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1、精选优质文档-倾情为你奉上年产400吨中性淀粉酶生产工艺设计摘要：-淀粉酶广泛分布于动物、植物和微生物中，能水解淀粉产生糊精、麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等，是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。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。本次设计的淀粉酶发酵厂，分别以玉米粉为碳源，以豆饼为氮源，以BF-7658枯草芽孢杆菌为生产菌种，采用深层发酵法，提取工艺采用盐析法，年产400吨淀粉酶。做出了生产工艺流程图，进行了物料衡算，设计了发酵罐和种子罐的尺寸和车间的布置和结构，同时绘制了该厂区的总平面布置图、带控制点的工艺流程图、工艺管道及仪表流程图
2、图例。关键词：-淀粉酶；生产工艺设计；深层发酵法1 绪论1.1 淀粉酶简述淀粉酶广泛存在于动物、植物和微生物中，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。 -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。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，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。-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中，当然，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重
3、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。有报道表明，-淀粉酶可以帮助改善糖尿病患者的耐糖量。这一领域研究自2O世纪8O年代和9O年代十分活跃，但目前-淀粉酶抑制剂的研究工作仍处于基础阶段，至今仍未得到有效合理的开发应用。但是随着科技的发展、研究的深入，-淀粉酶将会得到更加广泛的应用。2 -淀粉酶的性质2.1 -淀粉酶的结构目前，已对很多不同种类
4、和来源的-淀粉酶（黑曲霉、米根霉、人和猪胰腺、人唾液腺、大麦种子和地衣芽孢杆菌)的晶体结构进行了X-射线衍射研究，并得到了高分辨率的晶体结构图。研究表明所有-淀粉酶均为分子量在50ku左右的单体，由经典的三个区域(A、B、C)组成：中心区域A由一个(/)8圆筒构成；区域B由一个小的-折叠突出于3和3之间构成；而C-末端球型区域C则由一个Greek-key基序组成，为该酶的活性部位，负责正确识别底物并与之结合。为保持-淀粉酶的结构完整性和活性，至少需要一个能与之紧密结合的Ca2+，而Cl-往往是-淀粉酶的变构激活因子，并且在所有Cl-依赖性的-淀粉酶中，组成催化三联体的残基都是严格保守的10。2
5、.2 -淀粉酶的性质早在1967年，Jones 和Varner就对小麦中-淀粉酶的活性进行了研究11。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。 2.2.1 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。2.2.2 最适 pH和最适温度 反应温度和pH对酶活力影响较大，不同来源的-淀粉酶有各自的最适作用pH
6、和最适作用温度，通常在最适作用pH和最适作用温度条件下酶相对比较稳定，在此条件下进行反应能最大程度地发挥酶活力，提高酶反应效率。因此，在工业应用中应了解不同的酶最适pH和最适温度，确定反应的最佳条件，最大限度地提高酶的使用效率是很重要的。 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-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100
