畢業(yè)論文-年產300噸纖維素酶工廠的初步設計

中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第1頁年產300噸纖維素酶工廠的初步設計中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第2頁纖維素是年產量巨大的可再生性資源，地球上每年光合作用生成的上億噸生物質中，纖維素占了近一半。目前，自然界中纖維素只有一小部分得到了利用，絕大多數纖維素不僅被白白浪費，而且還會造成環(huán)境污染。利用這一年產量巨大的可再生性資源將其轉化為人類急需的能源、食物和化工原料，對于人類社會的可持續(xù)性發(fā)展具有非常重要的意義。本設計采用目前認為是最好的產纖維素酶的菌種里氏木霉作為發(fā)酵菌種，液體深層發(fā)酵過程中采用變溫發(fā)酵的方法分別控制菌種的生長和產酶，提取過程中采用超濾、層析等，提高產品的收率。最后采用噴霧干燥做成固態(tài)的酶制劑。本設計的主要內容有：工廠總平面布置、全廠工藝流程設計、工藝計算、設備的計算與選型、成本核算；另外，完成設計圖紙8張，有工廠總平面布置圖、工藝流程圖(3張)、發(fā)酵罐設計圖、種子罐設計圖、發(fā)酵車間設備布置圖(平面圖和立面圖)。根據全廠工藝設計和計算結果可以看出，該設計能夠達到工業(yè)生產的要求。關鍵詞：纖維素酶；液體深層發(fā)酵；里氏木霉中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第3頁Celluloseisakindofreproducibleresourceofgreatoutput,ittakesaboutahalfofthehundredmillionbiomaterialmakingbyphotosynthesis.Presently,celluloseareutilized,mostofcellulosearewastedandpolluteenvironment.ItisofThisdesignadoptTrichodermareeseiwhichproducecellulasebest.DurigrowththatgermgrowsandproducecellulaseThedesignmainlyincludetfactory,thecraftargumentationofthewholefactory,thecalculationofthecraft,thecalculationandtypechoosingofmainequipments,thecalculationofthecosts.Andprocess(3),thedesignofthefermentatioequipmentsofthefermentationworkplace(ichnographyandspace).AccordingtothecomeuptotherequestofindustrializationKeywords:Cellulase;liquidsubmer中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第4頁1.1纖維素酶簡介11.2纖維素酶的研究狀況11.2.1國外研究概況 21.2.2國內研究概況 31.3纖維素酶的應用41.3.1纖維素酶在果實和蔬菜加工上的應用 41.3.2纖維素酶在醬油釀造上的應用 41.3.3纖維素酶在酒精發(fā)酵中的應用 51.3.4纖維素酶在飼料上的應用 51.3.5在麻棉混紡織物后整理中的應用 6 61.4纖維素酶的發(fā)展前景61.5纖維素酶的生產61.5.1固體發(fā)酵生產纖維素酶 61.5.2液體深層發(fā)酵生產纖維素酶 71.5.3固定化酶和細胞 91.6目前國內的有關情況91.6.1國內的需求情況 91.6.2主要技術指標 91.6.3國內幾大生產廠家 1.7本設計的目的和內容101.7.1本設計的目的 1.7.2本設計的主要內容 2全廠工藝流程及論證122.1.1無菌空氣制備系統(tǒng)工段工藝論證 2.2發(fā)酵工段工藝論證132.2.1發(fā)酵工藝流程 2.2.2菌種選取 2.2.3培養(yǎng)基 2.2.4生產方法 2.2.5發(fā)酵過程的控制 2.3后提取工段工藝論證152.3.1后提取工藝流程 2.3.2提取方法論證 53纖維素酶的工藝計算18中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第5頁3.1物料衡算183.1.1工藝指標 3.1.2發(fā)酵工段的物料衡算 3.1.3提取工段的物料衡算 3.2熱量衡算203.2.1蒸氣消耗計算 3.3.1種子罐冷卻水 3.3.2發(fā)酵罐冷卻水 3.4無菌空氣衡算223.4.1發(fā)酵罐通風量的計算 3.4.2種子培養(yǎng)基等其他無菌空氣耗量 4纖維素酶發(fā)酵工段的設備選型與計算244.1發(fā)酵罐設備選型與計算244.1.1發(fā)酵罐的選型 4.1.2生產能力、數量和容積的確定 4.1.3發(fā)酵罐基本尺寸確定 4.1.4冷卻面積的計算 4.1.5蛇管設計 4.1.6壁厚計算 4.1.7攪拌器計算 4.1.8攪拌軸功率計算 4.1.9接管設計 4.1.10傳動裝置設計 4.1.11發(fā)酵罐支座選擇 4.2種子罐的設備選型與計算334.2.1種子罐的選型 4.2.2種子罐容積和數量確定 4.2.3主要尺寸確定 4.2.4冷卻面積的計算 4.2.5設備材料選擇 4.2.6壁厚計算 4.2.7種子罐內部結構的工藝計算 4.2.8支座選型 4.3空氣過濾器設備選型與計算384.3.1種子罐分過濾器 4.3.2發(fā)酵罐分過濾器 4.4無菌空氣制備工藝設備選型與計算404.4.1工藝流程 中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第6頁4.4.2空氣狀態(tài)的確定 4.4.5一級冷卻裝置 4.4.6旋風分離器 4.4.7二級冷卻器 4.4.8絲網除霧器 4.4.9加熱器 4.4.10總過濾器 4.5提取工段設備計算及選型534.5.1提取工段工藝流程 4.5.2提取工段設備選型 5全廠布置的說明555.1工廠總平面布置555.1.1總平面布置依據 5.1.3布置說明 5.1.4車間布置設計 5.1.6本設計的車間布置說明 6.1投資估算606.1.1設備投資 6.1.2土建投資 6.1.3全廠總投資 6.2成本計算616.2.1主要成本計算 6.2.4折舊費及其他費用 6.2.5全廠人員安排 6.2.6全廠每年銷售成本 6.2.6全年凈收入 7結論64附錄68中文譯文84中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第7頁纖維素作為植物光合作用的主要多糖類產物，是地球上最為豐富的可再生性天等在1983年推算出纖維素的合成速率相當于全人類每人每天70千克，這一驚人的誘人的前景。對纖維素的深入研究和利用必將是解決當前世界許多國家普遍面臨共同關注的一項重大課題。植物纖維素的高聚合度、毛細管結構、木質素和半纖維素所形成的保護層及其超分子結構中具有高結晶度(crystallinityindex)的結晶區(qū)存有大量氫鍵(包括分子鏈內、鏈間及分子鏈與表面分子之間形成的氫鍵)是造成纖維素難以被利用的根本原因。從高效和環(huán)保的角度出發(fā)，纖維素被徹底分解而無污染的一條有效途徑便工業(yè)上被推廣應用的主要因素。過去的一些研表明，對含纖維素物質進行一定的前大幅度降低纖維素酶的成本。還需要在這方面開展更廣泛而深入地研究。纖維素酶(cellulase)是利用產纖維素酶的菌株經過固體發(fā)酵或液體深層發(fā)酵提取精制而成的液體狀酶制劑。纖維素酶由三種功能不同但又互補的酶組成，能水解天然纖維素成為葡萄糖分子。這三種酶是內切葡聚糖(Endoglucanase.EGEC活力最高的一類絲狀真菌。