糖酶的缺乏，乳糖 不能被分解为单糖而吸收进入血液，称为乳糖消化不良或乳糖吸收不良。 1.4.2 酶制剂生产厂家的产销情况酶制剂生产厂家的产销情况 本项目通过对世界生化制剂公司的先驱 Gist-brocade B.V，在食品营养价值、 保健因子、食品风味、安全性、组织结构，延长保质期以及环保等方面的研究 和生产情况的进行调查；另外，荷兰 Gist-brocade B.V 下三大公司（FIS）食品 原辅料公司的乳制品原辅料部（FSD）和 DIG，尤其是 DIG 的产品基本上已经 成为世界性的所有乳制品原料的提供商。另外哈尔冰美华生物技术股份有限公 司的乳糖酶项目，自 2002 年来的运作概况，也做了跟踪和调查，在本土生产此 项目具有很高的工业前景，效益很高。 1.4.3 国内市场需求预测国内市场需求预测 我国是世界上牛奶产量增长最快的国家，今后几年的产量仍持续快速增长。 据国家农业部统计，2001 年全国奶牛存栏达 687 万头牛，牛奶宗长亮增加到 1229 万吨，液态奶产量 355.14 万吨。国家统计局数据显示，2005 年 2-12 月， 全国乳制品产量为 1310 万吨，较上年同比增长 27.97 百分点。世界人均牛乳年 消费量 94 公斤，亚洲人均 40 公斤，我国人均 24.89 公斤，相差甚远，除了经 济发展水平外，还有一个重要原因，就是我国人群中存在着乳糖消化不良、乳 糖不耐症等，但是乳糖奶消费，在我国基本上还属于空白。按照国际市场的消 费情况，低乳糖的开发提高了奶制品的消费量。从 2005 年 2 到 12 月，国内消 费结构，酸奶消费增长，可能与新的消费增加有关。 目前，2006 年全国总奶产量在 1500 万吨，按生产百分之 10 到百分之 20 的低乳糖制品计算，每年的产量可达 150 到 300 万吨，以一公斤乳糖酶产品处 理加工 1 吨乳制品估算，乳糖酶的年产量可达 1500 到 3000 吨。2015 年需求量 可达 2000 到 4000 吨。 1.4.4 本产品更新的特点本产品更新的特点 从理论上来说，针对乳糖不耐症有多种方式，例如，添加乳酸杆菌发酵、 工业再加工等，能在一定程度上解决该问题，但从节约和降低成本，以及工艺 配套简便等角度来看，乳糖酶还是最简便易行，从调查情况来看，该项目在短 时间内还不存在非常有竞争力的替代产品。 5 1.5 生产乳糖酶的一般方法生产乳糖酶的一般方法 1.5.1 利用胞外酶利用胞外酶 利用絮状酿酒酵母和黑曲霉中含有编码分泌胞外乳糖酶的 LacA 基因构建重 组菌株，使重组酿酒酵母菌株能够分泌可高效利用乳糖的乳糖酶。Ibrahim 等 使用化学诱变剂对两株双歧杆菌、乳植杆菌和嗜热链球菌进行诱变，筛选高产 菌株，长双歧的诱变菌株产酶量比野生型增加 2 倍多。为了获得高产菌株，新 基因工程菌不断出现。生产酶的工程菌以大肠埃希菌、酵母菌为主，还有嗜热 链球菌、乳杆菌等。 1.5.2 利用胞内酶利用胞内酶 酶水解法，即利用外源性乳糖酶将乳糖降解为易被人体吸收利用的单糖。 该法水解条件温和、产物简单、口感不会破坏牛乳中其他营养成分，是目前乳 制品加工中所采用的好方法。EC 3.2.1.23 通常被称为乳糖酶。该酶能将乳糖水 解为半乳糖和葡萄糖。 1.6 乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点 1.6.1 生产局限性生产局限性 1）乳糖酶的单位产量低； 2）市场销售的乳糖酶多源于酵母，酶的耐热性差，适用范围窄； 3）且酵母来源的乳糖酶为胞内酶，需要破碎细胞才能得到，成本昂贵适用 范围窄，不能满足食品和乳制品工业多方面的需要。 1.6.2 该项目乳糖酶的优点该项目乳糖酶的优点 1）该项目的乳糖酶为胞外酶，不需要细胞破碎就能得到，提取纯化工艺简 单，加工成本低。在水解牛奶的应用试验中，在不同的温度下， （6 到 60 摄氏 度中）不同时间内均有较好的乳糖水解效果，水解率达百分之 80 到百分之 92。