7、130。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12。2.2.3 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-淀粉酶也有抑制作用。 -淀粉酶中至少包含一个Ca2+，Ca2+使酶分子保持适当的构象，从而维持其最大的活性和稳定性。Ca2+对-淀粉酶的亲和能力比其它离子强，其结合钙的数量在1到10之间。结晶高峰淀粉酶A(TAA)包含10个Ca2+，但只有一个结合很牢固。通常情况下结合一个Ca2+就足以使-淀粉酶很稳定。用EDTA透析或者用电渗析可以将Ca2+从淀粉酶
8、中除去，加入Ca2+可以激活钙游离酶。用Sr2+和Mg2+代替TAA中的Ca2+，在Sr2+和Mg2+过量的情况下也能使其结晶。加入Sr2+、Mg2+和Ba2+离子可以激活用EDTA失活的TAA。通常情况下，有Ca2+存在淀粉酶的稳定性比没有时要好，但也有报道-淀粉酶在Ca2+存在时会失活，而经EDTA处理后却保留活性，另外，有报道称Ca2+对-淀粉酶没有影响。2.2.4 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13用
9、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0.56.0kVcm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。3 工艺流程设计3.1菌种的选育3.1.1菌种的选育及制备菌种选择性分离的步骤一般是：含微生物材料采集标本材料的预处理菌种的分离富集培养菌种初选菌种复选性能鉴定菌种保藏。1） 含微生物材料的选择土壤是微生物聚集最
10、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。 采土时先用小铲除去表土，取515深处的土样，选好35点，每点取土10g混在一起装入灭过菌的牛皮纸袋，并记录时间、地点、植被等情况。2 ）预处理在培养过程中以淀粉作为唯一或主要碳源，控制pH在 6.77.2。那些在所采用的条件下最适用于淀粉代谢的微生物最终将占优势，并可在淀粉琼脂糖平板上分离到产生中性淀粉酶的菌株。3） 所需菌种的纯化和分离可用平板划线法进行菌种分离。方法如下：用接种管蘸取少量经增殖培养后的菌液，在含无菌固体培养基的平板表面上进行规则划线，操作时由右向左
11、轻轻划线，划线时平板面与接种环成3040，以手腕力量在平板表面轻巧滑动划线，线条要平行密集，使两线不能重叠，充分利用表面积，划线时接种环不要嵌入板内划破培养基，密集的含菌样品，经过多划线稀释，使菌体在平板培养基上逐渐分离成单个菌株，经培养繁殖成单个菌落，反复进行几次平板划线分离，可得枯草芽孢杆菌野生菌株。4 ）菌株的培养常用培养基配方：1L蒸馏水+10g蛋白胨+3g牛肉膏+1520g琼脂+5gNaCl。本课题以麸皮、豆饼粉作为天然培养基，在37保温箱中培养，至培养基中部分出现成熟颜色即可进行保藏。5 ）菌落的选择初筛采用透明圈法，方法为在培养基里接入淀粉天青，接入含菌样品后，可在菌落周围清晰地
12、观察到淡蓝色晕环，初筛选出的微生物经过菌株性状试验后已确定具有一定生产能力的菌株还要进行复筛。方法：将初筛后的少数菌株接种于40 ml 锥形瓶内的液体培养基中，110次/min 往复式摇床式震荡培养，得到摇瓶种子。3.1.2 诱变育种诱变育种可以利用物理、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，进而培育成新的品种或种质。诱变育种操作程序如下：出发菌株纯化培养液细胞或孢子悬液诱变剂处理中间培养平板分离初筛复筛生产性能实验菌种保藏。1） 出发菌株的选择由于野生型菌株生产性能较差，通常采用经历过生产条件考验的菌株，即经过液体培养的摇瓶种子，这类菌株一定的生产性状
