黑曲霉深层发酵法生产2000t每a食品工业用糖化酶车间工艺设计.doc

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北京huagong大学

生命科学与技术学院生物工程系

课程设计

题目：

黑曲霉深层发酵法生产2000t/a食品工业用

糖化酶车间工艺设计

说明书30页

图纸5张

教研室主任

指导教师lnc老师

学生xxx

20xx年6月11日于北京

目录

目录……………………………………………………………………………………1

设计任务书……………………………………………………………………………5

1工艺条件的确定和工艺流程说明…………………………………………………6

1.1概述……………………………………………………………………………6

1.1.1糖化酶……………………………………………………………………6

1.1.2黑曲霉……………………………………………………………………6

1.2工艺原理………………………………………………………………………7

1.2.1生化分离工程……………………………………………………………7

1.2.2发酵原理…………………………………………………………………7

1.2.3絮凝原理…………………………………………………………………7

1.2.4过滤原理…………………………………………………………………7

1.3工艺路线的选择………………………………………………………………8

1.3.1液体深层通气发酵法的选择……………………………………………8

1.3.2间歇式操作的选择………………………………………………………9

1.4工艺流程简述…………………………………………………………………9

1.5工艺流程说明…………………………………………………………………9

1.5.1种子制备…………………………………………………………………9

1.5.1.1固体孢子培养………………………………………………………9

1.5.1.2种子罐培养…………………………………………………………11

1.5.2发酵………………………………………………………………………11

1.5.3后提取……………………………………………………………………11

1.6工艺技术指标及基础参数…………………………………………………11

1.6.1主要技术指标……………………………………………………………11

1.6.2种子培养基（%）………………………………………………………11

1.6.3发酵培养基（%）………………………………………………………12

2工艺计算…………………………………………………………………………12

2.1发酵车间的物料衡算………………………………………………………12

2.1.1生产能力计算……………………………………………………………12

2.1.2发酵培养基配料计算……………………………………………………13

2.1.3种子培养基配料的计算…………………………………………………13

2.1.4过滤、产生发酵清液过程的物料衡算…………………………………14

2.1.5液体与固体酶制剂过程的物料衡算……………………………………14

2.1.5.1液体酶制剂中的物料衡算…………………………………………14

2.1.5.2固体酶制剂中的物料衡算…………………………………………15

2.1.6总物料衡算………………………………………………………………15

2.2无菌空气用量的计算………………………………………………………16

2.2.1单罐发酵无菌空气耗用量………………………………………………16

2.2.2种子培养等其他无菌空气耗量…………………………………………16

2.2.3发酵车间高峰无菌空气消耗量…………………………………………16

2.2.4发酵车间无菌空气年耗量………………………………………………16

2.2.5发酵车间无菌空气单耗…………………………………………………16

2.2.6无菌空气总衡算表………………………………………………………16

3设备选型计算……………………………………………………………………17

3.1发酵罐………………………………………………………………………17

3.1.1发酵罐的选型……………………………………………………………17

3.1.2发酵罐生产能力的计算…………………………………………………17

3.1.3发酵罐台数的确定………………………………………………………17

3.1.4发酵罐容积的确定………………………………………………………17

3.1.5校核………………………………………………………………………18

3.1.6主要尺寸的计算…………………………………………………………18

3.1.6.1罐径…………………………………………………………………18

3.1.6.2搅拌器………………………………………………………………18

3.1.7搅拌轴功率的计算………………………………………………………19

3.1.8冷却面积的计算…………………………………………………………19

3.1.9设备结构的工艺设计……………………………………………………19

3.1.9.1空气分布器…………………………………………………………19

3.1.9.2挡板…………………………………………………………………19

3.1.9.3密封…………………………………………………………………19

3.1.9.4冷却管布置…………………………………………………………19

3.1.10设备材料的选择………………………………………………………20

3.1.11接管设计………………………………………………………………20

3.1.11.1接管的长度设计…………………………………………………20

3.1.11.2接管直径的确定…………………………………………………20

3.1.11.2.1按排料管的管径计算…………………………………………20