纖維素酶對能源危機、食品和飼料緊張及環(huán)境污染等問題的解決有積極的作用，纖維素酶的開發(fā)利用將會產生很大的經濟價值。纖維素(cellulose)是植物細胞壁的主要成分，約占植物干重的三分之一至二分之一。世界生產和目前儲存的纖維素生物量比任何一種碳水化合物都要多得多，是一種十分巨大的生物質資源，可為人類提供用之不盡的能源。但是目前這一資源的利用大約不到地球上總貯存量的0.5,僅有一小部分被用于紡織、造紙、建筑、飼料、制藥、農肥、燃料等方面，大部分未得到利用而被拋棄或焚燒，不僅造成資源的巨大浪費，而且污染環(huán)境，危害很大。如果能利用纖維素酶將大量的纖維素資源酶解成單糖，再經發(fā)酵可生產出化工原料、飼料、燃料、食物和藥物等，開辟飼料、發(fā)酵工業(yè)原料和人類食品的新來源，同時還可以處理廢物、減少公害、保護環(huán)境。因此研究纖維素資源的綜合利用具有深遠的意義，日益引起世界各國1.2纖維素酶的研究狀況中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第8頁到。它又屬于誘導酶(但在細菌方面以固有酶居多),在誘導物存在下，才能大量產生。纖維素酶的分泌又受分解代謝產物阻遏(cataboliterepression)和反饋抑制低聚糖類對某些單糖和二糖均可作為纖維素酶的誘導物。但需要一提的是，纖維二糖、葡萄糖和甘油等低分子可溶性糖在低濃度時有促進作用而較高濃度時便開始反的作用。這方面的研究還甚少。纖維素酶的分泌與細胞膜的通透性有著密切的關系，這是Reese和Maguire得出的結論，他們在綠色木霉QMa6的培養(yǎng)基中添加一定濃度的油酸鈉、亞油酸鈉、在分批培養(yǎng)物發(fā)酵過程中，起初pH最好是自然下降到3.0～3.5,再加控制以防止大差異。故準確控制發(fā)酵時間是纖維素酶生產的另一個重要參數。綜合上述，這里引發(fā)了一個新思路，就是對發(fā)酵不同階段分別進行不同控制(如pH值、溫度、通氣量、培養(yǎng)基成分)可能在很大程度上提高酶產量。要有日本、美國、德國和荷蘭。日本過去多用固體曲生產，后來由于這種方法難于于是不少改為液體深層發(fā)酵。美國一直都是使用這種方法，并在此基礎上出現了流加培養(yǎng)法、分批發(fā)酵法、連續(xù)發(fā)酵法、二次發(fā)酵法以及細胞循環(huán)法等等?；旌衔⑸锇l(fā)酵法是纖維素酶生產中的又一新途徑。因不同真菌的纖維素酶系在各組分均衡性方面有互補的現象。木霉纖維素酶系中含有較多的CBH和EG,缺少βG,而另一類真菌如黑曲霉、海棗曲霉(A.phoenicus)和可可球二孢(Botryodiplodictheobromoe)形成的纖維素酶系卻以βG為主。故以微生物生態(tài)學為基礎，將以上兩1906年Seilliere發(fā)現蝸牛的消化液能夠水解棉花纖維素并產生葡萄糖，這是人類首次發(fā)現纖維素酶。隨后他的工作于1913年得到Alexandrowicz的證實。1933年Grassman等研究了一種真菌的纖維素酶系，分辨出兩個組分，這是首次從真菌中分離出纖維素酶。四、五十年代，以美國陸軍Natick研究發(fā)展中心為代表的世界許多研究機構開始從不同方面對此進行了艱苦而卓有成效的探索，對產生纖維中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第9頁素酶的微生物進行了大量分離篩選工作，建立起較為完整的分離篩選方法。1950年Reese等提出纖維素酶作用方式的G-Cx假說以后，開始轉入纖維素酶的基礎研究，包括纖維素酶的性質、作用方式、培養(yǎng)條件和活力測定方法等等。六十年代以后，由于分離技術的發(fā)展，推動了纖維素酶的分離純化工作，對纖維素酶的組分、作用方式以及誘導作用等方面的研究進展比較快：并且實現了纖維素酶制劑的工業(yè)生產；在應用上也取得了一定成績。早在1967脾國外專利中就提出了用纖維素酶來消除棉織物上出現的微纖維(絨毛小球)的想法.但這個想法一直未能實現。直到1985年，采用腐殖根霉(Humicolainsolens)發(fā)酵的方法，制得了世界上第一個洗滌劑用的纖維素酶，其產品命名為Cellulaseo1987年又推出了一種細菌纖維素酶(BacterialCellulase),并成功地用于Attack洗衣粉。從此，纖維素酶也就從上世紀八十年代開始，隨著分子生物學和基因工程的發(fā)展，人們開始利用基因工程的方法對纖維素酶基因進行克隆和一級結構的測定，利用遺傳工程從分子生物學水平對纖維素酶生產菌株進行誘變育種，并對纖維素酶蛋白質的氨基酸序列及其分離純化等方面進行了深入細致的研究。到目前為止，在SWISS-PROT蛋白質數據庫中，已有140個內切酶，19個外切酶和102個Q_葡萄搪普酶的全序列；1988年開始利用結構生物學及蛋白質工程的方法對纖維素酶分子的結構和功能進行研究，包括纖維素酶結構域的拆分與解析、功能性氨基酸的確定、水解的雙置換機制的確立、以及分子折疊和催化機制關系的探討。然而由于纖維素酶蛋白結晶困難，現在關于纖維素酶分子結構與功能關系的研究進展仍比較緩慢。我國纖維素酶的研究開始于20世紀60年代初。幾十年來，北京、上海、成都、無錫、廣東、山東、浙江等地的大專院校科研院所進行了纖維素酶的研究工作，選育出一批纖維素酶菌種。如1968年北京選育出一批纖維素酶菌種；1970年后中國科學院上海植物生理研究所等單位利用誘變方法獲得了產酶能力較高的變異株，并進行了生產試驗。70年代后，繼續(xù)進行纖維素酶產生菌的誘變與選育工作，并對各種微生物來源的纖維素酶組分進行分離純化、結構和酶學性質的研究；關于纖維素酶的特性、作用機理、培養(yǎng)條件、應用試驗等方面的報道文獻也較多，如王景林等在吸收國內外經驗的基礎土，先后引進綠色木霉Sn-91014、康氏木霉NT-15,E曲霉XX-15A;在此基礎上采用了紫外線特定電磁波輻射，線性加速器，亞硝基皿等物理化學的誘變方法獲得了高產菌株NT15-H,NT15H-XT-15H,XT-15H10。其中木霉NT-15H固體培養(yǎng)活力經輕工業(yè)部食品質量監(jiān)督檢測中心南京站檢側表明己達到國際先進水平；王成華等采用里氏木霉A3,進行紫外線和業(yè)硝基呱復合誘變后，得到了產纖維素酶活力較高的里氏木霉91一菌株；張中良采用均勻設計研究了影響綠色木霉生產纖維素酶的主要因素，他采用了淺盤固體發(fā)酵，得出了綠色木霉生產纖維素中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第10頁并利用酵母菌與康氏木霉間的徽生態(tài)關系進行混合發(fā)酵，防止了“白毛菌”的污產酶條件。尹清強等在黑白花奶牛日糧中添加纖維素酶50g/頭‘天，產奶量提高8.9%,飼料效率提高10.0%;裴相元等在鵝日糧中加入0.75%纖維素酶后，結果提高了8.92%的日增重和15.34%的飼料效率及降低了5.1-7.8%的飼料消耗。從80年代后期開始有不少的國內學者對纖維素酶進行基因結構與遺傳重組方面的研究。如汪天虹等人用鳥槍法從野油菜黃單胞菌S152中克隆到的內切纖維素酶基因，在大腸桿菌中得以表達；從微紫青霉中克隆到的CBHI基因在體外無細胞系統(tǒng)中表達；從瑞氏木霉DNA文庫中克隆到的內切葡纖維素酶Ⅲ基因在釀酒酵母中表達：肖志壯等從里氏木霉DNA文庫中分離得到了內切葡聚搪酶侄。玲列，將體，通過克隆綠色木酶(Trichodermaviride)高分子量基因組DNA的部分酶解片段，并將重組分子進行體外包裝后侵染E.coliK802,由此構建了綠色木霉基因文庫(ta-ie}中科院微生物研究所還專門成立了纖維素酶研究的課題組，通過收集文獻與實驗數據進行基礎理論的研究。20世紀80年代中期上海就生產出纖維素酶。20世紀90年代初黑龍江省海林市萬力達集團公司首條年產2000t的纖維素酶生產線投產，但迄今為止，我國規(guī)模生產纖維素酶至今仍未解決，形成不了大批量生產，滿足不了市場的需要。因此，丹麥諾和諾德公司的酶制劑產品占領了我國絕大部分市場，使進口纖維素酶價格昂貴。