年产5000吨糖化酶发酵车间设计.docx
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年产5000吨糖化酶发酵车间设计
南阳理工学院
本科生毕业设计
学院（系）：
生物与化学工程学院
专业：
生物工程
学生：
＊**＊＊*＊
指导教师：
李慧星
完成日期2010年5月
南阳理工学院本科生毕业设计
年产5000吨糖化酶发酵车间设计
Thedesignofannualoutputof5000tonsofglucoamylasefermentationfactoryworkshop
总计：
毕业设计（论文）28页
表格：
5个
插图:
1幅
南阳理工学院本科毕业设计
年产5000吨糖化酶发酵车间设计
Thedesignofannualoutputof5000tonsofglucoamylasefermentationfactoryworkshop
学院（系）：
生物与化学工程学院
专业：
生物工程
学生姓名：
郭留洋
学号:
**＊*＊
指导教师:
***＊**
评阅教师:
完成日期：
2010年5月
南阳理工学院
NanyangInstituteofTechnology
年产5000吨糖化酶发酵车间的工艺设计
生物工程专业郭留洋
【摘要】糖化酶是工业生产的主要酶制剂之一,广泛用于酿酒、葡萄糖、果葡糖浆、抗菌素、乳酸、有机酸、味精、棉纺厂等各方面。
本设计以玉米淀粉为主要原料，利用黑曲霉,采用机械搅拌通风罐进行发酵生产，完成生产5000吨糖化酶发酵车间工艺设计，通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出生产5000吨糖化酶发酵车间采用3个75m3发酵罐和3个6m3种子罐等，并依据生物工程工厂车间布置原则，对发酵罐车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图，工艺设计的结果为糖化酶的生产提供一定参考。
【关键字】糖化酶工厂设计深层发酵黑曲霉
TheDesignofAnnualOutputof5000TonsofGlucoamylaseFermentationFactoryWorkshop
Abstract：
Glucoamylaseisthemainenzymeofindustrialproductionwhichiswidelyusedinwine，glucose，fructosesyrup，antibiotics,lacticacid，organicacid,monosodiumglutamate,cottonandsoon。
Thedesignusecornstarchasmainrawmaterial,usingAspergillumsNiger，andapplymechanicalventilationitthatcanbefermentedproduction。
Thisindustrialworkshopdesigncancompletetheprocessofindustrialdesign,theaccounting，equipmentselectionfacilitylayoutdesign。
Thisworkshopcanmakeproductionof5，000tonsofglucoamylasefermentationusingthree75m3and3basedfermentationtank6m3seedsetandsoon，Thefermentationplanthasareasonablelayoutwhichaccordingtothefactoryworkshop’slayoutofbio—engineeringprinciples，Withdrawingaflowchartandworkshop’slayout,theresultofindustrialdesignprovideareferencetotheproductionofglucoamylase。
Keywords：
GlucoamylasePlantDesign
FermentationAspergillusNiger
1前言……………………………………………………………………………….。
1
1.1糖化酶的简介……………………………………………………………。
。
.1
1.2糖化酶的应用现状………………………………………………………...1
1。
3糖化酶在国内外的研究进展及前景…………。
.…………………………。
