年產(chǎn)4500噸堿性蛋白酶發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì).doc

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目：年產(chǎn)4500噸堿性蛋白酶發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：鄔瑞學(xué) 號：0866121118專 業(yè)：生物工程班 級：081班指導(dǎo)教師：徐永斌年產(chǎn)4500噸堿性蛋白酶工廠發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)摘要本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)是年產(chǎn)4500噸堿性蛋白酶發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代食品工業(yè)中, 酶的應(yīng)用幾乎涉及到食品加工的各個領(lǐng)域。隨著酶制劑日益廣泛的應(yīng)用,經(jīng)濟(jì)效益顯著。蛋白酶是水解蛋白質(zhì)肽鏈的一類酶的總稱, 而堿性蛋白酶則適宜在堿性條件( ph911) 下水解動植物蛋白質(zhì), 廣泛存在于動植物及微生物中1。設(shè)計(jì)中首先根據(jù)參考資料選定了堿性蛋白酶發(fā)酵生產(chǎn)的具體工

2、藝流程，通過物料衡算確定需要-立方米發(fā)酵罐-臺和-立方米種子罐-臺，在此基礎(chǔ)上得出發(fā)酵工段所需要的各種原料量，通過能量衡算確定水、無菌空氣和蒸汽等的消耗量。然后對主要設(shè)備進(jìn)行計(jì)算和選型，得出發(fā)酵罐、種子罐及通用設(shè)備、非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備等的結(jié)構(gòu)尺寸、冷卻裝置、傳動裝置，根據(jù)工藝要求確定罐的附屬設(shè)備和輔助設(shè)備以及發(fā)酵過程中的優(yōu)化控制。最后設(shè)計(jì)了發(fā)酵工廠的車間布局，提出了相應(yīng)的公用工程、安全衛(wèi)生與環(huán)境保護(hù)等輔助工藝。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了六張圖紙，分別為發(fā)酵罐裝配圖、種子罐裝配圖、工藝管道及儀表流程圖、廠房車間布置圖、物料流程圖和設(shè)備一覽表。關(guān)鍵詞：堿性蛋白酶；發(fā)酵；工藝設(shè)計(jì)the process desig

3、n of the alkaline protease used for feed fermentation section with the capacity of 4500 tons annuallyabstract第一章 總論1.1設(shè)計(jì)依據(jù)：內(nèi)蒙古科技大學(xué)數(shù)理與生物工程學(xué)院下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計(jì)書。1.2指導(dǎo)思想： 生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化裝置是由若干個單元設(shè)備以系統(tǒng)的、合理的方式組織起來的整體。過程設(shè)計(jì)依據(jù)生物工藝條件，選擇合理的原料，確定最經(jīng)濟(jì)和安全的途徑，使之生產(chǎn)出符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的生物產(chǎn)品。1.3設(shè)計(jì)要求： （1）生物產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量指標(biāo)。 （2）必須進(jìn)行工藝流程化和參數(shù)優(yōu)化，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)地使用資金、原材

4、料公共設(shè)備和人員。 （3）必須充分考慮各種明顯的和潛在的危險，保證生產(chǎn)人員的健康和安全，如生物反應(yīng)器的壓力容器，易燃易爆揮發(fā)性溶劑的管理以及微生物的擴(kuò)散等。 (4）符合國家和地方的環(huán)境保護(hù)法規(guī)，按照工業(yè)生態(tài)學(xué)減少原料和能量的使用，物料的多層多級綜合利用使用和廢棄物資源化循環(huán)利用的“3r”原則，達(dá)到清潔生產(chǎn)。 (5）保證整套系統(tǒng)不僅可以正常操作，而且也能滿足開停車等非常規(guī)操作。 (6) 保證系統(tǒng)能夠適應(yīng)和抑制外部擾動的影響，達(dá)到整套系統(tǒng)的可控性。1.4設(shè)計(jì)范圍： 本設(shè)計(jì)主要針對堿性蛋白酶工廠發(fā)酵工段，主要包括：發(fā)酵罐設(shè)計(jì)、種子罐設(shè)計(jì)、補(bǔ)料罐設(shè)計(jì)、空氣過濾器以及氨水儲罐設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，要進(jìn)行必要

5、的物料衡算和能量衡算。通過衡算的結(jié)果對主要設(shè)備進(jìn)行選型，研究各個因素對發(fā)酵產(chǎn)量的影響，以及發(fā)酵生產(chǎn)中節(jié)能減排高產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。1.5設(shè)計(jì)目標(biāo)：合理的車間產(chǎn)房布局，獲得能源，產(chǎn)量和環(huán)保均為最優(yōu)的堿性蛋白酶生產(chǎn)車間設(shè)計(jì)。要求根據(jù)選定的堿性蛋白酶發(fā)酵工藝，得出物料衡算和能量衡算的結(jié)果。由結(jié)果設(shè)計(jì)六張圖紙，分別為：種子罐裝配圖，發(fā)酵罐裝配圖，工藝管道及儀表流程圖，廠房車間布置圖，物料流程圖，設(shè)備一覽表以及人員配備。第二章 產(chǎn)品介紹2.1 堿性蛋白酶概述堿性蛋白酶是由細(xì)菌原生質(zhì)體誘變選育出的地衣芽孢桿菌2709，經(jīng)深層發(fā)酵、提取及精制而成的一種蛋白水解酶，其主要成分為地衣芽孢桿菌蛋白酶，是一種絲氨酸型的內(nèi)切蛋