13、，对生产环境有较好的适应性，正突变的可能性也很大。2） 菌悬液的制备细菌一般要求处于对数生长中期的菌，用玻璃珠振荡5 min，使细胞均一分散，然后用灭菌脱脂棉过滤，得到分散菌株。菌悬液的细胞浓度不宜过高，本课题中的枯草芽胞杆菌，宜将其浓度控制在108个/ml。菌悬液介质一般用生理盐水。3） 诱变剂的处理诱变剂包括物理、化学、生物诱变，在微生物诱变育种中，可用物理化学复合诱变因素处理菌种，这样可以扩大培养幅度，提高诱变效果获得中性淀粉酶高产突变株。方法及步骤如下：吸取制备好的枯草芽孢杆菌悬液5 ml于直径为6的无菌培养皿中，然后用0.5%1%的二乙酯处理30 min，处理时采用pH 7.0的磷酸
14、缓冲液，再将磁力搅拌器于紫外灯下（距离30 cm）1 min，接着在红灯下吸取经处理的菌液0.5 ml，稀释至10-6，取10-610-1稀释液滴一滴于6个平板中，10-610-1 依次涂布均匀，再置暗箱内与37培养48 h。注意：一般化学诱变剂均有毒性，多数还具有致癌作用，故操作时切忌用口吸取并勿与皮肤直接接触，做好安全工作。4）突变菌株的筛选包括：琼脂块透明圈法初筛。方法：倒入选择培养基6皿，取其中较厚的2皿，用打孔器或玻璃打制圆形培养基平移琼脂块至一个选择平板上，再用接种针挑取单菌落的少量菌体分别接种于琼脂块中心并与一琼脂块接入出发菌株作为对照正置于37培养45小时于培养好的选择平板中滴
15、加几滴淀粉天青，观察到透明圈的直径选择透明圈大的菌落接入斜面备复筛用。摇瓶发酵复筛：将经初筛处的菌株分别接入增殖培养基中，培养13小时分别接种于锥形瓶发酵培养基中置37摇床上发酵40小时选出酶活力较高者进一步复筛直至选出中性淀粉酶高产突变株。3.1.3 菌种的保藏 菌种是从事微生物学以及生命科学研究的基本材料，特别是利用微生物进行有关生产，如氨基酸、抗生素、酿造等工业，更离不开菌种。所以菌种保藏是进行微生物学研究和微生物育种工作的重要组成部分。其任务是使菌种不死亡，同时还要尽可能设法把菌种的优良特性保持下来而不致向坏的方面转化。菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的
16、生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平、缺氧状态、干燥和低温，使菌种处于“休眠”状态，抑制其繁殖能力。常用的菌种宝藏方法有：斜面冰箱宝藏法、沙土管宝藏法、菌丝速冻法、石蜡油封存法、真空冷冻干燥保藏法、液氮超低温保藏法。在这里我们采用沙土保藏法。方法：将需保藏的菌种经斜面培养后用无菌水制成孢子悬液，加入经灭菌处理的沙和土的混合物（或纯沙亦可）作为载体，减压抽去水分，这些吸附有孢子的干燥沙土载体，在低温下保存。操作步骤：斜面孢子先加灭菌蒸馏水22.5ml，沿斜面轻刮孢子后，再吸0.20.3 ml到灭菌备用的沙土管中，在真空度100 Pa以下进行干燥，直至沙土管外
17、貌呈松散状态，然后低温（4）保存。经真空干燥后的沙土管，最好放在密闭容器内，容器内可放入吸潮剂CaCl2 或硅胶等，保藏期间整个容器置于冰箱内。一般保存期为一年左右。 3.2培养基的配制3.2.1培养基的类型培养基的种类很多，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。1） 孢子培养基 孢子培养基配制的目的是供菌体繁殖孢子的，常采用的是固体培养基，对这类培养基的要求是能使菌体生长快速，产生数量多而优质的孢子，并且不会引起菌体变异。对孢子培养基的要求：营养不要太丰富；所用无机盐的浓度要适量；
18、注意培养基的pH和湿度。淀粉酶的孢子培养基配置如下：将麸皮5、豆饼粉3、蛋白胨0.25%、琼脂2%（pH 7.1）制成斜面培养基，在0.1MPa蒸汽灭菌20 min 。2）种子培养基种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长得粗壮成为活力强的种子。对于种子培养基的营养要求比较丰富和完全，氮源和维生素的含量也比较高些，浓度以稀薄为好，可以达到较高的溶解氧，供大量菌体生长和繁殖。-淀粉酶的种子培养基的配置：将豆饼1%、蛋白胨和酵母膏各0.4%、氯化钠0.05%配置成种子培养基(pH 7.17.2)，在0.1MPa蒸汽灭菌20 min。3）发酵培养基 发酵培养基的要求是营养要适当丰富