1.3.1纖維素酶在果實和蔬菜加工上的應用在果實和蔬菜加工過程中為了使植物組織軟化膨潤，一般用過度的加熱蒸酸堿處理等，這樣就使果蔬的香味和維生素損失大。用纖維素酶進行菜的軟化可避免上述缺點。另外，可以用纖維素酶分解果實和蔬菜，這樣制成的果醬口感好。也可用纖維素酶分解蘑菇，制造一種新調味料。在糖漬果品加工中最近也用纖維素酶取得很好的結果，用砂糖漬果實時，砂糖要通過細胞壁慢慢浸人果實中，這樣就需要幾天的時間，若是用纖維素酶破壞細胞后，在短時間內即可浸透進去。椰子餅中含有很高的蛋白質和脂肪，糖類含量也很高，但是卻不能作為糧食使用，因其纖維素含量較高，所以要用纖維素酶分解纖維素。其酶解工藝如下：首先把椰子餅加一定量水蒸煮后，加人纖維素酶，pH4.5,40℃振蕩，48h后過濾，濾液濃縮噴霧干粉，此粉含有脂肪、糖、蛋白質。纖維素大部分被分解，分解率為50%,最高時達80%,這樣椰子餅用纖維素酶分解后就可作為食物。1.3.2纖維素酶在醬油釀造上的應用醬油是大豆蛋白酶水解產物。在酶解過程伴有一系列的發(fā)酵過程，為醬油增加了特有的香氣和風味。醬油的釀造中蛋白酶的活力要強，為使大豆蛋白從組織中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第11頁中充分裸露，添加的植物崩裂酶活力(果膠酶、半纖維素酶，纖維素酶等)也要高。醬油釀造主要利用蛋白酶、淀粉酶等酶類對原料進行酶解，若再使用纖維素酶，使大豆等原料的細胞膜膨脹軟化破壞，使包藏在細胞中的蛋白質、碳水化合物釋放，這樣就可以縮短釀造時間，提高產率，同時還提高品質，使氨基酸還原糖含量增加。以78B2為菌種制曲，在醬油釀造人池時，加人1%一般可使醬油產量增加5%左右，而且成品醬油中還原糖增加，醬香味明顯提高。1.3.3纖維素酶在酒精發(fā)酵中的應用纖維素酶應用于酒精生產提高原料出酒率的主要依據是：第一，薯干、玉米、高粱、木薯等淀粉質原料中含有1%～3%的纖維素和半纖維素，在纖維素酶的作用下轉化成可發(fā)酵性糖，使原料中可利用的碳源增加，出酒率提高；第二，纖維素酶對纖維的降解作用，破壞間質結構壁的結構，使其包含的淀粉釋放出來，利于糖化酶作用，從而可提高原料的淀粉利用率；第三，降低粉漿、蒸煮醪和糖化醪的粘度，利于醪液的輸送和濃醪發(fā)酵的順利實施。將纖維素酶應用于釀酒，每100Kg原料可增加出酒量10-15Kg,節(jié)糧20%,酒昧醇香，雜醇油含量低；白酒釀造所用原料中纖維含量較大，使用纖維素酶后，可同時將淀粉和纖維素轉化為糖，再經酵母分解全部轉化為酒精，提高出酒率3%～5%,酒體質量純正，淀粉和纖維利用率高達90%。在生產上應用纖維素酶出具有提高發(fā)酵率，縮短發(fā)酵時間的效果。然而，纖維素酶在酒精生產中的應用遠沒有完善，許多廠的應用效果并不理想。目前存在的主要問題有：一是纖維素酶的活力較低，單位酶活力的生產成本較高，使得其在酒精廠中的應用與推廣受到限制；二是酶活力的單位不統(tǒng)一，許多纖維素酶產品其標明的活力單位達10000-30000u/g,但“u”的具體單位和測定酶活力的底物不詳，使其應用缺乏依據；三是纖維素酶在酒精生產中應用的工藝條件有待于進一步研究。1.3.4纖維素酶在飼料上的應用畜禽飼料中含有大量的纖維素，除某些反芻動物具有分解纖維素能力外，大部分畜禽不具此能力…。纖維素酶是畜牧業(yè)中的一種新型飼料添加劑，能夠分解結構復雜的纖維索，生成易消化物質葡萄糖，摧毀細胞壁釋放內容物，便于動物消化吸收。能夠為畜禽體內增加和補充各種消化酶，強化消化系統(tǒng)的酶解功能，增進食欲，促進生長發(fā)育。為了提高飼料的消化率，在配合飼料中添加極少量纖維素酶(一般在0.1%～0.3%)即可收到顯著效果。當用纖維素酶制劑作用裸麥、大麥、玉米時，可使糖的總氮量明顯增加。在青貯飼料中加纖維素酶使纖維素分解促進乳酸發(fā)酵，這樣處理后的青貯飼料，比對照柔軟，曲香味明顯提高，酸度和還原物質隨纖維素減少而增加。另外加纖維素后，由于纖維素被消化，乳酸發(fā)酵提高，貯存性能也提高。在飼料中添加纖維素酶后，喂幼雞、仔豬及一般虛弱動物時，喂養(yǎng)效果明顯，喂蛋雞可提高中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第12頁產卵量，喂乳牛時，不僅可以使體重增加，而且提高產乳量。1.3.5在麻棉混紡織物后整理中的應用天然纖維如棉、麻等紡織品具有較強的吸濕、透氣性，倍受消毒者青睞。但棉、麻及其混紡布料上存在細毛，與皮膚接觸時會產生刺癢感，因此近幾年來，利用纖維素酶進行生物整理越來越受到紡織界的重視。利用纖維素酶進行酶處理，能使麻、棉表面剝離和縱向復合細胞間層侵蝕，使纖維梢絲束化或脫落，能極大地降低對皮膚的刺癢，提高棉麻織物的服用性能及產品的檔次。1.3.6其它纖維素酶還廣泛應用于地質鉆井中，其洗井用量為01～1kg/m^~孔段體積，它能在靜壓下使淤塞在井壁內沖洗液中的魔芋聚糖催化水解為單糖，快速恢復巖層的透水性質，提高洗并質量。此外，利用纖維素酶生產的洗滌劑可作為降硬劑使用，它是一種具有高活性纖維素酶的濃縮洗滌劑組合物，性能極佳。除此之外，纖維素酶在造紙、環(huán)保、草藥提取等方面也得到了一定的應用。纖維素酶具有廣闊的應用前景，當前只有少數發(fā)達國家擁有纖維素酶的生產及應用技術，產品的壟斷造成市場價格奇高不下。國內生產廠家少、生產規(guī)模小，應用技術尚需進一步攻關，產品供應以進口為主，供需矛盾較大。建設纖維素酶裝置，可滿足市場需求.同時可以充分利用秸桿改善環(huán)境，具有較好的經濟效益和社會效益我們相信隨著現代生物技術的進展，纖維素酶工藝的發(fā)展將提高到21世紀是知識經濟時代，隨著人們對纖維素酶研究工作的深人，纖維素酶必將在食品，飼料，環(huán)境保護，能源和資源開發(fā)等各個領域中發(fā)揮越來越大的作用。如何加大對纖維素酶研究和開發(fā)的科技投人和經費投人，改變目前規(guī)范小，工藝、設備落后、菌種酶活低、生產成本高、生產技術水平低下的現狀，盡快采用各種行之有效的高新技術，發(fā)展具有中國自己知識產權的新酶種、新產品、新劑型、滿足市場的需求，是當務之急。1.5纖維素酶的生產纖維素酶的生產和其它酶制劑一樣，主要有固體發(fā)酵和液體深層發(fā)酵兩種，國內外在這方面做了許多有價值的工作。1.5.1固體發(fā)酵生產纖維素酶張中良等(1997)采用均勻設計研究了綠色木霉1號固體發(fā)酵生產纖維素酶的條件。施安輝等(1997)以綠色木霉為菌種，用熬皮和谷糠做碳源，固體發(fā)酵生產纖維素酶，并研究了其在食品工業(yè)中的應用。王景林等(1996)將野生型康氏木霉854-B2經多種理化誘變因子及空間微重力輻射等因素處理，選育到1株高活力纖維素酶突變株B-7,研究了固體發(fā)酵培養(yǎng)的最佳條件。趙小立等(1996)采用銅蒸氣激光對黑曲霉誘變處理，篩選到纖維素酶高產菌株，用稻草鼓皮固體培養(yǎng)基，28℃發(fā)酵中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第13頁培養(yǎng)4d,每克濕曲的最高酶活：CMC酶活為2839mg葡萄糖/Ig,h}濾紙酶活為299mgDM-1以粗纖維原料的固體培養(yǎng)發(fā)酵。烏腸敏辰等(1998)以里氏木霉WXR-8為出發(fā)菌株，經紫外和亞硝基呱誘變處理后，得到一株抗纖維二糖阻遏突變株RM-27,液體發(fā)酵進行了比較研究，結果顯示：固體發(fā)酵產率比液體發(fā)酵產率高25,且酶組分比例高于液體發(fā)酵。吳克等以綠色木霉為實驗菌株，采用固體發(fā)酵法生產纖維立了通過測定發(fā)酵曲中的麥角固醇含量來反映菌株生物量的方法(吳克等，2002)。色木霉SL為菌種，采用固體發(fā)酵，通過調節(jié)氣壓使發(fā)酵的CMC酶活達到了1400IU/g,而淺盤發(fā)酵的對照組，其酶活只有450IU德，發(fā)現通過氣壓調節(jié)，可以使纖維素酶產量提高，這可能與氣壓調節(jié)可以改變菌株膜的運動，進而有利于產應面法研究了木聚糖酶的固體發(fā)酵，發(fā)現起始含水量和甘蔗渣的量是影響產酶的霉GAB的產酶條件。