年产1000淀粉酶生产工艺设计Word文件下载.docx
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丁璟剑方开青马劲陈澍泽蔡锟
工艺流程设计
丁璟剑
物料计算
陈澍泽马劲
热能计算
方开青蔡锟
发酵罐设计
陈澍泽
种子罐设计
马劲
盐析罐设计
蔡锟
车间布置设计
方开青
设计说明书设计排版
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。
相对地,关于α-淀粉酶抑制剂国内外也有很多研究报道[7,8]。
α-淀粉酶抑制剂是糖苷水解酶的一种。
它能有效地抑制肠道内唾液及胰淀粉酶的活性,阻碍食物中碳水化合物的水解和消化,降低人体糖份吸收、降低血糖和血脂的含量,减少脂肪合成,减轻体重[8]。
有报道表明,α-淀粉酶可以帮助改善糖尿病患者的耐糖量[9]。
这一领域研究自2O世纪8O年代和9O年代十分活跃,但目前α-淀粉酶抑制剂的研究工作仍处于基础阶段,至今仍未得到有效合理的开发应用。
1.2α-淀粉酶的工业应用
α-淀粉酶是淀粉及以淀粉为材料的工业生产中最重要的一种水解酶,其最早的商业化应用在1984年,作为治疗消化紊乱的药物辅助剂。
现在,α-淀粉酶已广泛应用于食品、清洁剂、啤酒酿造、酒精工业、纺织退浆和造纸工业。
1.3展望
各种α-淀粉酶作为一种重要的工业用酶,已经广泛应用于淀粉及淀粉基工业中,且已经取得了很好的使用效果。
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。
但由于不同来源α-淀粉酶的性质上的差异,导致了其应用受到一定的局限,如耐高温α-淀粉酶在高温条件下才能发挥最大活力,在低温和中温时其利用效率很低,从而限制了其应用范围。
另外,不同α-淀粉酶应用于食品中,其安全性有的尚未完全肯定。
因此,在以后的研究中,可以通过化学方法或生物方法对α-淀粉酶进行改性,扩展其使用的范围,提高使用效率。
无论如何,随着科技的发展、研究的深入,α-淀粉酶将会得到更加广泛的应用。
2α-淀粉酶的性质
2.1α-淀粉酶的结构
目前,已对很多不同种类和来源的α-淀粉酶(黑曲霉、米根霉、人和猪胰腺、人唾液腺、大麦种子和地衣芽孢杆菌)的晶体结构进行了X-射线衍射研究,并得到了高分辨率的晶体结构图。
研究表明所有α-淀粉酶均为分子量在50ku左右的单体,由经典的三个区域(A、B、C)组成:
中心区域A由一个(β/α)8圆筒构成;
区域B由一个小的β-折叠突出于β3和α3之间构成;
而C-末端球型区域C则由一个Greek-key基序组成,为该酶的活性部位,负责正确识别底物并与之结合。
为保持α-淀粉酶的结构完整性和活性,至少需要一个能与之紧密结合的Ca2+,而Cl-往往是α-淀粉酶的变构激活因子,并且在所有Cl-依赖性的α-淀粉酶中,组成催化三联体的残基都是严格保守的[10]。
2.2α-淀粉酶的性质
早在1967年,Jones和Varner就对小麦中α-淀粉酶的活性进行了研究[11]。
不同来源的α-淀粉酶的酶学和理化性质有一定的区别,它们的性质对在其工业应用中的应用影响也较大,在工业生产中要根据需要使用合适来源的酶,因此对淀粉酶性质的研究也显得比较重要。
2.2.1底物特异性
α-淀粉酶和其它酶类一样,具有反应底物特异性,不同来源的淀粉酶反应底物也各不相同,通常α-淀粉酶显示出对淀粉及其衍生物有最高的特异性,这些淀粉及衍生物包括支链淀粉、直链淀粉、环糊精、糖原质和麦芽三糖等。
2.2.2最适pH和最适温度
反应温度和pH对酶活力影响较大,不同来源的α-淀粉酶有各自的最适作用pH和最适作用温度,通常在最适作用pH和最适作用温度条件下酶相对比较稳定,在此条件下进行反应能最大程度地发挥酶活力,提高酶反应效率。