国外酵母来源具有较高质量的乳糖酶，在 3740 摄氏度，pH 6.6 的条件下 对牛乳中的乳糖水解率高。 2）具有较好的机械强度，可以搅拌或装柱的方式下进行作用； 3）可用于工业化生产，适应连续化、自动化生产 4）产物纯度高、副反应少、因此产率高； 5）可反复使用，提高酶利用率，降低了生产成本； 6 6）安全性好，避免了想天然牛奶中添加外援物质，食品安全性高 7）该乳糖酶与商业化的乳糖酶相比，在比活，pH 稳定性，pH 范围、热稳 定性、金属离子及化学试剂稳定性、Km 上均具有优越性； 8）与商业化酵母来源的乳糖酶相比，具 pH 适用范围，热稳定性强等优点。 该项目的酶具有优越的酶性质，使其应用在不同的乳制品加工中生产多种类型 的产品。生产过程具有良好的安全性，无抗药性标记，培养过程中不分泌有毒 物质和热源。发酵工艺简单，培养基均为工业所适用的。 1.6.3 项目综合评价结论项目综合评价结论 本项目经过充分论证和市场调研，项目产品技术含量高，知识产权明晰、 生产技术先进、符合国家和当地产业政策，项目产品有较广阔的市场前景和丰 厚的投资回报。项目投资估算合理，资金来源明确、资金预算科满足项目建设 和运营的要求。拟建方案、建设条件、产品方案、工艺技术、经济效益、社会 效应、等基本完备，具有相当的可行性。 7 1.7 -半乳糖苷酶的生产工艺半乳糖苷酶的生产工艺 1.7.1 生产工艺流程图生产工艺流程图 发酵原料基础 流加葡萄糖、甲醇发酵罐培养流加氨水 离心分离菌泥 干燥 干物料 硫化床冷却 菌体饲料 蛋白成品 清液 微滤除菌、脱色、脱盐 搅拌均匀 加稳定剂 液体成品 添加辅料 包装 搅拌混匀 喷雾干燥 半成品干物料 硫化床冷却 固体成品 包装 发酵原料基础 流加葡萄糖、甲醇发酵罐培养流加氨水 离心分离菌泥 干燥 干物料 硫化床冷却 菌体饲料 蛋白成品 清液 微滤除菌、脱色、脱盐 搅拌均匀 加稳定剂 液体成品 添加辅料 包装 搅拌混匀 喷雾干燥 半成品干物料 硫化床冷却 固体成品 包装 图 1-1 生产工艺流程图 1.7.2 项目技术路线图项目技术路线图 8 图 1-2 项目技术路线图 1.8 工厂组成工厂组成 企业采用有限责任公司形式，下设生产部、质量管理部、研发部、维修部、 化验部、化验室、以及各个车间 1.8.1 生产车间生产车间 由上游原料选择和处理（原料选择、上游处理、摇床培养、HPLC、补料发 酵） 、提取（过滤、脱色、干燥） 、精制（蒸发浓缩、模拟移动床（SMB）色谱 分离系统、储存）等组成。 1.8.2 辅助车间辅助车间 废水处理、渣处理（副产品加工） 、产品仓库、原料仓库、材料仓库、机修 等。 1.8.3 动力车间动力车间 由锅炉房、变电所、空气处理系统。 1.8.4 行管部门行管部门 主要办公室、中心实验室、汽车库、传达室等。 1.9 厂址选择与建设条件厂址选择与建设条件 1.9.1 厂址选择厂址选择 项目建设的具体地点为南京浦口高新技术开发区。根据投资方与南京市政府 以及浦口区高新技术开发区管理委员会协商，并经过南京市设计院的初步勘查 和测量，南京浦口区高新技术开发区将在该区内提供能够买足该项目的建设及 后续生产经营的需要的土地。具体设计方案及图纸由*另行出具。 1.9.2 建设条件建设条件 1.9.2.1 自然条件 南京市位于 11846 北纬:3203，属于亚热带温润季风区，年平均温度 15.4C，年平均降水量 1106 毫米，气候宜人，景色秀丽。高新区地处长江三角 洲，地势平坦，地质结构优良，地耐力达 18-30 吨/平方米，海拔高度 50 米左 右。该区地层发育完整，保存较好。 由古中元古代之浅变质岩系（张八岭岩群、埤城岩群）组成基底。 新元 古生代之南华纪至中生代三叠纪，由海相碳酸盐岩和碎屑岩相间组成盖层，构 9 成宁镇、茅山、宜兴等山脉，厚达万米以上，不整合于中元古代地层之上。