19、和完全适合于菌种的生理特性和要求，使菌种迅速生长、健壮，能在比较短的周期内充分发挥产生菌合成发酵产物的能力，但要注意成本和能耗。-淀粉酶的发酵培养基配方是：麸皮70、小米糠20、木薯粉10%、烧碱0.5%，加水使水量达60，常压蒸汽灭菌1h。3.2.2 培养基的营养要求培养基的成分大致分为碳源、氮源、无机盐、微量元素、特殊生长因子、促进剂、前体和水等几大类。对不同的微生物，微生物不同的生长阶段，不同的发酵产物以及不同发酵工艺条件等，所使用的培养基都是不同的，这些也都是培养基配制需要考虑的因素。1） 水 水是所有培养基的主要成分，也是微生物机体的重要组成成分。水是良好的溶剂，又是活细胞中一切代谢
20、反应的媒介物，还可以维持细胞中的渗透压，同时水又是热的良好导体，有利于散热，可调节细胞温度。在中性淀粉酶的发酵生产中，为了避免水质变化给生产带来不良影响，发酵用水采用深井水，并定期检查水质，要求：pH 6.87.2，电导率5001500/cm，总硬度 100230 mmol/L。 2) 碳源 碳源的主要为微生物细胞的生长繁殖提供能源。目前生产中性淀粉酶的菌种为异养型微生物，所以只能利用有机碳；大量的农副产品是主要的有机碳源，如山芋、麸皮、玉米、米糠、马铃薯、木薯、土茯苓等淀粉质原料，这里用到的碳源是麸皮、马铃薯、木薯。3) 氮源氮源是组成蛋白质和核酸的主要元素，酶自身即为蛋白质。因此，氮源是必
21、不可少的重要原料。常用的有机氮源油花生饼粉、豆饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉等。我们用到的氮源是豆饼粉剂和蛋白胨。常用的无机氮源有铵盐、硝酸盐和氨水等。4) 无机盐类及微量元素酶在生长和繁殖生长过程中，需要某些无机盐及微量元素如磷、镁、硫、钾、钠、钙、铁、锰、锌等。钠离子具有控制细胞和培养基之间的渗透压的作用，从而促进产酶，添加适量亚硝酸钠可提高酶活力；钙对淀粉酶有稳定和活化作用。中性淀粉酶生产中通常以氯化钙提供钙离子。5) 生长因子和产酶促进剂酶的生产中所需的生长因子大多由天然原料提供。玉米浆、麦芽汁、豆芽汁等，都含有丰富的生长因子。产酶促进剂一般是该酶的底物和底物类似物
22、，对于中性淀粉酶，可添加适量浓度的淀粉琼脂糖作为诱导剂。3.3工艺灭菌 3.3.1培养基的灭菌生物化学反应过程中，特别是细胞培养过程，往往要求在没有杂菌污染的情况下进行，这是由于生物反应系统中通常含有比较丰富的营养物质，因而很容易受到杂菌污染，进而产生各种不良后果：（1）由于杂菌的污染，使生物化学反应的基质或产物消耗，造成产率下降；（2）由于杂菌所产生的某些代谢产物，或染菌后发酵液的某些理化性质的改变，使产物的提取变得困难，造成收得率降低或使产品质量下降；（3）污染的杂菌可能会分解产物而使生产失败；（4）污染的杂菌大量繁殖，会改变反应介质的pH，从而使生物化学反应发生异常变化；（5）发生噬菌体
23、污染，微生物细胞被破裂而使生产失败等。1) 灭菌方法所谓灭菌，就是指用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法有：化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤灭菌等。本实验采用湿热灭菌。2) 培养基的湿热灭菌条件为在121（表压约0.1MPa）维持30分钟。湿热灭菌即利用饱和水蒸气进行灭菌，是工业中最重要的灭菌方法。在同样的温度下，温热的杀菌效果比干热好，其原因有：蛋白质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。湿热灭菌中菌体蛋白质吸收水分，较同一温度的干热空气中易于凝固而杀灭各种微生物。温热灭菌过程中蒸气放出大量潜热，加速提高温度。因而