因此,在工业应用中应了解不同的酶最适pH和最适温度,确定反应的最佳条件,最大限度地提高酶的使用效率是很重要的。
通常情况下α-淀粉酶的最适作用pH一般在2到12之间变化。
真菌和细菌类α-淀粉酶的最适pH在酸性和中性范围内,如芽孢杆菌α-淀粉酶的最适pH为3,碱性α-淀粉酶的最适pH在9~12。
另外,温度和钙离子对一些α-淀粉酶的最适pH有一定的影响,会改变其最适作用范围。
不同微生物来源的α-淀粉酶的最适作用温度存在着较大差异,其中最适作用温度最低的只有25℃~30℃,而最高的能达到100℃~130℃。
另外,钙离子和钠离子对一些酶的最适作用温度也有一定的影响[12]。
2.2.3金属离子
α-淀粉酶是金属酶,很多金属离子,特别是重金属离子对其有抑制作用;
另外,巯基,N-溴琥珀酸亚胺,p-羟基汞苯甲酸,碘乙酸,BSA,EDTA和EGTA等对α-淀粉酶也有抑制作用。
α-淀粉酶中至少包含一个Ca2+,Ca2+使酶分子保持适当的构象,从而维持其最大的活性和稳定性。
Ca2+对α-淀粉酶的亲和能力比其它离子强,其结合钙的数量在1到10之间。
结晶高峰淀粉酶A(TAA)包含10个Ca2+,但只有一个结合很牢固。
通常情况下结合一个Ca2+就足以使α-淀粉酶很稳定。
用EDTA透析或者用电渗析可以将Ca2+从淀粉酶中除去,加入Ca2+可以激活钙游离酶。
用Sr2+和Mg2+代替TAA中的Ca2+,在Sr2+和Mg2+过量的情况下也能使其结晶。
加入Sr2+、Mg2+和Ba2+离子可以激活用EDTA失活的TAA。
通常情况下,有Ca2+存在淀粉酶的稳定性比没有时要好,但也有报道α-淀粉酶在Ca2+存在时会失活,而经EDTA处理后却保留活性,另外,有报道称Ca2+对α-淀粉酶没有影响。
2.2.4电场强度
实验结果表明,不同强度电场导致酶活性增加的效应不同,并且呈非单调性变化。
我们认为,不同强度电场对酶蛋白分子的构象产生了不同影响,处理酶所用的电场能量虽然不足以改变酶蛋白氨基酸序列,但可以改变酶蛋白的构象.姚占全等[13]用不同强度电场处理α-淀粉酶5min,处理后分别在第1天与第1O天测定电场对α-淀粉酶活性的影响。
第1天测定结果表明,电场对酶产生明显影响,而且不同强度电场对α-淀粉酶活性的影响程度不同,在0.5~6.0kV/cm范围内,酶活性随场强增加呈非单调性变化,与对照组相比,变化幅度在5.5%~26.2%之间。
第1O天测定,酶活性变化幅度在0.2%~16.3%之间,表明电场对酶产生的影响经过一定时间后趋于消失。
3工艺流程设计
3.1生产方法的选择
枯草杆菌BF7658是我国应用广泛的液化型α-淀粉酶菌种,国内普遍采用深层发酵法生产工业粗酶。
我们从BF7658出发,用紫外光及化学药品反复交替诱变,选育适用于固体发酵的新菌体BF7658—1。
该菌为短杆状,革兰氏阳性,两端钝园,在肉汁表面可生成菌膜,在培养基上菌落呈乳白色,表面光滑、湿润、略有光泽,用碘液试之,菌落周围呈透明圈。
(一)固体培养枯草杆菌BF7658—1生产α-淀粉酶
将菌种接种于马铃薯琼脂斜面,37℃培养三天,然后转接到种子液体培养基上(豆饼粉、玉米粉、酵母膏、蛋白胨火碱、水等),摇瓶培养一定时间,当菌体进入对数生长期时,以0.5%接种量接入固体培养基(麸皮、米糠、豆饼粉、火碱、水;
ph=7左右,常压汽蒸一小时,冷却到38~40℃)在厚层通风制曲箱内,通风保持37~42℃,培养48小时出曲风干。
麸曲用1%食盐水3~4倍浸泡,3小时后过滤,调节滤液pH=8,加硫酸铵溶液沉淀酶,经离心,用浓酒精洗涤脱水,40℃烘干、磨粉即为成品。
(二)深层发酵法生产α-淀粉酶
斜面菌种制法同前。
将试管斜面菌种接种到马铃薯茄子饼斜面(培养基同前种子培养基),37℃培养三天,使之形成芽孢,以提高种子的稳定性。
