堿性蛋白發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)

年產(chǎn)3噸堿性蛋白酶發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)王鑫（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院）摘要在現(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(gè)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（pH9——11）下水解動(dòng)植物蛋白質(zhì),廣泛存在于動(dòng)植物及微生物中。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(dòng)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。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了兩張圖紙，分別為發(fā)酵罐裝配圖、工藝流程圖。關(guān)鍵詞：堿性蛋白酶發(fā)酵罐種子罐物料衡算1緒論TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1.1堿性蛋白酶概述 1\o"CurrentDocument"1.2堿性蛋白酶的性質(zhì) 1\o"CurrentDocument"1.3堿性蛋白酶的使用條件 1\o"CurrentDocument"1.4堿性蛋白酶的保存 1\o"CurrentDocument"1.5注意事項(xiàng) 1\o"CurrentDocument"1.6堿性蛋白酶的主要應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"1.6.1在洗滌劑中的應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"1.6.2在皮革中的應(yīng)用 2\o"CurrentDocument"1.6.3在飼料添加劑中的應(yīng)用 3\o"CurrentDocument"1.6.4在紡織行業(yè)的應(yīng)用 3\o"CurrentDocument"1.6.7在玉米深加工中的應(yīng)用 3\o"CurrentDocument"1.7堿性蛋白酶的發(fā)展前景 4\o"CurrentDocument"2設(shè)計(jì)任務(wù) 4\o"CurrentDocument"2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"2.2設(shè)計(jì)要求 4\o"CurrentDocument"3堿性蛋白酶生產(chǎn)工藝選擇 5\o"CurrentDocument"3.1生產(chǎn)工藝的選擇 5\o"CurrentDocument"3.2工藝流程圖 5\o"CurrentDocument"3.3工藝流程圖說明 6\o"CurrentDocument"3.3.1菌種的制備 6\o"CurrentDocument"3.3.2孢子的制備 63.3.3種子的制備 6\o"CurrentDocument"3.4菌種的改良 6\o"CurrentDocument"3.5培養(yǎng)基的制備 8\o"CurrentDocument"3.6滅菌的方法 8\o"CurrentDocument"3.6.1濕熱滅菌 8\o"CurrentDocument"3.6.2培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌 9\o"CurrentDocument"3.6.3空氣除菌 9\o"CurrentDocument"3.6.4無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 10\o"CurrentDocument"3.6.5無菌空氣的制備 10\o"CurrentDocument"3.7發(fā)酵 11\o"CurrentDocument"3.8分離純化 12\o"CurrentDocument"4工藝計(jì)算 12\o"CurrentDocument"4.1堿性蛋白酶發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo) 12\o"CurrentDocument"4.2工藝參數(shù)與基本物性數(shù)據(jù)的選取 12\o"CurrentDocument"4.2.1工藝參數(shù) 12\o"CurrentDocument"4.2.2基本物性數(shù)據(jù)的選取 13\o"CurrentDocument"4.3物料衡算 13\o"CurrentDocument"4.4熱量衡算 144.4.1基準(zhǔn)溫度的選定 144.4.2連消塔的熱量衡算 144.4.3發(fā)酵罐的熱量衡算 14\o"CurrentDocument"5分離干燥 14\o"CurrentDocument"5.1雙水相萃取 14\o"CurrentDocument"5.2干燥 15\o"CurrentDocument"6后記 16參考文獻(xiàn)： 171緒論1.1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。