其 内部，各层间多为整合、或少数呈平行不整合接触。中生代中三叠世至中侏罗 世由内陆河、湖相碎屑岩组成，厚度变化较大（05000 米） ，平行不整合不 整合于老地层之上。中生代晚侏罗世至白堊纪，则为陆相火山喷发重要阶段， 由红色碎屑岩间大量中、酸性火山岩组成，分布局限，厚度变化极大，厚者可 达万米。与下伏地层为平行不整合接触、整合接触或不整合接触。新生代之古 近纪新近纪，该区仍处陆相环境，形成杂色碎屑岩，夹基性火山岩堆积，以 苏北盆地为发育，厚可达数千米。不整合于前第三纪地层之上。 该区，前第四纪岩石地层，自下至上共分 61 个单位，包括 4 个群、51 个 组、2 个段、相当段级 4 个。厂址所在区域，地势平坦，地质结构优良，无不 适合项目建设之缺陷。 1.9.2.2 基础设施条件 厂址地处南京市区北部，在京沪高铁和京沪高速途经之处，南京东依上海， 本身又是江苏省会，全国排名前十的城市，位置优越，交通便利。 1.9.2.3 所处地区的主要经济情况 南京的工业以电子信息、石油化工、汽车机械、生物制药、食品饮料、仪 器仪表等产业占有重要地位。2008 年规模以上工业总产值 6472.23 亿元。 最新评定，制造业“十大强市”南京列第一。排行榜中，南京的城市制造 业经济创造能力排名为第六，科技创新能力排名为第一，环境资源保护能力排 名为第五。 1.9.2.4 社会经济条件 2008 年，南京市实现消费品零售总额 1651.82 亿元。南京的主要商业区有 新街口、湖南路、夫子庙、珠江路等。新街口位于南京市中心，在民国时期发 展为商业区，目前集中了大批大型店铺。湖南路位于鼓楼区，主要是 1990 年代 以后兴起的新商业区。夫子庙位于秦淮区，是南京最古老的传统商业区之一， 自 1985 年起陆续改建为仿古街市，以餐饮娱乐为特色。珠江路位于玄武区并为 区政府所在地，是华东地区规模最大的 IT 产品集散地之一。2008 年度，全市 实现旅游总收入 714.3 亿元人民币。2004 年末，全市拥有 4A 级旅游景点 5 个， 旅游星级宾馆饭店 113 家，其中五星级宾馆 8 家，各类旅行社三百余家，其中 10 从事国际旅游业务的旅行社 27 家。南京市也是中国评出的第一批优秀旅游城市 之一。 1.9.2.5 原材料及主要辅助材料供应 本产品的原材料、主要辅助材料，主要是农副产品和无机化学原料等。所 有这些消耗品的市场供应均十分便利，在当地可提供。 1.9.2.6 燃料动力及其他公共设施的供应 本项目在浦口高新技术开发区实施，交通便利，开发区配套企业提供包括 水、点、热、燃气等相关的生产所需，保证满足项目建设和投产后的生产经营 和生活的需求。 11 第二章第二章 生产工艺生产工艺 2.1 乳糖酶生产工艺乳糖酶生产工艺 利用毕赤酵母系统表达有生物活性的乳糖酶，使得乳糖酶高效分泌到细胞 外，而无需破碎细胞来提取，降低了乳糖酶的生产成本，简化了生产工艺，具 体如下： 采用 30 m3容积的发酵罐进行生产，需要三级发酵，将摇瓶培养的种子按 1：10 的比例接入一级种子罐，由一级种子罐再接入二级种子罐，再接入 30 m3 容积的发酵罐中好氧发酵，发酵过程中适时补料，监控菌体生长、产酶情况， 防止污染。 待发酵结束后，放罐，将菌体与发酵液分离，通过分离纯化获得酶制剂产 品。流程图如图 1 所示： 图 2-1 乳糖酶生产工艺流程图 30 m3发酵罐培养流加氨水流加麦芽汁、甲醇 离心分离 清液 微滤除菌、脱色、脱盐 超滤浓缩 喷雾干燥 固体成品 包装 毕赤酵母 活化 种子罐 卡式罐 三角瓶 麦芽粉碎 调节 pH 过滤 麦芽糖化 12 2.1.1 原料原料 取大麦和小麦若干，用水洗净，浸泡 612 小时，置于 15阴暗处发芽，上 面盖纱布一块，每晚早、中、晚淋水一次，麦根延长至麦粒的两倍时，即停止 发芽，摊开晒干或烘干，贮存备用。 