24、湿热灭菌比干热所要温度低。如在同一温度下，则湿热灭菌所需时间比干热短。湿热的穿透力比干热大，使深部也能达到灭菌温度，故湿热比干热收效好。 一影响灭菌效果的因素微生物的种类和数量；培养基性质、浓度、成分；灭菌的温度、时间。二热阻：微生物对热的阻抗能力。三灭菌原理对数残留定律：经加工灭菌，死亡微生物速度和存在的微生物数量成正比。 3.3.2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
25、花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、金属烧结管等。1） 过滤除菌流程及设备流程如下：采风塔空气粗过滤器空气压缩机储气罐冷却器旋风分离器冷却器丝网除沫器空气加热器总空气过滤器。设备如下：1.采风塔：采风塔建在工厂的上风头，高至少10 m,气流速度8 m/s。2.粗过滤器：主要作用是拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机，同时起一定的除菌作用，减轻总过滤器的负担。3.空气压缩机：作用是提供动力，以克服随后各设备的阻力。4.空气储罐：作用是消除压缩空气的脉动。要求：H/B=22.5 V=（0.10.2）V1 其中，H为罐高；B为罐直径；V1为空压机每分钟排气量（20，1105Pa状况下）。5.旋风分离
26、器：是利用离心力进行气-固或气-液沉降分离的设备。作用是分离空气中被冷却成雾状的较大的水雾和油雾粒子。6.冷却器：空压机出口温度气温在120左右，必须冷却。另外在潮湿的地域和季节还可以达到降湿的目的。7.丝网除沫器：可以除去空气中绝大多数的20m 以上的液滴和1m以上的雾滴，一般采用规格为直径0.2540孔且高度为150的不锈钢丝网。8.空气加热器：列管内走空气，管外走蒸汽。可将空气湿度由100%降低到70%以下。9.总过滤器：填充物按下面顺序安装：孔板铁丝网麻布活性炭麻布棉花麻布铁丝网孔板。介质要紧密均匀，压紧一致，上下棉花层厚度为总过滤层厚度的1/4，中间活性炭层为1/3。2） 无菌空气的
27、检查现在采用的无菌检查实验方法有肉汤培养法、斜面培养法和双碟培养法。这里采用斜面培养法来检查。具体方法如下：500ml三角瓶内装斜面培养基50m1，其组成为麦芽糖6、豆粕水解液6、Na2HPO412H2O 0.8、(NH4)2SO40. 4、CaCl2 0.2、NH4C1 0.15，pH 6.57.0，接种后置旋转式摇床亡，(371)下培养28h左右备用。 3.3.3 发酵罐的灭菌发酵罐的灭菌可采用空罐灭菌和实罐灭菌，此处采用空罐灭菌。空罐灭菌是将所有的通气口都稍微打开，然后通入热水蒸汽，让水蒸汽尽量通过每一个菌落达到灭菌效果。具体方法是：在121灭菌30分钟。3.4 种子扩大培养本发酵属于一
28、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3.4.1孢子制备将保存在淀粉琼脂斜面上的枯草芽孢杆菌孢子用无菌水洗下，接种到锥形瓶中，在35静置培养24天，待长出大量孢子后作为接种用的种子。3.4.2种子制备将保藏的菌种接种到马铃薯茄子瓶斜面（20%马铃薯煎出汁加MgSO47H2O 5 mg/L，琼脂2%，pH 6.77.0），37培养3天。然后接入到20L种子罐，37搅拌，通风培养1214小时。此时菌种进入对数生长期（镜检细胞密集，粗壮整齐，大多数细胞单独存在，少数呈链状，发酵液pH 6.36.8,酶活510U/mL），再接种到发酵罐。3.4.3发酵罐培养培养基的配制：用麦
29、芽糖液配置成含麦芽糖6、豆粕水解液67、Na2HPO412H2O 0.8、(NH4)2SO4 0.4、CaCl2 0.2、NH4Cl0.15、豆油1kg、深井水20L，调pH至 6.57.0。发酵罐培养基经消毒灭菌冷却后接入3%5%种子培养成熟液。培养条件为：温度371，罐压0.5kgcm2，风量120h 为1：0.48vvm，20 h后1：0.67vvm，培养时间为2836 h。3.5 发酵过程的工艺控制1）发酵过程的补料策略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。-淀粉酶生产中要经常补料，用3倍年度浓度碳源的培养基补料，体积相当基础料的1
