300吨淀粉酶工厂的初步设计开题报告

毕业设计开题报告300吨淀粉酶工厂的初步设计一、文献综述1、研究的目的和意义 1.1目的通过对淀粉酶性质及其发酵生产工艺参数及设备参数的充分认识，了解乳酸生产的原料组成，能源消耗情况；在进行淀粉酶工厂发酵装置设计时根据工厂的实际生产工艺和产能采取的最有效的发酵工艺，合理布局设计，使生产操作可靠性、方便性达到生产要求，降低成本，最终使生产效益最大化。1.2意义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。淀粉酶的使用已经融入了我们的生活当中。大量的需求使部分工厂的淀粉生产供不应求。因此，通过合理的设计淀粉酶生产工艺可以降低淀粉酶生产成本，对淀粉酶生产普及应用及现代社会的可持续发展具有重大的意义。2、淀粉酶的理化性质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-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。-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中5，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，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6,7。3、淀粉酶的研究现状 我们利用基因工程技术构建了耐酸性淀粉酶和糖化酶的融合基因, 并获得了多拷贝此融合基因的白曲霉菌TR12株并加强菌种筛选诱变育种工作。在pH3.0的AP培养基或在pH4.0的酸性酒精废糟液中, 培养液均表现出较高的耐酸性淀粉酶和糖化酶活性8,9 。用于固态制曲及酿酒发酵, 原材料利用率、发酵速度及产酒率等都得到了较大幅度的提高10。为了使耐酸性一淀粉酶的耐酸特性得到充分发挥, 使其优越性能得到更加广泛的利用, 同时也为了探讨通过一次发酵过程, 制备具有两种较高酶活力的新型酶制剂。目前，除开展大量常规诱变育种 T作外，国外已初步搞清产 -淀粉酶的调控基因，探讨了有关转导转化和基因克隆等育种技术。将枯草芽孢杆菌重组体的基因引入生产菌株，使 -淀粉酶产量提高710倍，并已应用于食品和制酒工业，给选育高产 -淀粉酶菌株开创了新的途径11。4、-淀粉酶的特性 早在1967年，Jones 和Varner就对小麦中-淀粉酶的活性进行了研究12。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。 4.1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。4.2最适 pH和最适温度 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。不同微生物来源的仅一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13。4.3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 仅一淀粉酶也有抑制作用。 4.4电场强度 实验结果表明，不同强度电场导致酶活性增加的效应不同，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14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0.56.0kV/cm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。5、-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1984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。5.1在焙烤工业中的应用 各种酶制剂在食品工业中的应用已有上百年的历史，最近几十年-淀粉酶广泛地应用于焙烤工业中焙烤工业中使用的酶制剂有很多，如蛋白酶、脂肪酶、普鲁兰酶、木聚糖酶、纤维素酶、糖化酶等，但没有一种酶能取代-淀粉酶在焙烤食品中的应用。-淀粉酶用于面包加工中可以使面包体积增大，纹理疏松；提高面团的发酵速度；改善面包心的组织结构，增加内部组织的柔软度；产生良好而稳定的面包外表色泽；提高入炉的急胀性；抗老化，改善面包心的弹性和口感；延长面包心储存过程中的保鲜期。 面包等焙烤食品储存一定时间后逐渐变干变硬，易碎，风味变差，这些都是由于面包的陈化造成的，每年由于面包老化造成巨大的损失。在使用-淀粉酶时，对其加入量要求比较严格，稍微过量就会导致面包等焙烤食品粘度的增加。