万吨 α淀粉酶生产车间的设计文档格式.docx
《万吨 α淀粉酶生产车间的设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《万吨 α淀粉酶生产车间的设计文档格式.docx（74页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
此外还广泛应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100～110℃的高温操作条件。
由于α-淀粉酶应用广泛，产量日益增加，本设计主要是进行年产60,000tα-淀粉酶的工厂设计。
本设计分别对α-淀粉酶的性质、应用、工艺流程及生产原理都做了相关的阐述，并对有关的物料和热量也作了相应的衡算，以及对标准设备的选型和计算，还对工艺指标、安全问题、环境保护及经济效益都做了详细的阐述。
本设计以理论设计为依据，以实际生产为参考，在设计过程中综合了相关领域人员的意见，筛选出最佳设计方案，力求接近实际，切合实际。
由于本次毕业设计的复杂性，加上本人水平所限，不当之处，诚请导师批评指正。
2绪论
2.1淀粉酶的发展历程
它最早实现了工业生产并且迄今为止是用途最广、产量最大的一个酶制剂品种。
早在数千年前，人类就已利用淀粉酶的作用，从事酿酒、制饴糖等。
诗经上记载：
“若作酒醴，尔惟曲蘖。
”曲是长霉的谷子，蘖是发芽的谷粒，二者都含有淀粉酶。
就是说酿酒和甜酒，得用曲子和谷芽才能发酵。
埃及人在公元前六千年即已用麦芽酿造啤酒。
但是将酶提取出来使用，是十九世纪才开始的。
1833年佩恩（Payen）和帕索兹（Persoz）从麦芽的水抽提物中用乙醇沉淀得到一种可使淀粉水解生成可溶性糖的物质，称之为淀粉酶（diastase），并指出了它的热不稳定性，初步触及了酶的一些本质问题[1]。
1896年日本人高峰让吉用麸皮培养米曲霉，用水提取再以酒精沉淀，得到淀粉酶为消化剂。
此后，运用广泛的学识在美国成立高峰制药厂（TakamineLaboratory），从事微生物酶的生产与研究。
1920年前后，法国人Boidin和Effront等又先后发现枯草杆菌可以分泌耐热而且活性更强的α-淀粉酶，于1926年在德国设厂生产，为微生物酶的工业生产奠定了基础。
淀粉酶的作用方式是在五十年代阐明了淀粉的分子结构以后才逐渐搞清的。
淀粉是由葡萄糖通过α-1，4糖苷键构成的直链淀粉和α-1，6位有分支的支链淀粉组成的。
粮食淀粉中，直链淀粉约占20-30%，而糯性谷物的淀粉，几乎全部为支链淀粉。
豆类（豌豆等）淀粉则大部分为直链淀粉。
直链淀粉约含100-6，000个葡萄糖单位，支链淀粉平均含6，000个以上的葡萄糖单位，最高可达300万。
1970年Gunja-Smith提出的支链淀粉的树枝状结构模式，它是由A、B、C三种链所构成。
A是外链，通过α-1，6键同B链相接，B链又经α-1，6键同C链相连接，C链是主链，它的一端为非还原性末端，A链、B链均无还原性末端，因此支链淀粉的还原力甚小。
按照水解淀粉方式的不同，主要的淀粉酶可分为四大类：
（1）α-淀粉酶：
它以糖原或淀粉为底物，从分子内部切开α-1，4糖苷键而使底物水解；
（2）β-淀粉酶：
从底物非还原性末端顺次水解每相隔一个的α-1，4糖苷键，切下的是麦芽糖单位；
（3）葡萄糖淀粉酶：
从底物非还原性末端顺次水解α-1，4糖苷键和分支的α-1，6键，生成葡萄糖；
（4）解支酶或异淀粉酶：
只水解糖原或支链淀粉分枝点α-1，6糖苷键，切下整个侧枝。
此外，还有一些与工业有关的淀粉酶是环式糊精生成酶（这种酶使6或7个葡萄糖构成环式糊精），G4、G6生成酶（这类酶从淀粉非还原性末端切下4或6个葡萄糖分子构成的寡糖），还有α-葡萄糖苷酶（α-glucosyidase）可将游离葡萄糖转移至其他葡萄糖基的α-1，6位上，生成种种含α-1，6键的寡糖，如潘糖与麦芽糖等。
其中α-葡萄糖苷酶（α-glucosyidase）又称葡萄糖转移酶（α-glucosytransferase）,以前曾叫麦芽糖酶（malfase）。