30、/2，从培养12h开始，每小时1次，分30余次补加完毕。延长了发酵时间，提高了酶活力和单罐产量。2）发酵过程pH值的控制各种微生物需要在一定的pH环境中方能正常生长繁殖。培养基中C/N比值高，发酵液倾向于酸性，pH偏低；C/N比值低，发酵液倾向于中性或碱性，pH偏高。-淀粉酶最适 pH为6.87.2。因此，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）发酵过程温度的控制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）溶
31、氧的控制-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。-淀粉酶发酵过程中，012 h通气量为1：0.67 vvm，12 h至发酵结束通气量为1：（1.01.33） vvm 搅拌转速200r/min。 罐压0.5kg/cm2。5）染菌的控制在工业发酵中，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。可能出
32、现的异常发酵现象：1.培养基变稀：可能是噬菌体污染或营养成分缺乏；2.培养基过浓：会抑制微生物的生长，考虑可能是污水污染；3.耗糖较慢：可能原因是种子生长能力降低，检测种子是否衰退，发酵条件是否合适，以及营养成分是否全面，尤其注意缺磷；4.pH值不正常： 用缓冲对来调节，检查是否染杂菌，碳氮比是否合适；5.生长缓慢：最可能的原因就是营养成分不足。3.6 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。下游加工过程的一般工艺流程为： 固体细胞破碎分离发酵液预处理固液分离 液体初
33、步纯化高度纯化成品加工1）发酵液的过滤和预处理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，还能促使蛋白质沉淀，加磷酸既能降低钙离子也能降低镁离子。对于蛋白质的沉淀可以加入絮凝剂，调节pH值或加热。过滤：采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温。2）提取-淀粉酶常用的提取方法有：盐析法、乙醇淀粉吸附法和喷雾干燥法，这里用盐析法。具体方法：发酵液经热处理，冷却到40，加入硅藻土为助滤剂过滤。滤饼加2.5倍水洗涤，洗液同发酵液合并后，在45真空浓缩数倍后，加(NH4)2SO4 至40%饱和度。盐析沉淀物加硅藻土后过滤，滤饼于40烘干磨粉即成粗酶制
34、品。由酶液到粉状制酶剂的收率为70%。成品固体酶制剂的干燥方法有烘房、气流干燥、喷雾干燥、沸腾干燥、振动干燥和真空冷冻干燥。由于喷雾干燥生产能力大，维修保养简单，因此生产中常采用这种方法。3）纯化-淀粉酶的纯化方法可采用凝胶过滤法，就是以特定的凝胶物质为分子筛装入层析柱，再通过分离溶液时大于凝胶孔径的分子会被排阻在胶粒外，因此它们将“绕道通过”；小于该孔径的分子，由于可以自由出入胶粒内外，因此将沿着胶粒缝隙而直接流出。通过一段程度的凝胶层析柱后，大小分子将依次先后流出。4、 枯草芽孢杆菌生产发酵-淀粉酶工艺总流程图孢子斜面孢子悬浮液种子罐发酵罐补料罐 热处理 粗滤盐析压滤 干燥 喷雾干燥粉碎填
35、充剂混粉包装 5.设备的工艺计算及选型5.1发酵罐的设计 5.1.1发酵罐的结构通用发酵罐的主要组成部件有：1.罐体：是发酵罐的主要结构，其内壁有挡板，作用是防止液内中心产生漩涡，一般用35块挡板。2.搅拌装置：主要功能是使罐内物料混合均匀，搅拌器叶轮多采用搅拌涡轮式，搅拌轴要与罐体密封严实，防止漏液和染菌。搅拌转速为200r/min.3.传热装置：有夹套，列管等，这里采用外夹套。4.通气部分：通过空气分布器将通入的无菌空气均匀分布到发酵液中，发酵罐通风量012 h为1：0.67vvm ,12 h至发酵结束通风量为1：（1.01.33）vvm 。分布器有单管式和环形管式。5.消泡装置：用于消除