3.1.11.2.2按通风管的管径计算…………………………………………20

3.1.11.3排料时间的复核……………………………………………………21

3.1.12支座选择…………………………………………………………………21

3.2种子罐…………………………………………………………………………21

3.2.1种子罐的选型……………………………………………………………21

3.2.2种子罐生产能力的计算…………………………………………………21

3.2.3种子罐台数的确定………………………………………………………21

3.2.4种子罐容积的确定………………………………………………………21

3.2.5校核………………………………………………………………………21

3.2.6主要尺寸的计算…………………………………………………………21

3.2.6.1种子罐整体尺寸计算………………………………………………21

3.2.6.2搅拌器尺寸计算……………………………………………………22

3.2.7搅拌轴功率的计算………………………………………………………22

3.2.8冷却面积的计算…………………………………………………………23

3.2.9设备结构的工艺设计……………………………………………………23

3.2.9.1挡板…………………………………………………………………23

3.2.9.2密封…………………………………………………………………23

3.2.9.3冷却水管……………………………………………………………23

3.2.9.4进风管………………………………………………………………23

3.2.9.5支座选择……………………………………………………………23

3.3连续灭菌设备………………………………………………………………23

3.3.1连消塔……………………………………………………………………24

3.3.1.1连消塔长度的计算…………………………………………………24

3.3.1.2进料管直径的计算…………………………………………………24

3.3.1.3连消蒸汽耗量………………………………………………………25

3.3.1.4进气管直径计算……………………………………………………25

3.3.1.5出料管直径计算……………………………………………………25

3.3.1.6连消塔外圆尺寸计算………………………………………………25

3.3.1.7外筒有效长度的校核………………………………………………25

3.3.1.8支座选择……………………………………………………………26

3.3.2维持罐……………………………………………………………………26

3.3.2.1生产能力、数量和容积的确定……………………………………26

3.3.2.2主要尺寸的确定……………………………………………………26

3.3.2.3上部出料管开口位置………………………………………………26

3.3.2.4接管计算……………………………………………………………26

3.3.2.5支座选择……………………………………………………………27

3.3.3螺旋板式换热器………………………………………………………27

3.3.3.1换热器1………………………………………………………………27

3.3.3.2换热器2………………………………………………………………27

3.3.4连消泵……………………………………………………………………27

3.4贮存用的罐和槽………………………………………………………………28

3.4.1配料罐……………………………………………………………………28

3.4.1.1配料罐生产能力、容量、数量的确定……………………………28

3.4.1.2几何尺寸的确定……………………………………………………28

3.4.2玉米浆料槽………………………………………………………………28

3.4.2.1玉米浆料槽生产能力、容量、数量的确定………………………28

3.4.2.2几何尺寸的确定……………………………………………………28

3.4.3无机盐槽…………………………………………………………………29

3.4.3.1无机盐槽生产能力、容量、数量的确定…………………………29

3.4.3.2几何尺寸的确定……………………………………………………29

3.5发酵车间设备一览表…………………………………………………………29

4附图………………………………………………………………………………29

5参考文献…………………………………………………………………………29

6主要符号说明……………………………………………………………………30

设计任务书

请设计一年产2000t食品工业用糖化酶发酵车间（黑曲霉深层发酵法生产）

一、基础数据：

生产规模：

食品工业用糖化酶2000t／年

其中液体糖化酶1000m3／年，固体粉末状糖化酶1000t／年

产品规格：

食品级液体糖化酶8万U／mL,食品级固体粉末状糖化酶10万U／g

生产天数：

150天（其他时间生产其他酶）

发酵单位：

2万U／mL

提取总收率：

85%

发酵清液得率：

90%

发酵罐装料系数：

80%

发酵时间105hr

生产周期：

120hr

培养温度：

32℃

最大通气量：

1VVM

发酵热

发酵培养基：

玉米淀粉：

22%；豆饼粉：

4%；玉米浆：

1%；（NH4）2S04：

0.4%；Na2HP04：

0.1%；

接种量：

15%

种子培养基：

麦芽糊精：

4%；玉米浆：

1%；（NH4）2S04：

0.2%K2HP04：

0.2%

种子罐生产周期：

60hr

最大通气量：

1VVM

连消初温t1=75℃，终温t2=120℃，加热蒸汽0.42Mpa，其温度为145℃

二、设计内容：

1.根据设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数，进行生产方法的选择比较，工艺流程与工艺条件确定的论证。

