年产10000吨耐高温α淀粉酶发酵车间设计.docx
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年产10000吨耐高温α淀粉酶发酵车间设计
年产10000吨耐高温α-淀粉酶发酵车间设计
[摘要]耐高温α-淀粉酶是由地衣芽孢杆菌等菌种经液体深层发酵提取得到的一种淀粉内切酶,其广泛用于食品发酵工业和纺织业,是我国三大酶制剂产品之。
本设计以地衣芽孢杆菌诱变株为生产菌,以玉米淀粉、豆粕和玉米浆为主要原料,采用机械搅拌通风罐进行间歇液体发酵生产。
设计进行了生产方法的选择,确定了合理的工艺流程。
在此基础上进行了详细的工艺衡算和设备设计计算与选型。
最后进行发酵车间的布置,绘出工艺流程图和车间布置图。
[关键字]耐高温α-淀粉酶;工艺衡算;设备设计和选型;车间布置
Annualoutputof10,000tonsofhigh-temperatureα-amylaseworkshopDesign
BiologicalEngineerMajorSongNing
[Abstract]FacilityLayoutThermostableα-amylasefromBacillusLicheniformisandotherbacteriabysubmergedfermentationofanextractedenzyme,whichiswidelyusedinfoodfermentationindustryandtextileindustry,China'sthreemajorenzymeproducts.ThedesignofBacillusLicheniformisfortheproductionofmutantbacteriatocornstarch,soybeanmealandcornsyrupasthemainrawmaterials,mechanicalventilationcanbeintermittentmixingliquidfermentation.Designoftheproductionmethodsofchoicetodetermineareasonableprocess.Onthisbasis,Imadeadetailedaccountingprocessandequipmentdesignandselection.Finally,fermentationplantlayout,drawtheflowchartandplantlayout
[Keywords]Thermostableα-amylase;Processaccounting;Equipmentdesignandselection;FacilityLayout
1前言
1.1耐高温α-淀粉酶简介
淀粉酶广泛存在于动植物和微生物中,它是是一种内切葡萄糖苷酶,按酶委会(EnzymeCommission)的标准为EC3.2.1.1是指一类作用于淀粉分子,从分子内部切开α一1.4键,生成糊精和还原糖的水解酶,产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α一构型,故称α一淀粉酶,α一淀粉酶是目前最重要的工业酶制剂之一,在味精,饴糖、葡萄糖、酒精、啤酒,乳酸、柠檬酸等工业中发挥着巨大作用。
当今广泛使用的酶制剂始于1906年人类发现了用于液化淀粉生产乙醇的细菌淀粉酶,首先应用于工业的α一淀粉酶是来自于真菌的。
但是,由于一些细菌α一淀粉酶具有耐高温、耐酸,耐碱等特性,更符合工业生产中的各种极端条件,因此,目前在需高温的发酵等工业中使用的最为广泛的是细菌α一淀粉酶,尤其是来自杆菌(如解淀粉芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌)的耐高温α一淀粉酶已占据相当大的市场。