36、产生的泡沫，最简单实用的消泡装置是耙式消泡器，直接装在搅拌轴上。6.进出料口：罐顶设有进料口，罐底有出料口。其他附属设备还包括试镜、人孔（手孔）、取样管等，用以观测和检修。5.1.2发酵罐的工艺尺寸常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸标准化设计（见附图）其几何尺寸比例如下：H0/D=1.73.5 H/D=25 d/D=1/31/2 W/D=1/121/8 B/D=0.81.0 (S/d)2=12 (2表示搅拌器挡数) h/D=1/4 单位全部为m发酵罐大小用公称体积表示，V0=D2H/4+0.15D3其中：H0-发酵罐圆柱形筒身高度 D-发酵罐内径 H-罐顶到罐底的高度 d-搅拌器直径 W
37、-挡板宽度 B-下搅拌器距罐底的距离 S-搅拌器间距 h-底封头或顶封头高度 计算： 已知年产量为400吨，中性淀粉酶产量为35g/L,一年有300个工作日，发酵周期为48小时，即2天，清理发酵罐1天，对淀粉的转化率为42%，预处理收率85%，提取率为70%，发酵罐个数为3个，装料系数为0.75，V0是公称容积，指筒身容积与底封头容积之和，则：发酵罐体积为：V0=4001000/35/（300/3）/42%85%70%/2/0.75=203.3m3可以取V0=200m3由: V0=D2H/4+0.15D3=3D3/4+0.15 D3=200m3 H=3D得：D=4.31 m那么：H0=2.5D
38、=2.54.31=10.78m H=3D=34.31=12.93m d=D/2=0.54.31 =2.16m W=D/12=4.31/12=0.36m B=0.9D=0.94.31 =3.88 m S=2D=24.31 =8.62 m h=D/4=4.31 /4=1.08m 液面高度HL=0.75(H+h)=0.75(12.93+1.08)=10.51 m5.1.3物料衡算本系统采用3个发酵罐，每个为200m3，中性淀粉酶产量为35g/L, 对糖的转化率为42%，提取率为70%，装料系数为0.75，则：每个发酵罐在一个发酵周期中性淀粉酶产量为：2003542%70%0.75 =1543.5（k
39、g）那么3个发酵罐1年的总产量为：（1543.5300/3）3 = （kg）= 463.05吨故符合年产量为400吨的生产要求。5.1.4 发酵罐搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体特征选用。由于淀粉酶发酵过程中有中间补料操作，对混合要求比较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的各部尺寸与罐径D有一定比例关系：搅拌器叶径=1.45m 取d=1.5m叶宽B=0.2d=0.21.5=0.3m弧长l=0.375d=0.56m底距=1.5m盘径di=0.75d=0.751.5=1.13m叶弦长L=0.25d=0.251.5=0.38m叶距Y=D=4.31m弯
40、叶板厚=12mm取两板搅拌，搅拌转速N2可根据50m3罐，搅拌器直径1.05m，转速N1=110r/min，以等P0/V为基准放大求得：=87r/min5.2 种子罐的设计5.2.1 二级种子罐数量和尺寸的确定1）种子罐与发酵罐对应上料，发酵罐平均每天上2罐，所以需要二级种子罐2个。种子培养14h左右，辅助操作时间6h，生产周期大约为20h，所以2个二级种子罐能满足实际生产需求。2）种子罐尺寸的确定按接种量5%计，每日所需的种子液量为：2003%=6.0m3所需种子罐的容积为6.00.752=4.0m3所以选择公称容积为5m3的通风搅拌椭圆盖发酵罐。取径高比为H:D=2:1，则种子罐的总容积为