夏黎明(1999)在固體等從生霉棉布上分離出康寧木霉，經誘變處理獲得了高產纖維素酶的突變株CP88329,并研究了其固體發(fā)酵的條件。鄭佐興桿粉和鼓皮為碳源，研究了里氏木霉91-3的產酶條件。采用固體發(fā)酵雖然有許多優(yōu)越之處，但仍存在發(fā)酵水平不穩(wěn)定，不適于大規(guī)模生產等弊端，因此對纖維素酶液體深層發(fā)酵的研究很有意義，國內外許多學者液體深層發(fā)酵條件和生產工藝的研究，探討了纖維素酶一級和三級液體培養(yǎng)的條利用紫外線、亞硝基呱等對里氏木霉進行誘變處理，選育得到一株抗分解阻遏的突變株，液體發(fā)酵使其纖維素酶活力提高了3倍。余曉斌等(1998)通過比較，篩選出里氏木霉Rut-c30,采用Avicel與鼓皮復合物碳源，使KHZP04-KZHPO;緩沖系統(tǒng)控制發(fā)酵液pH,28℃搖瓶發(fā)酵6d,最高酶活達到CMC酶100-125U/mL,中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第14頁FPA9-12U/mL。余曉斌等(1999)還采用里氏木霉RutC-30,對2.5L罐分批和流加發(fā)酵產酶條件及其優(yōu)化進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現高菌體量是獲得纖維素酶高產的關鍵因素之一。李忠興等(1999)以康寧木霉T215為生產菌，在30t氣升式發(fā)酵罐中進行了液體深層發(fā)酵生產纖維素酶的擴大實驗。陳慶森等(1999)系統(tǒng)地研究了高產纖維素酶生產菌里氏木霉TB9701與飼料酵母混合共發(fā)酵玉米秸桿粉合成菌體蛋白質和利用纖維素的關系，優(yōu)選出一條最佳的共發(fā)酵工藝途徑和條件。譚宏等(1996)在搖瓶試驗的基礎上，采用里氏木霉HC-415菌株進行了SL自控罐產纖維素酶深層發(fā)酵試驗。林開江等(1998)將30%玉米粉用0.32-0.4%的HCI在12℃-128℃水解縮合反應2h后，稀釋5倍作為纖維素酶發(fā)酵碳源，研究了液體發(fā)酵產纖維素酶的工藝。王遂等(1998)在實驗室搖瓶實驗的基礎上，進行了纖維素酶的二級和三級液體深層發(fā)酵的工業(yè)生產性試驗。郝志軍等研究了青霉NXP25生產纖維素酶的發(fā)酵到一株綠色木霉，初步研究了其發(fā)酵生產纖維素酶的條件及酶學性質，發(fā)現在發(fā)酵培養(yǎng)基中添加蝸牛酶可以提高纖維素酶的分(1999)以粗糙鏈抱霉(Neurosporacrassa)為菌種，將麥桿磨碎過篩作為主要碳源，研究了麥桿濃度、溫度和初始pH對葡聚糖內切酶、葡聚糖外切酶和B一葡萄糖昔酶活性的影響，同時對胞外和菌體中蛋白質含量也進行了觀察，發(fā)現菌體生長和產酶的培養(yǎng)條件不同，在培養(yǎng)基中加入蛋白酶抑制劑，可以避免纖維素酶在發(fā)酵過程中的較大波動。Domingues等(2000)研究了里氏木霉RutC-30在液體搖瓶培養(yǎng)時的形態(tài)，也探討了培養(yǎng)基組成和接種量對菌絲形態(tài)和纖維素酶產量的影響。SvetlanaVelkovska等研究了里氏木霉RutC-30生產纖維素酶的條件，并建立了纖維素酶分批發(fā)酵的動力學模型(SvetlanaVelkovskaetal.,1997)。有人采用里氏木霉作為發(fā)酵菌株，以經過爆汽處理的柳木為主要碳源，分別研究了該菌在搖瓶、4L和22L發(fā)酵罐中的產酶情況(Reczeyetal.,1996)。韓峰等以擬康氏木霉(Trichodermapseudokoningii)為生產菌株，經誘變后液體發(fā)酵，得到了較高的酶活力(韓峰等，2002)。張德強等采用綠色木霉液體發(fā)酵生產纖維素酶，研究了培養(yǎng)基組成、培養(yǎng)條件對產酶的影響(張德強等，2001)。王冬等(1995)研究了L一山梨糖提高木霉纖維素酶合成速率機制，認為其主要機制不是阻礙細胞壁的正常合成，促進了酶的分泌，而是通過降低了菌絲體的生長速率來起作用。干冬等(1996)以蟲熒光素酶法檢驗了四株絲狀真菌在葡萄糖一無機鹽液體培養(yǎng)過程中的胞內ATP含量，結果表明：只有當胞內ATP濃度低于10mg/mL時，真菌才開始合成胞外纖維素酶；以不同濃度的各種碳源培養(yǎng)時，菌體胞內ATP含量只要超過1了mg/mL,FPA(HPLC)法檢測了菌體培養(yǎng)液中的。AMP含量，在非阻遏條件下，外源cAMP可以提高FPA的合成水平，但外源cAMP不能解除己經發(fā)生的酶合成阻遏，菌體ATP和cAMP水平是調節(jié)真菌纖維素酶合成的重要因子。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第15頁1.5.3固定化酶和細胞除固體發(fā)酵和深層液體發(fā)酵外，有人還對纖維素酶的固定化進行了研究。夏黎明等(1998)采用多孔聚酷材料固定里氏木霉RutC30菌絲細胞，將固定化細胞在生長限制條件下重復分批培養(yǎng)，使纖維素酶的合成與玉米秸桿纖維原料的酶解糖化禍合在一個反應器中同時進行。在30℃、初始pH4.8、搖瓶轉速150r/min的條件下，連續(xù)重復進行12次分批培養(yǎng)試驗，每次玉米桿用量為60g/L,培養(yǎng)周期4.5d,共54組培養(yǎng)液中含濾紙酶活力平均為0.70IU/mL,還原糖26.41g/L,糖化率達到理論值的89.11%。固定化菌絲形態(tài)正常。在間歇補料條件下，玉米桿原料的總量可提高，7d后還原糖濃度達52.81g/L,糖化率為89.20%。這種方法將產酶和糖化同時進行，工藝簡單、成本低廉、易于連續(xù)自動化操作。陳盛等(1996)以蟹殼為原料提取殼聚糖，用戊二醛作交聯劑，將纖維素酶固定于殼聚糖上，探討了一定量干殼聚糖載體與交聯劑濃度、給酶量等最適固定化酶條件。Haapala等(1996)利用尼龍網固定化里氏木霉后，其所產的內切葡聚糖酶和木聚糖酶活性均高于游離菌絲；當以乳糖、纖維素和山梨糖為碳源時，氮源顯著影響這兩種酶活性。1.6目前國內的有關情況21世紀被稱為生物技術的世紀，國家十分重視生物技術工程在工農業(yè)方面的應用。根據市場調查和研究分析，纖維素酶的應用，不但能夠提高產品質量和產量，而且可大大地降低生產成本，該產品的生產彌補了國內市場缺口，因此具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。我國的飼養(yǎng)業(yè)在農業(yè)中占舉足輕重的地位，近年來，隨著人們生活水平的不斷提高，對肉、蛋、奶的需求量越來越大，飼養(yǎng)業(yè)的發(fā)展，對飼料添加劑的需求量必然會急劇上升。纖維素酶作為飼料添加劑，可使飼料的消化率從50%--60%提高到80%以上，按我國年產飼料5000萬噸計，以1%的加入量，需求量有5萬噸以上。在釀酒過程中加入纖維素酶，既提高了產品質量，又可提高產量，節(jié)約大量糧食，釀酒業(yè)年需求量在千噸以上。由于紡織業(yè)的發(fā)展和改革，纖維素酶的應用也越來越廣泛，僅水洗布生產一項，國內每年需求在600噸以上。纖維素酶已廣泛應用于棉紡織品(牛仔服、西服等)的水洗整理，可以取代浮石，獲得優(yōu)質花斑和懸垂度；纖維素酶還可作為飼料添加酶，增加動物(牛、豬、雞等)的消化代謝功能。此外，該酶制劑還被廣泛用于果汁加工、釀造等領域，市場潛力很大。采用液體深層發(fā)酵工藝(30m3發(fā)酵罐)和固態(tài)發(fā)酵工藝(1噸/天)生產纖維素酶的技術已通過省級鑒定，現已用于工業(yè)化生產，并獲得了良好經濟效益。經噴霧干燥制備的酶粉目前售價10萬/噸，成本約3.5萬/噸；經固態(tài)發(fā)酵制成的粗酶粉，作為飼料添加酶，目前售價3～4萬/噸，而成本大約2000~4000元/噸，利潤十分豐厚。