具体工艺流程： 麦芽谷物粉碎 蒸煮糖化静置冷却麦芽液过滤调节 pH 粉碎： 麦芽的粉碎方法：采用干法粉碎法，将麦芽投进辊式粉碎机进行粉碎 2.1.2 蒸汽喷射液化蒸汽喷射液化 喷射液化法液化均匀，完全且连续化生产。此液化法主要受到蒸汽方面的 影响, ，蒸汽的高低直接影响液化进料的速度, 从而影响质量及产量。将粉碎的 麦芽粉加进喷射液化器，通过高温喷射液化成糖。 2.1.3 过滤过滤 板框式压滤机是由容钠糖化醪的框和分离麦汁的滤布及收集麦汁的滤板各 若干组组成过滤元件，再配以顶板、支架、压紧螺杆或液压系统组成。 2.1.4 连续灭菌连续灭菌 将配制好的培养基用泵连续输入由直接蒸汽加热的加热器，使其在短时间 内达到灭菌温度 130。然后进入维持罐，使在灭菌温度下维持 57 分钟后再 进入冷却罐，使其冷却至接种温度 30并直接进入已事先灭菌（空罐灭菌）过 的种子罐和发酵罐内。 主要设备：加热器、维持罐、冷却罐 2.2 发酵车间发酵车间 2.2.1 菌种处理工段菌种处理工段 2.2.1.1 培养基的制备 毕赤酵母在试验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁来做培养基。由于 其中含有丰富的碳、氮及其它营养物质，很适宜于酵母菌繁殖。将市售麦芽磨 碎后，加水，于 5560糖化 4 小时，再过滤，将滤液浓度调整为 l012Bx。如 果要制作固体培养基时，可加入 2 的琼脂，溶化后分装试管，灭菌后取出斜 放，待冷凝后，于 30培养两天，观察有无杂茵生长，如无，就可以做接种用。 13 采用平板划线法接种。麦芽汁的 pH 值一般可控制在 44.5 左右，如果太高，可 用 H2SO4或磷酸调整。 2.2.1.2 实验室扩大培养流程 毕赤酵母活化斜面试管一级种子培养二级种子培养 2.2.1.2.1 毕赤酵母活化 应先将菌体接入新鲜斜面试管进行活化，以便酵母菌处于旺盛的生活状态。 在无菌条件将原菌下接人新鲜斜面试管，于 28-30保温培养 3-4 天，待斜面上 长出白色菌苔，即培养成熟，培养基为：葡萄糖、酵母粉、琼脂糖。 2.2.1.2.2 三角瓶培养 采用三角瓶培养，可视其容量选用不同的培养基。如用 250 毫升小三角瓶， 可装入 l00 ml 米曲汁，如 3000 ml 大三角瓶，则可装入米曲汁和经过过滤的酒 母糖化醪各 500 ml，经灭菌后备用。 2.2.1.2.3 一级种子培养 采用卡氏罐培养，卡氏罐培养基可使用酵母糖化醪，以使毕赤酵母逐渐适 应大生产培养条件。卡氏罐用的糖化醪应单独杀菌后备用，如果工厂卫生管理 条件较好，也可不杀菌。 2.2.1.2.4 二级种子培养 将一级种子罐的种子转移的二级种子罐培养。 2.2.2 发酵罐发酵发酵罐发酵 2.2.2.1 发酵工艺流程 发酵过程采用流加操作（补料分批式操作），是指在分批发酵过程中， 间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和 连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用 于发酵工业。在培养过程中不断补加浓麦芽汁,使得在整个培养过程中培养液 保持较低的糖的质量浓度。采用此方法,既可获得较高的酵母得率,又可获得高的 酵母浓度。甲醇也是碳源，流加甲醇时，菌体以甲醇为碳源诱导表达外源蛋白。 由于过高浓度的甲醇抑制细胞的生长和产物的表达，因此通过合适的策略控制 甲醇的流加是提高外源蛋白表达量的关键。流加氨水可以调节 pH，同时提供氮 源。 14 2.2.2.2 培养温度的控制 酵母菌在适宜生长温度范围内，高温比低温繁殖稍快。但高温培养酵母易 于衰老。酒精生产中酒母培养温度为 2830。由于酵母菌在生长代谢过程中 还要产生一定热量，故应注意加强冷却，以保证酵母菌健壮生长。 2.2.2.3 pH 控制 糖化完成后可适当加大风量使发酵进入旺盛产酸期。