6、白酶，它能水解蛋白質(zhì)分子肽鏈生成多肽或氨基酸，具有較強(qiáng)的分解蛋白酶的能力。生產(chǎn)工藝是采用微濾超濾膜分離、噴霧干燥或真空冷凍干燥等先進(jìn)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)療、釀造、洗滌、絲綢、制革等行業(yè)。堿性蛋白酶是目前市場上流行的洗滌添加劑，能大幅度提高洗滌去污能力，特別對血漬、汗?jié)n、奶漬、油漬等蛋白類污垢，具有獨(dú)特的洗滌效果。堿性蛋白酶在技術(shù)采用細(xì)菌原生質(zhì)體誘變處理方法，從國內(nèi)堿性蛋白菌生產(chǎn)菌2709枯草桿菌中研究選育出若干穩(wěn)定高性能菌株，在后處理上，采用去渣鹽析沉淀法，減少了蛋白酶的雜質(zhì)含量和產(chǎn)品特有的氣味，提高了溶解速度，與洗滌劑有更好的配伍性，延長了保質(zhì)期。目前，在世界范圍內(nèi)蛋白分解酶是工業(yè)酶種中

7、用得最多的一種酶，約占酶總量的60%，其中堿性蛋白酶就占25%.它在商業(yè)中的巨大應(yīng)用前景及在基礎(chǔ)研究中的重要作用，吸引著國際國內(nèi)的許多公司及研究單位競相對其進(jìn)行多方面的研究。22.2 堿性蛋白酶的性質(zhì)堿性蛋白酶外觀為褐色粉末，有酵曲的特殊臭味，能夠分解蛋白質(zhì)分子中的肽鍵成為小分子的氨基酸和肽。堿性蛋白酶在配置洗滌劑中，50時，除去蛋白質(zhì)的污漬、汗跡以及蛋白質(zhì)類的食品污漬。粉狀洗滌劑用的顆粒堿性蛋白酶的質(zhì)量要求為無粉塵、安全衛(wèi)生，同洗滌劑相容性好，在洗滌劑中穩(wěn)定性好等。堿性蛋白酶是由造育的地衣芽孢桿菌發(fā)酵而得，主要成分為枯草桿菌蛋白酶，是一種內(nèi)切酶，催化部位為絲氨酸，分子量約為27300.2.3

8、 堿性蛋白酶的使用條件 底物濃度1025%，溫度5060（4060），ph值911（710），反應(yīng)時間36小時（根據(jù)要求可長可短），添加酶0.030.06%（以水解溶液重量計(jì)）。2.4 堿性蛋白酶的保存5保藏，保質(zhì)期一年；25儲存，酶活保存期至少3個月以上。2.5 堿性蛋白酶的應(yīng)用工藝1、用于干素鈉和軟骨素：可以根據(jù)所用原料的優(yōu)劣和實(shí)際生產(chǎn)條件適當(dāng)調(diào)整酶量的酶解條件。2、用于絲綢脫膠：預(yù)處理脫水酸處理蛋白酶1824u/ml,肥皂0.75%，4850,3060分鐘，ph（78）脫水扯皮沖洗脫水抖松烘干抖松。3、用于皮革脫毛：原料皮水洗脫脂堿膨脹拔毛剖層脫堿酶脫毛水洗浸酸鞣制。4、用于洗滌劑：去除

9、汗?jié)n、血漬、食品蛋白類污垢、奶漬、粘液、食品等雜物，從而達(dá)到獨(dú)特的洗滌效果。2.6 注意事項(xiàng)1、此產(chǎn)品可完全溶于水，使用安全可靠。操作時請勿直接與酶制劑接觸，若有接觸需及時用清水沖洗。2、原包裝打開后盡快食用，剩余部分需扎口保存。3、本品在貯存中要避免雨淋和曝曬，禁止與有毒有害物質(zhì)混運(yùn)混存。2.7堿性蛋白酶的主要應(yīng)用酶作為生物催化劑，在許多化學(xué)反應(yīng)中具有不可低估的作用。酶催化劑作為生物進(jìn)化的高級形式，與一般的化學(xué)催化劑相比，它可以在非常溫和的條件下高效、專一地催化底物轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)物。酶工程技術(shù)已成為生物工程技術(shù)的重要組成部分，無論是基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程和發(fā)酵工程都需要酶分子的參與。酶催化

10、的高效性、特異性及產(chǎn)品的高效回收、簡單的反應(yīng)體系等優(yōu)點(diǎn)使酶工程技術(shù)成為現(xiàn)代生物技術(shù)的主要支柱之一。自20世紀(jì)中葉以來，工業(yè)用酶制劑市場得到了蓬勃發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，1981年工業(yè)酶制劑生產(chǎn)量約65,000噸，產(chǎn)值4億美元;1985年工業(yè)酶制劑約生產(chǎn)75,000噸，產(chǎn)值約6億美元。1998年全世界工業(yè)酶制劑銷售額高達(dá)16億美元。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，市場對酶制劑的需求進(jìn)一步增強(qiáng)，以世界上最大的酶制劑生產(chǎn)商丹麥的novo nordisk公司為例，1993年的酶制劑銷售額為9億美元。1998年產(chǎn)業(yè)用酶的銷售額為15.18億美元。世界酶制劑的生產(chǎn)量正以每年8%左右的速度遞增，酶制劑的生產(chǎn)品種已由原

11、來的十多個發(fā)展為數(shù)十個。1994年以來，酶制劑市場量最大的是洗滌劑用酶，第二位是淀粉加工用酶，以后依次為乳制品加工、制酒工業(yè)、纖維工業(yè)和飲料業(yè)等。 自然界發(fā)現(xiàn)的酶已達(dá)數(shù)千種，工業(yè)上常用的酶只有數(shù)十種，而目前大量生產(chǎn)的酶僅有十余種。其中，蛋白分解酶是工業(yè)酶種中用得最多的一種酶，約占酶總量的60%，其中堿性蛋白酶就占25%。 堿性蛋白酶可以在堿性條件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、絲綢、醫(yī)藥、食品和生物化學(xué)試劑等領(lǐng)域，其最大用途是作為添加劑生產(chǎn)加酶洗滌劑。堿性蛋白酶最早在豬的胰臟中發(fā)現(xiàn)。1913年，rohm首先將胰蛋白酶作為洗滌浸泡劑使用。1945年瑞士的dr. jaag等發(fā)現(xiàn)了微生