1.2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27300.1.3堿性蛋白酶的使用條件底物濃度10—25%，溫度50—60°C，pH值9—11，反應(yīng)時(shí)間3—6小時(shí)（根據(jù)要求可長可短），添加酶0.03—0.06%（以水解溶液重量計(jì)）。1.4堿性蛋白酶的保存5C保藏，保質(zhì)期一年；25C儲存，酶活保存期至少3個(gè)月以上。1.5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(shí)請勿直接與酶制劑接觸，若有接觸需及時(shí)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。1.6堿性蛋白酶的主要應(yīng)用1.6.1在洗滌劑中的應(yīng)用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(shí)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(gè)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。1.6.2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(shí)，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(shí)間長，工序多，而且勞動(dòng)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1.6.3在飼料添加劑中的應(yīng)用豬、禽等單胃動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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。1.6.4在紡織行業(yè)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。1.6.7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(dòng)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。1.7堿性蛋白酶的發(fā)展前景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(dòng)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(shí)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(gè)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。2設(shè)計(jì)任務(wù)2.1設(shè)計(jì)內(nèi)容包括菌種選育、培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)及滅菌、空氣除菌（如為需氧發(fā)酵）、種子的擴(kuò)大培養(yǎng)、發(fā)酵過程中的控制參數(shù)和下游加工等，并由此形成一套完整的生產(chǎn)工藝。2.2設(shè)計(jì)要求按照年產(chǎn)量要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，不得造成設(shè)備浪費(fèi)，節(jié)約人力、物力和能源。進(jìn)行簡單的物料衡算。繪制設(shè)計(jì)圖，要求至少一張工藝流程圖和一張主設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，A4紙。