1
1.4设计内容及意义.……………………………。
.……………………………3
2本论…..……………………………………………。
。
…………………………….。
5
2。
1糖化酶生产中所用黑曲霉的特性……………。
.………………………….5
2.2菌种培养工艺………。
。
。
……………………………。
..……………………5
2.2。
1菌种活化……………………………………。
。
………………………6
2.2。
2一级种子培养………………………………………………………6
2.2.3二级种子培养………………………………………………………6
2.3工艺计算………………………………………………………………….。
.6
2.3.1工艺技术指标及基础数据……………………….…………………。
6
2。
3。
2发酵工艺流程图…………………………………。
…………………。
8
2。
3.3物料衡算………………………………………。
……………………。
8
2。
3.4热量衡算……………………………………….……………………。
10
2。
3.5水平衡的计算………………………………….。
……………………13
2.3。
6无菌空气用量的计算…………………………。
。
……………………14
2。
4设备的设计与选型………………………………………………………。
..14
2.4.1发酵罐的设计与选型……………………………。
…………………。
14
2.4。
2种子罐的设计与选型………………………………。
………………。
17
2。
5车间布置设计………………………………………….………………..。
18
2.5.1车间布置设计的目的和重要性………………….………………….18
2.5。
2车间布置的有关技术要求和参数………………。
…………………19
2。
5。
3设备的安全距离………………………………….………………….19
2。
5.4设备布置原则…………………………………。
..…………………...20
3结论……………………………………………………………。
..………………。
..21
参考文献……………………………………………………………………………。
22
致谢…………………………………………………………………………………。
23
1前言
1。
1糖化酶的简介
糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，糖化酶是一种习惯上的名称,学名为α-1,4-葡萄糖水解酶。
糖化酶是由曲霉优良菌种（Aspergilusniger）经深层发酵提炼而成。
糖化酶，又称葡萄糖淀粉酶［Glucoamylase，（EC.3.2.1。
3。
）]它能把淀粉从非还原性未端水介a—1。
4葡萄糖苷键产生葡萄糖，也能缓慢水解a-1。
6葡萄糖苷键，转化为葡萄糖。
糖化酶随作用的温度升高而活力增大，超过65℃，又随温度升高而活力急剧下降，糖化酶最适作用温度是60℃，最适作用PH值在4.0—4.5左右。
糖化酶广泛用于生产白酒、黄酒、酒精、啤酒、乳酸钙作糖化剂，用于以葡萄糖作发酵培养基的各种抗生素、有机酸、氨基酸、维生素的发酵，也可用于分解低聚糖，糖化酶还大量用于生产各种规格的葡萄糖。
总之，凡对淀粉、糊精、低聚糖进行酶水解的工业上，都可适用。
1.2糖化酶的应用现状
我国食品深加工企业近几年发展很快，随着啤酒、白酒、酒精等项目的增多，糖化酶、淀粉酶等生物酶的需求量随之增大.
糖化酶又称葡萄糖淀粉酶，糖化酶广泛应用于酒精、淀粉糖、味精、抗菌素、柠檬酸、啤酒等工业生产中;用于以葡萄糖做发酵培养基的各种抗生素、维生素的发酵等.糖化酶无任何毒副作用。
淀粉酶一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元等．1,4一葡聚糖,水解一1，4．糖苷键的酶。
根据作用的方式可分为淀粉酶与p一淀粉酶。
淀粉糖是我国食品工业的重要原料,是人们日常消费食糖的有益补充。
酶制剂被允许进入淀粉糖行业并全面生产新产品后，淀粉糖行业从此发生了翻天覆地的变化。
糖化酶在淀粉糖工业中的应用有广阔的市场前景和发展。
1。
3糖化酶在国内外的研究进展及前景
糖化酶也是工业上应用最广泛的酶类之一，我国生产糖化酶已有20多年历史,作为葡萄糖生产及发酵工业的重要酶种，其产量占全国酶制剂产量的60%以上且产销量逐年递增。
除了利用糖化酶水解淀粉为葡萄糖而用于制糖业外,现在人们越来越多地开发糖化酶的新型用途，糖化酶在酿酒工业中也有广泛的应用［1］，传统白酒生产用曲的微生物是依靠自然界带入的，其糖化力较低,耐酸耐热性都较差。