12、物堿性蛋白酶，使蛋白酶有可能廣泛應(yīng)用于洗滌劑工業(yè)。1963年，諾和諾德公司(現(xiàn)諾維信公司)發(fā)現(xiàn)了更適用于洗滌劑的堿性蛋白酶alcalase,酶制劑被廣泛地應(yīng)用于洗滌劑產(chǎn)品中，出現(xiàn)了加酶洗衣粉;隨后的20年中，細(xì)菌類蛋白酶是唯一被應(yīng)用于洗滌劑中的商品化酶制劑。2.7.1 在滌劑中的應(yīng)用 洗滌劑借助于生物酶使其質(zhì)量和性能獲得了全面發(fā)展，洗滌劑用酶制劑也在含酶洗滌劑的普及和生物工程技術(shù)進(jìn)步的推動下得到了飛速發(fā)展。1962年丹麥novo公司首次推出了加酶洗衣粉，但在使用的初期由于粉塵的影響，應(yīng)用一時中斷。后來采用了顆?；礈靹┬问剑用赶匆路鄣玫搅似占?。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1998年全球洗滌劑用酶銷售額達(dá)4.98

13、億美元，己成為工業(yè)用酶的最大應(yīng)用領(lǐng)域。洗滌劑加酶是國際發(fā)展趨勢，世界洗滌劑產(chǎn)量2700萬噸，西歐人均24公斤，日本人均9公斤，美國人均32公斤，世界人均7公斤，亞洲人均2.5公斤，我國人均只有2.05公斤，因此洗滌用品發(fā)展?jié)摿艽?。日常生活中遇到的污垢，特別是衣服上的污垢組成是十分復(fù)雜的，一般來說，主要有塵土的微粒、人體分泌的皮脂和汗液、食物的汁液和殘余物等，有機(jī)污垢是以蛋白質(zhì)與纖維結(jié)合的方式存在的。用于洗滌這些污物的洗滌劑是由表面活性劑、純堿、水玻璃(硅酸鹽)、三磷酸鹽等配制而成，洗滌時水溶液顯示出較高的堿性ph一般在9-11之間，在這種條件下，堿性蛋白酶正好可以發(fā)揮其催化活性，催化污物中的

14、蛋白質(zhì)水解，使復(fù)雜的蛋白質(zhì)分解成結(jié)構(gòu)簡單、相對分子量較小的水溶性膚，或者進(jìn)一步分解為氨基酸。這樣，原來粘在衣物上的其它污物也可以一起被洗下來。在整個洗滌過程中，堿性蛋白酶可反復(fù)起分解蛋白質(zhì)的作用，只是酶活越來越低。洗滌劑中加入堿性蛋白酶以后具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)提高產(chǎn)品的去污效果，保持被洗衣物的原有色彩(2)減少了洗滌劑中表面活性劑和某些助劑的用量(3)增加了節(jié)水、節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的效益。在洗滌過程中，通過酶的作用，可減少漂洗次數(shù)、降低洗滌溫度，而酶本身又是極易生物降解的物質(zhì)。因此加酶洗滌劑是近十幾年來的熱門產(chǎn)品，在整個洗滌劑中所占的比例日漸增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本為95%，西歐為90%，美國為70%。僅

15、美國在1994年至2000年間，洗滌劑酶市場銷售額增長了近一倍，達(dá)到2.4億美元。2.7.2 在皮革中的應(yīng)用我國皮革工業(yè)資源豐富，發(fā)展十分迅速，豬、羊皮產(chǎn)量居世界之首。豬、牛、羊皮制革時，首先要除去皮上的毛，然后才能進(jìn)一步加工蹂制成革。過去脫毛:_工藝沿用石灰、硫化鈉浸漬，不僅時間長，工序多，而且勞動強(qiáng)度大，污染嚴(yán)重。采用蛋白酶脫毛是利用酶分解毛、表皮同真皮層連接處的蛋白質(zhì)，從而使毛同皮的聯(lián)結(jié)松開而脫毛。目前，我國的皮革制品不僅滿足了國內(nèi)市場的需求，還大量出口創(chuàng)匯。另外，在豬皮加工的包酶階段，因皮液系統(tǒng)ph值約在10士0.5之間，故常用堿性蛋白酶進(jìn)行局部處理2.7.3 在飼料添加劑中的應(yīng)用 據(jù)

16、商業(yè)信息公司調(diào)查統(tǒng)計(jì)，飼料用酶銷售額1994-1998年平均增長率為11%，高于同期工業(yè)用酶制劑總體增長率5%的一倍。酶應(yīng)用于飼料，主要為補(bǔ)充畜禽內(nèi)源酶的不足。豬、禽等單胃動物消化道的內(nèi)源酶系不全;幼齡畜禽缺乏淀粉酶、糖化酶和蛋白酶:處于疾病的畜禽，其內(nèi)源酶(如淀粉酶、蛋白酶等)急劇下降。動物飼料是以淀粉、蛋白質(zhì)等大分子化合物作為營養(yǎng)源，不同動物消化道中的酶系不同，數(shù)量也很有限，再加上飼料在消化道中停留的時間一般都很短，飼料往往未被充分消化就隨糞便排出體外，造成部分浪費(fèi)。據(jù)研究，不少動物對飼料的消化吸收率僅20%左右。在飼料中添加酶制劑就可以與動物內(nèi)源酶發(fā)揮協(xié)同作用，將難消化吸收的蛋白質(zhì)、淀粉

17、等大分子化合物降解為氨基酸、膚、脈、單糖、寡糖等小分子物質(zhì)，從而提高飼料的消化率和利用率，并提高畜禽及魚類的生產(chǎn)性能，同時可以減少畜禽排泄物中氮、磷的排泄量，保護(hù)水體和土壤免受污染。飼用酶制劑多為復(fù)合酶，由非內(nèi)源消化酶和內(nèi)源消化酶兩大類組成。非內(nèi)源消化酶包括木聚糖酶、p-葡聚糖酶、纖維素酶、果膠酶、甘露聚糖酶等，內(nèi)源消化酶包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。其中蛋白酶是主要成分，可將飼料中的蛋白質(zhì)分解多肽及游離氨基酸，從而提高飼料的利用率。2.7.4 在紡織行業(yè)中的應(yīng)用 在紡織工業(yè)中應(yīng)用堿性蛋白酶可一定程度的取代強(qiáng)堿等有毒有害物質(zhì)，為減少污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境提供經(jīng)濟(jì)有效的方法。特別是在羊毛減量加工和絲