然后接种到500升种子罐,37℃搅拌通风培养12~14小时。
当菌体进入对数生长期(镜检细胞密集、粗壮整齐、大多数细胞单独存在,少数呈链状,发酵液=6.3~6.8,酶活5~10单位∕毫升)时,乃转入10000升发酵罐,37℃,通风,搅拌,培养40~48小时。
中途三倍碳源的培养基补料,体积相当于基础料的1∕3,从培养12小时开始,每小时一次,分30余次添加完毕。
停止补料后6~8小时罐温不再上升,菌体衰老,80%形成空泡,每2~3小时取样分析一次,当酶活不再升高,可结束发酵。
而后向发酵液中添加2%CaCl2,0.8%Na2HPO4,50~55℃加热处理30分钟,以破坏共存的蛋白酶,促使胶体凝聚而易于过滤。
冷却到35℃,加入硅藻土为助滤剂过滤。
滤液加2.5倍水洗涤,洗涤同发酵液混合,真空浓缩数倍后,加(NH4)2SO4盐析,盐析物加硅藻土后压滤,滤饼于40℃烘干,磨粉而成。
按此工艺,由酶液到粉状酶制剂的收率为70%。
对于固体发酵有以下缺点[13]:
1.限于低湿状态下生长的微生物,故可能的流程及产物较受限,一般较适合于真菌。
2.在较致密的环境下发酵,其代谢热的移除常造成问题,尤其是大量生产时,常限制其大规模的产能。
3.固态下各项参数不易侦测,尤其是液体发酵的各种探针不适用于固体发酵,pH值、湿度、基质浓度不易调控,Biomass不易量测,每批次发酵条件不易一致,再现性差。
4.不易以搅拌方式进行质量传递,因此发酵期间,物质的添加无法达到均匀。
5.由于不易侦测,从发酵工程的观点来看,许多工作都只是在定性或观察性质,故不易设计反应器,难以量化生产或设计合理化的发酵流程。
6.固体发酵的培养时间较长,其产量及产能常低于液体发酵。
7.萃取的产物常因黏度高不易大量浓缩。
而对于发酵罐深层培养具有生产周期短、产量高、效益大等优点故选用层发酵法生产α-淀粉酶。
3.2工艺流程简述
3.2.1菌种的选育及制备
菌种选择性分离的步骤一般是:
含微生物材料采集——标本材料的预处理——菌种的分离——富集培养——菌种初选——菌种复选——性能鉴定——菌种保藏。
土壤是微生物聚集最丰富的场所,菜园和农田耕作层土壤含有丰富的有机物常以细菌和放线菌居多,由于枯草芽孢杆菌生活在中性的环境中,可以采集中性的土壤。
采集后可用平板划线法进行菌种分离。
由于野生型菌株生产性能较差,可进行诱变育种,利用物理、化学因素诱导遗传特性发生变异,再从变异群体中选择符合人们某种要求如高产的个体。
3.2.2培养基的配制
1)培养基的类型
培养基的种类很多,可以根据组成、状态和用途等进行分类,按照用途可以分成孢子培养基,种子培养基和发酵培养基。
微生物大规模发酵设计主要用到孢子,种子和发酵培养基这三种类型。
2)孢子培养基
孢子培养基配制的目的是供菌体繁殖孢子的,常采用的是固体培养基,对这类培养基的要求是能使菌体生长快速,产生数量多而优质的孢子,并且不会引起菌体变异。
对孢子培养基的要求:
①营养不要太丰富;
②所用无机盐的浓度要适量;
③注意培养基的pH和湿度。
淀粉酶的孢子培养基配置如下:
将麸皮5%、豆饼粉3%、蛋白胨0.25%、琼脂2%(pH7.1)制成斜面培养基,在0.1MPa蒸汽灭菌20min。
3)种子培养基
种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体,并使菌丝体长得粗壮成为活力强的种子。
对于种子培养基的营养要求比较丰富和完全,氮源和维生素的含量也比较高些,浓度以稀薄为好,可以达到较高的溶解氧,供大量菌体生长和繁殖。
α-淀粉酶的种子培养基的配置:
将豆饼1%、蛋白胨和酵母膏各0.4%、氯化钠0.05%配置成种子培养基(pH7.1~7.2),在0.1MPa蒸汽灭菌20min。
