年產(chǎn)10000噸耐高溫α-淀粉酶發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上年產(chǎn)10000噸耐高溫-淀粉酶發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)摘 要耐高溫-淀粉酶是由地衣芽孢桿菌等菌種經(jīng)液體深層發(fā)酵提取得到的一種淀粉內(nèi)切酶，其廣泛用于食品發(fā)酵工業(yè)和紡織業(yè)，是我國(guó)三大酶制劑產(chǎn)品之。本設(shè)計(jì)以地衣芽孢桿菌誘變株為生產(chǎn)菌，以玉米淀粉、豆粕和玉米漿為主要原料，采用機(jī)械攪拌通風(fēng)罐進(jìn)行間歇液體發(fā)酵生產(chǎn)。設(shè)計(jì)進(jìn)行了生產(chǎn)方法的選擇，確定了合理的工藝流程。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了詳細(xì)的工藝衡算和設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型。最后進(jìn)行發(fā)酵車(chē)間的布置，繪出工藝流程圖和車(chē)間布置圖。 關(guān)鍵字耐高溫-淀粉酶;工藝衡算;設(shè)備設(shè)計(jì)和選型；車(chē)間布置Annual output of 10,000 tons of high

2、-temperature -amylase workshop DesignBiological Engineer Major Song Ning AbstractFacility Layout Thermostable -amylase from Bacillus Licheniformis and other bacteria by submerged fermentation of an extracted enzyme, which is widely used in food fermentation industry and textile industry, China's

3、 three major enzyme products. The design of Bacillus Licheniformis for the production of mutant bacteria to corn starch, soybean meal and corn syrup as the main raw materials, mechanical ventilation can be intermittent mixing liquid fermentation. Design of the production methods of choice to determi

4、ne a reasonable process. On this basis, I made a detailed accounting process and equipment design and selection. Finally, fermentation plant layout, draw the flow chart and plant layout Keywords Thermostable -amylase ；Process accounting；Equipment design and selection；Facility Layout專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè)目 錄1 前言1.

5、1 耐高溫-淀粉酶簡(jiǎn)介淀粉酶廣泛存在于動(dòng)植物和微生物中，它是是一種內(nèi)切葡萄糖苷酶， 按酶委會(huì) (Enzyme Commission)的標(biāo)準(zhǔn)為 EC3 .2 .1.1 是指一類(lèi)作用于淀粉分子， 從分子內(nèi)部切開(kāi)一1.4鍵,生成糊精和還原糖的水解酶，產(chǎn)物的末端葡萄糖殘基C 1 碳原子為一 構(gòu)型，故稱(chēng)一淀粉酶,一淀粉酶是目前最重要的工業(yè)酶制劑之一，在味精, 飴糖、葡萄糖、酒精、啤酒,乳酸、檸檬酸等工業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。當(dāng)今廣泛使用的酶制劑始于1906年人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了用于液化淀粉生產(chǎn)乙醇的細(xì)菌淀粉酶，首先應(yīng)用于工業(yè)的一淀粉酶是來(lái)自于真菌的。但是，由于一些細(xì)菌一淀粉酶具有耐高溫、耐酸, 耐堿等特性，更符合工業(yè)

6、生產(chǎn)中的各種極端條件，因此，目前在需高溫的發(fā)酵等工業(yè)中使用的最為廣泛的是細(xì)菌一 淀粉酶，尤其是來(lái)自桿菌(如解淀粉芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌)的耐高溫一 淀粉酶已占據(jù)相當(dāng)大的市場(chǎng)。 耐高溫一淀粉酶按來(lái)源分為古菌一淀粉酶和真細(xì)菌一淀粉酶；他們的最適作用溫度在60以上。一般古菌來(lái)源的一淀粉酶較真細(xì)菌能夠件下生存，如高溫、高滲、強(qiáng)酸強(qiáng)堿等，維持他們生命活動(dòng)的很多蛋白質(zhì)也是適應(yīng)其生存環(huán)境的，因此，耐高溫一淀粉酶也有很多是來(lái)自古菌的。以下列出部分耐高溫僅一淀粉酶的性質(zhì).淀粉酶廣泛地存在于動(dòng)植物和微生物中，它是一種內(nèi)切葡萄糖苷酶，按酶委會(huì)(Enzyme Commission)的標(biāo)準(zhǔn)為 E C 3211，是指一類(lèi)

7、作用于淀粉分子，從分子內(nèi)部切開(kāi)一1 ，4鍵,生成糊精和還原糖的水解酶， 產(chǎn)物的末端葡萄糖殘基C1碳原子為構(gòu)型，故稱(chēng)一淀粉酶.淀粉酶是目前最重要的工業(yè)酶制劑之一，在味精、飴糖、葡萄糖、酒精、啤酒、乳酸、檸檬酸等工業(yè)中發(fā)揮著巨大作用。當(dāng)今廣泛使用的酶制劑始于1906年人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了用于液化淀粉生產(chǎn)乙醇的細(xì)菌淀粉酶，首先應(yīng)用于工業(yè)的淀粉酶是來(lái)自于真菌的。但是， 由于一些細(xì)菌淀粉酶具有耐高溫、耐酸、耐堿等特性，更符合工業(yè)生產(chǎn)中的各種極端條件，因此，目前在需高溫的發(fā)酵等工業(yè)中使用的最為廣泛的是細(xì)菌淀粉酶，尤其是來(lái)自桿菌(如解淀粉芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌)的耐高溫一淀粉酶已占據(jù)相當(dāng)大的市場(chǎng)。 衡量酶質(zhì)量的最重要