18、綢精煉脫膠等方面具有廣泛應(yīng)用，使用堿性蛋白酶可以解決羊毛仿羊絨物質(zhì)的生硬、粗糙等問題，并能改善和提高絲綢與棉、麻、毛等纖維混紡產(chǎn)品的手感和風(fēng)格，增加羊毛產(chǎn)品的附加值。2.7.5 在玉米深加工中的應(yīng)用 玉米黃粉是玉米濕法淀粉廠的副產(chǎn)品，其中含有40%-60%的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)大部分是醇溶蛋白、谷蛋白和球蛋白。玉米醇蛋白具有大區(qū)域的a-螺旋結(jié)構(gòu)，n-末端有很強(qiáng)的疏水性，是高憎水蛋白，因此只能溶于異丙酮和乙醇中，不溶于水。谷蛋白只溶于堿水溶液。因此與其它商業(yè)化蛋白源相比，玉米蛋白的疏水性使得其食品功能特性極差。要想使蛋白質(zhì)具有理想的食品功能，就必須使其成為水溶解狀態(tài)或處于較好的懸浮狀態(tài)。為了提高玉

19、米蛋白的水溶性以制備一些特殊產(chǎn)品，用堿性蛋白酶修飾玉米蛋白使其成為可溶性膚的研究成為熱點(diǎn)。王梅谷等對堿性蛋白酶水解玉米蛋白的反應(yīng)動力學(xué)進(jìn)行了研究，探索了酶法修飾玉米蛋白的可行性，在適宜的反應(yīng)體系中，可大幅度提高酶促玉米蛋白的溶解量。為玉米黃粉的食品工業(yè)應(yīng)用和飼料營養(yǎng)的特殊要求提供可靠的依據(jù)。玉米鼓質(zhì)白質(zhì)具有獨(dú)特的氨基酸組成，使它成為多種生理活性功能膚的良好天然來源。2.7.6 在高營養(yǎng)鹽水中的應(yīng)用 美國創(chuàng)造了利用堿性蛋白酶在等電點(diǎn)溶解大豆提取高濃度溶解性蛋白水解質(zhì)的工藝路線，獲得的濃縮蛋白質(zhì)濃度達(dá)到70干物質(zhì)基礎(chǔ)。這種濃縮蛋白用于配制注射用鹽水時，可以獲得ph=7的澄清注射用鹽水，營養(yǎng)學(xué)研究證

20、明，人對大豆蛋白水解質(zhì)的真正消化度高達(dá)93%，高于大豆加工所得到的其他蛋白質(zhì)產(chǎn)品的消化吸收率。該工藝己在美國得到普遍應(yīng)用。2.7.7 在血加工中的應(yīng)用 在動物血中，血紅蛋白占血液蛋白質(zhì)的2/3，血紅蛋白的顏色限定了血制品的色澤，使血制品呈現(xiàn)暗紅色的不良感官性質(zhì)，限制了血粉食品的消費(fèi)市場。美國的酶法脫色技術(shù)利用堿性蛋白酶對血紅蛋白進(jìn)行脫色處理，得到無色血粉，解決了這一難題。無色的水解濃縮液也可以直接用作灌腸的蛋白液成分，從而為大量動物血液的綜合利用開發(fā)了新途徑。2.7.8 在水解米渣制備氨基酸營養(yǎng)液中的應(yīng)用渣常是味精廠制糖后的下腳料。制糖后米渣中的蛋白質(zhì)含量高達(dá)50% (干基)，是大米中蛋白質(zhì)含

21、量的5-8倍，且高于大豆中蛋白含量。米渣雖然具有如此高的蛋白質(zhì)含量，但在我國卻未能得到良好的開發(fā)利用。截至目前，以大米為原料發(fā)酵生產(chǎn)乳酸、谷氨酸、檸檬酸及生化藥品的糖化工序產(chǎn)生的大量米渣，大部分只是被用作飼料，造成了蛋白質(zhì)資源的極大浪費(fèi)。據(jù)文獻(xiàn)資料介紹，米渣蛋白可制成醬油、高蛋白粉、蛋白飲料、蛋白陳和蛋白發(fā)泡粉，若將其降解成短膚或氨基酸，可制成營養(yǎng)價值極高的氨基酸營養(yǎng)液等。這種營養(yǎng)液可用于配制保健飲料、調(diào)味品、化妝品及洗滌劑等。還可將其干燥制成粉劑，作為保健食品的基料。由于米渣蛋白的低過敏性，非常適合開發(fā)嬰幼兒食品。2.7.9 在水解玉米皮蛋白中的應(yīng)用 玉米皮是玉米加工副產(chǎn)品，其蛋白質(zhì)含量為1

22、2%左右。經(jīng)堿性蛋白酶水解后，蛋白溶出率為89.3，水解度dh為9.0，也就是說，被切斷的蛋白質(zhì)分子膚鍵很多，同時生成了許多游離氨基酸和低分子量肽。2.7.10 在酪蛋白磷酸鹽生產(chǎn)中的應(yīng)用 乳制品在加工處理和胃腸道消化過程中會釋放出酪蛋白磷酸aa(cpp),cpp能形成可溶性的有機(jī)磷酸鹽，其上高密度的負(fù)電荷賦予它們抵制進(jìn)一步被水解的能力，在體內(nèi)可以防止不溶性的磷酸鈣在小腸沉積，并促進(jìn)小腸粘膜細(xì)胞吸收鈣。甚至對于維生素d缺乏的動物，它也可以促進(jìn)腸道鈣的吸收。此外cpp能增加牙齒牙菌斑上磷酸鈣的含量，有助于防止牙釉質(zhì)的去礦化。綜上所述，堿性蛋白酶以其在諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而在我國的酶制劑工業(yè)中占有極