4)发酵培养基
发酵培养基的要求是营养要适当丰富和完全适合于菌种的生理特性和要求,使菌种迅速生长、健壮,能在比较短的周期内充分发挥产生菌合成发酵产物的能力,但要注意成本和能耗。
α-淀粉酶的发酵培养基配方是:
麸皮70%、小米糠20%、木薯粉10%、烧碱0.5%,加水使水量达60%,常压蒸汽灭菌1h。
3.2.3种子扩大培养
本发酵属于一级种子罐扩大培养,二级发酵。
设计流程如下:
孢子→锥形瓶→种子罐→发酵罐
1)孢子制备
将保存在淀粉琼脂斜面上的枯草芽孢杆菌孢子用无菌水洗下,接种到锥形瓶中,在35℃静置培养2~4天,待长出大量孢子后作为接种用的种子。
2)种子制备
将保藏的菌种接种到马铃薯茄子瓶斜面(20%马铃薯煎出汁加MgSO4·
7H2O5mg/L,琼脂2%,pH6.7~7.0),37℃培养3天。
然后接入到20L种子罐,37℃搅拌,通风培养12~14小时。
此时菌种进入对数生长期(镜检细胞密集,粗壮整齐,大多数细胞单独存在,少数呈链状,发酵液pH6.3~6.8,酶活5~10U/mL),再接种到发酵罐。
3)发酵罐培养
培养基的配制:
用麦芽糖液配置成含麦芽糖6%、豆粕水解液6%~7%、Na2HPO4·
12H2O0.8%、(NH4)2SO40.4%、CaCl20.2%、NH4Cl0.15%、豆油1kg、深井水20L,调pH至6.5~7.0。
发酵罐培养基经消毒灭菌冷却后接入3%~5%种子培养成熟液。
培养条件为:
温度37±
1℃,罐压0.5kg/cm2,风量1~20h为1:
0.48vvm,20h后1:
0.67vvm,培养时间为28~36h。
3.2.4空气灭菌
此课题为好氧发酵,以空气作为氧源。
根据国家药品质量管理规范的要求,生物制品、药品的生产场地业需要符合空气洁净度的要求。
获得无菌空气的方法有:
辐射灭菌、化学灭菌、加热灭菌、静电除菌、过滤介质除菌等。
过滤介质除菌是目前发酵工业中空气除菌的主要手段,其介质有棉花过滤器、超细玻璃纤维纸、石棉滤板、金属烧结管等。
1)过滤除菌流程及设备
流程如下:
采风塔→空气粗过滤器→空气压缩机→储气罐→冷却器→旋风分离器→冷却器→丝网除沫器→空气加热器→总空气过滤器。
设备如下:
1.采风塔:
采风塔建在工厂的上风头,高至少10m,气流速度8m/s。
2.粗过滤器:
主要作用是拦截空气中较大的灰尘以保护空气压缩机,同时起一定的除菌作用,减轻总过滤器的负担。
3.空气压缩机:
作用是提供动力,以克服随后各设备的阻力。
4.空气储罐:
作用是消除压缩空气的脉动。
要求:
H/B=2~2.5V=(0.1~0.2)V1
其中,H为罐高;
B为罐直径;
V1为空压机每分钟排气量(20℃,1×
105Pa状况下)。
5.旋风分离器:
是利用离心力进行气-固或气-液沉降分离的设备。
作用是分离空气中被冷却成雾状的较大的水雾和油雾粒子。
6.冷却器:
空压机出口温度气温在120℃左右,必须冷却。
另外在潮湿的地域和季节还可以达到降湿的目的。
7.丝网除沫器:
可以除去空气中绝大多数的20µ
m以上的液滴和1µ
m以上的雾滴,一般采用规格为直径0.25㎜×
40孔且高度为150㎜的不锈钢丝网。
8.空气加热器:
列管内走空气,管外走蒸汽。
可将空气湿度由100%降低到70%以下。
9.总过滤器:
填充物按下面顺序安装:
孔板→铁丝网→麻布→活性炭→麻布→棉花→麻布→铁丝网→孔板。
介质要紧密均匀,压紧一致,上下棉花层厚度为总过滤层厚度的1/4,中间活性炭层为1/3。
2)无菌空气的检查
现在采用的无菌检查实验方法有肉汤培养法、斜面培养法和双碟培养法。
这里采用斜面培养法来检查。
具体方法如下:
500ml三角瓶内装斜面培养基50m1,其组成为麦芽糖6%、豆粕水解液6%、Na2HPO4·