在产酸期内控制风量 使产酸速率维持在 2-3 g/hL，不得过快，以进一步利用糖化作用和防止菌体过 早衰老。 2.2.2.4 选择通风培养 毕赤酵母在生长繁殖过程中需要消耗大量能量，这种能量来源主要是靠葡 萄糖的有氧分解来获得。所以，在有氧条件下培养酵母菌，利用能量高，糖分 消耗少，在酵母培养过程中通入适量的无菌空气，对酵母繁殖是有利的。 在实际流加培养过程中，前期应控制较低的搅拌转速（600 r/min）以提供 较低的 kLa 值，这样迟滞期可相对缩短；在对数生长期后期应迅速增大搅拌转 速（提高到 1200 r/min） ，4 kLa 值达到 800（1/h）以上，以满足细胞快速生长 对溶氧的要求，提高产率；在培养末期应调节搅拌转速至 800 r/min 左右。 2.3 分离车间分离车间 2.3.1 过滤过滤 过滤采用板框压滤机进行过滤，将发酵好的发酵液加进板框压滤机，通过 压滤，将大物质的杂质去掉，得到滤液。将滤液收集到贮存罐 板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽， 其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔，组装后构成完整的通 道，能通入 悬浮液、洗涤水和引出滤液。板、框两侧各有把手支托在横梁上， 由压紧装置压紧板、框。板、框之间的滤布起密封垫片的作用。由供料泵将悬 浮液压入滤室，在滤 布上形成滤渣，直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟 槽流至板框边角通道，集中排出。过滤完毕，可通入清洗涤水洗涤滤渣。洗涤 后，有时还通入压缩空气，除 去剩余的洗涤液。随后打开压滤机卸除滤渣，清 洗滤布，重新压紧板、框，开始下一工作循环。 15 2.3.2 陶瓷膜微滤陶瓷膜微滤 酵母菌适用孔径 0.65 m、亲水性滤膜，过滤无须任何预处理，节约成本。 菌渣可直接做饲料，完全消除废液污染。滤液不含蛋白质量高，保证连续离交 进料要求。将发酵液通过陶瓷膜，滤掉杂质。收集上清液 2.3.3 超滤浓缩超滤浓缩 采用中空纤维式膜分离器，将上清液进料，进料液在管内流动，在压力的 作用下透过液由管内侧流向管外侧，乳糖酶等小分子颗粒通过滤膜，细菌的大 分子被截留。由于乳糖酶的分子量是 120KD，所以选择截留分子量为 20kD 的 超滤膜进行浓缩，既不损失过多的蛋白，又会除去多余的杂质。 2.3.4 喷雾干燥喷雾干燥 上层清液经处理后进行喷雾干燥获得半成品干物料。喷雾式干燥机的主要 工作过程是：外界新鲜空气通过空气过滤器、鼓风机，进入空气加热器，使空 气温度提高到 280左右，送进干燥室(塔)。在进入干燥室(塔)前，热空气先通 过匀风板，使热空气均匀分布，防止旋涡，避免焦粉发生，以保证干燥效果。 需干燥处理的物料液，经杀菌处理后进入料罐，再由压力泵送至雾化器，料液 以雾状喷出并与热空气混合，物料微粒吸取热量，瞬间水分蒸发，形成粉末向 下降落，干燥室内一般保持 120以下，经过一段恒速干燥，进一步蒸发水分， 粗颗粒落人干燥室(塔)的锥形底部并排出机外。干燥后的物料细粉粒和低温湿 空气经旋风分离器分离，废空气由排风机排放，干燥细粉末产品落下由卸料器 连续排出。 2.3.5 脱色脱色 采用活性炭脱色。温度 7580为好，pH36，在极性溶剂中效果较好，加 入量为千分之一至三（或 5） ，脱色时间为 3060 min。 2.4 包装车间包装车间 2.4.1 包装及保藏包装及保藏 经质量检验合格的活性干酵母、乳糖酶先加入 AADY 保护剂（海藻糖 5%+ 司班-60 2%+吐温-80 2%的组合） ，后采用铝塑薄膜真空包装成 500 克/包、100 克/包、30 克/包、10 克/包等规格，在室温下保质期为 6-12 个月。并将包装好 的活性干酵母、乳糖酶置于 10的条件下保藏。 