23、其重要的地位，在改善人民生活質(zhì)量、降低勞動強(qiáng)度、節(jié)約原料和能源、保護(hù)環(huán)境等方面發(fā)揮著重要作用，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在高技術(shù)日新月異的今天，堿性蛋白酶在日用化工、食品、環(huán)保、醫(yī)藥及一些新興產(chǎn)業(yè)中更是具有巨大的市場潛力，發(fā)展前景極其廣闊，大力開發(fā)堿性蛋白酶的應(yīng)用基礎(chǔ)研究及生產(chǎn)研究勢在必行。2.8 堿性蛋白酶研究進(jìn)展 蛋白酶是一種重要的工業(yè)用酶，占世界酶制劑銷售量的60%以上。上世紀(jì)五十年代蛋白酶的主要來源是植物的木瓜蛋白酶，菠蘿蛋白酶和動物內(nèi)臟，而微生物來源的蛋白酶一經(jīng)研究，因具有培養(yǎng)簡便，耗時短，產(chǎn)量豐富等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用尤為廣泛，被認(rèn)為是最重要的酶資源。水解蛋白的最適ph在堿性范圍內(nèi)的

24、蛋白酶稱為堿性蛋白酶。它在工業(yè)上具有巨大的應(yīng)用潛力，如洗滌劑、皮革制造、食品加工、制藥以及廢物處理等工業(yè)中，堿性蛋白酶的使用能顯著改善產(chǎn)品品質(zhì)，大大減少了對環(huán)境的污染，節(jié)約成本，為傳統(tǒng)的行業(yè)和生產(chǎn)帶來了一場革命。尤其是作為無磷洗衣粉的添加劑使用，已使堿性蛋白酶商業(yè)制劑的銷售占整個蛋白酶市場的1/3.由于堿性蛋白酶作用環(huán)境的特殊性，要求其在極端的條件下具有較高的蛋白質(zhì)水解活力。其克服不良環(huán)境的能力愈強(qiáng)，應(yīng)用愈廣泛，愈能耐受惡劣的工業(yè)條件。第三章 堿性蛋白酶發(fā)酵工藝3.1堿性蛋白酶生產(chǎn)流程簡介堿性蛋白酶生產(chǎn)工藝分為：一級液體培養(yǎng)二級液體培養(yǎng)發(fā)酵罐發(fā)酵接種離心菌種培養(yǎng)分離純化菌種的選育堿性蛋白酶生產(chǎn)

25、工藝分為：菌種的選育菌種培養(yǎng)接種一級液體培養(yǎng)二級液體培養(yǎng)發(fā)酵罐發(fā)酵離心分離純化3.2發(fā)酵工藝具體方法3.2.1 產(chǎn)堿性蛋白酶菌種的選育 雖然有許多微生物可以分泌堿性蛋白酶，但只有那些產(chǎn)酶活力高的菌株受到關(guān)注。因?yàn)橹挥袎A性蛋白酶產(chǎn)量高的菌株才可能在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)得到應(yīng)用。目前提高菌株堿性蛋白酶產(chǎn)量的途徑主要有兩條，一是對菌株進(jìn)行改造，二是對菌體產(chǎn)酶的培養(yǎng)基及培養(yǎng)條件進(jìn)行優(yōu)化。在本實(shí)驗(yàn)中以嗜堿性枯草芽孢桿菌為生產(chǎn)菌種。3.2.2一級液體培養(yǎng)：將平板上單菌落接入種子培養(yǎng)基，35搖床培養(yǎng)12小時，進(jìn)行一級液體培養(yǎng)；3.2.3發(fā)酵罐發(fā)酵：以2的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基，35培養(yǎng)56小時，進(jìn)行液體深層發(fā)酵培

26、養(yǎng)；在發(fā)酵過程中，采取調(diào)節(jié)ph的方法控制發(fā)酵，即：將種子接種于發(fā)酵培養(yǎng)基后，使發(fā)酵液初始ph為7；在發(fā)酵期間，當(dāng)發(fā)酵液酸性逐漸增加時，應(yīng)控制發(fā)酵液ph不低于6.0；隨后，當(dāng)發(fā)酵液堿性逐漸增加時，應(yīng)控制發(fā)酵液的ph不高于8.0。3.3 堿性蛋白酶的分離純化工業(yè)中使用的基本都是堿性蛋白酶的粗制品，進(jìn)一步的分離純化有助于更好地確定酶的性質(zhì)及作用機(jī)制。 以菌株的發(fā)酵液為處理對象，首先離心除去菌體細(xì)胞及其它不溶性物質(zhì)，對無細(xì)胞發(fā)酵液進(jìn)行沉淀，達(dá)到分離和濃縮的目的。再通過等電層析、親和層析等不同的色譜層析手段對堿性蛋白酶進(jìn)一步純化。附：培養(yǎng)基 表3.1培養(yǎng)基配比斜面培養(yǎng)基：種子培養(yǎng)基發(fā)酵培養(yǎng)基牛肉膏5g酵

27、母浸粉1g3g10g氯化鈉2g酪素5g多聚蛋白胨5g瓊脂18g水1000ml1000ml1000ml胰蛋白胨3g葡萄糖5g棉籽餅粉40g麥芽糊精130g檸檬酸鈉3.5g氯化鈣3.5g年產(chǎn)量：m=4500t年工作日：m=330d發(fā)酵周期t=66h 輔助時間12h發(fā)酵培養(yǎng)時間54h產(chǎn)品效價：vp=180單位/毫克發(fā)酵平均水平：vl=35000單位/毫升裝料系數(shù)： =70%收率：=70%參考文獻(xiàn)：1、多羥基化合物對堿性蛋白酶熱失活半壽期的影響 吳京平 北京聯(lián)合大學(xué)師范學(xué)院2、2、化工工藝手冊 江體乾主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社3、皮革化學(xué)品 李小瑞、李剛輝主編，化學(xué)工業(yè)出版社4、堿性蛋白酶的發(fā)酵與酶學(xué)性

