年产300吨低聚木糖工厂的设计Word格式.docx
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XylooligosaccharideCornstalk
第一章绪论
1.1木寡糖的总述
木寡糖是功能性低聚糖家族中功能较好的一种,具有广泛的工业应用。
作为一种附加值高、市场前景看好的功能性食品添加剂,近年来引起了科技界和产业界的广泛的关注,是目前国内外竟相研究开发的功能性低聚糖之一[1]。
一般认为,木寡糖是由木二糖至木十糖等组成的,其中以木二糖、木三糖为主要有效成分。
木二糖(xylobiose)和木三糖(xyloteiose)分别由二个和三个木糖(D-xylose)以β-1,4糖苷键相连而成,两者均不能为人体消化吸收,但都是可发酵的糖类物质,皆具有双歧杆菌增殖功效。
在自然界中,竹笋等天然植物中含有少量的木寡糖。
另外,一部分植物半纤维素在人体大肠内也可以分解转化为木寡糖[2]。
1.2国内外酶法制木寡糖工业概况
目前,世界上只有少数国家实现了木寡糖的工业化生产。
在日本,木寡糖被认为是最有前途的功能性低聚糖之一[1],已实现工业化生产并广泛应用,目前其产量已超过1500吨。
经日本保健食品学术委员会审定,厚生省第64号许可证认定木寡糖为特定保健用食品添加剂。
日本市场上销售的木寡糖产品是三得利公司酶法生产的木寡糖,有以下四种产品形式:
木寡糖70(液体),2500日元/㎏;
木寡糖35(粉末),3000日元/㎏;
木寡糖20(粉末),1900日元/㎏;
(数字表示木寡糖对总糖含量百分数),片剂(1.4gX48粒,木寡糖含量25%),每盒单价1580日元[14],且已经应用于饮料和调味醋等产品。
此外,三得利公司还有一种胶囊型产品名为OLIGO+C,即由木寡糖与维生素C复配而成的保健品。
其他关于木寡糖的研究仍以日本为多。
如野口等人用纸浆漂白用的芽孢杆菌木聚糖酶来制备木寡糖,又如荒木等用产碱杆菌(Alcaligenes)生产的β-1,3-木聚糖酶。
其他国家的研究较少,法国PatricePellerin等用梭状芽孢杆菌(Clostridium)的木聚糖酶从玉米芯制备木寡糖[3],最近在网上查到欧共体的一篇具体资助项目的木寡糖的研究发展计划(1998~2001),建议从农林业的废气物,如玉米芯、麸皮、啤酒糟、桉树中提取木聚糖,再用物理、化学或生物技术方法制备木寡糖和木糖醇,并开展应用于药物和食品工业的研究,特别提出了要进行木寡糖的纯化,结构特征及其作为抗炎药或抗肿瘤剂生物活性量化的研究。
我国木寡糖的生产总体还处于研制阶段,目前仅有小规模生产线进行少量产品的生产,但生产技术基本趋于成熟。
1997年蔡静平[4]等报道了真菌分解玉米芯生产木寡糖的研究。
1999~2000年吴克[5],洪枫[6],袁其朋[7],杨瑞金[8]等陆续报道了他们制备木寡糖的研究结果。
1.3制备木寡糖几种方法的比较
制备木寡糖的原料为木聚糖,它是植物半纤维素的主要组成部分,是自然界中继植物纤维素后的含量第二丰富的可再生多糖。
木聚糖在玉米芯、甘蔗渣、棉子壳和燕麦、桦木等农林产品中含量相对较高,平均可达30%左右[9]。
木聚糖存在于植物细胞的细胞壁中,与其他的一些成分以一定的方式相互作用。
在木寡糖生产过程中,这些成分会防碍木聚糖与木聚糖酶之间的作用,从而降低木寡糖形成速率和最终产品得率,因此在进行木聚糖水解之前,必须对原料进行有效地处理,提取出木聚糖。
木聚糖的制备方法通常有以下几种:
直接高温蒸煮提取木聚糖:
Saska等[10]在1995年提出的直接高温蒸煮提取法是利用木聚糖含有的乙酰基侧链在高温蒸煮时脱乙酰,形成乙酸,从而使体系的pH值下降,木聚糖分子发生自水解而溶解度增加。
但高温蒸煮法的提取液中还原糖与总糖之比较低,不利于木寡糖的生产,且其它副反应随温度变化而较明显。
碱法提取木聚糖:
日本的IsaoKusakabe在酶法制备木聚糖的研究中对原料预处理进行了研究,采用不同稀碱溶液提取木聚糖,取得了较好的结果。
酸法提取木聚糖:
目前,酸法提取木聚糖已成功用于木糖生产。
但酸法提取木聚糖存在较大的缺点,比如提取液中木糖比例很高,不能满足木寡糖的生产要求;