糖化酶作用的pH范围为3.0~5。
5,最适作用范围为4。
0～4。
5，这使得白酒酿造过程中酸度不断增加,适宜发酵。
糖化酶的应用，使粮醅入酵后发酵升温快,升温幅度大,提高原料的出酒率，缩短发酵周期,降低生产成本[2］。
在食用醋生产中，应用TH2AATY和糖化酶，可以解决企业自制酒母质量不稳定和夏季高温等生产难题，使食用醋生产正常进行，它不仅降低了原材料的消耗，减轻了工人的劳动强度，而且显著提高了淀粉利用率和出醋率,具有较好的经济效—5-益。
固定糖化酶应用于糖结晶过程，可以提高糖的产出率,糖化酶将会被应用于更为广阔的空间。
国内外对糖化酶的研究集中在开发复合糖化酶制剂及其应用上,而对于菌种的选育，Novo公司自上世纪90年代以来已利用基因工程技术构建了性能优异的工程菌并应用于生产，将酶活力大幅度地提高．自1994年以来，无锡酶制剂厂引进国外糖化酶生产菌种以后，国内糖化酶厂先后采用引进菌种．目前国内酶制剂厂的糖化酶发酵水平大都在30000~40000u／mL之间，少数厂家达到40000—50000u／mol．1980年以后，国内不少研究者也筛选出了多株性能不错的黑曲霉变异株，酶活力也有较大幅度的提高，其中以上海市工业微生物研究所梁天锡等人对此研究的较多,成功选育出了SP56菌株，另外邬敏辰，李剑芳等人诱变选育的WMC-15菌株，工艺优化后发酵160h酶活力也可达30000u／mol以上，代表了国内糖化酶菌种的最高水平．河南天冠企业集团使用的黑曲霉菌株虽是变异株，但已有不少研究者曾以该变异株为出发菌株进行诱变筛选，选育出了性能更为优良的变异株,如上海市工业微生物研究所粱天锡等人选育的a一471菌株，无锡轻工业学院选育的AN—149菌株，WMC—15菌株等．尽管如此,我国的糖化酶发酵水平与国际先进水平还有不小的差距，有待于进一步提高[4，5，6]。
20世纪80年代，对于糖化酶的研究发展极快，主要集中于糖化酶菌株的分离及其纯化工作．长期研究证明，糖化酶广泛地分布在微生物中，主要存在于黑曲霉、米曲霉、根霉等丝状真菌和酵母中，同时也存在于人的唾液、动物胰腺及细菌中．已报道的产糖化酶真菌微生物有23个属35个种；细菌有3属3种．
几十年来我国科研工作者为提高糖化酶的活力进行了不懈的努力，常规的物理及化学诱变的方法仍然是方便有效的途径．谷海先等对黑曲霉AN一149菌进行自然分离、紫外线和NTG的复合诱变处理，得到了一株高产糖化酶的菌株WG一93，经3OL发酵罐试验,酶活力达29key／ml（原糖化酶生产发酵水平为12key／m1）．1993年，李俊刚等对生淀粉糖化菌黑曲霉S一1原生质体采用（l=260nm，2=266Tim）能量为8的激光直接照射，得到高酶活力的生淀粉糖化酶突变株，比出发株酶活力平均提高37．4％，最高突变株酶活力达到74．5u,比出发株提高91％．1998年，李俊刚等又以黑曲霉523原生质体为对象，经激光、紫外线和亚硝基胍复合诱变，选育出生淀粉糖化酶高产突变株黑曲霉NL一3，其生淀粉酶活力为156u／m1．王海洪等通过分离和筛选，得到一株分解小麦生淀粉能力较强的黑曲霉，其生淀粉糖化酶活力为171．5u／g，a一淀粉酶活力为6．347u／g．DNA重组技术发展以来，有人尝试将糖化酶基因克隆到埃希大肠杆菌和酵母菌中，构建了糖化酶高产工程菌［7，8]．近几年来，罗进贤等人将酵母Ty转座子的8序列，黑曲霉糖化酶Edna及C，418抗性基因tie重组进酵母整和型质粒Yiplae128获得含LEU2,tie双标记基因,糖化酶Edna的高整和型表达载体YI128D．17N，转化cRF18（YI128D．17N）糖化酶基因在该菌株获得高效表达,产物分泌到胞外．吴晓萍等人“将切除了5’端非编码区50碱基对片段的黑曲霉糖化酶GAIEdna与大麦a一淀粉酶基因重组进埃希大肠杆菌一酵母穿梭载体，构建重组表达质粒pMAG11,转化酿酒酵母GRF18，获得含a一淀粉酶和糖化酶双基因的酵母工程菌GRF18（magi），在酵母PGK基因启动子和终止信号的调控下,a一淀粉酶和糖化酶基因获得高效表达，99％的表达产物分泌至胞外．糖化酶的基因的研究对黑曲霉糖化酶基因的研究有了不断的进展，尤其是对其结构基因和调控序列．主要研究不同真菌中糖化酶的基因克隆、表达和糖化酶的性质，在挖掘糖化酶资源方面做了大量工作［9，10］．
