毕业设计年产5万吨α淀粉酶工厂生产车间的设计.docx
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毕业设计年产5万吨α淀粉酶工厂生产车间的设计
本科生毕业设计（论文）
学院（部）：
生物与化学工程学院
专业：
生物工程
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[1]，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[2]。
根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同[3]，可将其分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。
其中，α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶）多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的α-1，4糖苷键[4]，而生成糊精和还原糖，产物的末端残基碳原子构型为α-构型，故称α-淀粉酶[5]。
α-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中[6]，当然，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重要的淀粉水解酶，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α-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α－淀粉酶。
目前，α-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。
如在淀粉加工业中，微生物α-淀粉酶已成功取代了化学降解法；在酒精工业中能显著提高出酒率。
其应用于各种工业中对缩短生产周期，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。
1.2淀粉酶的发展历程
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（Payne）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[7]。
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。
1965年，我国开始应用淀粉芽孢杆菌BF7568生产α-淀粉酶，当时只有无锡酶制剂厂独家生产。
1967年杭州饴糖厂实现了应用α-淀粉酶生产饴糖的新工艺，可以节约麦芽7%-10%，提高出糖率10%左右。
1964年我国开始了酶法注射葡萄糖新工艺的鉴定并先后在华北制药厂，河北东风制药厂，郑州嵩山制药厂等单位得到应用，取得了良好的经济效益。
与传统的酸法相比可以提高效率10%，降低成本15%以上。
另外我国以酶法进行柠檬酸生产，谷氨酸发酵，糖化制啤酒，酒精发酵，黄酒酿造，酶生产，酱油制造等方面也已经研究成功并投入生产。
[8]
二战之后，随着抗生素工业的发展，微生物的培养技术、发酵工艺和发酵罐的革新，酶制剂工业有了飞跃的发展，进入了工业化大生产的阶段。
1949年日本采用淀粉酶和糖化酶进行淀粉的液化和糖化，确定了酶法制造葡萄糖浆的工艺，革除了沿用100年酸水解工业，使淀粉出糖率由80%提高到100%。
1973耐热性α淀粉酶投入生产。
从此淀粉酶的生产又进入了一个新阶段。
据统计，α淀粉酶和糖化酶是酶制剂的主要品种。
如美国1975年酶制剂总产值为5151万美元，淀粉酶类为1550万美元，1980年总产值为6681万美元，其中淀粉酶类约占20%。
在日本，1976年酶制剂总销售额为2999百万日元，α淀粉酶为1530百万日元，占50%。
2α淀粉酶的结构与性质
参见参考文献收藏夹
结构
从淀粉酶的发现至今α淀粉酶的种类已经越来越多，按照使用条件可以分为中温型，高温型，耐酸耐碱型。
按生产菌不同可以分为细菌、真菌、植物和动物淀粉酶。
BF-7568是细菌淀粉酶的代表，米曲酶是真菌淀粉酶的代表。
水解淀粉的酶类主要有α淀粉酶家族（EC3.2.1.1），β淀粉酶家族（EC3.2.1.2）,葡萄糖糖化酶（EC3.2.1.3），异淀粉酶（EC3.2.1.68），环式糊精糖化酶（EC2.4.1.19）等【12】，其中大部分淀粉水解酶都属于α淀粉酶家族，需要指出的是，α淀粉酶与α-淀粉酶家族是两个不同的概念，通常将作用于α糖苷键连接的葡萄糖聚糖，并且作用后能保持葡萄糖残基的c1碳原子为α淀粉酶家族。