16 第四章第四章 生物反应器的设计生物反应器的设计 4.1 反应器的论证反应器的论证 本设计拟采用自吸式发酵罐。 自吸式发酵罐是一种用于好气发酵的发酵罐，它装有一种特殊设计的机械 搅拌装置，当这种搅拌桨滚动时，紧密贴在桨底的导气管可借桨叶排出液体时 所产生的局部真空把大气中空气经由滤后吸入罐内。镇江格瑞生物生产的这种 发酵罐已在醋厂，酵母厂，制药厂等投入使用。 由于其独特的流体力学特性，自吸式发酵罐有以下突出优点： （1）气液接触十分良好，气泡分散较细，氧在发酵液中的溶解速率快。 （2）设备便于自动化、连续化 降低劳动强度。 （3）结构简单，溶氧效率高，操作方便。 （4）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气储罐、 总过滤器设备，减少厂房占地面积。 （5）减少工厂发酵设备投资约 30%左右。 4.2 反应器的设计反应器的设计 4.2.1 发酵罐发酵罐 设计内容：30 m3的自吸式发酵罐 表表 4-1 技术特性要求技术特性要求 设备内外夹套内衬 设计压力 MPa0.350.30.3 设计温度80120120 主要物料发酵液蒸馏水发酵液 腐蚀裕度 mm1.01.01.0 焊缝系数0.9 操作容积 m330 换热面积 m221 主要受压元件材料1Cr18Ni9Ti，Q235-A （1）公称容积 V=30 m3 17 （2）自吸式发酵罐高径比取：H/D=2/1 （3）发酵罐壁厚的计算： 4.2.1.1 计算确定壁厚： 设计压力：0.35 MPa 设计温度：80 采用不锈钢 t=133 MPa Dg800 mm，采用双面对接焊，局部探伤 =0.9 壁厚附加量：C=C1+C2+C3 C1钢板负偏差，其范围为 0.131.3，现取 0.8 C2腐蚀裕量，单面取 1，双面取 2，C2=2 C3加工减薄量，对冷加工，C=0，C3=0 V公称=0.485D22D=30 D=3.14m 取 D=3200 mm H=6400 mm 壁厚：S=PD/（2 -P）+C=7.48 mm 选 S=8mm 4.2.1.2 强度校正： 取 K=1，P=2et/(KDi)=0.352 MPPw=0.35 MP，所以设计壁厚符合要 求。 4.2.1.3 两端封头 4.2.1.3.1 顶部封头： 在发酵过程中，发酵过程中，发酵液活动剧烈，易产生大量的泡沫，故在 设计过程中，可局部放大顶部封头，增大可容空间，以作缓冲作用，减少逃液 量。采用椭圆形封头，材料为 1Cr18Ni9Ti。 选型：Dg=3200 mm h=Di/4=800 mm h0= 25 mm 封头上有四个开孔： a、人孔： 18 400，选用不锈钢，水平吊盖（J04-0099-0114）公称压力为 0.6 MPa。 b、排气管： 采用不锈钢管，以焊接方式与封头连接，为缓解发酵过程中气液夹带现象， 减少泡沫随气体溢出的可能性，排气口直径可考虑取大些，公称直径 Dg=200 mm c、视孔： HGJ501-86-14，Pg10Dg300 组合件 d、备用孔：取 Dg=80 mm 4.2.1.3.2 底部封头： 采用椭圆封头，材料为 1Cr18Ni9Ti。其上开孔：1 个排料孔，1 个冷凝进水 口，若干个空气分布器孔。 封头选型：Dg=3200 mm h= 800 mm h0=25 mm F= 11.351 m2 V=1.541 m3 4.2.1.4 空气喷嘴： 条件：反应液体积 V=21 m3 空气以 250300 m/s 高速喷入 反应液循环周期：当菌体的浓度微 7%时要求周期在 2.53.5 min，不可超过 4 min，现取 t=3.5 min。 