虽然对糖化酶的研究已有多年，但是仍有许多问题尚待进一步探索．基础研究领域将主要集中在糖化酶的结构研究,如糖链在糖化酶活性、稳定性及构象状态中所起的作用,进一步阐明糖化酶的多型性原因及糖化酶的热稳定性机制［11］．应用研究之一仍将是进一步提高糖化酶的活力，利用诱变、DNA重组技术或其他方法获得优良菌株，提高糖化酶基因在受体菌中的表达水平等，进一步优化糖化酶纯化工艺及保存条件;另一方面，诱变筛选耐热糖化酶产生菌或克隆耐热糖化酶基因，将是一个重要方向，因为耐热糖化酶在发酵业的应用将会大大降低能源消耗，从而降低生产成本，将给糖化酶在工业中的应用开辟更为广阔的前景
1。
4设计内容及意义
酶制剂是一种生态型高效催化剂，具有高效、安全、节能、生态和环保等特点，能够有效带动相关领域技术水平的提高，对应用产业开发新产品，提高质量、节能降耗、保护环境具有重要意义,产生了巨大的社会效益和经济效益。
酶制剂产业已经成为生物技术领域的前卫产业和21世纪最有希望的新兴产业之一。
国家十一五期间已将酶制剂列为重点发展的领域，将投资几十亿到该产业，建立生产、研发、出口、检测、菌种保藏基地，使中国成为世界酶制剂生产基地和研发基地，引领世界酶制剂市场。
而酶制剂中的糖化酶主要应用领域为酒精、白酒、淀粉糖、味精等行业,目前我国酒精年生产能力为897万吨，年需万单位糖化酶242000吨，白酒企业年需糖化酶20000吨,淀粉糖和味精企业需求25000吨左右，而国内现有企业糖化酶产量才207000吨，远远不能满足市场需求。
但是酒精企业的扩建,造成粮食短期供应紧张，酒精企业有297万吨产量未能达产，少消耗糖化酶80000吨，因此缓解了市场供求矛盾。
随着世界能源的日趋紧张，世界各国都在大力发展可再生能源，因此，以后糖化酶的生产将会有很大的空间［12]。
本设计以玉米淀粉为主要原料，利用黑曲霉,采用机械搅拌通风罐进行发酵生产，完成年产5000吨糖化酶发酵车间工艺设计,通过工艺流程设计、工艺衡算、设备选型和车间布置设计，设计出年产5000吨糖化酶发酵车间，并依据生物工程工厂车间布置原则,对发酵罐车间进行合理布置，绘制了工艺流程图和车间布置图，工艺设计的结果为糖化酶的生产提供一定参考。
2本论
2。
1糖化酶生产中所用黑曲霉的特性
黑曲霉在液体培养基中32℃摇瓶培养96h，粗提酶液经进一步分离提取，得到同时具有液化和糖化两种酶活力的新型酶制剂，最适PH值为4．6。
耐酸性α-淀粉酶活性的最适温度为60℃，糖化酶活性的最适温度为50℃。
在pH4．6酸性条件下，该液化糖化酶在50℃保温1h，仍具有原酶活性.黑曲霉广泛分布于世界各地的粮食、植物性产品和土壤中.是重要的发酵工业菌种,可生产淀粉酶、酸性蛋白酶、纤维素酶、果胶酶、葡萄糖氧化酶、柠檬酸、葡糖酸和没食子酸等。
有的菌株还可将羟基孕甾酮转化为雄烯。
生长适温37℃,最低相对湿度为88％,能引致水分较高的粮食霉变和其他工业器材霉变。
2.2菌种培养工艺
糖化酶发酵罐中必须用纯培养接物种，并且接种量要求相当大，目的是使发酵迅速安全地进行，因此生产上需要有菌种扩大培养的操作。
扩大培养可按下述步骤进行：
试管原种→10mL.试管→500mol三角瓶→1—2L三角瓶→10—20L罐→100—200L罐→1000—2000L罐。
2。
2。
1菌种活化
将保存的原菌种先转接到10mL10°Box麦芽汁的试管中，在34℃下培养24h。
这时可以看到培养液混浊，镜检观察有无杂菌污染.此时的检查十分重要.这将是关系到整批发酵成功的关键.可适当转接多次。
2。
2.2一级种子培养
将上述的培养的种子液转移接入一级种子罐中。
培养液的的组成为（g/l）：
培养基在100Kpa表压下灭菌30min。
在34℃下培养5-6天。
玉米粉60;玉米浆20；黄豆粉20；KNO33；MgSO4＊7H2O1。
2;KH2PO42。
7;PH自然
2。
2。
3二级种子培养
将上述一级种子罐培养出来的种子液接入装有更多培养液的二级种子罐中，在100Kpa表压下灭菌15min，煮沸灭菌后立即冷却至培养温度在34℃左右，培养7-10天.培养时观察到整个表面孢子着色均匀，显出成熟特征的颜色即可。
后续每一步培养液的量扩大10~15倍，在30~34℃下培养。
一般工厂中，菌种的扩大培养只是生产开始时进行一次，而正常生产中采用连续法接种,即将一部分旺盛的发酵液作为接种物，接入新配好的培养液中进行发酵。
只有在发现发酵异常、菌种不纯或退化、影响生产时，才重新开始扩大培养一次。
2。
3工艺计算
2.3。
1工艺技术指标及基础数据
（1）.工艺技术指标及基础数据
表2—1黑曲霉产糖化酶发酵工厂技术指标
指标系数
单位
指标数
指标系数
单位
指标数
生产规模
t/a
5000
发酵辅助时间
h
24