28、質(zhì)的研究d 苑琳，天津科技大學(xué)，20046、第四章 工藝計(jì)算4.1發(fā)酵罐4.1.1每天發(fā)酵罐放罐體積 (4-1)式中：vd-發(fā)酵罐放罐體積 m-年產(chǎn)量 vp-產(chǎn)品效價 m-年工作日 vl-發(fā)酵平均水平 -收率取每天放罐數(shù)nd=2時， 4.1.2發(fā)酵罐的體積 = （4-2）式中 發(fā)酵罐公稱體積 m3 裝料系數(shù) %根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)=70%，=91.43根據(jù)參考文獻(xiàn)，調(diào)整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐體積系列 則=100 m3校核： 則發(fā)酵罐的裝料系數(shù)為64.00% 符合要求4.1.3發(fā)酵工段所需的發(fā)酵罐臺數(shù) （4-3）式中 每天放罐數(shù) 罐/天 t 發(fā)酵周期 小時則可得出：(臺) 取n=6(臺)4.1.4發(fā)酵罐的物料

29、衡算物料流入=基礎(chǔ)培養(yǎng)基（消后）+種子液量+補(bǔ)料量+氨水用量+鹽酸用量物料流出=成品夜+損失掉的料液量（損失掉的料液量=尾氣+逃液+蒸發(fā)+取樣）發(fā)酵過程物料衡算圖： 泡敵 油 損失 種子罐 發(fā)酵罐 放罐 初料 補(bǔ)料 氨 鹽酸 圖4.1 發(fā)酵罐物料衡算示意圖放罐料液占總料液的90%，則總發(fā)酵料液體積 初裝料液體積占總料液的40%，則 接種量為初裝料液的20%（占總發(fā)酵液的10%），則 4.1.5發(fā)酵罐物料消耗計(jì)算 每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次 取n=117次已知，假設(shè)運(yùn)輸過程中損失0.5%，則實(shí)際用即每臺發(fā)酵罐每批次需要29.78的培養(yǎng)基 公式 ： （5-4）表4.2 各種培養(yǎng)基配比（單位：kg/m3）

30、物料名稱發(fā)酵培養(yǎng)基種子培養(yǎng)基補(bǔ)料棉籽餅粉酵母浸粉麥芽糊精檸檬酸氯化鈣胰蛋白胨葡萄糖磷酸氫二鉀40101303.53.5153518401010403.53.515每年6臺發(fā)酵罐棉籽餅粉的消耗量每年6臺發(fā)酵罐酵母浸粉的消耗量每年6臺發(fā)酵罐麥芽糊精的消耗量每年6臺發(fā)酵罐檸檬酸的消耗量每年6臺發(fā)酵罐氯化鈣的消耗量每年6臺發(fā)酵罐磷酸氫二鉀的消耗量每臺消泡用植物油0.36，植物油密度為915-937.5,取油的密度920每年6臺發(fā)酵罐植物油的消耗量每臺消泡用泡敵1.07，泡敵密度1000每年6臺發(fā)酵罐泡敵的用量表4.3 發(fā)酵罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg）物料名稱每罐每批次消耗量年消耗量棉籽餅粉酵母浸粉

31、麥芽糊精檸檬酸氯化鈣磷酸氫二鉀植物油泡敵1191.20297.83871.40104.23104.23446.70331.21420.00836222.40209055.62717722.8073169.4673169.46313583.40232502.4996840.004.1.6補(bǔ)料液中各物料的消耗量每臺發(fā)酵罐年發(fā)酵批次 n=117次已知 ，假設(shè)運(yùn)輸過程中損失0.5%，則實(shí)際用量為即每臺發(fā)酵罐每批次需要補(bǔ)料液公式：補(bǔ)料罐料液配比見表4-1每年6臺發(fā)酵罐棉籽餅粉的消耗量每年6臺發(fā)酵罐酵母浸粉的消耗量每年6臺發(fā)酵罐麥芽糊精的消耗量每年6臺發(fā)酵罐檸檬酸的消耗量每年6臺發(fā)酵罐氯化鈣的消耗量每年6

32、臺發(fā)酵罐磷酸氫二鉀的消耗量表4.4 補(bǔ)料罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg）物料名稱每罐每批次消耗量年消耗量棉籽餅粉酵母浸粉麥芽糊精檸檬酸氯化鈣磷酸氫二鉀1013.60253.726384.888.8088.80380.55711547.2178097.418522129.662337.662337.6267146.14.2種子罐4.2.1種子罐物料衡算在種子罐培養(yǎng)過程中，物料流入主要是接種，接種比為2%，而流出物料主要包括逃液、蒸發(fā)和取樣。逃液損失4%，則放罐時的種子液占總料液的96%本設(shè)計(jì)采用一臺種子罐供應(yīng)一臺發(fā)酵罐,故要求種子罐每天放兩罐種子罐放罐液量為種子罐物料衡算圖： 損失 初料 種子罐

33、 放罐 初料 油 菌種圖4.5 種子罐物料衡算圖由圖5-2知 即 則 4.2.2種子罐公稱體積種子罐培養(yǎng)過程中，裝料系數(shù)較低，一般為55%65%，本設(shè)計(jì)取=60% （4-5）調(diào)整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐 校核： 則種子罐的裝料系數(shù)為59.25% 符合要求。種子罐臺數(shù) 式中 每天放罐數(shù) 罐/天 t 發(fā)酵周期 小時發(fā)酵周期=輔助時間+發(fā)酵時間輔助時間=出料時間+滅菌時間+移種時間+放罐時間+清洗檢修時間根據(jù)文獻(xiàn)得知發(fā)酵時間為20小時，設(shè)輔助時間為8小時，發(fā)酵周期為12小時得出 取n=2臺考慮到生產(chǎn)過程中種子罐因生產(chǎn)不良或染菌造成發(fā)酵罐停工待種，取3臺發(fā)酵罐，一臺備用種子罐物料消耗計(jì)算每臺種子罐年培養(yǎng)批次