8、指標(biāo)是酶活力(um1)。70、pH60條件下，1min液化1毫克可溶性淀粉成為糊精所需要的酶量為1個(gè)酶活力單位。在實(shí)際應(yīng)用中，pH值、溫度和Ca2+對(duì)耐高溫Q一淀粉酶的酶活力及酶穩(wěn)定性均有一定影響。其作用穩(wěn)定pH范圍50-100，有效pH范圍50-80，最適pH范圍58-68；最適作用溫度在90以上，95-97時(shí)液化迅速，100時(shí)仍保持相當(dāng)活力，在連續(xù)噴射液化中，瞬間溫度可至105-110；較低鈣離子濃度條件下具有較好的熱穩(wěn)定性，一般Ca2+需要穩(wěn)定在50-70ppm。此外，和其他酶相同，耐高溫-淀粉酶本身也是蛋白質(zhì)，它具有蛋白質(zhì)一般通用性，如紫外線(xiàn)、熱、表面活性劑、重金屬鹽及酸堿變性劑等也會(huì)

9、使其部分或完全失活。耐高溫-淀粉酶添加量隨淀粉底物、液化設(shè)備和控制條件等諸多因素的不同而不同。為求得最佳用酶量，在使用前須先做一系列小型液化試驗(yàn)。一般液化每kg淀粉使用20000uml規(guī)格耐高溫-淀粉酶0308ml。耐高溫-淀粉酶存在于微生物體內(nèi)，大規(guī)模提取必須借助發(fā)酵工程。地衣芽孢桿菌是公認(rèn)的具有重要工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值的產(chǎn)耐高溫-淀粉酶的優(yōu)良菌株，因此國(guó)內(nèi)外廠家普遍采用地衣芽孢桿菌作菌種，經(jīng)發(fā)酵、提取、濃縮制得耐高溫-淀粉酶成品。1.2 耐高溫-淀粉酶的應(yīng)用耐高溫-淀粉酶是淀粉及以淀粉為材料的工業(yè)生產(chǎn)中最重要的一種水解酶，已廣泛應(yīng)用于食品、 啤酒釀造、酒精工業(yè)、紡織退漿和造紙工業(yè)。1.2.1 在淀

10、粉工業(yè)中的應(yīng)用耐高溫-淀粉酶用于淀粉工業(yè), 可用來(lái)生產(chǎn)變性淀粉,淀粉糖等。 由于-淀粉酶在適宜條件下對(duì)淀粉具有較強(qiáng)的水解能力, 控制反應(yīng)的條件, 可以控制淀粉的水解率, 從而將淀粉水解成多孔狀的多孔淀粉。 多孔淀粉可以作為微膠囊芯材和吸附劑, 作為香精香料、風(fēng)味物質(zhì)、 色素、 藥劑及保健食品中功能成分的吸附載體, 成本低, 可自然降解, 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于食品、 醫(yī)藥、 化工、農(nóng)業(yè)、 保健品等領(lǐng)域【2】。耐高溫-淀粉酶現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于淀粉糖的生產(chǎn), 主要用于淀粉的液化和糖化。 工業(yè)生產(chǎn)中, 淀粉的液化是將耐高溫-淀粉酶先混入淀粉乳中, 加熱,淀粉糊化后進(jìn)行液化。 由于耐高溫-淀粉酶對(duì)于糊化淀粉具有

11、很強(qiáng)的催化水解作用, 因此可以迅速將淀粉水解成小分子, 使其粘度降低, 流動(dòng)性增高, 以利于淀粉的糖化。1.2.2 在酒精工業(yè)中的應(yīng)用在玉米為原料生產(chǎn)酒精中添加耐高溫-淀粉酶低溫蒸煮的新工藝, 每生產(chǎn) 1 t 酒精可節(jié)煤 224.42 kg, 又可減少冷卻用水, 提高出酒率 8.8%, 酒精成品質(zhì)量也有顯著提高。酒精生產(chǎn)應(yīng)用耐高溫-淀粉酶, 采用中溫95 -105 蒸煮, 既可有效地殺死原料中帶來(lái)的雜菌, 降低入池酸度和染菌機(jī)率, 又可保護(hù)原材料中的淀粉組織不被破壞, 形成焦糖或其它物質(zhì)而損失, 從而提高原料利用率。1.2.3 在紡織退漿中的應(yīng)用由于棉織物在編織過(guò)程中需使用較大的張力, 容易使

12、絲線(xiàn)斷裂, 因此需加入一些漿料對(duì)其保護(hù)。 由于淀粉資源廣泛, 廉價(jià)易得, 易退漿, 因此紡織工業(yè)中多采用淀粉漿?？椢锿藵{主要使用-淀粉酶, 它會(huì)使淀粉大分子發(fā)生分解, 生成可溶性的水解產(chǎn)物, 減弱了對(duì)纖維的粘附力, 因此可以通過(guò)水洗將其除去, 最后從纖維上脫除。 早期是用麥芽產(chǎn)生的一種內(nèi)生酶來(lái)退漿, 近期則使用真菌或細(xì)菌淀粉酶。耐高溫-淀粉酶尤其適用, 因?yàn)樗鼈兡軌蚰透邷? 在堿性的環(huán)境里有一定的穩(wěn)定性, 具有一個(gè)中性的最適 pH 值( pH5-7.5) 。酶的催化效率高, 有利于提高生產(chǎn)效率。如用堿分解淀粉退漿需要10 h-12 h, 而用耐高溫-淀粉酶只要 20 min-30 min 即可

13、完成退漿過(guò)程。淀粉酶退漿的另一原因是比其它退漿劑(如酸或氧化劑)更利于環(huán)保【5】。在退漿浴中添加鈣鹽, 可提高淀粉酶的穩(wěn)定性, 從而可用較高的溫度或較低的酶劑量來(lái)達(dá)到退漿的目的。1.2.4 在造紙業(yè)中的應(yīng)用當(dāng)代造紙工業(yè)中, 造紙用化學(xué)品在提高紙品質(zhì)量、增加紙品功能、提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮著極為重要的作用。由于淀粉與造紙用植物纖維素結(jié)構(gòu)相近, 相互間有良好的親和作用, 資源廣泛, 廉價(jià)易得, 尤其是經(jīng)變性處理的淀粉, 能賦予紙張優(yōu)異的性能, 因此各類(lèi)變性淀粉在造紙中廣泛用于濕部添加、層間噴霧、 表面施膠和涂布粘合。-淀粉酶可以生產(chǎn)涂布粘合用變性淀粉。Bruinenberg等用-淀粉