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第16頁葡萄糖苷酶5-16u/ml/h產品酶活力：液體300u/ml,固體300u/g北京盛世嘉明科技開發(fā)有限公司的前身是北京寧馨兒生物科技開發(fā)有限公司銷售公司，北京寧馨兒生物科技開發(fā)有限公司是依托中國科學院微生物研究所和萬/噸。該產品酶活為10000U/g。上海三杰生物技術有限公司主要生產粉狀纖維素酶：黃褐色冷凍干粉，酶活邢臺市太和生物化學技術有限公司主要生產中性固態(tài)纖維素酶，酶活為廣州薈科生物科技有限公司主要生產液態(tài)纖維素酶，棕色液體，pH值在5.0左右(原液),售價為2.2萬/噸。此外還有寧夏和氏璧生物技術有限公司，上海諾科化工新材料有限公司，東莞寶麗美化工有限公司，湖北立業(yè)生物制品有限公司，廣州伯凱生物技術有限公由上面的一些資料可以看出固態(tài)的酶比液態(tài)的酶要貴。固態(tài)的酶的價格相差也很大，主要看其酶活，酶活越大，價格越高。本設計生產的酶為固態(tài)的纖維素酶，酶活在10000U/g.,由上面的價格參考來看可以賣到10萬/噸左右。1.7本設計的目的和內容纖維素酶幾乎能用于以植物為原料的一切加工業(yè)，在飼料添加劑、紡織業(yè)、特別在飼養(yǎng)、釀酒行業(yè)需求很大，僅水洗布，國內每月就需求5000噸左右，而且到目前為止，我國液體纖維素酶生產廠家較少，產量很小。根據市場調查和研究分析，纖維素酶的應用，不但能夠提高產品質量和產量，而且可大大地降低生產成本，該產品的生產彌補了國內市場缺口，因此具有較大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場前景。預計在今后的幾年內，該產品在國際市場上仍將供不應求。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第17頁本設計的主要內容有：工廠總平面布置、全廠工藝流程設計、工藝計算、設備的計算與選型、成本核算；另外，完成設計圖紙8張，有工廠總平面布置圖、工藝流程圖(3張)、發(fā)酵罐設計圖、種子罐設計圖、發(fā)酵車間設備布置圖(2張)。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第18頁2全廠工藝流程及論證2.1.1無菌空氣制備系統(tǒng)工段工藝論證無菌空氣系統(tǒng)工藝流程空氣—→粗過濾器—儲氣一級冷卻空氣加熱←絲網分離+二級冷卻←旋風分離空氣總過濾——空氣分過濾纖維素酶為好氧發(fā)酵生產，需大量空氣。作為氧源，空氣中含有大量各式微生物，會干擾甚至破壞預定發(fā)酵的正常進行。所以，空氣的除菌成為耗氧發(fā)酵工發(fā)酵工業(yè)工廠所使用的空氣除菌流程隨各地的氣候條件不同而有很大差別。本設計根據當地的情況，采用“兩級冷卻、分離、加熱”的空氣除菌流程，它可適應各種氣候條件，尤其適用于潮濕的地區(qū)，能充分的分離空氣中含有的水分，提高過濾效率。第一次冷卻后空氣中大部分的水和油結成較大的霧粒析出，由旋風分離器分離。第二冷卻器使空氣進一步冷卻，析出一部分較小的霧粒，由絲網分離器分離。通常第一級冷卻到30—35℃,第二級冷卻到20—25℃除水后相對濕度仍為100%,須再用加熱的方法將空氣的相對濕度降至40%—50%,再通過空氣過1)采風：采風口設在離地面10m以上，以保證采到較潔凈的空氣，空氣含菌量保持在2)高效前置過濾：3)空氣壓縮：面的油膜影響，降低空氣的給熱系數，給空氣冷卻帶來困難。雖然離心式空氣壓縮機和渦輪式空壓機沒有易損的零部件，沒有潤滑油的污染，但其比較適用于大中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第19頁型發(fā)酵工廠(投資大),由于本廠是中小型工廠設計，所以采用水冷式無油潤滑的4)空氣貯罐：作用是消除壓縮機排出空氣量的脈動，維持穩(wěn)定的空氣壓力，同時也可以利用5)一級冷卻：經過壓縮的空氣溫度很快達到120℃。經過一級冷卻，溫度降至35℃,使大6)油水分離：一級冷卻后，大部分的水和油結成較大的霧粒析出，由旋風分離器分離。7)二級冷卻：空氣進一步冷卻至20℃,使部分水分結成較小的霧粒。8)油水分離：第二次冷卻后，析出一部分較小的霧粒，由絲網分離器分離。經第二次冷卻，9)加熱：過濾介質使之失效。加熱空氣至35℃,可以將相對濕度降低至40%—50%,保護過10)過濾除菌：介質借助慣性碰撞，截留，沉降，凝聚等作用除去微生物和較小的塵埃顆粒。2.2發(fā)酵工段工藝論證2.2.1發(fā)酵工藝流程里氏木霉——→斜面培養(yǎng)基一2.2.2菌種選取種子罐種子罐滅菌處理發(fā)酵罐國外對纖維素酶的研究有近40多年的歷史，纖維素酶產生菌主要有木霉、青霉和曲霉等，其中里氏木霉被認為是最好的纖維素酶產生菌之一。里氏木霉能用于纖維素酶生產在于其具備如下條件：1里氏木霉生產纖維素酶產量要高。而且可以通過物理或化學誘變獲取高產菌株；2里氏木霉容易培養(yǎng)和控中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第20頁制。里氏木霉要求的生長環(huán)境粗放，適應性較強，易于控制，便于管理；3里氏木霉產纖維素酶的穩(wěn)定性好。在通常的生產條件下，能夠穩(wěn)定的用于生產，不宜退化；4里氏木霉產生的纖維素酶容易分離純化。其產生的纖維素酶是胞外酶，發(fā)酵完成后，纖維素酶容易與菌體分離純化得到所需的酶；5里氏木霉及其代謝物安全無毒，不會影響生產人員和環(huán)境，也不會對纖維素酶的生產造成不良影響。綜上，在本設計中我選擇里氏木霉作為生產菌種。2.2.3培養(yǎng)基斜面培養(yǎng)基土豆PDA斜面，30℃培養(yǎng)6d后使用。種子培養(yǎng)基(質量分數，%)麩皮2葡萄糖3(NH?)?SO?0.15發(fā)酵培養(yǎng)基(質量分數，%):稻草粉6豆餅粉1,KH?PO?0.5,CaCl?0.3,2.2.4生產方法纖維素酶的生產可采用固體培養(yǎng)和液體深層培養(yǎng)兩種方法。固體培養(yǎng)設備比較簡單，易于推廣，但容易污染雜菌；而液體深層培養(yǎng)的方法易于控制，不易染雜菌，生產效率高，目前生產上常采用液體深層培養(yǎng)法生產纖維素酶。我國對纖維素酶的研究和生產也已開展了廣泛的研究，大多數采用固體發(fā)酵。對液體發(fā)酵生產纖維素酶的研究報道尚不多見，固體發(fā)酵有許多優(yōu)越之處，但發(fā)酵水平不穩(wěn)定，不適于大規(guī)模生產，而液體深層發(fā)酵就改變了這一點。通過分批發(fā)酵或流加發(fā)酵可獲得高活力纖維素酶，最高酶活均以流加發(fā)酵模式取得。流加發(fā)酵已越來越廣泛的應用于工業(yè)生產和科學研究，流加發(fā)酵可避免高底物濃度的抑制或分解代謝阻遏，并可獲得最高的菌體濃度，最大的單位體積產率，進而降本設計選用液體深層發(fā)酵。2.2.5發(fā)酵過程的控制1)溫度的調節(jié)控制溫度是影響細胞生長繁殖和發(fā)酵產酶的重要因素之一。在不同的發(fā)酵階段，應該控制不同的培養(yǎng)溫度。發(fā)酵前期，培養(yǎng)溫度應稍高些，以有利于菌體的生長，里氏木霉一般控制前期培養(yǎng)溫度為30℃(即最適生長溫度),大約保持12h;進入產酶期后，應適當降低培養(yǎng)溫度，里氏木霉產酶期培養(yǎng)溫度一般為28℃較低的溫度有利于提高酶的穩(wěn)定性，延長細胞產酶時間。2)pH值的調節(jié)細胞產酶的最適pH值通常接近于酶反應的最適pH值。pH值應控制在4.6-5.0范圍內，此時產酶量及酶活性較高。3)發(fā)酵時間的控制里氏木霉生產纖維素酶的發(fā)酵時間一般為120h。4)通氣量的控制里氏木霉是好氧的霉菌，它的呼吸作用需要耗氧，氧的供應不足將影響里氏中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第21頁木霉的生長發(fā)育和纖維素酶的產生。