3堿性蛋白酶生產(chǎn)工藝選擇3.1生產(chǎn)工藝的選擇采用液態(tài)深層發(fā)酵3.2工藝流程圖離心分離一^離心分離一^PEG鹽*冷凍干燥*產(chǎn)品1F預(yù)熱除菌*連消1 1I無菌空氣 二級種子 維持I降溫▼ ?發(fā)酵液高壓勻質(zhì)機(jī)▼離心分離廢液項(xiàng) PEG水相3.3工藝流程圖說明3.3.1菌種的制備選擇枯草芽孢桿菌2709，經(jīng)過分離、選育、純化和鑒定后成為菌種。菌種可用沙土管保存，若有條件可采用液氮超低溫保存。3.3.2弛子的制備（1） 制備母液斜面孢子將保存在冰箱中的沙土孢子，在無菌超凈工作臺上接種于以滅菌的斜面培養(yǎng)上于37°C培養(yǎng)9-10天，放入2-6^冰箱中備用。（2） 制備子瓶斜面孢子將生長好且在冰箱存放一周以上的母瓶取出，制成菌懸液接種于子瓶斜面上，于37C恒溫培養(yǎng)8-9天，培養(yǎng)好的子斜面?zhèn)葥u瓶效價(jià)合格后保存在2-6C冰箱中備用。3.3.3種子的制備其目的是使孢子發(fā)芽、繁殖以獲得足夠數(shù)量的菌絲，并接種到發(fā)酵罐中，種子制備可用搖瓶培養(yǎng)后再接入種子罐進(jìn)行逐級擴(kuò)大培養(yǎng)。以微孔壓差法或打開接種口在火焰保護(hù)下接種。接種量視需要而定，在罐內(nèi)培養(yǎng)過程中需要攪拌和通入無菌空氣?？刂乒逌?、罐壓，并定時(shí)取樣做無菌試驗(yàn)，觀察菌絲形態(tài)，測定種子液中發(fā)酵單位和進(jìn)行生化分析，并觀察有無雜菌的情況種子質(zhì)量合格后移到發(fā)酵罐中。3.4菌種的改良菌種改良的方法有很多，最常用的方法有誘變育種。誘變育種的原理：是用物理或化學(xué)的誘變劑使誘變對象內(nèi)的遺傳物質(zhì)（DNA）的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，引起性狀變異并通過篩選獲得符合要求的變異菌株的一種育種方法。誘變的方法：A:物理方法：射線（紫外線、X光線、Y射線，中子線），激光微束，離子束，微波，超聲波，熱力等。B:化學(xué)誘變常用方法：浸漬法、涂抹法、滴液法、注射法、施入法和熏蒸法?；瘜W(xué)誘變劑有堿基類似物、烷化劑，移碼誘變劑，硫酸二乙酯（DFS）、5-漠尿嘧啶（5—BU）、氮芥（Nm）。C:生物方法：空間條件處理誘變，病原微生物誘變，轉(zhuǎn)基因誘變。誘變育種的過程出發(fā)菌株 原種特性考察斜面制備單孢子菌懸液誘變處理做活菌計(jì)數(shù)，統(tǒng)計(jì)存活I(lǐng)"=t~L- 率 稀釋涂平板觀察菌株形態(tài)k— ]挑取單菌落傳種斜面搖瓶初篩挑出高產(chǎn)斜面留種保藏 埋制沙土管T傳種斜面復(fù)篩，搖瓶次數(shù)一 搖瓶復(fù)篩I 挑出高產(chǎn)菌株做穩(wěn)定性試驗(yàn)和菌種特性考

放大罐試驗(yàn)，中試考察大型投產(chǎn)

3.5培養(yǎng)基的制備培養(yǎng)基是指可供微生物細(xì)胞生長繁殖所需的一組營養(yǎng)物質(zhì)和原料，同時(shí)也為微生物生長提供除營養(yǎng)外的其他生長所需的條件。原則上①必須含有細(xì)胞組成所必須原料；②滿足一般生化反應(yīng)的基本條件（溫度、溶氧和批pH）；③來源豐富、價(jià)格低廉、取材方便、質(zhì)量穩(wěn)定；④培養(yǎng)基成分性質(zhì)穩(wěn)定不影響下游產(chǎn)品的提取加工。培養(yǎng)基按照用途可以分成孢子培養(yǎng)基、種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基。孢子培養(yǎng)基是供菌種繁殖孢子的一種常用固體培養(yǎng)基，對這類培養(yǎng)基的要求是能使菌體生長迅速，產(chǎn)生數(shù)量多而且優(yōu)質(zhì)的孢子，并且不會引起菌體變異。所以孢子培養(yǎng)基的配置要求如下：①培養(yǎng)基的營養(yǎng)不要太豐富，特別是有機(jī)氮源要低一些，否則孢子不易形成。②無機(jī)鹽的濃度要適當(dāng)，不然會影響孢子的顏色和數(shù)量。③應(yīng)注意培養(yǎng)基的pH值和濕度。3.6滅菌的方法常用的滅菌方法有：化學(xué)滅菌；射線滅菌；干熱滅菌；濕熱滅菌和過濾除菌等。影響滅菌效果的因素：①微生物的種類和數(shù)量，②培養(yǎng)基性質(zhì)、濃度、成分，③滅菌的溫度、時(shí)間。本實(shí)驗(yàn)采用濕熱滅菌。濕熱滅菌即利用飽和水蒸氣進(jìn)行滅菌。由于蒸汽有很強(qiáng)的穿透力，而且冷凝時(shí)放出大量的冷凝熱，很容易是蛋白質(zhì)凝固而殺滅各種微生物。通常蒸汽滅菌的條件是在121°C（表壓約0.1MPa）維持30min。3.6.1濕熱滅菌對培養(yǎng)基進(jìn)行濕熱滅菌時(shí)，培養(yǎng)基中的微生物受熱死亡速率與殘存數(shù)量成正比，即kN(3—1)比，即kN(3—1)式中：N培養(yǎng)基中活微生物的個(gè)數(shù)；T為微生物受熱時(shí)間，s；K為比死亡速率，，-1；若開始滅菌時(shí)（T=0），培養(yǎng)基中或微生物數(shù)為N0,將式（3—1）積分可得N=N0e… （3—2）上式被稱為對數(shù)殘留定律。