环流速 w=1.21.4 m/s，现取 w=1.2 m/s VL/QC VL有效反应液体积 QC反应液循环量 QC=（D2-D2）W/4 D=3047 mm 喷嘴直径的计算： 提高溶氧系数，需选用良好结构及适当直径的喷嘴，当 Re空气Re液+250 19 时，气泡分裂细碎较好，以此为依据： Re空气=V/d1v空气 Re液=V/dv液 式中：d1喷嘴直径 v空气空气的运动黏度 m2/s V液反应液的循环量 m3/s d上升管的直径，采用套筒，故需转换面积比 v液反应液的运动黏度，可取 0.80310-6（m2/s） 空气提升力：A=V液/V空气 由上述条件知：V液=6 m3/min 循环上升线速 w=1.2m/s，由生物工艺学P119 表 6-3，知 A=2.2，故 V空 气=2.73 m2/min。 喷嘴前空气压力 P=2.9 大气压（表压） 罐压 0.35 大气压（表压） ，P2=1+0.35=1.35 大气压（表压） 喷嘴前后压力差：P=3.9-（1.35+12.610）=1.29 根据近似公式：V空气=1.8105d 125P06P203 根据高孔荣反应设备 d1=11 mm 喷嘴个数的确定： 由反应通风量要求：最大通风量达 V=1.62 m3/h V=3000.785nd12 n=57 57 个喷嘴，可以确定空气分布器管 Dg=300 mm 4.2.1.5 筒体壁个接管: 4.2.1.5.1 进料口： 采用连续灭菌，设进料流速 1 m/s，每小时灭 8 m3，计算得： A=8/(36001)=2.2210-3 m2，又 A=0.785 d2，计算得进料口直径 d= 0.053 m。 故选用 Dg= 650mm 的水煤气输送钢管 GB309282，材料 1Cr18Ni9Ti。 4.2.1.5.2 出料口： 20 发酵结束，发酵液从此处快速排出，拟在 20 分钟内完成，设排出速为 2 m/s，计算得 A=21/(20602)=0.00875 m2 又 A=0.785d2，d=105.6 mm，故选用 Dg=125 mm 的水煤气输送钢管 GB3092-82，材料 1Cr18Ni9Ti。 4.2.1.6 冷却面积的计算： 影响发酵罐冷却面积的因素很多，诸如：不同的菌种系统、基质浓度、材 质、冷却水温、水质、冷却水流速等。 采用经验值计算法：查吴思方主编设备的设计与选型P111，因生产乳 糖酶，故 取 1.0， 取 70，则每一个 30m3的发酵罐换热面积： A=V全=300.71=21 m2。 4.2.1.6.1 冷却管的布置： 为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要有足够的管 道截面积，以供足够的冷却水通过。 最高热负荷下的耗水量： W=Q总/Cp（t1-t2） Q总每 1m3料液在发酵最旺盛时，1 h 的发热量与料液总体积的乘积 Cp冷却水的比容，4.18/KJ(KgK) t2冷却水的终温 t2=24 t1冷却水的初温 t1=20 Q总=4.18600021=5.27105 KJ/h 故：W=5.27105/4.18(24-20)=31500Kg/h = 8.75 Kg/s 冷却水体积流量为 110-2 m3/s，取冷却水在竖直列管中流速 1 m/s，根据流 体力学方程可得：冷却管总截面积 S总=W/v=110-2 m2 进水总管直径：d总=(S总/0.785)=113 mm 故进出冷却水管选 Dg=125mm 4.2.1.6.2 冷却管组数与管径： 冷却管总截面积 S总、管径 d0、组数 n=2（根据经验） S总=0.785n d02 d0=0.080 m 查金属材料表选取：Dg=100 mm 水煤气输送钢管。 21 冷却管总长：L=F/F0 F总冷却面积 F0每米长冷却管面积 L=71 m 占有的体积：V=0.7850.1271=0.557m3 4.2.1.6.3 每组管长 L0和管组高度： L0=L/2=71/2=35.5 m 另需连接管 2 m：L实= L0+2=73 m 可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可深入封头 150 mm，设反应 罐内附件总占有体积 0.8m3