工业生产的微生物淀粉酶制剂类型见表2.1。
表2.1各种微生物所产生淀粉酶的类型
菌种
淀粉酶类型
切开之键
主要生成物
细菌
枯草杆菌
（Bacillussubtilis）
α-、糖化型
α-1，4
G1，G2，G3，D
淀粉液化芽孢杆菌
（B.amyloliqefaciens）
α-、液化型
G1，G2，D
巨大芽孢杆菌
（B.megaterium）
β-
G2，D
Pseudomonasstutzeri
G4，D
产气气杆菌
（Aerobacteraerogens）
异淀粉酶
G6，D
α-1，6
直链糊精
软化芽孢杆菌
（B.mecerans）
环状
CD
霉菌
德氏根霉
（Rhizopusdelemar）
糖化，α-
G1
黑曲霉
（Aspergillusniger）
糖化，
α-葡萄糖苷酶
G1，寡糖
酵母
拟内孢霉
（Endomycopsisfibuliger）
卵孢霉
α-
糖化α-
G2，寡糖
注：
G1，G2表示葡萄糖聚合度；
D表示糊精；
CD表示环式糊精。
2.2α-淀粉酶的性质
α-1，4葡聚糖-4-葡聚糖水解酶（α-1，4-glucan-4-glucanohydrolase）
α-淀粉酶作用于淀粉时，可从分子内部切开α-1，4键而生成糊精和还原糖。
产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α-构型，故称α-淀粉酶。
至今已有不少微生物的α-淀粉酶被高度纯化。
我国对α-淀粉酶的生产与应用做过不少研究。
例如枯草杆菌BF7658α-淀粉酶，广泛应用于食品、酿造、制药、纺织以至石油开采等许多方面。
此外，也少量生产用作消化剂的米曲霉他卡淀粉酶[2]。
几种来源不同的α-淀粉酶的性质见表2.2。
2.2.1pH对酶活性的影响一般α-淀粉酶在pH5.5-8稳定,pH4以下易失活，酶活性的最适pH5-6。
哺乳动物的α-淀粉酶能被氯离子激活，在氯离子存在下最适pH7.0。
高等植物的α-淀粉酶在pH3.6失活，但在霉菌中，黑曲霉α-淀粉酶耐酸性较强。
黑曲霉NRRL330α-淀粉酶的最适PH为4.0。
在pH2.5，40℃处理30分钟尚不失活。
然而在pH7.0时，55℃处理15分钟，活性几乎全部丧失。
黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐酸性的，而米曲霉则相反，其α-淀粉酶经过pH7，55℃处理15分钟，几乎无损失，而在pH2.5处理则完全失活。
曲霉的α-淀粉酶可分为耐酸性和非耐酸性二种，黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐酸性的，而米曲霉所生产的α-淀粉酶以非耐酸性的为主[3]。
表2.2各种α-淀粉酶的性质
酶来源
淀粉分解限度%
主要水解产物
碘反应消失点分解限度%
麦芽糖分解力
酚基麦芽糖分解作用
耐热性℃（15分钟处理）
PH稳定性（30℃24hr）
适宜PH
Ca++的保护作用
淀粉之吸附性
枯草杆菌（液化型）
35
糊精、麦芽糖（30%），葡萄糖（6%）
13
-
65-80
4.8-10.6
5.4-6.0
+
枯草杆菌（糖化型）
70
葡萄糖41%，麦芽糖58%，麦芽三糖，糊精
25
55-70
4.0-9.0
4.8-5.2
枯草杆菌（耐热型）
糊精，麦芽糖，葡萄糖
75-90
5.0
4.9-5.2
米曲霉
48
麦芽糖（50%）
16
4.7-9.5
黑曲霉（耐酸性）
1.8-6.5
4.0
根霉
50-60
5.4-7.0
3.6
96
葡萄糖（96%）
50
35-50
6.0-7.5
5.4
37
糊精、麦芽糖
14
50-70
6.0-10.3
5.6
胰脏（人）
40
麦芽糖
4.8-11
6.9
唾液（人）
麦芽
4.8-8.0
5.3
绿豆芽
葡萄糖、麦芽糖
20
5.0-8.3
除唾液、胰脏α-淀粉酶受Cl-激活外，其余都不需Cl-活化。