因此，最近人们逐渐使用中温-淀粉酶，由于其最适作用温度在5070左右，所以其在淀粉糊化时具有活性，而在焙烤过程中则会逐渐失活，最终在焙烤完成时活性丧失。而且，在加工过程中-淀粉酶会水解淀粉生成聚合度在49的糊精，这些糊精也具有抗老化性。但是，现在中温-淀粉酶仅能从极少的一些微生物中提取15,16。 5.2在啤酒酿造中的应用 啤洒是最早用酶的酿造产品之一，在啤洒酿造中添加-淀粉酶使其较快液化以取代一部分麦芽，使辅料增加，成本降低，特别在麦芽糖化力低，辅助原料使用比例较大的场合，使用-淀粉酶和-淀粉酶协同麦芽糖化，可以弥补麦芽酶系不足，增加可发酵糖含量，提高麦汁率 ，麦汁色泽降低，过滤速度加快，提高了浸出物得率，同时又缩短了整体糊化时间。啤洒酿造中糊化时添加-淀粉酶，在20世纪70年代主要用BF7658-淀粉酶；80年代用食品级枯草杆菌-淀粉酶；80年代末，我国无锡酶制剂厂首先生产出耐高温-淀粉酶，可使副原料比例从原来的30增加到40以上，实现了无麦芽糊化，节粮、节能显著，使啤酒行业的综合经济效益得到进一步提高17。 5.3在酒精工业上的应用在玉米为原料生产酒精中添加-淀粉酶低温蒸煮的新工艺，每生产1t酒精可节煤 224.42kg。又可减少冷却用水，提高出酒率8.8%，酒精成品质量也有显著提高。酒精生产应用耐高温-淀粉酶。采用中温95105蒸煮，既可有效地杀死原料中带来的杂菌，降低入池酸度和染菌机率，又可保护原材料中的淀粉组织不被破坏，形成焦糖或其它物质而损失，从而提高原料利用率18。6、 淀粉酶的分离提纯 目前酶的分离提纯技术日益成熟，酶的分离纯化一般包括三个基本步骤：即抽提、纯化、结晶或制剂。首先将所需的酶从原料中引入溶液，此时不可避免地夹带着一些杂质，然后再将此酶从溶液中选择性地分离出来，或者从此溶液中选择性地除去杂质，然后制成纯化的酶制剂。以下是一些概括： 细胞破碎：机械破碎法(捣碎、研磨、匀浆等)、物理破碎法(温度差、压力差、超声波等)(多用于微生物)、化学破碎法(使用甲苯、丙酮、氯仿等有机溶剂以及特里顿、吐温等表面活性剂)和酶促破碎法等等。 酶的提取：使用盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂等 沉淀分离：盐析沉淀、等电点沉淀、有机溶剂沉淀、复合沉淀、选择性变性沉淀。 离心分离：离心机、离心方法、离心条件等。 过滤与膜分离：非膜过滤(粗滤、部分微滤)、膜过滤（大部分微滤、反渗透、透析、电渗析）。 层析分离：吸附、分配、离子交换、凝胶、亲和、层析聚焦等。 电泳分离：纸电泳、薄层电泳、薄膜电泳、凝胶电泳、自由电泳、等电聚焦等。 萃取分离：有机溶剂、双水相、超临界、反胶束等。 浓缩结晶：盐析、有机溶剂、透析、等电点、温度差、金属离子等。 干燥成品：真空、冷冻、喷雾、气流、吸附等。197、淀粉酶的发展前景7.1固定化淀粉酶 固定化酶在食品技术，生物技术，生物化学和分析化学中的技术日渐重要。他们比游离酶的优点包括反应物分离容易，产品和反应介质易回收，重复或连续使用。酶可以固定化到多种不同的载体。通过吸附，离子和共价键结合等形式。共价结合法是非常有效的保留酶活性的方法，可以实现固定化20。随着科技的发展，淀粉酶的固定化使用越来越重要，也使大家在这方面的研究更加深入。8、展望 综上所述，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。参考文献1钱海丰，赵晓娟，赵心爱-淀粉酶基因表达的调控J西北农业学报，2003，12(4)：87-902张刚，汪天虹，张臻峰，等产低温淀粉酶海洋真菌筛选及研究J海洋科学，2002，26(2)：3-53陈运中淀粉酶的性质和分类J武汉粮食工业学院学报，1990，1：15-224M. Saban Tanyildizia, Dursun Ozer, Murat Elibol. Production of bacterial a-amylase by B. Amyloliquefaciens under solid substrate fermentationJ. Biochemical Engineering Journal, 2007, 37: 269-274.5Shin-ichiro Mitsunaga, Midori Kobayashi, SatoeFukui. a-Amylase production is induced by sulfuric acid in rice aleurone cells J. Plant Physiology and Biochemistry, 2007, 45: 922-925.6Arnubio Valencia-Jime nez, Jorge W. Arboleda V, Maria Fatima Grossi-de-SaDetection of a-amylase inhibitors by a zymography method, performed in isoelectric focusing electrophoretic PhastGels J.Analytical Biochemistry, 2007, 366: 113-115.7杨秀芳，吴明鑫，刘晓桓白豆中-淀粉酶抑制剂的提取及其酶学性质的研究J应用化工，2007，36(8)：755-7578胡承等.