其中N為經(jīng)T時(shí)間滅菌后培養(yǎng)基中活微生物數(shù)。3.6.2培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌培養(yǎng)基連續(xù)滅菌在短時(shí)間內(nèi)被加熱到滅菌溫度（130?140），短時(shí)間保溫（一般為5?8min）,升降溫時(shí)間相對較短，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、提高發(fā)酵罐的設(shè)備利用率、蒸汽用量平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，培養(yǎng)基在短時(shí)間內(nèi)被加熱到滅菌溫度，短時(shí)間保溫后被快速冷卻，再進(jìn)入早已滅完菌的發(fā)酵罐，這樣不但可以節(jié)省時(shí)間，更重要的是減少了培養(yǎng)基的破壞率。對補(bǔ)料培養(yǎng)基的滅菌方法跟發(fā)酵培養(yǎng)基的滅菌方法一樣都是濕熱滅菌，其加熱蒸汽的壓力要求較高，一般不小于0.45Mpa.連續(xù)滅菌的流程，如圖所示3.6.3空氣除菌根據(jù)國家藥品質(zhì)量管理規(guī)范的要求，生物制品、藥品的生產(chǎn)場地業(yè)需要符合空氣潔凈度的要求。

3.6.4無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)國家所規(guī)定無菌空氣的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)為：1、連續(xù)提供一定流量的壓縮空氣。2、空氣的壓強(qiáng)為0.2~0.4Mpa。3、進(jìn)入過濾器前空氣的相對濕度應(yīng)小于等于70.4、進(jìn)入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)基溫度高10?30°C左右。5、壓縮空氣的潔凈度，在設(shè)計(jì)空氣過濾器時(shí)，一般取失敗概率為0.001為指標(biāo)。3.6.5無菌空氣的制備過濾是空氣除菌的主要手段，按過濾介質(zhì)孔隙將空氣過濾器分為兩類：絕對過濾，深層過濾。后者主要原理為：1、慣性滯留作用2、攔截滯留作用3、布朗擴(kuò)散作用4、重力沉降5、靜電作用。其過濾除菌流程為：采風(fēng)塔一粗過濾器一空氣壓縮機(jī)一空氣儲存罐一冷卻器一氣液分離設(shè)備一空氣加熱設(shè)備一空氣過濾設(shè)備。如圖5-1。、、-■一丁 .11、、-■一丁 .11圖5-1空氣除菌設(shè)備流程圖設(shè)備如下：采風(fēng)塔：采風(fēng)塔建在工廠的上風(fēng)頭，遠(yuǎn)離煙囪，采風(fēng)塔越高越好，高全少10m,氣流速度8m/s。粗過濾器：安裝在空壓機(jī)吸入口前，主要作用是攔截空氣中較大的灰塵以保護(hù)空氣壓縮機(jī)，同時(shí)起一定的除菌作用，減輕總過濾器的負(fù)擔(dān)。應(yīng)阻力小，容量大?？諝鈮嚎s機(jī)：作用是提供動(dòng)力，以克服隨后各設(shè)備的阻力。空氣儲罐：作用是消除壓縮空氣的脈動(dòng)。要求：H/B=2?2.5 ,V=(0.1?0.2)V1其中，H為罐高；B為罐直徑；V1為空壓機(jī)每分鐘排氣量(20°C,1X105Pa狀況下)，m3旋風(fēng)分離器：是利用離心力進(jìn)行氣-固或氣-液沉降分離的設(shè)備。作用是分離空氣中被冷卻成霧狀的較大的水霧和油霧粒子。冷卻器：空壓機(jī)出口溫度氣溫在120C左右，必須冷卻。另外在潮濕的地域和季節(jié)還可以達(dá)到降濕的目的。空氣冷卻器可采用列管式熱交換器空氣走殼程，管內(nèi)走冷卻水。絲網(wǎng)除沫器:可以除去空氣中絕大多數(shù)的20頗以上的液滴和1頗以上的霧滴，一般采用規(guī)格為直徑0.25啞乂40孔且高度為150啞的不銹鋼絲網(wǎng)。空氣加熱器：采用列管換熱器，空氣走管程，蒸汽走管外。總過濾器：填充物按下面順序安裝：孔板f鐵絲網(wǎng)f麻布f活性炭f麻布f棉花f麻布f鐵絲網(wǎng)f孔板介質(zhì)要緊密均勻，壓緊一致，上下棉花層厚度為總過濾層厚度的1/4,中間活性炭層為1/3。無菌空氣的檢查空氣系統(tǒng)的無菌檢測主要考察過濾器是否失效。過濾器失效的檢測方法之一是檢測過濾器兩側(cè)的壓降，壓降大說明過濾介質(zhì)被堵塞；二是用粒子計(jì)數(shù)器測定空氣中的粒子數(shù)是否超標(biāo)，有無達(dá)到潔凈度要求。