所以，應保證發(fā)酵液中一定的溶氧量。發(fā)酵早期，菌體剛剛萌發(fā)，數量較少，呼吸強度較弱，耗氧速度較低，應控制通氣量完全，細胞濃度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧氣，應控制通氣量為5)攪拌速度的控制攪拌既可以增加發(fā)酵液中的溶氧量，又能保證菌體與培養(yǎng)基的充分接觸，使發(fā)酵過程能順利進行。劇烈的攪拌會導致纖維素酶發(fā)生表面變形引起失活，而且快速的攪拌容易打斷菌絲，引起機械損傷和代謝發(fā)生變化。6)表面活性劑的添加非離子性表面活性劑Tween80與Tween20能夠積聚在細胞膜上，增加細胞的通透性，有利于纖維素酶的分泌，所以可增加酶的產量，添加量為0.6%-1%而且添加7)產物促進劑的添加在里氏木霉產纖維素酶的過程中，添加一定量的聚乙烯醇、醋酸鈉等產物促2.3.1后提取工藝流程發(fā)酵液————→絮凝罐一板框過濾——超濾溶解2倍體積60%丙酮溶液離心單寧2.3.2提取方法論證1)過濾的過濾介質主要有濾紙、濾布、玻璃纖維、陶瓷濾板等。為了加快過濾速度，提高分離效果，經常需要添加助濾劑，常用的助濾劑有硅藻土、活性炭、紙粕等。常用的過濾方式有常壓過濾、減壓過濾與加壓過濾3種。在纖維素酶的生產中常采用以壓力泵或壓縮空氣為過濾推動力的壓濾機來進行過濾，并且采取添加助濾劑，降低懸浮液粘度和適當提高溫度等措施來加快過濾速度和提高分離效果。此中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第22頁外，加壓設備比較簡單，過濾速度較快，過濾效果較好。在里氏木霉生產纖維素小規(guī)模的生產中，除了采用板框過濾以外，還可采用離心分離法。由于離心分離的目的是去除里氏木霉菌、培養(yǎng)基殘渣以及其它大顆粒的固形物的顆粒的大小和密度相差較大，所以可選用常速或高速離心機，選擇和離心時間，就能達到分離效果。在纖維素酶的提取中，常選用在3500r/min下離心20min,以達到去除里氏木霉菌、培養(yǎng)基殘渣以及其它大顆粒的固形物的目的，2)纖維素酶的分離將板框過濾后的濾液或離心分離后的上清液進行初步分離，粗酶的分離方法有很多種，如分段鹽析法、有機溶劑沉淀法、等電點沉淀法、復合沉淀法等。有機溶劑法在酶制劑的生產過程中，也可采取有機溶劑法進行纖維素酶的分離。常用纖維素酶沉淀分離的有機溶劑有乙醇、丙酮、異丙醇等。有機溶劑沉淀常用于食品工業(yè)酶制劑的制備；分辨率也比鹽析法好，而且有機溶劑易于除去和回收。不同溶劑的最適濃度分別為：乙醇70%,丙酮60%-62%,丙醇50%,異丙醇40%-60%。使用酶制劑容易引起酶的變性失活，所以必須在4℃左右的低溫下進行操作，沉淀析出后要立即分離。有機溶劑用量一般為酶液體積的2倍左右，而且，要將酶液的pH值調至纖維素酶的等電點附近。分離出來的纖維素酶沉淀可立即用3)濃縮為了便于保存和運輸，已經分離純化的纖維素酶需要進行進一步的濃縮，使聚乙二醇等各種吸水劑及蒸發(fā)濃縮和超濾濃縮等方式。工業(yè)生產中常用蒸發(fā)濃縮液中的部分溶劑汽化蒸發(fā)，溶液得以濃縮的過程。由于酶在高溫下不穩(wěn)定，容易變性失活，酶液的蒸發(fā)濃縮一般采用真空濃縮。在密閉的濃縮器中，用抽氣減壓裝置維持濃縮系統(tǒng)在一定的真空度下進行操作。由于里氏木霉60℃以上活性迅速下降，所以在真空蒸發(fā)濃縮時，應控制濃縮系統(tǒng)的真空度使蒸發(fā)溫度在60℃以下對酶液進行濃縮。超濾是加壓膜過濾的一種，其在一定壓力下，把溶液中的大溶質分子阻留在膜的一側；而小溶質分子透過至膜的另一側，從而達到分離純化、4)纖維素酶的分離純化中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第23頁單寧是纖維素酶的天然抑制劑，用單寧結合活化的瓊脂糖作成親和層析柱，用蒸餾水平衡，再將上-步得到的酶液過柱，使單寧專一性結合纖維素酶，蒸餾水平衡后，用0.02一0.05mol/1的磷酸緩沖液洗脫出來，就可得到純化的液態(tài)纖維素酶酶的親和層析一般控制在較低的溫度下進行，以防止由于溫度的升高而使酶5)干燥為了提高產品的穩(wěn)定性，使之易于保存、運輸和使用，通常從濃縮的纖維素酶液中再除去一部分水分，以獲取含水分較少的固體酶制劑。生產上常用的干燥方法有真空干燥、冷凍干燥、噴霧干燥、氣流干燥和吸附干燥等。本設計采用噴霧干燥，目前酶制劑的大規(guī)模生產多用此法。噴霧干燥是利用不同的噴霧器，將酶液噴成霧滴分散于熱氣流中，使水分迅速蒸發(fā)而分為粉粒狀干燥制品。噴霧干燥具1可直接干燥溶液狀態(tài)的物料，使工序簡化；2干燥時間短，在常壓下進行干燥時，酶不易失活，收率較高；4隨著生產規(guī)模的增大，成本相應降低；中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第24頁3.1物料衡算發(fā)酵周期生產周期生產天數產量發(fā)酵液CMC酶活產品酶活發(fā)酵罐裝料系數酶活提取總收率過濾損失離心損失干燥損失超濾損失離子交換損失培養(yǎng)基成分(g/L)3纖維素酶的工藝計算330天/年種子培養(yǎng)基麩皮2葡萄糖3(NH?)?SO?0.15pH5.5-6.0發(fā)酵培養(yǎng)基稻草粉6種子條件控制豆餅粉1KH?PO?0.5,CaCl?0.3,消泡劑pH5.5-6.0溫度通風量培養(yǎng)周期接種量通風量溫度發(fā)酵周期1每天需要理論發(fā)酵液體積V?每年生產330天，提取收率78%,倒灌率0.1%,則理論上每天需要發(fā)酵液體積2原料消耗計算(以單罐為單位進行計算)原料含量的單位(%)即(1g/100mL)=10kg/m3=102t/m3每罐發(fā)酵液體積V?=55.2×70%=38.64m3中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第25頁所以發(fā)酵罐中同理種子罐豆餅耗量=V?×1×102=0.3864tCaCl?耗量=V?×0.3×102=0.1159t麩皮耗量=V?×2×102=0.07728t(NH?)?SO?耗量=V?·×0.15×102=0.0058t葡萄糖耗量=V?·×3×102=0.116t原料名稱配比比例每批用量(t)年用量(t)發(fā)酵罐種子罐稻草粉6豆餅粉1CaCl?麩皮22葡萄糖33.1.3提取工段的物料衡算1)每罐生產發(fā)酵液體積V?70%為發(fā)酵罐的裝料系數每罐的總酶活E?=321×10?×38.64=1.24×101°U2)絮凝劑加硅藻土(助濾劑)和膨潤土(使發(fā)酵液清澈)3)板框過濾壓濾除去菌體去除率為5%,因沖洗濾餅用去5%(V/V)清水用量38.64×(1-5%)×5%=1.84m3壓濾后的清液量38.64×(1-5%)+1.84=38.55m3過濾損失后的量38.55×(1-5%)=36.62m3板框過濾操作的酶活損失為5%,所以板框過濾后的總酶活是E?=E?×(1-5%)=1.1235×101?中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第26頁所以板框過濾后比酶活=E?/V=1.067×1010/38.55=2768U/mL4)超濾清酶液濃縮3倍，則濃縮酶體積為36.62/3=12.21m3超濾損失后的量12.21×(1-2%)=11.97m3超濾后的總酶活為E?=E?×(1-2%)=1.067×101?所以超濾后比酶活=E?/V=1.046×1010/11.97=873.85U/mL5)有機沉淀有機溶劑為丙酮，濃度為60%100%的丙酮用量為2×11.97=23.94m3則60%的丙酮用量為23.94/60%=39.9m3丙酮的密度800kg/m3,所以加入的丙酮的量為=39.9×800=31.92t所以加入后酶液容積為39.9+11.97=51.87m36)離心分離離心分離中酶的損失為3%,所以離心過濾后的總酶活為E?