12H2O0.8%、(NH4)2SO40.4%、CaCl20.2%、NH4C10.15%,
pH6.5~7.0,接种后置旋转式摇床亡,(37±
1)℃下培养28h左右备用。
3.2.5发酵过程的工艺控制
1)发酵过程的补料策略
中间补料是在发酵过程中补充某些营养物料、水或产酶促进剂,以满足微生物的代谢活动和产酶的需要。
α-淀粉酶生产中要经常补料,用3倍年度浓度碳源的培养基补料,体积相当基础料的1/2,从培养12h开始,每小时1次,分30余次补加完毕。
延长了发酵时间,提高了酶活力和单罐产量。
2)发酵过程pH值的控制
各种微生物需要在一定的pH环境中方能正常生长繁殖。
培养基中C/N比值高,发酵液倾向于酸性,pH偏低;
C/N比值低,发酵液倾向于中性或碱性,pH偏高。
α-淀粉酶最适pH为6.8~7.2。
因此,在发酵过程中,可通过添加适量的尿素或碳酸钙等来调节pH上升或下降。
3)发酵过程温度的控制
温度对微生物的生长、产物的合成和代谢调节有重要作用。
温度变化一方面影响各种酶反应的速率和蛋白的性质,另一方面影响发酵液的物理性质。
不同的菌种有着不同的最适温度。
枯草杆菌发酵温度控制在35℃~37℃最适宜。
4)溶氧的控制
α-淀粉酶发酵是需氧发酵,无论是基质的氧化,菌体的生长还是产物的合成均需大量的氧气。
若发酵液中氧气不足,可通过加大通气量,适当降低温度,提高罐压,补水,提高搅拌速度来控制。
α-淀粉酶发酵过程中,0~12h通气量为1:
0.67vvm,12h至发酵结束通气量为1:
(1.0~1.33)vvm搅拌转速200r/min。
罐压0.5kg/cm2。
5)染菌的控制
在工业发酵中,染菌轻则影响产品的质和量、重则倒罐或停产、影响工厂效益。
因此要严格无菌操作,种子灭菌要彻底,净化空气设备,操作要慎重,设备灭菌要彻底。
若在前期染菌,应重新灭菌;
中期染菌,应偏离杂菌生长条件;
后期染菌,可提前或及时放罐。
可能出现的异常发酵现象:
1.培养基变稀:
可能是噬菌体污染或营养成分缺乏;
2.培养基过浓:
会抑制微生物的生长,考虑可能是污水污染;
3.耗糖较慢:
可能原因是种子生长能力降低,检测种子是否衰退,发酵条件是否合适,以及营养成分是否全面,尤其注意缺磷;
4.pH值不正常:
用缓冲对来调节,检查是否染杂菌,碳氮比是否合适;
5.生长缓慢:
最可能的原因就是营养成分不足。
3.2.6下游加工
下游加工过程是生物工程的一个组成部分,是生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反应过程或动植物细胞大量培养获得,以上述发酵、反应液或培养液分离、精制有关产品的过程。
下游加工过程的一般工艺流程为:
固体→细胞破碎→分离
发酵液→预处理→固液分离液体→初步纯化→高度纯化→成品加工
1)发酵液的过滤和预处理
预处理就是除去高价离子和蛋白质,对高价离子的去除可以采用草酸或磷酸,草酸它与钙离子生成的草酸钙,还能促使蛋白质沉淀,加磷酸既能降低钙离子也能降低镁离子。
对于蛋白质的沉淀可以加入絮凝剂,调节pH值或加热。
过滤:
采用鼓式真空过滤器,过滤前加去乳化剂并降温。
2)提取
α-淀粉酶常用的提取方法有:
盐析法、乙醇淀粉吸附法和喷雾干燥法,这里用盐析法。
具体方法:
发酵液经热处理,冷却到40℃,加入硅藻土为助滤剂过滤。
滤饼加2.5倍水洗涤,洗液同发酵液合并后,在45℃真空浓缩数倍后,加(NH4)2SO4至40%饱和度。
盐析沉淀物加硅藻土后过滤,滤饼于40℃烘干磨粉即成粗酶制品。
由酶液到粉状制酶剂的收率为70%。
成品固体酶制剂的干燥方法有烘房、气流干燥、喷雾干
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