α-淀粉酶家族明确的包含两大类酶，即葡萄糖苷水解酶和葡萄糖基转移酶，他们或者水解α-1,4键、α-1,6键，或者生成α-1,4键、α-1,6键，极少数还可作用于α-1,2键、α-1,3键，这取决于各个酶作用的特异性，根据酶的特异性，α-淀粉酶家族可分为将近30种不同专一性特征的酶类。
显然α-淀粉酶家族的概念要比α-淀粉酶大很多，只作用于α-1,4键，而且仅是水解作用，α-淀粉酶家族则有的作用于α-1,4键，有的作用于α-1,6键，有的两种糖苷键都能作用，而且既可以是水解作用，也可以是转糖基作用。
因此α-淀粉酶只是α-淀粉酶家族中的一个重要成员【13】。
α-淀粉酶催化机制
α-淀粉酶在结构上的相似使人们相信他们具有相似的催化机制。
3生产方法的选择
3.1生产方法介绍
3.1,1固体培养法
固体培养法的培养基以麸皮、米糠等为主要原料，加入其他必要的营养成分，制成固体或半固体的麸曲，经过灭菌冷却后，接种产酶微生物菌株，在一定条件下进行发酵，以获得所需的酶。
固体培养法的优点是设备简单，操作方便，麸曲中酶的浓度较高，特别适用于各种霉菌中的培养和发酵产酶。
其缺点是劳动强度较大，原料利用率较低，生产周期较长。
3.1.2液体深层培养法
液体深层培养法是采用液体培养基，置于生物反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细胞，在一定条件下，进行发酵，生产得到所需的酶。
液体深层培养法不仅适合于微生物细胞发酵生产也可用于植物细胞和动物细胞的培养。
液体深层培养法的机械化程度较高，技术管理较严格，酶的产率较高，质量较稳定，产品回收率较高。
以上两种方法，是目前酶发酵生产的主要方式。
3.2生产方法的选择
选择生产方法的主要依据[]有：
1，原料来源、种类和性质。
本次设计的原料采用市场上来源比较广泛的玉米淀粉，
2，产品的质量和规格。
罐发酵单位为600u/mL，终产物产品规格为4000u/g，
3，生产规模。
设计生产规模为50000t/a。
4，技术水平。
生产方式采用较易掌握的间歇式生产。
5，建厂地区的自然环境。
南阳地区地处温带地区，无需配套的冷冻系统即可满足正常发酵的温度要求
6，经济合理性。
结合以上原则和生产方法的比较，本设计决定采用液体深层发酵法进行生产，设计年产量为50000t/a,终产物活力单位为4000u/g的α淀粉酶工厂生产车间。
4工艺计算
4.1工艺技术指标
4.1.1枯草杆菌发酵工艺流程示意图
枯草杆菌发酵采用液体深层发酵、盐析法提取的工艺，其工艺流程如下图6.1所示：
图4.1工艺流程图
4.1.2工艺技术指标及基础数据
⑴主要技术指标如下所示：
表4.1α-淀粉酶发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
指标名称
单位
指标数
生产规模
t/a
50000
发酵初糖
Kg/m3
150
生产方法
深层发酵，盐析提取
产品规格
U/g
4000
年生产天数
d/a
300
提取总收率
%
82
发酵周期
h
72
倒罐率
%
1.0
产品日产量
t/d
166.67
麦芽糖化转化率
%
95
罐发酵单位
u/ml
600
淀粉糖化转化率
%
95
发酵罐装料系数
%
75
接种量
%
8
⑵种子培养基：
水解糖25g/l（由麦芽糊精提供，约占培养基4.0%）；（NH4）SO40.3%；Na2HPO40.2%；消泡剂0.2%。
上述百分数均为质量百分数
⑶发酵培养基：
水解糖150g/l（由玉米淀粉提供，约占培养基20%）；豆饼粉6.5%；（NH4）SO40.5%；Na2HPO40.3%；消泡剂0.4%。
上述百分数均为质量百分数
（4）补料液：
水解糖150g/l（由玉米淀粉提供，约占培养基25%）；豆饼粉7.0%；消泡剂0.3%。
上述百分数均为质量百分数
4.1.3α-淀粉酶发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg规格为4000u/g的α-淀粉酶需耗用的原辅材料及其他物料量。
⑴放罐成熟发酵液量
V0=1000kg×4000u/g÷（600u/ml×82%×99%）=8.21（m3）
式中82%——提取总收率
99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率
⑵放罐发酵成熟液V0分为以下三部分：
底料：
V1=8.21×80%=6.568（m3）
种液量：
V2=8.21×8%=0.6568（m3）
补料量：
V3=8.21×12%=0.9852（m3）
（3）发酵液底料配置需水解糖量：
m1=150×V1=150×6.568=985.2（kg）