白曲霉Aspergillus Kawachii工程菌转化酒精废液的研究J.四川大学学报（自），2001,382:269-273.9张文学等. 从蒸馏废液中制造高香气米烧酒的研究J.酿酒,2001,28(1):66-70.10张文学, 杨瑞.工程菌在柑枯醋饮料研制中的应用J.中国酿造,2001,(3):11-15.11马建飞.-淀粉酶的应用及研究进展J.现代农业科技，2010,17.12Veena Beri,Rajendra Gupta. Acetylcholinesterase inhibitors neostigmine and physostigmine inhibit induction of alpha-amylase activity during seed germination in barley, Hordeum vulgare var. JyotiJ. Life Sciences, 2007, 80：2386 -2388.13罗志刚，杨景峰，罗发兴-淀粉酶的性质及应用J食品研究与开发，2007，28(8)；16316614姚占全，田晓，杨体强电场对淀粉酶活性影响及存留时间的研究J内蒙古师范大学学报，2007，36(1)：58-6015孙晓云，王小生-淀粉酶对面包品质的影响J食品工业科技，2005，11(26)：65-6716汪钊，郑裕国，叶月恒真菌-淀粉酶应用于面包生产的研究J食品科学，1998，7(19)：29-3217汪建国酶制剂在酿造行业应用的研究及其发展前景J.中国酿造，2004，1：1-418马福强耐高温-淀粉酶在酒精生产中的应用J酿酒科技，2001，3：42-4319夏小明.-淀粉酶分离提纯技术研究进展J.20Saiyavit Varavinit, Narisa Chaokasema and Sujin Shobsngob.Immobilization of a thermostable alpha-amylase J. Science Asia , 28 , (2002) : 247-251.二、设计内容1、设计的指导思想和主要设计内容1.1设计的指导思想 生物学原则：根据不同微生物的营养和反应需求，设计培养基。营养物质组成较丰富，浓度适当，满足菌体生长和合成产物的需求。各种成分之间比例恰当，特别是有机氮和无机氮源，C/N比。一定条件下，各种原材料之间不能产生化学反应。具有适宜的pH和渗透压。 工艺原则：不影响通气，又不影响产物的分离精制和废物处理，过程容易控制。保证产品的质量符合国家标准。 低成本原则：原材料要因地制宜，来源方便，丰富，质量稳定，质优价廉，成本低。 高效经济原则：生产安全，环境保护，高质量，最高得率，最小副产物。 安全环保原则：确保人身和设备的安全，减少三废排放，合理处理三废。2、 设计拟采取的工艺原理技术路线 2.1菌种的选育及制备 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的个体。2.2培养基的配制 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。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。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。2.5发酵过程的工艺控制 (1)中间补料是在发酵过程中补充某些营养物料、水或产酶促进剂，以满足微生物的代谢活动和产酶的需要。(2)各种微生物需要在一定的pH环境中方能正常生长繁殖。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)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)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。(5)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。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。 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