34、已知，假設(shè)運(yùn)輸損失0.5%，則 實(shí)際用量為則每批種子罐需要11.56m3培養(yǎng)基公式：由表4.1各種培養(yǎng)基配比計(jì)算 一批產(chǎn)品一臺發(fā)酵罐所需補(bǔ)入各物質(zhì)的質(zhì)量每年2臺種子罐酵母浸粉的消耗量每年2臺種子罐胰蛋白胨的消耗量每年2臺種子罐葡萄糖的消耗量每年2臺種子罐磷酸氫二鉀的消耗量種子罐消泡用植物油0.12m3，植物油密度為920kg/m3 則 每年2臺種子罐植物油的消耗量表4.6 種子罐各物質(zhì)消耗一覽表（單位：kg）物料名稱每罐每批次消耗量年消耗量胰蛋白胨酵母浸粉葡萄糖磷酸氫二鉀植物油34.6834.6851.80208.08110.427466.5627466.5645777.60164799.36

35、87436.8總物料消耗計(jì)算由公式可得出年物料消耗總量 可得出每天物料的消耗量表4.7.物料總消耗量一覽表（單位：kg）物料名稱年消耗量日消耗量棉籽餅粉酵母浸粉麥芽糊精檸檬酸磷酸氫二鉀胰蛋白胨葡萄糖氯化鈣植物油泡敵1547769.6414619.5621239852.4135507.06745528.8627466.5645777.6135507.06319939.29968404690.211256.4264363.19410.632259.1883.23138.72410.63969.513020.734.3熱量計(jì)算發(fā)酵過程中的熱效應(yīng)計(jì)算 （4-6）式中 - 發(fā)酵罐的發(fā)酵熱效應(yīng) kj/h

36、- 單位體積發(fā)酵液所產(chǎn)生的熱量，也稱發(fā)酵熱 kj/(m3·h) - 發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液的體積 m3芽孢桿菌發(fā)酵過程中的發(fā)酵熱為550010050 kj/(m3·h) 本設(shè)計(jì)取=8000 kj/(m3·h)發(fā)酵罐的熱效應(yīng)：=8000×64.00 =512000( kj/h)種子罐的熱效應(yīng)：=8000×5.69=45520 (kj/h)由能量守恒得： (4-7) 式中 待冷卻的熱量 kj/h 向環(huán)境中散發(fā)的熱量 kj/h 蒸汽耗熱量 kj/h 發(fā)酵熱效應(yīng) kj/h 攪拌產(chǎn)生的熱量kj/h其中 14 (4-8) 式中 設(shè)備總表面積 m2 壁面對空氣聯(lián)合絕

37、熱系數(shù)， 壁面溫度 環(huán)境溫度 (4-9) (4-10) 式中 攪拌功率 kw 功熱轉(zhuǎn)化率 92%發(fā)酵罐： 得 種子罐 得 4.4水的用量4.4.1自來水自來水消耗主要用于配料和洗罐1、配料用水(約為消前培養(yǎng)基體積)每批次配料用水量： 每天配料用水量： 2、洗罐水（從人孔直接沖洗用水量取罐體積的10%）補(bǔ)料每天消耗料液為24.18 m3，取公稱容積為30 m3，每天放一罐，每批次洗罐用水量 每天洗罐用水 3、自來水總用量考慮到日常用水、種子室用水及清洗車間用水，取裕量系數(shù)為1.2，則每天自來水總用量為4.4.2冷卻用水 (4-11)式中 待冷卻熱量 kj/h 水的比熱容 kj/(kg·

38、) 冷卻水進(jìn)口溫度 冷卻水出口溫度 取裕量系數(shù)為1.2，則 夏季冷卻水用量 =20 =30 已知c=4.2kj/(kg·)發(fā)酵罐用水： 種子罐用水： 總水量： 冬季冷卻水用量 =3 =15 已知c=4.2kj/(kg·)發(fā)酵罐用水： 種子罐用水： 總用水量： 4.4.3實(shí)消過程冷卻水用量 (4-12) (4-13)式中：w冷卻水的用量，kj/ha冷卻水的流量c冷卻水的比熱容，kj/(kg·)f傳熱面積，m2k平均傳熱系數(shù)，kj/( m2h)培養(yǎng)基冷卻過程在某時刻的溫度，對應(yīng)培養(yǎng)基t1溫度時冷卻水出口溫度，冷卻水進(jìn)口溫度，其中夾套的傳熱系數(shù)通常為630-1050 k

39、j/( m2h)，蛇管和外盤管的傳熱系數(shù)為1260-1680 kj/( m2h)。這里采用后者，取1400 kj/( m2h)。已知，=80 =26 =18 c=4.18 kj/(kg·)得發(fā)酵罐用水 種子罐用水 補(bǔ)料罐用水 4.5蒸汽耗量計(jì)算發(fā)酵蒸汽消毒有實(shí)消和連消兩種，發(fā)酵過程中實(shí)罐消毒蒸汽用量較大，蒸汽直接進(jìn)入罐內(nèi)與溶液混合加熱使罐溫快速升高至一定溫度后再進(jìn)行保溫滅菌，滅菌操作不同，蒸汽消耗量差別很大。我們在設(shè)計(jì)時經(jīng)?？紤]采用實(shí)消。通過通入蒸汽使罐溫從預(yù)熱的75-85迅速上升到1202，然后在此溫度和0.100.05mpa上進(jìn)行保溫滅菌。在計(jì)算過程中，我們首先計(jì)算直接蒸汽混合加