14、酶生產(chǎn)了涂布粘合用低粘度, 高分子量的變性淀粉。此外,其還可以應(yīng)用于紙的表面施膠, 由于造紙施膠過(guò)程中要保持淀粉乳的粘度, 壓扎機(jī)也要根據(jù)所造紙的級(jí)別來(lái)調(diào)整施膠的粘度, 而且天然淀粉的粘度較高需經(jīng)處理降低其粘度后才能用于表明施膠, 因此需要用-淀粉酶間歇式或連續(xù)降解淀粉來(lái)調(diào)整淀粉乳的粘度。其反應(yīng)的條件要根據(jù)所用淀粉和-淀粉酶的性質(zhì)來(lái)確定。1.3 耐高溫-淀粉酶行業(yè)發(fā)展的歷程和現(xiàn)狀耐高溫-淀粉酶行業(yè)是伴隨著酶工程和微生物發(fā)酵工程的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。酶工程是現(xiàn)代生物工程的一個(gè)分支，是當(dāng)今最具有發(fā)展前景的學(xué)科之一。由于從動(dòng)植物體中提取酶化較麻煩，數(shù)量也有限，研究者普遍看好通過(guò)微生物大規(guī)模培養(yǎng)，然后從

15、中提取酶，以獲取大量酶制劑。20世紀(jì)70年代以后，伴隨著第二代酶及其相關(guān)技術(shù)的產(chǎn)生，酶工程技術(shù)才得以真正發(fā)展。酶制劑是一種生態(tài)型高效催化劑，具有高效、安全、生態(tài)和環(huán)保等特點(diǎn)，能夠有效帶動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)水平的提高，對(duì)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品、提高質(zhì)量、節(jié)能降耗、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。酶制劑產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為生物技術(shù)領(lǐng)域的前衛(wèi)產(chǎn)業(yè)和21世紀(jì)最有希望的新興產(chǎn)業(yè)之一。從1906年人類(lèi)發(fā)現(xiàn)了用于液化淀粉生產(chǎn)乙醇的-淀粉酶以來(lái)，經(jīng)過(guò)整整一百年的發(fā)展，酶制劑已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于食品加工、紡織、洗滌劑、飼料、醫(yī)藥等行業(yè)，給這些行業(yè)帶來(lái)了新的生機(jī)和活力。1945年后，抗生素工業(yè)通風(fēng)攪拌發(fā)酵技術(shù)移植到酶制劑工業(yè)，使微生物酶制劑工業(yè)

16、迅速發(fā)展起來(lái)。1949年日本開(kāi)始用深層發(fā)酵法生產(chǎn)細(xì)菌淀粉酶。20世紀(jì)80年代后期，隨著遺傳工程、蛋白質(zhì)工程等現(xiàn)代生物技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，促使世界酶制劑工業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，成為生物工程四大主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)中最早實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的新興高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。1983年世界酶制劑產(chǎn)量為6.5萬(wàn)t，銷(xiāo)售額4億美元；1991年銷(xiāo)售額達(dá)6.1億美元，1995年達(dá)11億美元，2003年增長(zhǎng)至22.5億美元。酶工業(yè)在我國(guó)起步雖晚，但發(fā)展很快，從20世紀(jì)60年代中期起步，至今短短的四十多年，已初步建成了完整的酶工業(yè)，產(chǎn)品已被廣泛用于食品、發(fā)酵以及醫(yī)藥等行業(yè)。酶制劑的應(yīng)用，促進(jìn)了這些行業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了酶工業(yè)自身的發(fā)展。全世界食品工業(yè)用酶約占各種

17、酶總量的60，我國(guó)高達(dá)85以上。1.3.1耐高溫-淀粉酶行業(yè)在我國(guó)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀20世紀(jì)60年代末期我國(guó)國(guó)家科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家計(jì)委等有關(guān)部門(mén)開(kāi)發(fā)出耐高溫-淀粉酶，主要品種有兩種，一種是利用解淀粉芽孢桿菌BF7658經(jīng)物理和化學(xué)方法反復(fù)誘變而得到的一些突變菌株。BF7658及其突變菌株所產(chǎn)生的-淀粉酶最適反應(yīng)溫度為75oC，70oC以下不穩(wěn)定，90處理15min隨即失活。酶的最適反應(yīng)pH5-7。熱穩(wěn)定性隨反應(yīng)系中淀粉濃度增加而增強(qiáng)。另一種是用上海工業(yè)微生物所以地衣芽孢桿菌ATCC9789為出發(fā)菌株，經(jīng)過(guò)誘變得的A4041菌株生產(chǎn)，90oC加熱60min不失活，最適pH5-7。1989年無(wú)

18、錫酶制劑廠開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)耐高溫-淀粉酶。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，耐高溫-淀粉酶已發(fā)展成為我國(guó)三大酶產(chǎn)品之一。行業(yè)中現(xiàn)有20多家企業(yè)在生產(chǎn)耐高溫-淀粉酶，總產(chǎn)量約超1萬(wàn)t，以液體劑型居多，占我國(guó)總酶產(chǎn)量的17左右。20年來(lái)，發(fā)酵酶活力從500u/ml提高到了5000u/ml，個(gè)別廠家已達(dá)到了7500 u/ml。但是發(fā)酵技術(shù)水平和國(guó)際先進(jìn)水平相比，一直存在較大差距。1994年美國(guó)星達(dá)公司(Synder)并購(gòu)無(wú)錫酶制劑廠，引進(jìn)了先進(jìn)的技術(shù)和菌種。Novozymes和Genencor緊隨其后，在我國(guó)成立控股、參股公司。2003年兩公司開(kāi)始積極參與中國(guó)大型燃料乙醇項(xiàng)目的開(kāi)工、試車(chē)和生產(chǎn)。世界酶制劑兩強(qiáng)的進(jìn)入