耐高温α一淀粉酶按来源分为古菌α一淀粉酶和真细菌α一淀粉酶;他们的最适作用温度在60℃以上。
一般古菌来源的α一淀粉酶较真细菌能够件下生存,如高温、高渗、强酸强碱等,维持他们生命活动的很多蛋白质也是适应其生存环境的,因此,耐高温α一淀粉酶也有很多是来自古菌的。
以下列出部分耐高温仅α一淀粉酶的性质.α—淀粉酶广泛地存在于动植物和微生物中,它是一种内切葡萄糖苷酶,按酶委会(EnzymeCommission)的标准为EC3.2.1.1,是指一类作用于淀粉分子,从分子内部切开α一1,4键,生成糊精和还原糖的水解酶,产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α—构型,故称α一淀粉酶.α—淀粉酶是目前最重要的工业酶制剂之一,在味精、饴糖、葡萄糖、酒精、啤酒、乳酸、柠檬酸等工业中发挥着巨大作用。
当今广泛使用的酶制剂始于1906年人类发现了用于液化淀粉生产乙醇的细菌淀粉酶,首先应用于工业的α—淀粉酶是来自于真菌的。
但是,由于一些细菌α—淀粉酶具有耐高温、耐酸、耐碱等特性,更符合工业生产中的各种极端条件,因此,目前在需高温的发酵等工业中使用的最为广泛的是细菌α—淀粉酶,尤其是来自杆菌(如解淀粉芽孢杆菌和地衣芽孢杆菌)的耐高温α一淀粉酶已占据相当大的市场。
衡量酶质量的最重要指标是酶活力(u/m1)。
70℃、pH6.0条件下,1min液化1毫克可溶性淀粉成为糊精所需要的酶量为1个酶活力单位。
在实际应用中,pH值、温度和Ca2+对耐高温Q一淀粉酶的酶活力及酶稳定性均有一定影响。
其作用稳定pH范围5.0-10.0,有效pH范围5.0-8.0,最适pH范围5.8-6.8;最适作用温度在90℃以上,95-97℃时液化迅速,100℃时仍保持相当活力,在连续喷射液化中,瞬间温度可至105-110℃;较低钙离子浓度条件下具有较好的热稳定性,一般[Ca2+]需要稳定在50-70ppm。
此外,和其他酶相同,耐高温α-淀粉酶本身也是蛋白质,它具有蛋白质一般通用性,如紫外线、热、表面活性剂、重金属盐及酸碱变性剂等也会使其部分或完全失活。
耐高温α-淀粉酶添加量随淀粉底物、液化设备和控制条件等诸多因素的不同而不同。
为求得最佳用酶量,在使用前须先做一系列小型液化试验。
一般液化每kg淀粉使用20000u/ml规格耐高温α-淀粉酶0.3~0.8ml。
耐高温α-淀粉酶存在于微生物体内,大规模提取必须借助发酵工程。
地衣芽孢杆菌是公认的具有重要工业生产价值的产耐高温α-淀粉酶的优良菌株,因此国内外厂家普遍采用地衣芽孢杆菌作菌种,经发酵、提取、浓缩制得耐高温α-淀粉酶成品。
1.2耐高温α-淀粉酶的应用
耐高温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,已广泛应用于食品、啤酒酿造、酒精工业、纺织退浆和造纸工业。
1.2.1在淀粉工业中的应用
耐高温α-淀粉酶用于淀粉工业,可用来生产变性淀粉,淀粉糖等。
由于α-淀粉酶在适宜条件下对淀粉具有较强的水解能力,控制反应的条件,可以控制淀粉的水解率,从而将淀粉水解成多孔状的多孔淀粉。
多孔淀粉可以作为微胶囊芯材和吸附剂,作为香精香料、风味物质、色素、药剂及保健食品中功能成分的吸附载体,成本低,可自然降解,现已广泛应用于食品、医药、化工、农业、保健品等领域【2】。
耐高温α-淀粉酶现已广泛的应用于淀粉糖的生产,主要用于淀粉的液化和糖化。
工业生产中,淀粉的液化是将耐高温α-淀粉酶先混入淀粉乳中,加热,淀粉糊化后进行液化。
由于耐高温α-淀粉酶对于糊化淀粉具有很强的催化水解作用,因此可以迅速将淀粉水解成小分子,使其粘度降低,流动性增高,以利于淀粉的糖化。
1.2.2在酒精工业中的应用
在玉米为原料生产酒精中添加耐高温α-淀粉酶低温蒸煮的新工艺,每生产1t酒精可节煤224.42kg,又可减少冷却用水,提高出酒率8.8%,酒精成品质量也有显著提高。