种子培养液配置需水解糖量：
m2=25×V2=25×0.6568=16.42（kg）
补料液配置需水解糖量：
m3=150×V3=150×0.6568=147.78（kg）
（4）以玉米为淀粉原料作为水解糖来源
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用玉米淀粉量为：
m底料=985.2÷（80%×95%×111%）=1167.85（kg）
m补料=147.78÷（80%×95%×111%）=175.18（kg）
m淀粉=1167.85+175.18=1343.08kg
式中80%——玉米淀粉原料含纯淀粉量
95%——淀粉糖化转化率
（5）豆饼粉耗用量
m豆饼粉=1167.85÷20%×6.5%+175.18÷25%×7%=428.6（kg）
（6）麦芽糊精耗用量
理论上，100㎏麦芽转化为140㎏葡萄糖，故理论上耗用淀粉量为：
m麦芽=16.42÷（80%×95%×140%）=15.43（kg）
式中80%——麦芽糊精原料含纯麦芽量
95%——麦芽糖化转化率
（7）玉米浆耗用量
m玉米浆=1167.85÷20%×1.0%+15.43÷4.0%×1.0%=62.25（kg）
（8）
耗用量
1167.85÷20%×0.5%+15.43÷4.0%×0.3%=30.36（kg）
（9）
耗用量
1167.85÷20%×0.3%+15.43÷4.0%×0.2%=18.29（kg）
（10）CaCO3耗用量
1167.85÷20%×1.6%=93.43（kg）
（11）消泡剂耗用量
1167.85÷20%×0.4%+15.43÷4.0%×0.2%+175.18÷25%×0.3%=26.23（kg）
4.1.4年产5万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表
由上述生产1000kgα-淀粉酶（规格为4000u/g）的物料衡算结果，可求得5万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料平衡计算。
具体计算结果如下表所示。
表4.25万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表
物料名称
生产1tα-淀粉酶（5000u/ml）物料量
5万t/aα-淀粉酶生产的物料量
每日物料量
发酵液m3
8.21
4.11×105
1368
种液量m3
0.6568
3.28×104
109.5
玉米淀粉kg
1343.08
6.71×107
2.24×105
豆饼粉kg
428.60
2.14×107
7.14×104
玉米浆kg
62.56
3.13×106
1.04×104
麦芽糊精kg
15.43
7.72×105
2572
（NH4）2SO4kg
30.36
1.52×106
5060
Na2HPO4kg
18.29
9.15×105
3048
CaCO₃kg
93.43
4.67×106
1.56×104
消泡剂kg
26.23
1.31×106
4371
4.2生产车间的热量衡算
4.2.1糊化用水耗热量Q1
根据物料衡算的结果，料水比为1:
4，糊化锅加水量为：
m1=（1343.08+428.6）×4=7086.72（kg）
则m混合酪=1343.08+428.6+7086.72=8858.4kg
式中，1343.08为生产1000kgα-淀粉酶所需要的玉米淀粉量，428.6为糊化锅加入的豆饼粉量。
自来水平均温度取
=20℃，而糖化配料用水温度
=50℃，故耗热量为
Q1=m1CW（t2－t1）=7086.72kg×4.18KJ/kg·℃×（50℃-20℃）=8.89×105（kJ）
4.2.2混合醪煮沸耗热量
1.糊化锅内米醪由初温
加热至100℃耗热
⑴计算混合醪的比热容
根据经验公式
【1】{参考文献来自发酵工厂设计P79}
式中：
W为含水百分率，
豆饼粉为6；
玉米淀粉为13；
为绝对谷物比热容，1.55kJ/（kg·k）
进行计算。
C豆饼粉=0.01[（100-6）×1.55+4.18×6]=1.71[kJ/（kg·℃）]
C玉米粉=0.01[（100-13）×1.55+4.18×13]=1.89[kJ/（kg·℃）]
=3.71[kJ/（kg·℃）]
⑵米醪的初温
m混合醪为8858.4kg，设原料的初温为20℃，而热水为50℃，则
⑶把上述结果代入式中，得：
2.煮沸过程蒸汽带出的热量
设该过程用时为40min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为：
故
式中，I为100℃下水的汽化潜热（kJ/kg）【2】。
{发酵工厂设计P79}