19、，標(biāo)志著中國(guó)耐高溫-淀粉酶制劑市場(chǎng)已經(jīng)與國(guó)際市場(chǎng)成為一體。跨國(guó)企業(yè)的進(jìn)入一方面占據(jù)了較大的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額，但也帶來(lái)了相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)的擴(kuò)散。近五年來(lái)，諾維信和杰能科在市場(chǎng)開(kāi)發(fā)上取得了巨大的成功，自身的生產(chǎn)已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，因此相繼委托國(guó)內(nèi)其他企業(yè)代加工。在跨國(guó)企業(yè)的質(zhì)量、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求下，國(guó)內(nèi)酶制劑企業(yè)的生產(chǎn)水平得到了極大的提升，生產(chǎn)的產(chǎn)品也為跨國(guó)企業(yè)所認(rèn)可，返銷(xiāo)到國(guó)外。我國(guó)耐高溫-淀粉酶行業(yè)的發(fā)展和國(guó)外相同，也是伴隨淀粉水解行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。隨著我國(guó)淀粉深加工行業(yè)的飛速發(fā)展，耐高溫-淀粉酶所扮演的角色越來(lái)越重要。尤其在玉米深加工領(lǐng)域，采用耐高溫淀粉酶和糖化酶的”淀粉噴射液化”技術(shù)以及“雙酶法

20、”糖化技術(shù)全面帶動(dòng)了我國(guó)淀粉糖、味精、檸檬酸等生產(chǎn)工藝的改革，帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。我國(guó)于20世紀(jì)80年代初引進(jìn)了美國(guó)的蒸汽噴射液化器，使液化得以連續(xù)進(jìn)行，并開(kāi)始應(yīng)用淀粉酶液化和糖化酶糖化的雙酶法制糖工藝。由于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)尚無(wú)耐高溫淀粉酶，而采用的是簡(jiǎn)易的一級(jí)液化法，即在一定濃度的玉米粉漿內(nèi)加入所需要的7658細(xì)菌淀粉酶，調(diào)pH 6.0- 6.5，利用噴射液化器把玉米粉漿加熱到86-88，直接引入液化反應(yīng)罐液化。此種液化工藝效果欠佳。1992年以后我國(guó)采用了耐高溫淀粉酶二級(jí)液化代替一級(jí)液化工藝，并在液化設(shè)備配套方面又進(jìn)行了改進(jìn)，使受液化的淀粉充分分散，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到噴射液化溫度，瞬間完成

21、玉米粉漿的糊化和液化，然后繼續(xù)在維持管中維持105-110，5-10 min。料液注入液化罐后，再次加入耐高溫-淀粉酶在95-97下進(jìn)行二次液化，使酶法噴射液化取得了突破性的改進(jìn)。有報(bào)道稱(chēng)，將耐高溫-淀粉酶應(yīng)用于玉米干磨制粉直接加工淀粉糖后，由于液化是在密閉的管道內(nèi)進(jìn)行，便于連續(xù)生產(chǎn)，不僅節(jié)能，而且能大幅度增加玉米粉的干物質(zhì)回收率，已突破了國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道的玉米干法制糖約有30的淀粉未能直接利用的界限；此外，還改進(jìn)了液化液組成，有利于糖化，在二代果糖生產(chǎn)中可使糖化液DE值達(dá)97-98，超過(guò)了國(guó)際上報(bào)道的酶法淀粉糖化液DE值95-96的要求。在味精行業(yè)的制糖工藝中添加耐高溫Q一淀粉酶，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析可

22、知，實(shí)現(xiàn)了高底物濃度制糖，也進(jìn)一步提高糖液質(zhì)量，從而使整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的效能進(jìn)一步改進(jìn)和提高。1.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容及意義本次設(shè)計(jì)課題為年產(chǎn)10000噸耐高溫-淀粉酶的發(fā)酵車(chē)間設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)以地衣芽孢桿菌誘變菌株為發(fā)酵菌株，采用液體深層發(fā)酵法，利用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐進(jìn)行間歇發(fā)酵。并且選用合適的培養(yǎng)基及發(fā)酵條件，放罐酶活度達(dá)到12000u/ml。通過(guò)工藝計(jì)算及設(shè)備設(shè)計(jì)計(jì)算與選型。進(jìn)行發(fā)酵車(chē)間的合理布置，從而完成發(fā)酵車(chē)間的主要設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)課題設(shè)計(jì)的完成，我們獲得了較國(guó)內(nèi)普遍成本更低的耐高溫-淀粉酶產(chǎn)品，取得更好的經(jīng)濟(jì)效益，使企業(yè)有了更多的生存發(fā)展空間。2耐高溫-淀粉酶生產(chǎn)方法的選擇及論證2.1工藝流程 主料

23、主料加水?dāng)嚢?泵送加水?dāng)嚢枇纤?2 泵送 泵送發(fā)酵罐種子罐92-95液化25-40min20000u/ml耐高溫-淀粉酶1000ml 發(fā)酵罐種子罐min20000u/ml耐高溫-淀粉酶10-12L92-951020 min液化加水?dāng)嚢?泵送發(fā)酵罐 玉米漿消泡劑玉米漿消泡劑加水?dāng)嚢?泵送種子罐minmin121滅菌30min0. 0.10.15MP發(fā)酵罐121滅菌30min輔料 種子罐輔料 無(wú)菌空氣接種接種發(fā)酵罐搖瓶培養(yǎng)菌種種子罐41-42培養(yǎng)6080h種子罐無(wú)菌空氣成熟發(fā)酵醪37±1培養(yǎng)24-48h種子罐 種液2.2 生產(chǎn)方法選擇及操作要求【9】耐高溫-淀粉酶存在于微生物體內(nèi)，大規(guī)模