在提取过程中会产生许多副反应并生成一些可能的致癌物质,从而影响到终产品的安全性。
杨瑞金等在高温蒸煮法的基础上提出酸预处理后湿法蒸煮的方法,副反应大大降低,且工艺为可行。
1.4设计目的
本设计将提供一套较为可行的年产300吨木寡糖生产线。
通过本设计,对业已成熟的木聚糖酶发酵工艺及酶法制备低聚木糖的工艺进行整合,使之形成从原料处理、发酵产酶、酶法水解、产物精制等完整的可行的木寡糖生产线;
通过本设计,着重解决制约酶法制备木寡糖生产工艺实施的原料预处理问题,将使用多效直接浓缩方式替代木聚糖提取方法中的酒精沉淀的通用工艺。
使用膜法分离技术,组合运用纳滤、超滤等手段实现木寡糖的精制。
第二章全厂工艺流程和生产工艺说明
2.1流程
原料处理酶制备提取
玉米芯斜面菌种杀酶
粉碎一级培养脱色罐
浸泡种子罐过滤
碱液提取发酵罐浓缩
固液分离絮凝喷雾干燥
浓缩滤液酶解罐成品包装
2.2工艺流程说明
2.2.1原料处理工段
将玉米芯粉碎至1~3mm大小的颗粒,按1:
10加水在100℃下浸泡30min,滤去水,再加5%的碱液至原处,浸泡30min。
离心机固液分离,得含木聚糖的滤液,用盐酸调PH到中性,蒸发浓缩。
2.2.2菌种扩大培养工段
2.2.2.1实验室培养
菌种的培养
称40g削皮、切块马铃薯,放入烧杯中,加200ml去离子水,煮30min,取滤液,用去离子水定容至200ml;
称10g麸皮放入烧杯中,方法同马铃薯一样。
对马铃薯、麸皮蒸煮液不同配比以及马铃薯液与葡萄糖混合,分别加入1.5%琼脂,杀菌作斜面,在超近台中接种,在35℃水浴式培养箱中培养3d左右,可得到菌种备用。
酶液的制备
在500ml放入2g木聚糖,加入用去离子水按1.4%牛肉胨、3%酵母提取液、1.0%磷酸二氢钾和0.05%硫酸镁配成的培养液100ml,杀菌。
在无菌超净台中接入菌种2~3环,在35℃空气摇床中培养4d,可得酶液,测酶活并置于4℃冰箱中保存备用。
2.2.2.2种子车间培养
种子罐装液量为162.5L(25065%),所有原料在调浆罐溶解后,通过活塞泵输入种子罐,灭菌条件为0.1MPa,30min接种管道充分灭菌后保压(0.1MPa),在无菌条件下从接种口接入摇瓶种子液,接种量2%,培养温度36~37℃,培养时间为8h。
发酵采用5m3罐,装料量3250L。
灭菌条件相同(0.1MPa,30min)种子罐向发酵罐中的接种量为5%(162.5L),通过接种站加入。
发酵温度控制在32~37℃,通气量为1:
0.5~1:
1.0,搅拌转速200~400转/分,罐压0.1MPa,发酵时间16h。
2.2.3糖化工艺
将溶解好的浆液打入糖化罐,搅拌下加入活力为800IU/ml酶液20L,水解温度55℃(盘管蒸汽加热维持温度),时间为8~16h,DSN法测定还原糖,还原糖达到5%时煮沸灭酶终止反应。
2.2.4提取工艺
2.2.4.1中和脱色过滤
灭酶的糖化液用板框过滤除去残渣,泵入20m3脱色罐,搅拌下加入HCl进行中和,调至pH6。
脱色在上述脱色罐内进行。
加入活性炭0.2~0.5%,降温并保温在80℃,脱色30~60min,打入板框过滤机趁热过滤除炭。
滤液进入25m3储罐。
2.2.4.2超滤
滤液经板框过滤后用超滤器进行精滤(超滤膜截留分子量2~3万),除去大分子杂质,操作温度40~50℃,超滤压力0.3~0.5Mpa。
滤液糖浓度5%左右。
滤液进入储罐。
2.2.4.3纳滤浓缩
采用纳米级膜过滤器进行浓缩,浓缩3~5倍,使糖液浓度从5%提高到15~20%,同时除去小分子物质(盐、单糖)。
糖液与小分子溶液分别进入各自储罐。
2.2.4.4喷雾干燥
用喷雾干燥器喷雾干燥即得到白色粉末状木寡糖。
糖化工艺转化率45%以上,总提取收率65%以上(收率的定义为寡糖对原料多糖的收率)。
2.2.5包装工艺
浓缩液从储罐放料口放入塑料桶包装
糖粉吸潮性很强,尽快用塑料袋包装
第三章全厂物料衡算
3.1技术参数
发酵周期16h发酵罐装料系数65%
发酵酶活800IU/ml木聚糖提取收率45%
生产周期24h木聚糖转化率45%
生产天数300d/a木寡糖提取收率65%
原料含量35%产品质量指标有效成分≥80%
年产量300t