=E?×(1-3%)=1.046×101?×根據工廠經驗，一般添加1t丙酮，醪液體積增加1.14m3,經離心分離后1m3醪液可得沉淀0.0165m2醪液量11.97+31.92×1.14=48.36m3所以沉淀體積為48.36×0.0165=0.798m3濕酶比重去1.3t/m3,則濕酶重0.798×1.3=1.037t由上面可知離心后的比酶活=E?/m=1.015×1010/1.037=9788U/g7)親和層析加入的磷酸緩沖液為0.02-0.05mol/L,現取0.03mol/L,取磷酸緩沖液與濕酶的比例為5:1,所以所要的磷酸緩沖液的體積=0.798×5=3.99m3,取4m3親和層析后的總酶活=1.015×1010×(1-2%)=0.9947×10l°U8)酶的總收率3.2熱量衡算發(fā)酵工業(yè)生產中的熱加工過程所需要的熱源通常為整齊。發(fā)酵工廠使用的整齊一般要求蒸汽壓力穩(wěn)定，不應在較大范圍內波動，以保證熱加工過程的穩(wěn)定性，這可通過穩(wěn)定閥很緩沖罐來實現。本工藝采用蒸汽壓強為3.2kg/cm2,該狀態(tài)下蒸汽溫度為135℃,蒸汽焓為2731kJ/kg?！痘ぴ怼飞蟽訮337。3.2.1蒸氣消耗計算在滅菌過程中，蒸汽的消耗比較大，由于蒸汽有很強的穿透力，而且在冷凝中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第27頁是放出大量的冷凝熱，很容易使蛋白質凝固而殺滅各種微生物。同時，蒸汽的價格低廉，來源方便，滅菌效果可靠，所以培養(yǎng)基滅菌、發(fā)酵設備及管道的滅菌普遍采用蒸汽滅菌。本工藝采用的是連續(xù)滅菌。考慮到萬一蒸汽壓力不夠時和滅菌不透時改用分批滅菌余量。①配料配料罐用于培養(yǎng)基的配制。然后將培養(yǎng)基用泵打入預熱桶中。②預熱預熱桶的作用一是定容，二是預熱。預熱的母的是使培養(yǎng)基在后續(xù)的加熱過程中能快速的升溫到指定的滅菌溫度，同時可避免太多的冷凝水帶入培養(yǎng)基，還可減少震動和噪聲。一般可將培養(yǎng)基預熱到70-90℃。③加熱預熱好的培養(yǎng)基由連消泵打入加熱器。加熱器也稱連消塔，使培養(yǎng)基與蒸汽混合并迅速達到滅菌溫度。加熱采用的蒸汽壓力一般為0.45-0.8MPa,其目的是使培養(yǎng)基在較短的時間里快速升溫。本工藝中先用蒸汽進行間接加熱到90℃,再用蒸汽直接加熱到120℃,保持一段時間，達到充分滅菌的目的。1間接蒸汽滅菌的蒸氣消耗量計算高溫蒸汽通過冷卻蛇管進行間接加熱，發(fā)酵液溫度從20℃上升到90℃,發(fā)酵液p=1010kg/m3每個發(fā)酵罐發(fā)酵液質量m=38.64×1.010=39.03t發(fā)酵液比熱C取值3.98kJ/kg135℃蒸汽的汽化熱2163.3kJ/kg由能量恒算公式Q=Wn×R=We×Cpe×(T?-T?)W?=3.98×35.35×(90-2=4.553t/罐2直接蒸汽滅菌的蒸氣消耗量135℃蒸汽直接從空氣進管與發(fā)酵液混合，高溫滅菌，發(fā)酵液溫度達到120℃。由能量恒算公式Q=Wn×R=W×Cpe×(T?-T?)W?=3.98×35.35×(120-9總的蒸汽耗量W=W?+W?=4.553+1.951=6.504t/罐3其他蒸汽耗量考慮到發(fā)酵液滅菌時的保壓時間的蒸汽耗量W?,按經驗W?為滅菌蒸汽的20%空罐滅菌時的蒸汽消耗量W?取經驗數據為滅菌蒸汽的20%則W?=W?=(W?+W?)×20%=6.504×20%=1.301t/罐所以單罐生產的蒸汽總耗量W=W?+W?+W?+W?=9.106t/罐4鍋爐確定發(fā)酵罐和發(fā)酵液的蒸汽滅菌時間為2h此時工廠需要的最大蒸汽量為Ws中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第28頁則Ws=W/2=9.106/2=4.553t考慮到工廠其他地方的蒸汽需要和安全余量，采用蒸汽提供量為4t/h的鍋爐3.3水平衡計算3.3.1種子罐冷卻水共有2個罐，W=2×3.47=6.94t/h水的比熱為4.186kJ/kg3.4無菌空氣衡算對于耗氧發(fā)酵過程來說，當系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，溶氧與耗氧達到平衡，此根據生產情況，50m3的通氣攪拌發(fā)酵罐的通氣速度是0.5VVM單罐發(fā)酵過程的用氣量(常壓氣體)V=55.2×70%×0.5×60=1159Va=V×120×66=1159.2×120×66=9式中：120——發(fā)酵周期(h);3.4.2種子培養(yǎng)基等其他無菌空氣耗量把種子培養(yǎng)基用氣、培養(yǎng)基壓送及管路損失等算在一起，一般取這些無菌空氣消耗量之和等于發(fā)酵過程空氣消耗量的25%。所以這項無菌空氣的用量為y1=25%V=1159.2×25%=289.年消耗量Vmax=5×V+2×y1=5×1159.2+2×289.8=6375中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第29頁表3-2300t/a纖維素酶發(fā)酵工廠無菌空氣用量衡算表發(fā)酵罐容積單罐空氣用量種子培養(yǎng)及培養(yǎng)基壓送耗氣量高峰空氣耗量年空氣用量注：發(fā)酵罐裝填系數70%,生產周期132h,發(fā)酵周期120h,年生產天數330d。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第30頁4纖維素酶發(fā)酵工段的設備選型與計算4.1.1發(fā)酵罐的選型本設計采用機械攪拌通風發(fā)酵罐。這種發(fā)酵罐歷史悠久，資料齊全，比擬放大方面積累了比較豐富的經驗，成功率高。所以，本設計采用機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐。4.1.2生產能力、數量和容積的確定1)發(fā)酵罐容積的確定選用公稱容積為50m3的發(fā)酵罐。2)生產能力的計算現在每天生產纖維素酶37m3,纖維素酶的發(fā)酵操作周期是120h。發(fā)酵罐的填充系數是70%,則每天需要發(fā)酵罐的總容積V?為3)發(fā)酵罐個數的確定：查《發(fā)酵工廠工藝設計概論》知道公稱容量為50m3的六彎葉機械攪拌通風發(fā)酵罐的總容積為55.2m3,發(fā)酵罐的個數N:取公稱容積為50m3的發(fā)酵罐個數是5個富裕量,能滿足產量要求。4.1.3發(fā)酵罐基本尺寸確定一般高徑比為2-3,本設計取H:D=2公稱容積為50m3,根據《發(fā)酵工廠工藝設計概論》P102表6-2,其全容積為55.2整理后得55.2=1.57D3+0.26D3解得取整為3100mmH=2D=6200mm,根據《發(fā)酵工廠工藝設計概論》附表15,知D=3200mm封頭曲面高度H?=800mm中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第31頁直邊高度H?=50mm核算總容積=0.785D2×2D+πD3/12+0.78冷卻裝置一般分為夾套是冷卻和蛇管式冷卻，對于冷卻面積小于5m3的發(fā)酵罐，一般它的比表面積大，能夠達到冷卻所要求的面積，加上為了便于清洗，故但是當發(fā)酵罐的容積較大時，只靠發(fā)酵罐的表面積是達不到冷卻所要求的換熱面積的，于是采用冷卻裝置。管式冷卻裝置分為蛇管式和列管式。普通蛇管式冷卻裝置容易造成污垢且不容易清洗故采用不多。列管式冷卻裝置的換熱效果雖然好，但它的冷卻水消耗量很大，也不大采用。在發(fā)酵工業(yè)生產中發(fā)酵罐的冷卻1熱負荷QQ→發(fā)酵過程每小時總的放熱量(kJ/h)Q1→每個發(fā)酵罐在發(fā)酵過程中最大的放熱速率(kJ/h)Q?→攪拌產生的熱速率(kJ/h)Q?→無菌空的水分經過發(fā)酵罐時汽化所帶走的熱速率(kJ/h)Q?