24、提取必須借助發(fā)酵工程。地衣芽孢桿菌是公認(rèn)的具有重要工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值的產(chǎn)耐高溫-淀粉酶的優(yōu)良菌株，因此國(guó)內(nèi)外廠家普遍采用地衣芽孢桿菌作菌種，經(jīng)發(fā)酵、提取、濃縮制得耐高溫-淀粉酶成品。地衣芽孢桿菌為好氧發(fā)酵菌，所以采用好氧液體深層發(fā)酵法，以提高發(fā)酵效率，降低發(fā)酵周期；發(fā)酵罐選用機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。221種子罐培養(yǎng)(1)備料先將主料從地槽泵入罐中并添加20000uml高溫淀粉酶液1000ml，加熱至9295液化1020min，再泵入玉米漿和消泡劑，并用水沖洗，封蓋滅菌。 (2)滅菌先打開(kāi)罐頂部所有排污閥，用蒸汽加熱。開(kāi)罐底排污閥，開(kāi)罐底蒸汽沖洗5l0min，關(guān)閉排污閥，開(kāi)罐底閥使蒸汽進(jìn)入罐中，汽壓控制在

25、02mpa左右。從取樣口、進(jìn)風(fēng)口、罐底閥分別進(jìn)汽并調(diào)節(jié)三路蒸汽，控制進(jìn)汽量在02mpa左右。待罐溫升至9295時(shí)，關(guān)閉罐項(xiàng)所有排汽考克，罐項(xiàng)溫度、壓力開(kāi)始上升，分別達(dá)到121，01O15mpa時(shí)開(kāi)始打開(kāi)罐頂所有排汽，并調(diào)節(jié)進(jìn)汽與排汽量使其達(dá)到平衡，開(kāi)始記時(shí)。30min后，關(guān)閉罐頂所有排汽并立即關(guān)閉所有進(jìn)汽口，開(kāi)啟降溫水降溫，待罐壓降至008mpa時(shí)通入無(wú)菌空氣，保持罐壓0.1一0.15mpa。輔料滅菌后，保持風(fēng)管蒸汽，利用輔料罐與種子罐壓差將輔料子罐中，冷卻至38接種培養(yǎng)。(3)接種采用火焰下接種方法。先將酒精棉纏在接種管口，旋下外套點(diǎn)燃酒精棉，在火焰下將接種瓶的針頭插入接種管，關(guān)閉排風(fēng)使罐壓

26、升到015mpa，迅速打開(kāi)排風(fēng)降壓，將種子接入罐中后，點(diǎn)燃蠟燭用蠟油封閉接種口，調(diào)整風(fēng)量，進(jìn)行種子培養(yǎng)。(4)種子罐培養(yǎng)將種子罐前期風(fēng)量控制在80m3h左右，中后期調(diào)高到l00m3h，罐壓保持在0.6mpa，培養(yǎng)溫度37±1.0，培養(yǎng)24一48h即可。222大罐培養(yǎng)(1)備料先將主料從地槽泵入發(fā)酵罐中并添加20000uml耐高溫a一淀粉酶，加熱升溫液化，并于90一95時(shí)補(bǔ)加115L高溫淀粉酶，攪勻靜止液化15-20min(主輔料合并后的DE值主要取決于液化時(shí)間)，再加入玉米漿和消泡劑準(zhǔn)備滅菌。 (2)滅菌先打開(kāi)罐頂所有排氣。加熱至92。打開(kāi)罐底排污閥，開(kāi)罐底蒸汽沖洗5l0min，關(guān)閉

27、排污閥使蒸汽進(jìn)入罐中，控制汽壓在02mpa左右。從取樣口，進(jìn)風(fēng)口和罐底分別進(jìn)汽，并調(diào)節(jié)三路蒸汽量在02mpa左右。待罐溫升至92時(shí)，關(guān)閉罐頂所有排汽。罐內(nèi)壓力開(kāi)始上升，待溫度達(dá)到121、壓力達(dá)到0.10.15mpa時(shí)開(kāi)始打開(kāi)罐頂所有排汽，并調(diào)節(jié)進(jìn)汽量與排汽量使其達(dá)到平衡，開(kāi)始計(jì)時(shí)。30min后，關(guān)閉罐項(xiàng)所有排汽并立即關(guān)閉所有進(jìn)汽口，開(kāi)啟降溫水降溫，待罐壓降至008mpa時(shí)通入無(wú)菌空氣并保持罐壓0.10.15mpa。輔料管道滅菌30min，輔料滅菌30 min后，保持風(fēng)管蒸汽，利用輔料罐和發(fā)酵罐壓差將輔料壓入發(fā)酵罐中。主輔料合并后溫度保持在50左右。 (3)移種打開(kāi)移種管路上所有排汽閥門(mén)，進(jìn)汽量

28、維持在0.220.25mpa，對(duì)移種管道進(jìn)行空消60 min。消完后，關(guān)所有排汽并關(guān)蒸汽。如鏡檢菌體斷裂 (4)大罐發(fā)酵種子罐移種后，保持大罐總裝罐量保持在70左右，保持發(fā)酵液初始pH63。調(diào)風(fēng)量閥將風(fēng)量控制在800 Ill3h，罐壓保持在06mpa，取樣測(cè)定DE值。隨后調(diào)節(jié)大罐冷卻盤(pán)管降溫水進(jìn)水量，將罐溫控制在40"-41。發(fā)酵罐內(nèi)料液pH自動(dòng)上升至最高值后開(kāi)始下降，調(diào)整風(fēng)量至1000 m3h，溫度控制在4142。pH值下降至65時(shí)，通氨維持pH 6567。發(fā)酵時(shí)間6080h內(nèi)，當(dāng)以下五項(xiàng)指標(biāo)有三項(xiàng)達(dá)到要求，即可放罐并測(cè)定酶活力：不通氨情況下pH上升至718O；活力不再增加或增加緩