3.2全厂物料衡算
3.2.1原料处理工段
3.2.1.1寡糖转化量
以年产300t木寡糖设计计算,产品有效成分80%,寡糖提取收率65%。
则由木聚糖转化成木寡糖的量为300×
80%÷
65%=369.2t
3.2.1.2木聚糖实际需求量
木聚糖酶酶解木聚糖转化为木寡糖,其转化效率为45%(已考虑到木寡糖的精制过程的损失)。
369.2÷
45%=820.5t
3.2.1.3玉米芯耗量
根据工艺技术研究,木聚糖提取率一般在40~50%,提取率受原料含量等因素影响。
本设计按照45%计算,原料玉米芯含半纤维素35%(主要成分为木聚糖)。
820.5÷
45%=1823.4t1823.4÷
35%=5209.6t
设计处理量5500t/a,生产天数300d/a
玉米芯的日消耗量为:
5500÷
300=18.3t/d
3.2.1.4提取罐数量的确定
18.3t玉米芯按1:
10加水,约得220m3醪液。
装料系数65%,220÷
65%=338.5m3
单罐日处理3批,采用6个20m3反应罐。
单罐有效容积:
20×
65%=13m3
3.2.1.5滤液储罐数量的确定
木聚糖含量的计算
18.3×
35%×
45%=2.88t
离心后,滤液的体积约为190m3
木聚糖含量=2.88t÷
190m3=15.17g/l
浓缩后的体积
木聚糖在酶解罐中酶解时浓度应在20~50g/l之间。
取45g/l,则有2.88×
103÷
45=64m3
采用三效或多效浓缩设备,将滤液浓缩至64m3
填料系数为90%64÷
90%=71.11m3
取2个40m3的滤液罐。
3.2.2酶制取工段
每日消耗酶制剂计量:
发酵酶活力为800IU/ml,糖化用酶浓度为800IU/g底物,则
每日用酶量为2.88×
800÷
800=2.88m3/d
3.2.3糖化提取工段
糖化罐数量的确定:
每日处理木聚糖的体积64m3,需酶量2.88m3,填料系数65%
(64+2.88)÷
65%=102.9m3
需要25m3糖化罐4个,考虑到生产余量及生产设备故障等备用
设置5个糖化罐
取高径比H:
D=1.5:
1
3.3水、电、汽的耗量
3.3.1水耗量的计算
3.3.1.1原料处理工段耗水量(m3/d)
配料用水提取罐中按1:
10浸泡玉米芯,用水183m3/d。
排去水加5%的碱液继续浸泡,约耗水128m3/d。
设备清洗用水仅作简单清洗,取罐体积的10%,为15m3。
则原料处理工段用水总量约为183+128+15=326m3/d。
3.3.1.2酶发酵工段耗水量(m3/d)
配料用水:
种子罐0.2m3/d;
发酵罐4.0m3/d
冷却:
发酵罐冷却水为1.56t/hr(参见第四章有关计算),发酵周期16小时,需冷却水26m3/d。
种子罐约为3m3/d。
每批发酵冷却水共需28m3/d。
清洗用水
设备清洗用水,取罐体积的30%,为5.25×
30%=1.6m3/d;
车间清洗,每日三次,每次2m3,需6m3/d。
酶发酵工段日耗水量=4.2+29+7.6=39.8m3/d
3.3.1.3酶解及提取工段(m3/d)
板框过滤清洗水约需要5m3/d;
膜清洗水每个膜过滤器日需清洗3次,每次用水1.5m3,
共需4×
3×
1.5=18m3/d
其他设备及管道清洗3m3/d
酶解及提取工段总用水量为:
5+18+3=26m3/d
3.3.1.4锅炉用水
日耗用蒸汽量为86.6m3,锅炉房耗用水量取蒸汽量的1.5倍,则
日需水130m3。
车间总体耗用水量为:
(326-41.7)+39.8+26+130=480m3。
3.3.2蒸汽耗量
培养基及设备管道灭菌耗用蒸汽量,取装液量体积的20%。
即
4.2×
20%=0.84m3
提取工段加热耗用蒸汽
每kg物料从30℃升温至100℃需用蒸汽为:
4.2×
70÷
2200=0.134kg
提取所需用水为311m3,需用蒸汽311×
0.134=41.7m3
浓缩木聚糖的蒸汽耗量:
蒸发的水量190-64=126m3,采用三效蒸发器,
其设备耗用蒸汽性能为(D/W)min=0.225,实际生产取D/W=0.35,
则蒸汽耗量为126×
0.35=44.1m3
日耗用蒸汽总量为:
0.84+41.7+44.1=86.6m3
选用6吨锅炉。
3.3.3装机容量与电耗
设备
装机功率
(kw)
并发运行功率(Kw)
平均工作时间(h/d)
计算功率
(kw.h/d)
粉碎机组
15
6
90
提取工段
30
3
270
离心机组
55.5
37
330
浓缩机组
10
60
发酵工序
8.6
16
138
空气系统
12
20
240
酶解工序
8
脱色
45
2
膜过滤
600
喷雾干燥
50
4
200
过程泵
33
18
198
锅炉
750
合计
290.6
3206
功率因子取0.5,实际日耗用动力为3206×
0.5=1603Kw.h
由于各动力设备不是同时运行,最大负荷容量为290kw,工厂总装机容量为
350kw。
第四章全厂化工设备计算、设计及选型
4.1原料处理工段
4.1.1工艺流程
玉米芯粉碎浸泡5%碱液固液分离浓缩滤液
4.1.2设备的选型、设计及计算
4.1.2.1粉碎机的选型
玉米芯的日处理量为18.3t/d,每天工作8小时。
18.3÷
8=2.3t/h
考虑工业放大,选择工作能力4t/h的粉碎机。
要求粉碎结果为直径1mm~3mm的颗粒。
4.1.2.2提取罐的设计
材质选择
提取罐在原料浸泡时,需要使用5%氢氧化钠,考虑到防腐,采用316L不锈钢板制作。
几何尺寸的确定
提取罐设搅拌,取平盖,椭圆封底,两档桨式搅拌。
由前面计算可知,每天将处理220m3料液,填料系数65%,
220÷
65%=338.46m3
采用三班制,每班一批,单批处理量为:
338.46÷
3=112.83m3
取6个20m3的提取罐取高径比H/D=2/1,单罐体积:
V=112.83/6=18.8m3
v1=πD2H/4+πD3/24=18.8D=2.23m
圆整到推荐的系列值D=2200mmH=4500mm
查附录一表15封头高度:
h1=550mm直边高度h2=50mm
封头面积5.57m2容积V封=1.58m3
校核容积V实
V实=V筒+V封=0.785×
2.22×
4.55+1.58=18.9m3>
18.8m3
V实>
V满足要求
壁厚的确定
提取罐为低压容器,参照《发酵工艺原理》附录一表13,确定壁厚8mm。
搅拌功率计算
搅拌轴功率P=3.5d5n3ρα/102(kw)
式中3.5——常数(双浆式45º
角搅拌器)
d——搅拌器直径d=D/3=0.73m
n——搅拌器轴转速n=125r/min
ρ——溶液重度ρ=1150kgf/m3=117.2N/m3
α——搅拌器档数α=2
102——转换系数,由kg·
m/skw
P=15kw
pg=k·
p/η=25kw
式中k——附加消耗功率系数,取1.5
η——传动效率,取0.9
p——轴功率(kw)
依此查有关手册,结合转速,选择合用的电机。
支座选择
选用支撑式支座,
主要接管管径确定
人孔取Dg=500mm,标准图号JB583-64-4
进水管取Dg=80mm
出料管取Dg=80mm
其他配件按照标准件选用。
4.1.2.3离心机的选型
由于物料处理量大,固形物含量高,选用SG型三足式刮刀下卸料调速离心机。
该离心机具有物料适应性强,运转平稳、效率高、劳动强度低等优点。
料液从顶部与主轴同轴线的加料管连续加入布料盘上,固相物料留在滤网内侧、料层厚度由专门的限位器控制,洗涤液通过洗涤管加入,脱液完毕,转鼓降速用刮刀将固相物料刮落下来从转鼓上出料口卸出。
SGl250型号有关性能参数如下:
转鼓内径1250mm;
转鼓高度500mm;
转鼓容积250L
装料限量310kg;
转鼓转速0-900r/min;
分离因数550
电机型号YZTv62-4L,功率18.5KW,转速0~1200r/min;
外形尺寸-(长×
宽×
高)2587×
1900×
2335
4.1.2.4三效蒸发器浓缩量计算与选型
工艺要求的物料浓缩量为126m3,选用型号JMZ-20,蒸发量20000kg/hr的三效浓缩器。
其生蒸汽消耗量4500kg/hr,各效真空度:
第一效0mmHg,第二效448mmHg,第三效640mmHg,各效蒸
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