酒精生产应用耐高温α-淀粉酶,采用中温95-105℃蒸煮,既可有效地杀死原料中带来的杂菌,降低入池酸度和染菌机率,又可保护原材料中的淀粉组织不被破坏,形成焦糖或其它物质而损失,从而提高原料利用率。
1.2.3在纺织退浆中的应用
由于棉织物在编织过程中需使用较大的张力,容易使丝线断裂,因此需加入一些浆料对其保护。
由于淀粉资源广泛,廉价易得,易退浆,因此纺织工业中多采用淀粉浆。
织物退浆主要使用α-淀粉酶,它会使淀粉大分子发生分解,生成可溶性的水解产物,减弱了对纤维的粘附力,因此可以通过水洗将其除去,最后从纤维上脱除。
早期是用麦芽产生的一种内生酶来退浆,近期则使用真菌或细菌淀粉酶。
耐高温α-淀粉酶尤其适用,因为它们能够耐高温,在碱性的环境里有一定的稳定性,具有一个中性的最适pH值(pH5-7.5)。
酶的催化效率高,有利于提高生产效率。
如用碱分解淀粉退浆需要10h-12h,而用耐高温α-淀粉酶只要20min-30min即可完成退浆过程。
淀粉酶退浆的另一原因是比其它退浆剂(如酸或氧化剂)更利于环保【5】。
在退浆浴中添加钙盐,可提高淀粉酶的稳定性,从而可用较高的温度或较低的酶剂量来达到退浆的目的。
1.2.4在造纸业中的应用
当代造纸工业中,造纸用化学品在提高纸品质量、增加纸品功能、提高生产效率和降低生产成本等方面发挥着极为重要的作用。
由于淀粉与造纸用植物纤维素结构相近,相互间有良好的亲和作用,资源广泛,廉价易得,尤其是经变性处理的淀粉,能赋予纸张优异的性能,因此各类变性淀粉在造纸中广泛用于湿部添加、层间喷雾、表面施胶和涂布粘合。
α-淀粉酶可以生产涂布粘合用变性淀粉。
Bruinenberg等用α-淀粉酶生产了涂布粘合用低粘度,高分子量的变性淀粉。
此外,其还可以应用于纸的表面施胶,由于造纸施胶过程中要保持淀粉乳的粘度,压扎机也要根据所造纸的级别来调整施胶的粘度,而且天然淀粉的粘度较高需经处理降低其粘度后才能用于表明施胶,因此需要用α-淀粉酶间歇式或连续降解淀粉来调整淀粉乳的粘度。
其反应的条件要根据所用淀粉和α-淀粉酶的性质来确定。
1.3耐高温α-淀粉酶行业发展的历程和现状
耐高温α-淀粉酶行业是伴随着酶工程和微生物发酵工程的发展而发展起来的。
酶工程是现代生物工程的一个分支,是当今最具有发展前景的学科之一。
由于从动植物体中提取酶化较麻烦,数量也有限,研究者普遍看好通过微生物大规模培养,然后从中提取酶,以获取大量酶制剂。
20世纪70年代以后,伴随着第二代酶及其相关技术的产生,酶工程技术才得以真正发展。
酶制剂是一种生态型高效催化剂,具有高效、安全、生态和环保等特点,能够有效带动相关领域技术水平的提高,对应用产业开发新产品、提高质量、节能降耗、保护环境具有重要意义。
酶制剂产业已经成为生物技术领域的前卫产业和21世纪最有希望的新兴产业之一。
从1906年人类发现了用于液化淀粉生产乙醇的α-淀粉酶以来,经过整整一百年的发展,酶制剂已经广泛地应用于食品加工、纺织、洗涤剂、饲料、医药等行业,给这些行业带来了新的生机和活力。
1945年后,抗生素工业通风搅拌发酵技术移植到酶制剂工业,使微生物酶制剂工业迅速发展起来。
1949年日本开始用深层发酵法生产细菌淀粉酶。
20世纪80年代后期,随着遗传工程、蛋白质工程等现代生物技术的研究开发,促使世界酶制剂工业持续高速发展,成为生物工程四大主导产业中最早实现产业化的新兴高技术产业。
1983年世界酶制剂产量为6.5万t,销售额4亿美元;1991年销售额达6.1亿美元,1995年达11亿美元,2003年增长至22.5亿美元。
酶工业在我国起步虽晚,但发展很快,从20世纪60年代中期起步,至今短短的四十多年,已初步建成了完整的酶工业,产品已被广泛用于食品、发酵以及医药等行业。