→罐壁直接熱輻射傳熱速率(kJ/h)纖維素酶生產的每立方米發(fā)酵液最大放熱速率去經驗值4.18×6500(kJ/h)2)攪拌熱Q?的計算根據攪拌熱的經驗公式Q?=P×860×4.178式中:P→電機功率，為70kw860×4.178表示攪拌軸的每千瓦功率每小時產生的攪拌熱為860×所以Q?=70×860×4.178=2.52×13)汽化熱Q?的計算式中G→工作狀態(tài)下通過發(fā)酵罐的空氣質量流量，通風比為0.5-1.0vvm,取通風比值最小時，得到Q值最大，可以滿足其他通風比，因此取通風比的最小值，0.5vvmI?→發(fā)酵罐空氣進口熱焓kJ/kgI?→發(fā)酵罐空氣出口熱焓kJ/kg①發(fā)酵罐進口處空氣狀態(tài)溫度T=30℃,空氣的絕對濕含量X;=Xs=0.0074kg水/kg空氣=0.622×0.0433×64.2%/(②發(fā)酵罐出口處空氣狀態(tài)溫度T=30℃,無菌空氣經發(fā)酵罐時充分的與水接觸，它的相對飽和度變?yōu)樗?，出口處空氣的濕含?0.0185kg水/kg空氣G表示工作狀態(tài)每個發(fā)酵罐的空氣質量流量(kg干空氣/h),取最小通風比G=55.2×70%×1o=πd=3.14×500=1570查資料知，在30℃時空氣的密度大約為1.165kg/m3所以，空氣的G(質量流量)=1159.2×1.165=1350kg/h按公式I=4.186×0.24t+4.186×(595+0.46×t)×Xg式中：t→空氣溫度(℃),為30℃X→空氣絕對濕含量kg水/kg空氣中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第33頁進罐空氣熱焓=(1.001+1.88×0.00635)×30+2490×0.00635=46.2kJ/kg空氣出罐空氣熱焓=(1.001+1.88×0.0185)×30+2490×0.0185=77.41kJ/kg空氣4)輻射熱的計算在計算發(fā)酵罐的熱負荷時，有一部分熱量可以直接通過罐壁向周圍的環(huán)境輻射，取經驗數據=10%×(10.2×10+1.98×10?-1.34×10?所以，熱負荷Q計算冷卻水冷卻水選用地下水，可以減低生產成本，使用水泵從地下水中抽取，水的溫度為18℃,冷卻水的出口溫度設計為27℃,△t=27-18=9℃這樣冷卻水的消耗量水的比熱為4.186kJ/kg5)為了保證發(fā)酵在最旺盛、微生物消耗基質最多以及環(huán)境氣溫最高時也能冷卻下來，必須按發(fā)酵生成熱量高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下，設計冷卻面積。冷卻水用地下水，進口溫度為18℃,出口溫度為27℃發(fā)酵液30℃→30℃冷卻水18℃→27℃換熱面積F的計算蛇管換熱系數K取值300-450×4.186kJ/(m2×℃×h),本設計取500×4.1.5蛇管設計1)冷卻管截面積計算冷卻管的組數一般取3,4,6,8,12組，本設計取6組冷卻水的體積流量V,冷卻水的密度為1t/m3V=W/p=25.9×1000×(3600×1×1000)=0.0093m3/s冷卻水的流速v一般為0.2-1.5m3/s,本設計取1m/s得冷卻管內徑查《發(fā)酵工廠工藝技術概論》P313表12,選取φ57×3.5無縫鋼管作為冷卻蛇管。所以，冷卻管內的水實際流速V=V×4/(3.14×N×d?2)=0.0093×4/(3.14×6×0.00水流速在合理的范圍內，符合要求。2)冷卻管長度則式中:F→總的換熱面積F?→每米蛇管的換熱面積所以，蛇管的總長度L=66.6/(0.0535×3.14)=396m冷卻管占有的體積V=0.785×0.0572×396=1.0m3每組管長Lo和管組高度Lo=L/n=396/6=66m另需連接管8m,L=L+8=396+8=404m冷卻蛇管的的高度，設為靜液面高度，冷卻蛇管的下端伸入下封頭250mm,另外加上攪拌器，人梯等附件占的容積取0.5m3V=V+V+Vm=55.2×70%+1.0+0.豎蛇管總高H管=4.77+0.25=5.02m取豎直蛇管兩端部半圓形管曲徑250mm,則兩管距離為500mm,兩彎管總長度為Lo=3.14×000=1570mm,兩端彎管總高為500mm中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第35頁則直管部分高度h=H管-500=5020-500=5480mm則，一圈管長1=2h+lo=2×5480+1570=12530mm每組管子圈數no現取管間距為2.5D=2.5×0.057=0.1429m,豎蛇管與罐壁的最小距離為0.15m,則可計算出與攪拌器的距離在允許范圍內(不小于200mm).校核布置后冷卻管的實際傳熱面積實=3.14×0.0535×417.5=70.14m2>66.6m2可滿足要求。4.1.6壁厚計算罐滅菌壓力2atm,罐設計壓力3atm(表壓)計算法確定發(fā)酵罐的壁厚SP→設計壓力(表壓，kg/cm2)P=3D→發(fā)酵罐內徑(mm)D=3100mmφ→焊縫系數，雙面對焊，取φ=0.8C→腐蝕裕度(mm)C=4[8]→鋼的允用應力，[δ]=35/44.1.7攪拌器計算發(fā)酵罐的機械攪拌器可以分為軸向和徑向推進兩種，螺旋槳式攪拌器屬于前者，它使發(fā)酵液向上或是向下運動，其形成軸向的螺旋流動，混合效果好，但剪切力低于對氣泡的分散，效果不是很好。圓盤彎葉渦輪攪拌器是常見的徑向推進攪拌器，在相同的攪拌速度下比其他攪拌器有較大的輸出功率，在對于混合要去較高的中間補料發(fā)酵生產中，常用彎葉渦輪攪拌器。1攪拌器主要尺寸該攪拌器的個部分尺寸與發(fā)酵罐直徑的比例關系如下：中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第36頁葉弧長L=0.25D=260mm2擋板確定上面。故攪拌器的擋板數設為二檔：第二檔與第一檔間距為3000mm;第二檔與發(fā)發(fā)酵罐的筒體液面高度則5.3-1-3=1.3m即第一檔攪拌器在液面下1.3m處可以達到生產要求。故選用二檔攪拌器。3轉速根據《發(fā)酵工廠工藝設計概論》P103。直徑1.05m,轉速N=110r/min,以等由公式N?=N?×(D,/D?)2/3得N?=110×(1.05/1.05)2/34.1.8攪拌軸功率計算N→攪拌器轉速，為110r/min=1.83r/sP→醪液密度，為1010kg/cmμ→醪液粘度，為1.3×10-3N×s/m2湍流，則攪拌功率系數N,=4.72)計算不通風時的攪拌軸功率P?！街?N,→在湍流攪拌狀態(tài)時其值常數為4.7N→攪拌轉速，為1.83r/sD→攪拌器直徑，為1.05mp→醪液密度，為1010kg/cm3兩檔攪拌功率：P?’=2Po=2×38.6=77.2kw3)計算通風時的軸功率Pg式中:P?→不通氣時的攪拌功率(kw),為77.2Q→通風量(ml/min),Q?=(19.32×10)?0=3.83代入上式3)電動機功率P電P=Pg/nm2ns×1.01采用三角帶轉動效率71=0.92滾動軸承效率72=0.99滑動軸承效率η?=0.98端面密封增加的功率為1%所以P=57.28×1.01/(0.92×0.99×0.98)=64.81kw4)電機選型查《化工原理》選型為YB280S-4,同步轉速1480r/min,頻率為50Hz,額定電壓380V,功率70kw5)攪拌軸直徑D皮帶輪直接裝于支座近旁，無彎曲載荷影響，僅考慮扭轉作用。中國礦業(yè)大學2008屆本科生畢業(yè)設計第38頁式中:Pg→實際攪拌功率N→攪拌轉速，為110r/min現取107mm(a)聯軸器聯軸器主要用于鏈接不同部件的兩根軸，使他們一起回轉并傳遞扭矩。聯軸器可分為可移動式和固定式?？梢苿邮接挚煞譃閯傂院蛷椥詢煞N。本設計選用彈性聯軸器，因為它具有吸引震動，緩沖沖擊的能力。(b)軸封軸封使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止?jié)B漏和污