3.7發(fā)酵以2%的接種量接種于發(fā)酵培養(yǎng)基，35C培養(yǎng)56小時(shí)，進(jìn)行液體深層發(fā)酵培養(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(shí)，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(shí)，應(yīng)控制發(fā)酵液的pH不高于8.0。3.8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。4工藝計(jì)算4.1堿性蛋白酶發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a3生產(chǎn)方法深層液態(tài)發(fā)酵年生產(chǎn)天數(shù)d/a100產(chǎn)品日產(chǎn)量t/a0.03產(chǎn)品質(zhì)量比活力（U/g）50萬倒罐率%1.0發(fā)酵周期h36發(fā)酵液酶活力U/ml18000堿性蛋白酶提取率%85冷凍干燥酶收率%80平均總收率率%684.2工藝參數(shù)與基本物性數(shù)據(jù)的選取4.2.1工藝參數(shù)堿性蛋白酶比活力比活力為50萬U/g，生產(chǎn)周期為36h，發(fā)酵溫度為37°C，溶氧為0.03-0.04MPa。4.2.2基本物性數(shù)據(jù)的選取在低溫下油或油脂的平均熱容在2.05-2.51kJ/(kg?°C),隨著溫度升高比熱將增加。4.3物料衡算根據(jù)物料衡算的質(zhì)量守衡定律，在間歇操作過程中，若系統(tǒng)內(nèi)不發(fā)生物料量的積累，輸入的物料量等于輸出的物料量。表1物料的基本物性參數(shù)密度(kg/m3)汽化替熱kJ/kg比熱容kJ/(kg?C)沸點(diǎn)(C)培養(yǎng)基10004.183水99822584.183100生產(chǎn)1000kg比活力為50萬U/g的發(fā)酵液量：50萬U/gX1000X1000=108萬U108萬U/18000=2.78X107ml=27.8m318000U/ml-發(fā)酵液酶活每日所需量V0=V發(fā)/(0.68X0.7)=0.278/(0.68X0.7)=1.75m30.68—平均總收率0.7—填充系數(shù)發(fā)酵液所需淀粉量:1.75X2%=0.035kg發(fā)酵液所需麩皮量:1.75X5%=0.0875kg發(fā)酵液所需玉米漿量:1.75X3%=0.0525kg二級接種量：V2=1%V1=0.0175m3吐溫-80(M/V)：0.02%X1.75=0.00035kgMgSO4(M/V)：0.02%X1.75=0.00035kg發(fā)酵罐的尺寸個(gè)數(shù)：尺寸：2立方米個(gè)數(shù);1個(gè)4.4熱量衡算4.4.1基準(zhǔn)溫度的選定為便于計(jì)算，熱量輸入和輸出的基準(zhǔn)溫度選為20°C(293K)。4.4.2連消塔的熱量衡算Q=Gc(t2-t])=13406x3.91x(115-70)=2.36x106(kJ/h)4.4.3發(fā)酵罐的熱量衡算發(fā)酵時(shí)放出的生物熱：Q亍4.18x6000x102.14=2.56x106(kJ/h)總5分離干燥5.1雙水相萃取萃取原理:將親水性聚合物加入水中會形成兩相。聚合物以不同的比例分配與這兩相中，而水分在每一相中都會占很大的比例(85%-95%),生物蛋白質(zhì)等在這種體系中能夠保持自然活性。當(dāng)兩種聚合物的水溶液相互混合時(shí)，究竟是分層成兩相，還是混合成一相，取決于兩種因素，一是混合熵的變化，二是分子間的作用力。對大分子而言，則分子間的作用力占主導(dǎo)地位，也就是說，由分子間的作用力決定混合的結(jié)果。若兩種聚合物的分子間存在斥力，那么再某一分子的周圍就可能系同種分子而非異種分子。當(dāng)達(dá)到平衡后則分成兩相，兩種聚合物分別進(jìn)入到每一相中，達(dá)到分離的目的。反過來，如果兩種聚合物之間存在引力，如在帶相反電荷的兩種聚合物電解質(zhì)之間，則它們相互結(jié)合而存在于同一相中，若兩種聚合物間不存在分子間力，則它們相互混合。根據(jù)上述分析可知，能夠進(jìn)行雙水相萃取的必要條件是：形成的兩種聚合物分子間存在引力。雙水相萃取中，影響分配的主要參數(shù)有聚合物的分子質(zhì)量和濃度、pH、鹽的種類和濃度、操作穩(wěn)定等。聚合物分子質(zhì)量低時(shí)，生物大分子易分配于富含該聚合物的相中，當(dāng)遠(yuǎn)離臨界點(diǎn)時(shí)，雙水相萃取本身受溫度的影響很小。大規(guī)模生產(chǎn)總是在常溫下操作，一則節(jié)省制冷費(fèi)用，再則聚合物在常溫下對蛋白質(zhì)有穩(wěn)定作用，不會引起損失，同時(shí)溫度高時(shí)，粘度低，有利于相的分離操作。因此，確定適宜的操作條件，可達(dá)到較高的分配系數(shù)和選擇性。