3.热损失
混合醪升温和煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%，即：
4.由上述结果得：
5.总耗热量Q总：
6.生产一吨淀粉酶所需蒸汽量
使用表压为0.3MPa的饱和蒸汽，h=2725.3kJ/kg，则：
式中i----相应冷凝水的焓（561.47kJ/kg）
h----蒸汽的热效率，取h=95%
7.蒸汽单耗
每年产量为50000t，则年耗蒸汽量为
5设备的工艺计算及选型
5.1发酵罐的选型
5.1.1发酵罐选型原则
评价发酵罐技术性能的主要尺寸是体积溶氧系数Kla;评价经济性能的依据是溶氧效率g。
当然实践性要考虑，该种发酵罐已实践过的最大容积，放大性能，是否适合某种发酵液的液体特性等。
当前，我国α-淀粉酶发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐。
选用这种发酵罐的原因主要是：
历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。
现以此类发酵灌为例进行设计选型。
5.1.2生产能力、数量和容积的确定
（1）发酵罐容积的确定：
随着科学技术的发展，生产发酵罐的专业厂家越来越多，现有发酵罐容量系列如5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250m3等等。
究竟选择多大容量的好呢？
一般来说单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高。
现以250m3罐为例。
（2）生产能力的计算：
现每天产1t规格为4000u/g的α-淀粉酶，枯草杆菌发酵周期为72h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间），生产1tα-淀粉酶需糖液8..21m3；生产50000t则需糖液体积为
8.21×50000=4.11×105（m3）
每年工作300天，每天需糖液体积为V糖：
V糖=4.11×105/300=1368.33（m3）
设发酵罐的填充系数ϕ=75%；则每天需要发酵罐的总容积为V0。
V0=V糖ϕ=1368.33/0.75=1824.44（m3）
现选用公称容积为250m3六弯叶机械搅拌通风发酵罐，其全容积为273m3。
（3）发酵罐个数的确定：
已知公称容积为250m3的发酵罐，总容积为273m3，
N0=1824.44/273=6.68;取N0=7（个）
共需要的发酵罐数
N1=（1824.44×72）/（273×24）=20.01，取N1=21（个）
每天应有7个发酵罐出料。
每年工作300天，实际产量验算：
273×0.75×7×300=52372.1（t/a）；
富裕量（52372.1-50000）/50000=4.7%，能满足产量要求。
5.1.3发酵罐尺寸的确定
发酵罐设计为机械搅拌通风发酵罐封头使用标准椭圆形封头（EHA），材质选用316L不锈钢，取罐的径高比为H:
D=2:
1[16]
V公＝V筒+V封
封头折边忽略不计，以方便计算。
则有
V公＝0.785D2×2.0D+πD3/24=250
H=2.0D；解方程得：
，取5.3m
又H/D=2.0，则H=10.6m
圆柱部分容积
V1＝0.785×5.32×10.6＝233.73（m3）
上、下封头体积
V2＝V3＝πD3/24＝π×5.33/24＝19.48（m3）
总体积：
V全＝V1+V2+V3＝273（m3）
取发酵罐的填充系数ϕ=75%，实际装液量为：
273×75%＝204.75（m3）
标准椭圆封头（EHA）长短半轴比例为ha：
hb=2:
1，
DN=Di=2ha，
则hb=Di/4=1.325m
当DN=5300mm时，封头总深度H深=1365mm，则封头直边高度
h=H深—hb=40mm，
封头壁厚
mm，取整为27mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
y－开孔系数，取2.3
－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－设计温度下的许用应力MPa，（316L不锈钢焊接压力容器许用应力为117MPa）
罐体总高度
H总＝H+2（H深+d）＝10.6+2（1.365+0.027）＝13.384m
罐体壁厚
，
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
φ－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－设计温度下的许用应力MPa，（316L不锈钢焊接压力容器许用应力为117MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