DE值又称葡萄糖值，系指总糖中含葡萄糖的百分率。
耐酸性α-淀粉酶在pH2.0仍保留原始活性80%以上，但在中性和碱性下极不稳定。
例如黑曲霉NRRL337α-淀粉酶的耐酸性部分的最适pH为4.0，在pH2.5-6.5稳定，非耐酸性部分的最适pH6.5，在pH5.5-9.5稳定。
枯草杆菌α-淀粉酶作用的最适pH范围为5-7。
嗜碱细菌中存在着最适pH为4.0至11.0的α-淀粉酶。
嗜碱性芽孢杆菌NRRLB3881最适pH9.2-10.5，嗜碱性假单孢杆菌α-淀粉酶最适pH为10。
2.2.2温度对酶活性的影响纯化的α-淀粉酶在50℃以上容易失活，但在有大量钙离子存在下，酶的热稳定性增加。
芽孢杆菌的α-淀粉酶耐热性较强。
枯草杆菌α-淀粉酶，在65℃稳定。
嗜热脂肪芽孢杆菌（B.stearothermophilus）和凝结芽孢杆菌（B.coagulans）的α-淀粉酶的热稳定性更强，前者经85℃处理20分钟，尚残存酶活70%；
后者在Ca2+存在下，90℃时的半衰期长达90分钟。
有的嗜热芽孢杆菌的α-淀粉酶在110℃仍能液化淀粉。
地衣形芽孢杆菌（B.licheniformis）的α-淀粉酶其热稳定性不依赖Ca2+，可在EDTA存在下测定酶活性，以区别于非耐热性α-淀粉酶。
霉菌α-淀粉酶的耐热性较低，黑曲霉耐酸性α-淀粉酶的耐热性比其非耐酸性α-淀粉酶为高，在pH4，55℃加热24小时也不失活。
然而拟内孢霉α-淀粉酶在40℃以下也很不稳定。
经过对各种α-淀粉酶粗制剂的水溶液作加热处理，每分钟升温1.5℃，直至80℃，发现各种酶的残留活性是：
真菌来源的为1%；
谷物来源的为25%；
细菌来源的为92%。
α-淀粉酶的耐热性还受底物的影响，在高浓度的淀粉浆中，最适温度原为70℃的枯草杆菌α-淀粉酶，以85-90℃时的活性最高。
2.2.3淀粉的吸附性与酚基α-麦芽糖苷的水解力枯草杆菌α-淀粉酶（液化型）能被淀粉所吸附。
霉菌α-淀粉酶不能被淀粉所吸附，然而可切开酚基麦芽糖苷，而枯草杆菌液化型α-淀粉酶则不能，据此可以区别二者。
2.2.4钙离子与α-淀粉酶活性的关系α-淀粉酶是一种金属酶，每分子酶含一克原子Ca2+。
Ca2+使酶分子保持适当的构象，从而维持其最大的活性与稳定性。
嗜热脂肪芽孢杆菌与枯草杆菌α-淀粉酶在热稳定性上之所以不同，是由于高温对Ca2+的亲和力不同。
钙和酶的结合牢固，依次是霉菌>
细菌>
哺乳动物>
植物。
Ca2+对麦芽糖α-淀粉酶的保护作用最明显。
枯草杆菌糖化型α-淀粉酶（BSA）同Ca2+的结合比液化型α-淀粉酶（BLA）更紧密。
向BSA添加Ca2+对活性几乎不发生影响。
单用EDTA处理也不能引起失活，只有在低pH（pH3.0）下用EDTA处理才能去除Ca2+，但若添加与EDTA当量的，并将pH恢复至中性，则仍然可恢复它的活性。
除Ca2+外，其他二价碱土金属Sr2+、Ba2+、Mg2+等均无Ca2+的α-淀粉酶恢复活性的能力。
枯草杆菌液化型α-淀粉酶（BLA）的耐热性因Na+、Cl-和底物淀粉的存在而提高。
NaCl与Ca2+共存时对提高α-淀粉酶的耐热性的作用尤为显著。
添加Ca2+有助于增加酶的热稳定性，但实际上淀粉中所含微量Ca2+已足够酶的充分活化所需。
2.3α-淀粉酶的应用
α-淀粉酶是催化淀粉水解生成糊精的一种淀粉水解酶，在食品、轻工和医药领域都有重要应用价值。
在疾病治疗方面，α-淀粉酶可以治疗消化不良、食欲不振。
当人体消化系统缺少淀粉酶或在短时内进食过量淀粉类食物时，往往引起消化不良、食欲不振的症状，服用含有淀粉酶的制剂，就可以达到帮助消化的效果。
常用的有α-淀粉酶、麦芽淀粉酶、胰淀粉酶、米曲霉淀粉酶（高峰淀粉酶）等，通常淀粉酶与蛋白酶、脂肪酶组成复合制剂使用。
通常淀粉酶或复合制剂都是制成片剂，以口服方式给药。
2.4α-淀粉酶的氨基酸组成
α-淀粉酶是由511个氨基酸组成的单个多肽链。
机体中胰腺含量最多，由腺泡细胞合成后通过胰管分泌入小肠，唾液腺也可分泌大量淀粉酶入口腔开始消化多糖化合物，此外还可见于卵巢、肺、睾丸、横纹肌和脂肪组织中。