生产方法
液体深层发酵
菌种培养时间
h
24
年生产天数
d/a
300
菌种培养辅助时间
h
15
产品日产量
Kg/d
15625
接种量
％
10
产品质量
u/ml
20000
发酵罐装料系数
%
80
倒灌率
％
2
放罐发酵单位
u/ml
12000
发酵周期
h
120
提取总收率
%
80
（2）种子培养基（g/l）:
玉米粉60；玉米浆20；黄豆粉20;KNO33；MgSO4*7H2O1。
2；KH2PO42.7；PH自然
（3）发酵初始培养基（g/l）：
玉米粉50；玉米浆20；黄豆粉20；麸皮30；料:
水=1：
7，接种量10%
（4）采用间歇发酵培养
2.3。
2发酵工艺流程图:
图2。
1糖化酶发酵生产工艺流程图
2.3.3物料衡算
1.首先计算生产1000kg活度为20000u/ml的糖化酶，产品需要耗用的原材料及其他物料量：
（1）放罐成熟发酵液放罐单位为12000u/ml，生产1000kg产品发酵液量为:
VO=1000＊20000*1000/12000＊1000*1000＊8%*98％=2。
13m3
式中
80%──糖化酶总提取率
98％──除去倒灌率2％的发酵成功率
（2）房管成熟发酵液量Vo分为三部分组成：
底料V1=Vo＊80％=1.70m3
种液量V2=Vo910%=0。
213m3
底料物料用量:
发酵培养基配方*V1
种液的物料用量：
种子培养基配方＊V2
（3）配制发酵液底料所需黄豆粉量
M1=20V1=34.02kg
（4）种子培养液所需黄豆粉量
M2=20V2=4.26kg
（5）生产1000kg糖化酶共需黄豆粉量
M=M1+M2=38。
28kg
依此类推,可以计算出生产1000kg糖化酶所需要其他无聊的量
（6）玉米粉的用量
M3=50V1+60V2=97.83kg
（7）玉米浆的用量
M4=20（V1+V2）=38。
28kg
（8）KNO3的用量
M5=3V2=0。
64kg
（9）MgSO4•7H2O的用量
M6=1.2V2=0。
26kg
（10）KH2PO4的用量
M7=2。
7V2=0.58kg
（11）麸皮的用量
M8=30V1=51。
03kg
（12）淀粉酶耗用量
应用酶活度为20000U/g的α-淀粉酶，淀粉酶用量50U/g：
M9=（M+M3）*50/20000=0。
34kg
2.5000t/a糖化酶发酵车间的物料衡算
由上述生产1000kg活度为20000u/ml的糖化酶产品，需要耗用的原材料及其他物料衡算结果,可求得5000t/a该糖化酶发酵车间的物料衡算，计算结果具体如下：
表2—25000t/a糖化酶发酵车间的物料衡算表
物料名称
生产1t糖化酶
的物料量
生产5000t/a糖化酶
的物料量
每日物料量
糖化酶/kg
1000
5000000
16666.67
发酵液量/m3
1。
70
8500
28。
33
种液量/m3
0.213
650
2.17
黄豆粉量/kg
38.28
191400
638
玉米粉量/kg
97.83
489150
1630。
5
玉米浆/kg
38.28
191400
638
麸皮/kg
51。
03
255150
850.5
KNO3/kg
0.64
3200
10.67
MgSO4•7H2O/kg
0。
26
1300
4。
33
KH2PO4/kg
0。
58
2900
9。
67
α—淀粉酶/kg
0。
34
1700
5。
67
2.3.4热量衡算
现已生产1000kg糖化酶来计算此工艺过程中的热量衡算。
1。
用水耗热量So
根据工艺，糊化锅加水量为：
M1=（38.28+97.83+51。
03）*7=1310kg
38。
28──黄豆粉用量
97.83──玉米粉用量
51.03──麸皮用量
故糊化锅用水量为M1=1310kg自来水平均温度取t1=18℃，而配料用水温为50℃,故耗热量:
So=CwM1（t2—t1）
=4。
18*1310*32
=175000KJ
有糖化工艺流程可知:
Q=Q’+Q”+Q”’
糊化锅内玉米醪由初温to加热至100℃耗热Q’
Q’=M玉米醪C玉米醪（100—to）
（1）计算玉米醪的比热容C玉米醪，根据经验公式，C谷物=0。
0。
1[（100-ω）+4.18ω]进行计算，式中ω为含水量百分率,Co为谷物比热容，取Co=1。
55KJ/（kg/k）
C玉米粉=0.01[（100—13）＊1。
55+4。
18*13］=1。
89
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