雙水相萃取的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可直接從細(xì)胞破碎漿液中萃取蛋白質(zhì)而無需將細(xì)胞碎片分離，一步操作可達(dá)到固液分離和純化兩個(gè)目的。雙水相萃取方法：雙水相萃取法的一個(gè)主要應(yīng)用是胞內(nèi)酶的提取，采用雙水相系統(tǒng)可使欲提取的酶與細(xì)胞碎片以較大的分配系數(shù)分配在不同的相中，進(jìn)而采用離心法就可實(shí)現(xiàn)分離。采用雙水相萃取時(shí)，通常將蛋白質(zhì)分配在上相（PEG）,細(xì)胞碎片分配在下相（鹽）。反過來對相的分離不利，因?yàn)楫?dāng)上相固含量高時(shí)，分離機(jī)的性能會受到影響。在操作時(shí)，單位重量相系統(tǒng)中料漿的加入量是一個(gè)重要參數(shù)。顯然，料漿的加入量愈多愈經(jīng)濟(jì)，但過量的料漿會影響原來聚合物的成相系統(tǒng)，是分配系數(shù)降低，結(jié)果收率降低。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般每1kg萃取系統(tǒng)處理200-400濕菌體為宜。5.2干燥冷凍干燥原理：冷凍干燥是將濕物料在較低溫度下凍結(jié)成固態(tài)，然后在高度真空（130Pa-0.1MPa）下，將其中固態(tài)水分直接升華為氣態(tài)而除去的干燥過程，也稱為升華干燥。冷凍干燥也是真空干燥的一種特例。冷動(dòng)干燥也可將濕物料不預(yù)凍，而是利用高度真空時(shí)水分汽化吸熱而將物料自行凍結(jié)。這種凍結(jié)能量消耗小，但對液體物料易產(chǎn)生泡沫或飛濺現(xiàn)象而遭致?lián)p失，同時(shí)也不易獲得多孔性的均勻干燥物。冷凍干燥中升華溫度一般為-35°C--5°C，而抽出的水分可在冷凝器上冷凍聚集或直接為真空泵排出。若升華時(shí)需要的熱量直接由所干燥的物料供給，這種情況下，物料溫度減低很快，以全于冰的蒸汽壓很低而使升華速率降低。一般情況下，熱量由加熱介質(zhì)通過干燥室的間壁供給，因此，既要供給濕物料的熱量以保證一定的干燥數(shù)率，又要避免冰的融化。與其他干燥相比，冷凍干燥具有以下特點(diǎn)：1） 干燥溫度低，特別適合于高熱敏性物料的干燥，生物制品的干燥。又系在真空下操作，氧氣極少，物料中易氧化物質(zhì)得到了保護(hù)，因此，制品中的有效物質(zhì)及營養(yǎng)成分損失很少。2） 能保持原物料的外觀形狀。物料在升華脫水前先進(jìn)行預(yù)凍，形成穩(wěn)定的固體骨架。干燥后體積形狀基本不變，不失原有的固體結(jié)構(gòu)，無十縮現(xiàn)象。3） 凍十制品具有多孔結(jié)構(gòu)，因而有理想的速溶性和快速復(fù)水性。干燥過程中，物料中溶于水的溶質(zhì)就地析出，避免了一般干燥方法中因物料水分向表面轉(zhuǎn)移而將無機(jī)鹽和其他有效成分帶到物料表面，產(chǎn)生表面硬化現(xiàn)象。4）冷凍干燥脫水徹底（一般低于2%-5%），質(zhì)量輕，產(chǎn)品保存期長，若采用真空密封包裝，常溫下即可運(yùn)輸、保存，十分簡便。但冷凍干燥需要昂貴的專用設(shè)備，干燥周期長，能耗較大，產(chǎn)量小，加工成本高。冷凍干燥流程：冷凍干燥過程分為兩個(gè)階段，第一階段，在低于熔點(diǎn)的溫度下，使物料中的固態(tài)水分直接升華，大約有98%-99%的水分在這一階段除去。第二階段中，將物料溫度逐漸升高甚至高于室溫，使水分汽化除去，此時(shí)水分可以減少到0.5%。冷東干燥系統(tǒng)主要有4部分組成，即冷凍裝置、真空裝置、水汽去除裝置和加熱部分，用于生物制品的了扭動(dòng)干燥流程見帶控制點(diǎn)餓工藝流程圖。預(yù)冷凍和干燥均在一個(gè)箱內(nèi)完成。帶干燥的物料放入干燥室內(nèi)，開動(dòng)預(yù)冷用冷凍機(jī)對物料進(jìn)行冷凍，隨之開啟冷凝器和真空裝置，實(shí)現(xiàn)升華干燥操作。加熱器以作冷凝器內(nèi)化霜之用。第一階段升華干燥結(jié)束后，開啟油加熱循環(huán)泵對干燥室加熱升溫，使之汽化排除剩余的水分。6后記通過此次課程設(shè)計(jì)使我更扎實(shí)的掌握了有關(guān)發(fā)酵的一系列問題，使本來枯燥乏味的發(fā)酵課程變得有趣。在這過程中遇到了很多問題，從前都未曾涉獵，但經(jīng)過這次課程設(shè)計(jì)讓我不光懂得了有關(guān)發(fā)酵的問題，還懂得了CAD的使用，增加了自己各方面的認(rèn)識，我不斷地查找資料，遇到不懂得及時(shí)請教豐富了自己的知識面，同時(shí)深刻領(lǐng)悟了“致知于行”的意義。從理論到實(shí)踐的過程是一個(gè)很重要的過程，終于明白