29、慢；泡沫不再上升；碎菌體、空泡較多；pH值達(dá)到10 2.2.3 培養(yǎng)基配方(2)種子培養(yǎng)基(g/l):主料：玉米粉80；玉米漿17.5；豆粕30；硫酸銨5 ; 耐高溫-淀粉酶20000u/ml 1000ml；消泡劑 1LM³ ;氯化鈣 0.45 料水 16 輔料：K2HPO43H2O 7;KH2PO4 2.2；檸檬酸鈉 1.4（3）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/l）：主料：玉米粉240；玉米漿 15；豆粕 62.5；氯化鈣 0.45 消泡劑 1LM³ 耐高溫淀粉酶20000uml 10L；料水 12輔料：K2HPO43H2O 7;KH2PO4 2.2；檸檬酸鈉 1.43.工藝計(jì)算3.1工

30、藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) 3.1.1.10000t/a耐高溫-淀粉酶酵車(chē)間設(shè)計(jì)（1）.工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) -淀粉酶發(fā)酵工廠技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)系數(shù)單位指標(biāo)數(shù)指標(biāo)系數(shù)單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a10000發(fā)酵輔助時(shí)間h24生產(chǎn)方法液體發(fā)酵菌種培養(yǎng)時(shí)間h24年生產(chǎn)天數(shù)d/a300菌種培養(yǎng)輔助時(shí)間h15產(chǎn)品日產(chǎn)量Kg/d33334接種量%10產(chǎn)品質(zhì)量u/g20000發(fā)酵罐裝料系數(shù)%80倒灌率%2放罐發(fā)酵單位u/ml12000發(fā)酵周期h96提取總收率%80(2)種子培養(yǎng)基(g/l):主料：玉米粉80；玉米漿17.5；豆粕30；硫酸銨5 ; 耐高溫-淀粉酶20000u/ml 1000ml；消泡劑 1LM³

31、 ;氯化鈣 0.45 料水 16 輔料：K2HPO43H2O 7;KH2PO4 2.2；檸檬酸鈉 1.4（3）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/l）：主料：玉米粉240；玉米漿 15；豆粕 62.5；氯化鈣 0.45 消泡劑 1LM³ 耐高溫淀粉酶20000uml 10L；料水 12輔料：K2HPO43H2O 7;KH2PO4 2.2；檸檬酸鈉 1.43.2物料衡算 首先計(jì)算生產(chǎn)1000kg活度為20000u/ml的耐高溫淀粉酶，產(chǎn)品需要耗用的原材料及其他物料量：（1）放罐成熟發(fā)酵液放罐單位為12000u/ml，生產(chǎn)1000kg產(chǎn)品發(fā)酵液量為：Vo=1000×20000×1000/

32、12000×1000×1000×80%×98%=2.13M³式中80%耐高溫淀粉酶總提取率98%除去倒灌率2%的發(fā)酵成功率（2）房管成熟發(fā)酵液量Vo分為三部分組成： 底料 V1=Vo×90%=1.81M³ 種液量 V2=Vo×10%=0.32M³ 底料物料用量：發(fā)酵培養(yǎng)基配方×V1種液的物料用量：種子培養(yǎng)基配方×V2（3）配制發(fā)酵罐培養(yǎng)基的淀粉量M1=240V1=434.4kg(4)種子罐培養(yǎng)基的淀粉量M2=80V2=25.6kg（5）生產(chǎn)1000kg耐高溫淀粉酶共需淀粉量M=M1+M

33、2=460kg依此類(lèi)推，可以計(jì)算出生產(chǎn)1000kg耐高溫淀粉酶所需要其他物料的量（6）玉米漿的用量 M3=1.5V1+1.75V2=32.75kg（7）豆粕的用量M4=62.5V1+30V2=38.28kg（8）氯化鈣的量M5=0.45V1+0.45V2=0.96 kg（9）硫酸銨的用量M6=5V2=1.6kg(10)KH2PO4的用量M7=2V1+2.2V2=4.32kg（11）K2HPO4.3H2O的用量M8=16V1+7V2=31.2kg（12）檸檬酸鈉的量M9=2.5V1+1.4V2=4.973kg由上述生產(chǎn)1000kg活度為20000u/ml的耐高溫-淀粉酶產(chǎn)品，需要耗用的原材料及其

34、他物料衡算結(jié)果，可求得10000t/a耐高溫-淀粉酶車(chē)間的物料衡算，計(jì)算結(jié)果具體如下： 表2 10000t/a耐高溫-淀粉酶發(fā)酵車(chē)間物料衡算表物料名稱(chēng)生產(chǎn)1t產(chǎn)品物料量10000t/a產(chǎn)品物料量每日物料量成品/kg10001000000033334發(fā)酵液量/m32.132.13×10471玉米淀粉/kg4602.13×104153300豆粕/kg122.75122.75×1044091.67玉米漿/kg32.7532.75×1041091.67磷酸二氫鉀/kg31.231.2×1041040硫酸銨/kg1.61.6×10453.33氯

35、化鈣/kg0.960.96×10432檸檬酸鈉/kg4.9734.973×104165.67 3.3熱量衡算 自來(lái)水18升到50 發(fā)酵罐料水12料水1612130 min滅菌12130 min滅菌種子罐92 15min液化9015 min液化種子罐發(fā)酵罐玉米漿消泡劑玉米漿消泡劑 生產(chǎn)1000kg淀粉酶產(chǎn)品的熱量衡算。3.3.1.種子罐加水耗熱量Q0根據(jù)工藝，種子罐加水量為：M1=42.544×6=255.26kg42.544種子罐的物料量種子罐用水量為M1=255.46kg自來(lái)水平均溫度取t1=18，而配料用水溫為t250，故耗熱量:Q0=CwM1(t2-t1)

36、=4.18×255.46×32 =34143.58KJ種子罐液化熱耗：Q=Q+Q”+Q”種子罐先升溫到92 Q=M玉米醪C玉米醪（92-to）（1） 計(jì)算玉米醪的比熱容C玉米醪，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，C谷物=0.0.1(100-)+4.18進(jìn)行計(jì)算，式中為含水量百分率,Co為谷物比熱容，取Co=1.55kj/(kg/k)C玉米粉=0.01(100-13)×1.55+4.18×13=1.89 KJ/(kg×k)C 豆粕 =0.01(100-8)×1.55+4.18×8=1.76 KJ/(kg×k)C玉米漿=0.01(100-