酶制剂的应用,促进了这些行业的发展,促进了酶工业自身的发展。
全世界食品工业用酶约占各种酶总量的60%,我国高达85%以上。
1.3.1耐高温α-淀粉酶行业在我国的发展历程和现状
20世纪60年代末期我国国家科技部、.中国科学院、国家计委等有关部门开发出耐高温α-淀粉酶,主要品种有两种,一种是利用解淀粉芽孢杆菌BF7658经物理和化学方法反复诱变而得到的一些突变菌株。
BF7658及其突变菌株所产生的α-淀粉酶最适反应温度为75oC,70oC以下不稳定,90℃处理15min随即失活。
酶的最适反应pH5-7。
热稳定性随反应系中淀粉浓度增加而增强。
另一种是用上海工业微生物所以地衣芽孢杆菌ATCC9789为出发菌株,经过诱变得的A4041菌株生产,90oC加热60min不失活,最适pH5-7。
1989年无锡酶制剂厂开始工业化生产耐高温α-淀粉酶。
经过20多年的发展,耐高温α-淀粉酶已发展成为我国三大酶产品之一。
行业中现有20多家企业在生产耐高温α-淀粉酶,总产量约超1万t,以液体剂型居多,占我国总酶产量的17%左右。
20年来,发酵酶活力从500u/ml提高到了5000u/ml,个别厂家已达到了7500u/ml。
但是发酵技术水平和国际先进水平相比,一直存在较大差距。
1994年美国星达公司(Synder)并购无锡酶制剂厂,引进了先进的技术和菌种。
Novozymes和Genencor紧随其后,在我国成立控股、参股公司。
2003年两公司开始积极参与中国大型燃料乙醇项目的开工、试车和生产。
世界酶制剂两强的进入,标志着中国耐高温α-淀粉酶制剂市场已经与国际市场成为一体。
跨国企业的进入一方面占据了较大的国内市场份额,但也带来了相关技术在国内的扩散。
近五年来,诺维信和杰能科在市场开发上取得了巨大的成功,自身的生产已经不能满足市场需要,因此相继委托国内其他企业代加工。
在跨国企业的质量、技术标准要求下,国内酶制剂企业的生产水平得到了极大的提升,生产的产品也为跨国企业所认可,返销到国外。
我国耐高温α-淀粉酶行业的发展和国外相同,也是伴随淀粉水解行业的发展而发展的。
随着我国淀粉深加工行业的飞速发展,耐高温α-淀粉酶所扮演的角色越来越重要。
尤其在玉米深加工领域,采用耐高温淀粉酶和糖化酶的”淀粉喷射液化”技术以及“双酶法”糖化技术全面带动了我国淀粉糖、味精、柠檬酸等生产工艺的改革,带来了巨大的经济效益和社会效益。
我国于20世纪80年代初引进了美国的蒸汽喷射液化器,使液化得以连续进行,并开始应用淀粉酶液化和糖化酶糖化的双酶法制糖工艺。
由于当时国内尚无耐高温淀粉酶,而采用的是简易的一级液化法,即在一定浓度的玉米粉浆内加入所需要的7658细菌淀粉酶,调pH6.0-6.5,利用喷射液化器把玉米粉浆加热到86-88℃,直接引入液化反应罐液化。
此种液化工艺效果欠佳。
1992年以后我国采用了耐高温淀粉酶二级液化代替一级液化工艺,并在液化设备配套方面又进行了改进,使受液化的淀粉充分分散,在短时间内达到喷射液化温度,瞬间完成玉米粉浆的糊化和液化,然后继续在维持管中维持105-110℃,5-10min。
料液注入液化罐后,再次加入耐高温α-淀粉酶在95-97℃下进行二次液化,使酶法喷射液化取得了突破性的改进。
有报道称,将耐高温α-淀粉酶应用于玉米干磨制粉直接加工淀粉糖后,由于液化是在密闭的管道内进行,便于连续生产,不仅节能,而且能大幅度增加玉米粉的干物质回收率,已突破了国外文献报道的玉米干法制糖约有30%的淀粉未能直接利用的界限;此外,还改进了液化液组成,有利于糖化,在二代果糖生产中可使糖化液DE值达97-98,超过了国际上报道的酶法淀粉糖化液DE值95-96的要求。
在味精行业的制糖工艺中添加耐高温Q一淀粉酶,经过对比分析可知,实现了高底物浓度制糖,也进一步提高糖液质量,从而使整个生产系统的效能进一步改进和提高。
1.4设计内容及意义