简述工艺流程。

2.工艺计算：

发酵车间的物料衡算，无菌空气用量的计算。

3.糖化酶生产设备的选型计算（包括设备的容量、数量、主要的外形尺寸）。

三、设计要求：

根据以上设计内容书写设计说明书。

完成初步设计阶段图纸：

工艺流程图（包括无菌空气、配料、菌种与发酵部分）：

发酵车间平面布置图。

1工艺条件的确定和工艺流程说明

1．1概述

本设计为年产2000吨的糖化酶的工厂设计，利用黑曲霉，结合液体深层发酵法、板框压滤提取得到糖化酶。

本设计对糖化酶工艺流程、条件及生产原理做了相关的阐述，并对有关的物料衡算、无菌空气用量等作了相应的计算，以及对标准设备的选型和计算。

利用黑曲霉发酵生产糖化酶的工艺流程包括原材料的处理、种子的培养、发酵、絮凝、过滤、成品加工等工艺，设计的主要成果是设计说明书、工艺流程图、发酵车间平面布置图。

现对产物糖化酶及其生产菌株作简单介绍。

1.1.1糖化酶

糖化酶又称葡萄糖淀粉酶（GlucoamylaseEC3.2.1.3），其系统名称为淀粉α-1,4-葡萄聚糖水解酶，是一种胞外外切酶，但其专一性低，主要是从淀粉链的非还原性末端依次水解α-1,4-糖苷键，水解下一个个葡萄糖单元[1]，一般淀粉水解程度达80%。

糖化酶有以下性质：

糖化酶是一种糖蛋白，通常碳水化合物占4%-18%，这些碳水化合物主要是半乳糖、葡萄糖、葡萄糖胺和甘露糖，其残基的排列在其热和酸碱稳定性上有特殊意义。

真菌产生的糖化酶组分多型性是常见的，市售的糖化酶中可分离出葡萄糖酶Ⅰ和葡萄糖酶Ⅱ两种组分，而培养基成分和生产条件对糖化酶组分多型性也有影响，天然糖化酶在微生物培养或酶的制备过程中可能受葡萄糖苷酶和蛋白酶的作用而成多型性的酶类。

工业用的糖化酶都是利用它的热稳定性，α-环状糊精可提高糖化酶的热稳性，最适温度范围一般为50℃-60℃。

糖化酶具有较宽的pH值适应范围，但最适pH为4-5。

钙离子与酶结合后可使结构变得松散些，更有利于催化反应。

糖化酶是将麦芽糖糊精转化为D-葡萄糖，底物水解速度主要受底物分子的大小及结构影响，同时也受水解碳链序列中F一个键的影响，碳链越来越大，其最大反应速度随底物碳链的增长而增加，呈线性变化。

糖化酶多用于以葡萄糖作发酵培养基的各种抗生素、有机酸、氨基酸、维生素的发酵，它还大量用于生产各种规格的葡萄糖。

总之，凡对淀粉、糊精必需进行酶水解的工业上，都可使用。

使用糖化酶的优点有：

一是糖化酶对设备没有腐蚀性，使用安全；而是使用糖化酶工艺简单、性能稳定、有利于各厂的稳定生产，使用糖化酶对淀粉水解比较安全，可提高出酒率，麸曲法能减少杂菌感染，节约粮食可降低劳动强度，改善劳动条件；三是使用糖化酶有利于生产机械化，有利于实现文明生产。