带入相关数据：
，取整为15mm
5.1.3发酵罐冷却面积的确定
影响发酵罐冷却面积的因素有很多，诸如：
不同的菌种系统，基质浓度，材质，冷却水温，水质，冷却水流速等
确定发酵罐冷却面积的方法有经验值计算法（采用实际生产得到的数据，就称为经验值）和传热公式计算法指根据冷却水可能达到的最高温度的恶劣条件下计算所得到的传热面积）：
两种方法计算出来的数值基本一致。
为了更加贴近实际，本设计采用经验值计算法：
不同容量发酵罐的冷却面积如下：
发酵产品
装料体积/m3
冷却面积/m2
Ѱ=冷却面积m2/发酵液体积m3
酵母
50
40
0.8
谷氨酸
40
60
1.5
柠檬酸
40
16-20
0.4-0.5
酶制剂
20
10-20
0.5-1
抗菌素
40
40-60
1-1.5
发酵罐的冷却面积取Ѱ=1m2/m3；
由上知填充系数ϕ=75%，则每一个发酵罐换热面积：
A=V全ϕѰ=273×75%×1=204.75（m2）
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，现将主要尺寸列出：
搅拌器叶径Di＝D/3＝5.3/3＝1.76（m）
叶宽B＝0.2Di＝0.2×1.76=0.35（m）
弧长l＝0.375Di＝0.375×1.76=0.66（m）
底距C＝D/3＝5.3/3＝1.76（m）
盘径di＝0.75Di＝0.75×1.76=1.32（m）
叶弦长L＝0.25Di＝0.25×1.8=0.44（m）
叶距Y＝D＝5.3（m）
弯叶板厚δ＝14（mm）
采用两档搅拌，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：
r/min
5.1.5搅拌轴功率的计算
本设计采用经验值计算法
通常α-淀粉酶发酵按1kw/m3发酵液；对于公称容积为250m3的发酵罐，装液量为204.75m3则应选取功率大于或等于210kw的电机。
2.种子罐
⑴种子罐的选型采用机械搅拌通风发酵罐
，罐体和封头都使用316L不锈钢为材料，封头设计为标准椭圆封头（EHA），因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。
⑵种子罐容积和数量的确定
①种子罐容积的确定：
按接种量10%计算，则种子罐容积为：
V种＝V0×10％＝1824.44×10％＝182.4m3
式中V0——每天需要的发酵罐总容积（m3）
②种子罐个数的确定：
种子罐与发酵罐对应上料。
发酵罐平均每天上7罐，需种子罐7个。
则每个发酵罐全容积应为
⑶主要尺寸确定种子罐采用25m3的机械搅拌通风发酵罐。
H/D＝2，采用发酵罐近似公称体积公式
D=1.67m，取D=1.7m，则H=2.0D=3.4m
则种子罐总容量为：
>V单，所以所选发酵罐能满足需求。
根据GB-T25198-2010压力容器封头相关标准，标准椭圆封头（EHA）长短半轴比例为ha：
hb=2:
1，
DN=Di=2ha，
则hb=Di/4=0.425,
当DN=1700mm时，封头总深度H=450mm，则封头直边高度h=25mm，
封头壁厚
mm，取整为9mm
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
y－开孔系数，取2.3
－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－设计温度下的许用应力MPa，（316L不锈钢焊接压力容器许用应力为117MPa）
罐体壁厚
，
D－罐体直径（mm）
p－耐受压强（取0.4MPa）
φ－焊缝系数，双面焊取0.8
[σ]－设计温度下的许用应力MPa，（316L不锈钢焊接压力容器许用应力为117MPa）
C－腐蚀裕度，当δ－C<10mm时，C＝3mm
带入相关数据：
，取整为7mm
罐体总高度H总’＝H’+2（H深’+d’）＝3.4+2（0.45+0.009）＝4.318m
⑷种子罐冷却面积的计算
种子罐冷却面积计算同上发酵罐，填充系数ϕ=75%，则每一个种子罐换热面积：
A=V’全ϕѰ=28.25×75%×1=21.2（m2）
6车间布置设计
6.1车间设计规范和规定
●《建筑设计防火规范》（GBJ16-87）、
●《石油化工企业设计防火规定》（GB50160-99）、
●《化工企业安全卫生设计标准》（HG20571-95）、
●《工业企业厂房噪声标准》（GB2348-90）、
●《
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