本次设计课题为年产10000吨耐高温α-淀粉酶的发酵车间设计。
设计以地衣芽孢杆菌诱变菌株为发酵菌株,采用液体深层发酵法,利用机械搅拌通风发酵罐进行间歇发酵。
并且选用合适的培养基及发酵条件,放罐酶活度达到12000u/ml。
通过工艺计算及设备设计计算与选型。
进行发酵车间的合理布置,从而完成发酵车间的主要设计任务。
通过课题设计的完成,我们获得了较国内普遍成本更低的耐高温α-淀粉酶产品,取得更好的经济效益,使企业有了更多的生存发展空间。
2耐高温α-淀粉酶生产方法的选择及论证
2.1工艺流程
min
2.2生产方法选择及操作要求【9】
耐高温α-淀粉酶存在于微生物体内,大规模提取必须借助发酵工程。
地衣芽孢杆菌是公认的具有重要工业生产价值的产耐高温α-淀粉酶的优良菌株,因此国内外厂家普遍采用地衣芽孢杆菌作菌种,经发酵、提取、浓缩制得耐高温α-淀粉酶成品。
地衣芽孢杆菌为好氧发酵菌,所以采用好氧液体深层发酵法,以提高发酵效率,降低发酵周期;发酵罐选用机械搅拌通风发酵罐。
2.2.1种子罐培养
(1)备料
①先将主料从地槽泵入罐中并添加20000u/ml高温淀粉酶液1000ml,
加热至92~95℃液化10~20min,再泵入玉米浆和消泡剂,并用水冲
洗,封盖灭菌。
(2)灭菌
①先打开罐顶部所有排污阀,用蒸汽加热。
②开罐底排污阀,开罐底蒸汽冲洗5~l0min,关闭排污阀,开罐底阀
使蒸汽进入罐中,汽压控制在0.2mpa左右。
③从取样口、进风口、罐底阀分别进汽并调节三路蒸汽,控制进汽量在0.2mpa左右。
待罐温升至92—95℃时,关闭罐项所有排汽考克,罐项温度、压力开始上升,分别达到121℃,0.1~O.15mpa时开始打开罐顶所有排汽,并调节进汽与排汽量使其达到平衡,开始记时。
30min后,关闭罐顶所有排汽并立即关闭所有进汽口,开启降温水降温,待罐压降至0.08mpa时通入无菌空气,保持罐压0.1一0.15mpa。
④辅料灭菌后,保持风管蒸汽,利用辅料罐与种子罐压差将辅料子罐中,冷却至38℃接种培养。
(3)接种
采用火焰下接种方法。
先将酒精棉缠在接种管口,旋下外套点燃酒精棉,在火焰下将接种瓶的针头插入接种管,关闭排风使罐压升到0.15mpa,迅速打开排风降压,将种子接入罐中后,点燃蜡烛用蜡油封闭接种口,调整风量,进行种子培养。
(4)种子罐培养
将种子罐前期风量控制在80m3/h左右,中后期调高到l00m3/h,罐压保
持在0.6mpa,培养温度37±1.0℃,培养24一48h即可。
2.2.2大罐培养
(1)备料
①先将主料从地槽泵入发酵罐中并添加20000u/ml耐高温a一淀粉酶,加热升温液化,并于90一95℃时补加1~1.5L高温淀粉酶,搅匀静止液化15--20min(主辅料合并后的DE值主要取决于液化时间),再加入玉米浆和消泡剂准备灭菌。
(2)灭菌
①先打开罐顶所有排气。
加热至92℃。
②打开罐底排污阀,开罐底蒸汽冲洗5~l0min,关闭排污阀使蒸汽进
入罐中,控制汽压在0.2mpa左右。
③从取样口,进风口和罐底分别进汽,并调节三路蒸汽量在0.2mpa左右。
待罐温升至92℃时,关闭罐顶所有排汽。
罐内压力开始上升,待温度达到121℃、压力达到0.1—0.15mpa时开始打开罐顶所有排汽,并调节进汽量与排汽量使其达到平衡,开始计时。
30min后,关闭罐项所有排汽并立即关闭所有进汽口,开启降温水降温,待罐压降至0.08mpa时通入无菌空气并保持罐压0.1—0.15mpa。
④辅料管道灭菌30min,辅料灭菌30min后,保持风管蒸汽,利用辅料罐和发酵罐压差将辅料压入发酵罐中。
主辅料合并后温度保持在50℃左右。
(3)移种
打开移种管路上所有排汽阀门,进汽量维持在0.22—0.25mpa,对移种管道进行空消60min。
消完后,关所有排汽并关蒸汽。
如镜检菌体断裂(4)大罐发酵