唾液、猪胰、米曲霉（1954）、枯草杆菌（1956、1959）、嗜热芽孢杆菌（1961）以及黑曲霉（1969）、谷芽（1967）的α-淀粉酶的氨基酸组成不同（见表2.3）。
其中天冬氨酸和谷氨酸含量较多，含硫氨基酸含量特别低。
枯草杆菌液化型α-淀粉酶缺乏胱氨酸与半胱氨酸，因此它不含-SH键与二硫键。
酶蛋白的肽链是靠氢键、疏水键与其他键折叠成为紧密的结构。
α-淀粉酶的分子量约50，000左右。
枯草杆菌液化型α-淀粉酶结晶的分子量为96，900，用葡聚糖凝胶过滤，可得到分子量约为50，000和约为100，000的两个成分。
分子量50，000的成分是α-淀粉酶的单聚体，在有锌存在下，二个单体交连而成含一原子锌的二聚体，EDTA可使二聚体解离为单体。
嗜热脂肪芽孢杆菌α-淀粉酶的某些菌株，它的α-淀粉酶分子量只有15，000，但另一些菌株的分子量也有50，000左右。
嗜热脂肪芽孢杆菌所产α-淀粉酶，用DEAE纤维素可分成两个分子量稍有不同的同工酶，α-淀粉酶Ⅰ分子量为46，000，α-淀粉酶Ⅱ为43，000。
枯草杆菌与脂肪嗜热芽孢杆菌α-淀粉酶之间结构相似。
霉菌α-淀粉酶的一个特征是含有碳水化物。
米曲霉他卡淀粉酶中含3%糖类，主要是甘露糖、葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖，其分子比是1：
1：
2：
1.6：
0.8：
0.5，N-乙酰氨基葡萄糖与酶蛋白中的天冬酰胺相结合。
由于糖类残基的不同使α-淀粉酶具有不同的性状。
动物α-淀粉酶中也含糖，糖对酶的稳定性是有影响的。
组氨酸及氨基是α-淀粉酶表现其活性所必需的。
枯草杆菌糖化型α-淀粉酶只含一个半胱氨酸，其SH基以掩蔽状态存在。
天然的酶不受PCMB（对氯汞苯甲酸）的抑制，米曲霉α-淀粉酶中含几个胱氨酸分子，尚有一个掩蔽的半胱氨酸残基。
酶蛋白中缺乏暴露SH基或二硫键，也许这是一些α-淀粉酶耐热、耐碱性的原因。
酪氨酸对米曲霉与枯草杆菌的α-淀粉酶活性甚为重要，它的酚基中的OH与酶稳定性有关[4]。
表2.3几种α-淀粉酶的氨基酸组成（每100克蛋白质中克数）
氨基酸
脂肪嗜热芽孢杆菌
唾液
猪胰
液化型MW48875
糖化型MW41000
MW
15600
MW51500
耐酸性
非耐酸性
MW4800
MW50000
MW45000
天冬氨酸
15.09
19.15
9.30
16.53
13.4
15.3
15.7
19.3
14.5
苏氨酸
6.36
6.12
6.20
10.86
6.8
8.2
4.2
4.5
3.9
丝氨酸
6.24
8.57
4.24
6.48
3.4
7.8
4.1
谷氨酸
13.46
11.64
20.36
6.95
7.6
8.1
9.9
9.6
10.5
脯氨酸
4.14
2.58
16.27
4.18
3.2
4.8
甘氨酸
5.64
4.90
6.59
5.5
7.0
6.82
6.7
丙氨酸
6.02
6.21
4.77
6.80
4.7
6.0
6.6
4.43
缬氨酸
5.55
4.65
8.53
6.69
5.7
6.89
蛋氨酸
1.26
1.96
2.66
2.20
1.9
2.4
1.4
2.1
异亮氨酸
3.97
6.05
5.20
5.80
11.5
亮氨酸
6.42
6.18
7.22
8.30
7.9
7.5
7.9
5.77
酪氨酸
8.31
6.37
2.96
9.55
9.7
10.1
5.51
苯丙氨酸
5.85
4.39
6.40
4.25
3.5
6.2
7.20
组氨酸
3.80
3.19
4.33
2.02
1.7
2.0
3.24
赖氨酸
7.30
4.63
5.22
5.94
2.2
5.1
5.2
6.33
4.9
精氨酸
6.78
3.36
2.72
3.1
5.8
8.75
色氨酸
6.19
4.76
/
7.2
胱氨酸
0.34
3.42
1.6
1.0
0.7
0.4
4.4
升级会员 