40、熱用氣量，然后保溫時間內(nèi)的蒸汽耗用量按升溫用氣量的30-50%進(jìn)行計(jì)算。4.5.1直接加熱蒸汽耗量 （4-14）式中， 蒸汽的熱焓，kj/kg g培養(yǎng)基質(zhì)量，kg c培養(yǎng)基比熱容，kj/(kg·) 熱損失，5%10% 加熱結(jié)束時的料液溫度， 加熱開始時的料液溫度，已知：在0.5mpa時=2748kj/kg，c=4.2kj/(kg·)，取7%，=121，=20發(fā)酵罐： 種子罐： 補(bǔ)料罐： 4.5.2滅菌保溫時間內(nèi)蒸汽用量實(shí)罐滅菌操作中，蒸汽就是從與培養(yǎng)基相接觸的管道連續(xù)排出（進(jìn)氣的閥門開的很大，排氣的閥門開的很?。?，由于操作人員的操作習(xí)慣不一樣，因此蒸汽消耗量很難準(zhǔn)確計(jì)算，在

41、此根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估算： 14 （4-15）本設(shè)計(jì)取 40% 則 發(fā)酵罐： 種子罐： 補(bǔ)料罐：蒸汽總耗量 發(fā)酵罐： 種子罐： 補(bǔ)料罐：4.6壓縮空氣耗量通風(fēng)比計(jì)算法：已知：發(fā)酵罐為100m³，6臺，培養(yǎng)液體積64.00m³，裝料系數(shù)64.00%，取通風(fēng)比1:0.7，則壓縮空氣需要量： qg=n(vvm)v (4-16)式中：(vvm)單位體積培養(yǎng)液在單位時間內(nèi)通入壓縮空氣 v培養(yǎng)液體積，m³ n發(fā)酵罐臺數(shù)種子罐：20m³，2臺，培養(yǎng)液體積11.38m³，裝料系數(shù)60%，取通風(fēng)比1:1.4，則壓縮空氣需要量： 4.7用電量的計(jì)算1、發(fā)酵罐用電量發(fā)酵罐

42、電機(jī)的額定功率為55kw，故發(fā)酵罐的單批次用電量為 55×56×6=18480(kw·h)年用電量 18480×117=2.16×106(kw·h)2、種子罐用電量種子罐電機(jī)的額定功率為37kw，故種子罐的單批次用電量為 37×12×2=888(kw·h)年用電量 888×396=3、補(bǔ)料罐用電量補(bǔ)料罐電機(jī)的額定功率為110kw，故種子罐的單批次用電量為 110×56×1=6160(kw·h)年用電量 6160×117=4、泵的用電量根據(jù)補(bǔ)料泵、氨水泵、油

43、泵、泡敵泵、鹽酸泵選型中電機(jī)功率及軸功率計(jì)算用電量的5、照明、監(jiān)控室及其他取20kw·h 則年用電量為6、年總用電量（取裕量系數(shù)為1.1）第五章 典型設(shè)備5.1發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐幾何尺寸比例關(guān)系如下：=1.7-3.0， =-，=-,=0.8-1.0, =1-2.5式中： h筒身高度，m d罐徑，m w擋板寬度，m c下攪拌器距底間距，m s兩攪拌器間距，m h封頭高度，m hl液位高度，m5.1.1尺寸計(jì)算發(fā)酵罐的“公稱體積”是指罐的筒身體積vc與下封頭體積vb之和。其中封頭體積可根據(jù)封頭形狀、直徑及壁厚從有關(guān)化工設(shè)計(jì)手冊中查得。 (5-1) (5-2)式中：ha封頭曲邊高度，mhb

44、封頭直邊高度，m對標(biāo)準(zhǔn)橢圓ha =,則發(fā)酵罐的公稱體積為 (5-3)hb相對于d與h很小，可忽略不計(jì)，故 (5-4)已知v0=100m³，取h=2d,代入上式得100=d2×2d+d3得，d=3.89m參考資料（發(fā)酵工廠 吳思方），將直徑圓整到國內(nèi)常用發(fā)酵罐系列，取d=4000mm。將直徑d=4000mm代入下式，可計(jì)算筒身高度： （5-5）查表知公稱直徑d=4000mm，ha =1000mm，hb =50mm，vb=9.02 m³則 圓整后取h=7300mm.校核： (符合：=1.7-3.0)即：發(fā)酵罐公稱體積為101m³，全容積為110m³

45、，直徑為4m。罐體總高度：圓筒部分裝液量：則圓筒部分液面高：發(fā)酵液體總高度：5.1.2發(fā)酵罐攪拌裝置及軸功率計(jì)算1、 攪拌裝置發(fā)酵罐上常用的攪拌器是推進(jìn)式攪拌器和渦輪式攪拌器，這兩種攪拌器各有特色：推進(jìn)式攪拌器由于葉片的結(jié)構(gòu)，物料流向主要為軸向，出物料量大，整體混合程度好，所需功率小，但剪切力較小，對氣泡的細(xì)化和分散作用弱，在發(fā)酵中不利于氧的傳遞，因此渦輪式攪拌器被大量地應(yīng)用于發(fā)酵罐中；但渦輪式攪拌器的功率消耗大，在相同條件下，渦輪式攪拌器的功率消耗是推進(jìn)式攪拌器的5-6倍。根據(jù)堿性蛋白酶發(fā)酵工藝的需要，本設(shè)計(jì)采用六彎葉圓盤渦輪式攪拌器，可以有利于粉碎氣泡，強(qiáng)化氧的傳遞，以達(dá)到最佳混合效果。2

46、、 攪拌器尺寸設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用六彎葉渦輪攪拌器，該攪拌器的各種尺寸與罐徑d存在一定的比例關(guān)系。將主要尺寸列舉如下：攪拌器直徑 葉寬b=0.2d=0.2×1333.33=266.66(mm)葉弦長l=0.25d=0.25×1333.33=333.33(mm)弧長r=0.375d=0.375×1333.33=500(mm)底距c=0.8d=0.8×4000=3200(mm)盤徑=0.75d=0.75×1333.33=1000 (mm)葉距s=1.5d=1.5×1333.3=(mm)彎葉板厚度=12mm3、攪拌軸功率計(jì)算a) 不通氣條件下的攪拌功率經(jīng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐總結(jié)功率準(zhǔn)數(shù)和