①种子罐移种后,保持大罐总装罐量保持在70%左右,保持发酵液初始pH6.3。
调风量阀将风量控制在800Ill3/h,罐压保持在0.6mpa,取样测定DE值。
随后调节大罐冷却盘管降温水进水量,将罐温控制在40"--41℃。
②发酵罐内料液pH自动上升至最高值后开始下降,调整风量至1000m3/h,温度控制在41—42℃。
③pH值下降至6.5时,通氨维持pH6.5~6.7。
发酵时间60—80h内,当以下五项指标有三项达到要求,即可放罐并测定酶活力:
不通氨情况下pH上升至7.1~8.O;活力不再增加或增加缓慢;泡沫不再上升;碎菌体、空泡较多;pH值达到10
2.2.3培养基配方
(2)种子培养基(g/l):
主料:
玉米粉80;玉米浆17.5;豆粕30;硫酸铵5;耐高温α-淀粉酶20000u/ml1000ml;消泡剂1L∕M³;氯化钙0.45料∶水1∶6
辅料:
K2HPO4•3H2O7;KH2PO42.2;柠檬酸钠1.4
(3)发酵培养基(g/l):
主料:
玉米粉240;玉米浆15;豆粕62.5;氯化钙0.45消泡剂1L/M³耐高温α—淀粉酶20000u∕ml10L;料∶水1∶2
辅料:
K2HPO4•3H2O7;KH2PO42.2;柠檬酸钠1.4
3.工艺计算
3.1工艺技术指标及基础数据
3.1.1.10000t/a耐高温α-淀粉酶酵车间设计
(1).工艺技术指标及基础数据
α-淀粉酶发酵工厂技术指标
指标系数
单位
指标数
指标系数
单位
指标数
生产规模
t/a
10000
发酵辅助时间
h
24
生产方法
液体发酵
菌种培养时间
h
24
年生产天数
d/a
300
菌种培养辅助时间
h
15
产品日产量
Kg/d
33334
接种量
%
10
产品质量
u/g
20000
发酵罐装料系数
%
80
倒灌率
%
2
放罐发酵单位
u/ml
12000
发酵周期
h
96
提取总收率
%
80
(2)种子培养基(g/l):
主料:
玉米粉80;玉米浆17.5;豆粕30;硫酸铵5;耐高温α-淀粉酶20000u/ml1000ml;消泡剂1L∕M³;氯化钙0.45料∶水1∶6
辅料:
K2HPO4•3H2O7;KH2PO42.2;柠檬酸钠1.4
(3)发酵培养基(g/l):
主料:
玉米粉240;玉米浆15;豆粕62.5;氯化钙0.45消泡剂1L/M³耐高温α—淀粉酶20000u∕ml10L;料∶水1∶2
辅料:
K2HPO4•3H2O7;KH2PO42.2;柠檬酸钠1.4
3.2物料衡算
首先计算生产1000kg活度为20000u/ml的耐高温α-淀粉酶,产品需要耗用的原材料及其他物料量:
(1)放罐成熟发酵液放罐单位为12000u/ml,生产1000kg产品发酵液量为:
Vo=1000×20000×1000/﹙12000×1000×1000×80%×98%﹚=2.13M³
式中
80%──耐高温α-淀粉酶总提取率
98%──除去倒灌率2%的发酵成功率
(2)房管成熟发酵液量Vo分为三部分组成:
底料V1=Vo×90%=1.81M³
种液量V2=Vo×10%=0.32M³
底料物料用量:
发酵培养基配方×V1
种液的物料用量:
种子培养基配方×V2
(3)配制发酵罐培养基的淀粉量
M1=240V1=434.4kg
(4)种子罐培养基的淀粉量
M2=80V2=25.6kg
(5)生产1000kg耐高温α-淀粉酶共需淀粉量
M=M1+M2=460kg
依此类推,可以计算出生产1000kg耐高温α-淀粉酶所需要其他物料的量
(6)玉米浆的用量
M3=1.5V1+1.75V2=32.75kg
(7)豆粕的用量
M4=62.5V1+30V2=38.28kg
(8)氯化钙的量
M5=0.45V1+0.45V2=0.96kg
(9
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