41、V全=V筒+2V封V全=5.0D=1.4m取D=1.5m，则H=2D=3m查表可得，封头高H封=ha+hb=375+25=400mm封头容积V封=0.487m3全容积V全=6.27m3设计符合要求5.2.2一级种子罐数量和尺寸的确定1）2）5.3 设备一览表通过设备工艺流程和设计计算，可列出淀粉酶生产所需所有设备如表5-1表5-1 1000t/a 淀粉酶生产发酵车间设备一览表序号设备名称台数规格与型号1发酵罐3公称容积200 m3，4310mm2二级种子罐2公称容积5 m3，1500mm3种子罐分过滤器240mm4发酵罐分过滤器3300mm5连消塔13502600mm6维持塔1V=4 m37喷
42、淋冷却器1F=171.9 m28螺旋板换热器1F=20 m29预处理罐3V=100 m310硅藻土过滤机3WK500-A11真空浓缩锅1SZN-120012盐析罐1V=50m313板框压滤机5XYJ80014物料泵4GNF64315清水泵4JL20-36-G16空气压缩机34L-40/2-3.217空气贮藏罐11300mm18油水分离器1600mm19丝网分离器1120mm20热交换器4JM220QF6 车间布置设计6.1 车间设计规范和规定l 建筑设计防火规范(GBJ 16-87)、l 石油化工企业设计防火规定(GB50160-99)、l 化工企业安全卫生设计标准(HG20571-95)、l
43、 工业企业厂房噪声标准(GB2348-90)、l 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规定(GB50058-92)、l 中华人民共和国爆炸危险场所电气安全规程（试行）（1987）等。 6.2 生产车间布置设计6.2.1 发酵车间组成发酵工厂生产车间内部组成，一般包括生产、辅助、生活等三部分。1)生产部分，其中包括原料工段、生产工段、成品工段、回收工段等。2)辅助部分，其中包括通风空调室、变电配电室、车间化验室、控制室等。3)生活行政部分，其中包括车间办公室、会议室、更衣室、休息室、浴室以及厕所等。6.2.2 车间布置原则1）满足生产工艺要求2）符合安全技术要求3）便于安装检修4）保证良好的操作条件5
44、）符合建筑要求6.3 车间布置及结构车间面积与生产相适应，布局合理，排水畅通；车间地面用防滑、坚固、不透水、耐腐蚀的材料修建，且平坦、无积水、并保持清洁；车间出口及与外界相连的排水、通风处装有防鼠、防蝇、防虫设施。车间内墙壁、天花板和门窗使用无毒、浅色、防水、防霉、不脱落、易于清洗的材料修建。墙角、地角、顶角应当具有弧度（曲率半径应不小于3cm）。车间内的操作台、传送带、运输车、工器具应当用无毒、耐腐蚀、不生锈、易清洗消毒、坚固的材料制作。应当在适当的地点设足够数量的洗手、消毒、干手设备或用品，水龙头应当为非手动开关。根据产品加工需要，车间入口处应当设有鞋、靴和车轮消毒设施。应当设有与车间相连
45、接的更衣室。根据产品加工需要，还应当设立与车间相连接的卫生间和淋浴室。7 结论淀粉酶已经成为工业应用中最为重要的酶之一，并且大量的微生物可以用以高效生产淀粉酶，但是酶的大规模商业化生产仍然局限于几种特定的真菌和细菌中。对于高效的淀粉酶的需求越来越多，这可以通过对现有酶的化学改良或者通白质工艺改良得到。得益于现代生物技术的发展，淀粉酶在制药方面的重要性日益凸显。当然，食品和淀粉工业仍然是主要市场，淀粉酶在这些领域的需求仍然是最大的。20世纪60年代以来由于淀粉酶在淀粉糖工业生产和食品工业中的大规模应用，它的需要量与日俱增，到目前为止，其产量几乎占到整个酶制剂的50以上，销售金额占到5560。按照水解淀粉的方式不向，主要的淀粉酶有淀粉酶、淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脱支酶、环糊精葡萄糖基转移酶等。本次设计的淀粉酶发酵厂，分别以玉米粉为碳源，以豆饼为氮源，以BF-7658枯草芽孢杆菌为生产菌种，采用深层发酵法，提取工艺采用盐析法，年产1000吨淀粉酶，日产4吨。同时做出了生产工艺流程图，进行了物料衡算和热量衡算，设计了发酵罐和种子罐的尺寸和车间的布置和结构。通过本次课程设计，我增强了对