37、30)×1.55+4.18×30=2.34 KJ/(kg×k) C玉米粉M玉米粉+ C豆粕M豆粕+ +M1CwC玉米醪 M玉米粉+M黃豆粉+M1 3.898 （2）設(shè)玉米醪的初溫to，設(shè)原料的初溫為18，熱水為50，則： （C玉米粉M玉米粉+ C豆粕M豆粕）×18+M1Cw50to= C玉米醪M玉米醪 = 48.16 式中 M玉米醪=290.46kg（3） 把上述結(jié)果代回Q= C玉米醪M玉米醪（92-to） Q=290.46×3.898×43.84 =49636.22KJ3.3.2液化過(guò)程蒸汽帶出的熱量Q” 設(shè)液化時(shí)間為15min，蒸

38、汽量為每小時(shí)5%，則蒸發(fā)量為： MV1=M玉米醪×5%×15/60=3.63kgQ”=-MV1=3.63×2274.1=8254.98KJ 式中 I液化溫度下水的汽化熱（KJ/kg）（4） 熱損失（5） 玉米醪升溫和液化過(guò)程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即： Q”=15%（Q+ Q”） 有上述結(jié)果得Q Q=1.15（Q+ Q”） =66574.88KJ3.3.3發(fā)酵罐的耗熱量Q1 C玉米粉M玉米粉+ C豆粕M豆粕+ +M1CwC玉米醪 M玉米粉+M豆粕+M1 3.433 （C玉米粉M玉米粉+ C豆粕M豆粕）*18+M1Cw50to= C玉米醪M玉米醪 =44.

39、40設(shè)玉米醪的初溫to，設(shè)原料的初溫為18，熱水為50， M玉米醪=1698.50由工藝知：液化10-15min。溫度90-95 則 Q=玉米醪M玉米醪（92-to） =277554.06KJ 液化過(guò)程蒸汽帶出的熱量Q設(shè)液化為15min，蒸汽量為每小時(shí)5%，則蒸發(fā)量為： MV1=M玉米醪×5×15/60=21.23Q”=MV1=21.23×22740.1 =48277.02KJ玉米醪升溫和液化過(guò)程的熱損失約為前二次耗熱量的15%，即 Q”=15%（Q+ Q”） 則發(fā)酵罐的熱耗為 Q=1.15（Q+ Q”）=374705.74KJ種子罐和發(fā)酵罐用水的升溫的水熱耗 Q

40、 = (M1+M2)×（5018） = 188098.66KJ4.生產(chǎn)1000kg淀粉酶的熱耗 Q總=188098.66+374705.74+66574.88 =292079.28KJ5.生產(chǎn)1000kg淀粉酶的蒸汽量D使用表壓為0.2MPa的飽和蒸汽，h=2202kj/ k則 Mo=Q總/h=139.62式中 蒸汽的熱效率；取µ=95%3.3.4汽單耗 根據(jù)設(shè)計(jì)年耗蒸汽總量為： Mt=10000×139.62=139.62×104每噸淀粉酶耗蒸汽Mo=139.62每晝夜耗蒸汽量為：M1=46508.耗能表如下 10000t淀粉酶發(fā)酵車(chē)間的熱量消耗名稱(chēng)壓

41、力/MPa每噸產(chǎn)品消耗定額/kg每天消耗量/（kg/h）年消耗量/（kg/a）蒸汽0.2139.62465013962003.4 水平衡的計(jì)算 計(jì)算生產(chǎn)1t淀粉酶的耗水量3.4.1種子罐液化的耗水量M1 M1=255.263.4.2發(fā)酵罐液化的耗水量M2=1150.983.4.3 液化后根據(jù)工藝需要冷卻到38此時(shí)冷卻水的耗量 M醪C醪(121-38)M3= CW(40-18) =1890 1. 40-為冷卻水的終溫度 18為冷卻水的初始溫度3.4.4發(fā)酵罐的醪液滅菌后冷卻到50 M醪C醪(121-50)M3= CW(40-18) =7168.761. 生產(chǎn)1t的淀粉酶的耗水量為 Mo=M1+M

42、2+M3+M4 =104652. 生產(chǎn)10000t發(fā)酵車(chē)間的總用水量M=Mo×10000=10465×104每天用量：M=M/300=34.88×104每小時(shí)用量：M”=M/24=2722kg 水平衡計(jì)算結(jié)果如下表名稱(chēng)每噸產(chǎn)品消耗量每天用量/d年耗量/a冷水1046534.88×10410465×1044備的設(shè)計(jì)與選型4.1發(fā)酵罐的設(shè)計(jì)與選型本淀粉酶發(fā)酵車(chē)間用間歇操作設(shè)備4.1.1生產(chǎn)能力的計(jì)算：（1）生產(chǎn)能力的計(jì)算根據(jù)上一章的工藝計(jì)算可知：生產(chǎn)1噸耐高溫-淀粉酶所需發(fā)酵液2.13m³生產(chǎn)10000t耐高溫-淀粉酶所需發(fā)酵液21300

43、m3；每年工作300天，每天所需發(fā)酵液 V糖=21300/300=71m3取發(fā)酵罐的填充系數(shù)=70每天需要發(fā)酵罐總?cè)萘縑0為 V0=71/0.8=88.7m3（2）發(fā)酵罐容積的確定根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)及管理水平，選擇經(jīng)濟(jì)性能比較好的全容積為90m3的機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐。（3）發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定單罐全容量為90(m3)，則每天的發(fā)酵罐個(gè)數(shù)N0為： N0=88.7/90=1個(gè)共需的發(fā)酵罐個(gè)數(shù)： N1=V0·/V總·24 =4個(gè)式中 操作周期，包括發(fā)酵時(shí)間及輔助時(shí)間4.1.2主要尺寸的計(jì)算： 發(fā)酵罐采用高徑比1：1.9，上下均為球缺，中間為柱體如下圖所示 按生產(chǎn)90m3的發(fā)酵罐計(jì)算： V

44、全=V柱+2V封=90m³封頭折邊忽略不計(jì)，以方便計(jì)算。則 V全=V柱+2V封=0.785D2×1.9D+D3×2/24=90m³H=1.95D，解方程的：1.49D2+0.26D3=55m³D=3.72mH=1.9 D=7.0m圓柱部分容積：V1=0.785×3.72 ²×7=76m³上，下封頭體積：V2=V3=D3/24=7m³4.1.3冷卻面積的確定 酶制劑冷卻面積取1.0/ m3由上知填充系數(shù)=80 則90m³的的發(fā)酵罐換熱面積A=V全=90×80×1=72

45、4.1.4攪拌器的設(shè)計(jì)由于糖化酶發(fā)酵過(guò)程中有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此選用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各部尺寸與罐徑D有一定比例關(guān)系，現(xiàn)將主要尺寸列下： 攪拌器葉徑 Di=D/3=1.24m 葉寬 B=0.2Di=0.25m 弧長(zhǎng) l=0.375Di=0.47m 底距 C=D/3=1.24m 盤(pán)徑 di=0.75Di=0.93m 葉弦長(zhǎng) L=0.25Di=0.31m 葉距 Y=D=3.72m彎葉板厚=14mm取兩擋攪拌，攪拌速率為110r/min.（2）攪拌軸功率的確定則應(yīng)選取可按經(jīng)驗(yàn)式進(jìn)行計(jì)算確定，通常按1kw/ m3發(fā)酵罐，對(duì)于90m3發(fā)酵罐，裝液量為72 m則應(yīng)選取72 kw的電

46、機(jī)4.1.5設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)（1）求最高熱負(fù)荷下的耗水量WW=Q總/Cp（t2-t1） 式中 Q總每1 m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積Q總=4.18×6000×72=1.8×106 Cp冷卻水的比熱容，4.18 KJ/(kg×k) T2冷卻水的終溫t2=30 T1冷卻水的初溫t1=20將各值代入上式： W=12kg/s冷卻水體積流量為0.1 m3/s，取冷卻水在豎直管道中流速為1m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積A總為： A總=W/V式中 W冷卻水體積流量 V冷卻水流速 代入上式，A總=0.1進(jìn)水總管直徑d總=0.357

47、m，取Dg350×4（2)冷卻管組數(shù)和管徑，設(shè)冷卻管總面積為A總管徑do，組數(shù)為n則A總=n×0.785do2取n=6求管徑：由上式得：do=0.146m 查金屬材料表選取150×4.5無(wú)縫管，da=159mm,d平均=154.5mm現(xiàn)取豎蛇管圈部U型彎管曲徑為250mm則兩直管距離為500mm，兩端彎管總長(zhǎng)度為lo=D=1570mm（3)冷卻管總長(zhǎng)L計(jì)算，有前知冷卻管總面積A=72，現(xiàn)取無(wú)縫管159×4.5 L=A/A0=144.2m取冷卻管為6組 n=6每組管長(zhǎng)Lo=L/n=24m另需連接管0.8m，L實(shí)=L-0.8=23.2m冷卻管占有體積V=0.

48、785×0.159²×144.2=2.86m3可排豎直蛇管的高度設(shè)為靜液面高度，下部可深入封底250mm，設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)附件占有體為0.5 m3則總占有體積為： V管+V附件=3.36m3 V總×70%+V管+V附件-V3筒體液面 S截面 =6.3m豎直蛇管總高6.3m則H高=6.3+1=7.3m取管間距為0.5m，有兩端管總長(zhǎng)為：lo=3.14×0.5=1.57則一圈管長(zhǎng)為：L=2H高+Lo=17m每組管長(zhǎng)圈數(shù)no：no=L/l0=1.5取1.5圈，校核布置后冷卻管的實(shí)際供熱面積 A實(shí)=d平均×L實(shí)=157.8144.24.1.6設(shè)備材

49、料的選擇，發(fā)酵設(shè)備材料的材質(zhì)選擇，優(yōu)先考慮的是滿(mǎn)足工藝的要求，其次是經(jīng)濟(jì)性，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)出現(xiàn)一些復(fù)合材料，噴涂金屬和內(nèi)腐蝕涂料等新材料新技術(shù)將進(jìn)一步降低投資費(fèi)用。本設(shè)備采用1Gr18Ni9Ti材料4.1.7發(fā)酵罐的壁厚選擇查表發(fā)酵罐的壁厚選擇為14mm4.1.8接管的設(shè)計(jì) 該管的實(shí)裝38.5m3設(shè)0.5小時(shí)內(nèi)排空，則排料時(shí)的物料體積流量為：qv=72/（0.5×3600）=0.04（m3/s）去發(fā)酵醪流速V=1m/s，則排料管截面積為A物 A物=qv/V=0.04A物=0.785d2管徑d=0.226m取無(wú)縫245×7，管內(nèi)徑=245-7×2=231226，認(rèn)為適用設(shè)計(jì)每一個(gè)發(fā)酵罐有一個(gè)空氣除菌系統(tǒng)：通風(fēng)量為：Q1=72×0.35=0.007（m3/s）利用氣態(tài)方程式計(jì)算工作狀態(tài)下的風(fēng)量Q1：則Q1=0.225××=0.0019m³/s如取風(fēng)速V=25m/s，則風(fēng)管截面積Af為： Af=Qf/25=0.0076顯然AfA物，兩者比較取較大者 故取無(wú)縫管245×7放料時(shí)間復(fù)核物流量Q=0.04m3物料流量V=1m/s管道截面積A=0.785×0.2312=0.041 P=Q/Av=0.04/0.041=1倍排料