所以说，糖化酶的应用前景广阔，值得我们深入的研究，以提高其生产量以及质量。

1.1.2黑曲霉

黑曲霉在分类学上处于：

真菌门、半知菌亚门、丝孢纲、丝胞目、丛梗孢科、曲霉属、黑曲霉群，拉丁学名：

Aspergillusniger。

其孢子头呈暗黑色，菌丝体由具横隔的分枝菌丝构成，菌丝黑褐色，顶囊球形，小梗双层，分生孢子球形，平滑或粗糙。

一般进行无性生殖，其可育细胞称足细胞。

黑曲霉突变株在查氏培养基上菌落曲型为炭黑色，有辐射沟纹，从菌落边缘向中心，分化为伸长部位、活性部位、成熟部位、老化部位几个区域即孢子萌发最早出现于中心部位是伸展部位，并逐渐形成密生部位、分生孢子部位，最后在中心出现的是成熟部位，菌落背面无色或稍黄[2]。

1.2工艺原理

1.2.1生化分离工程[3]

对于自然界产生或由微生物菌体发酵的、动植物组织培养的酶反应等各种生物生产过程获得的生物原料，经提取分离，加工并精制目的成分，最终成为产品的技术。

1.2.2发酵原理[3]

指用黑曲霉等微生物，利用碳源（例如麦芽糊精,玉米淀粉,豆饼粉）、氮源（例如（NH4）2SO4,豆饼粉,液氨,玉米浆）、生长因子等物质，为黑曲霉提供生长代谢所需的原材料，在一定的温度、密度、压力之下，分解出蛋白质等所需产物的过程。

1.2.3絮凝原理[3]

预处理加入絮凝剂（天然或合成大分子聚电质），降低排斥电位，同时吸附周围微粒，形成桥架，使其成为絮凝团分离。

　发酵液在过滤之前常加入絮凝剂。

常见的絮凝剂有：

明矾、六水氯化铝、氯化铁、硫酸锌、碳酸镁等在水溶液中可生成各种氢氧化物凝胶，具有很大的表面积。

　目前常用的絮凝剂是人工合成的高分子聚物，例如有机合成的聚丙烯酰胺类和聚乙烯亚胺衍生物。

其优点是：

用量少，絮凝体粗大，分离效果好，絮凝速度快以及种类多等优点。

1.2.4过滤原理[3]

（1）表层过滤（滤饼或饼层过滤）：

架桥现象---过滤介质（织物、多孔物体或多孔膜）随过滤的进行，滤渣在滤介一侧形成滤饼。

初时，小于滤介微孔的颗粒穿过过滤介质进入滤液使之混浊，但颗粒经过微孔时互相架桥使流道更为狭窄。

（2）深床过滤（深层过滤）：

过滤介质——砂子、砂子砾石混合而成或其他堆积介质。

介质层较厚，里面形成长而曲折的流道，通常处理颗粒的直径小于流道直径的悬浮液。

（3）过滤时加热可抑菌，但对于热稳定性低的糖化酶不适用，所以过滤须在无菌环境中进行。

（4）过滤时添加助滤剂的好处：

解决了两个问题：

一是滤饼的可压缩问题；二是菌丝碎片和细菌细胞等小粒子会逐渐聚集在滤膜表面或者渗入滤布内部，使得过滤介质的部分孔被阻塞，过滤效率急剧下降。

（5）最有效的两类预处理助滤剂是硅藻土和珍珠岩。

硅藻土：

古代水生物残骸。

珍珠岩：

膨化火山岩。

1.3工艺路线的选择[4]

1.3.1液体深层通气发酵法的选择

（1）酶制剂发酵生产技术有固体发酵法和液体发酵法。

其中，固体发酵法有浅盘法、转桶法和厚层通气法;液体发酵法分为液体表面发酵法和液体深层通气发酵法。

（2）固体发酵定义

　　广义：

微生物生长于不溶于水的基质，且基质上含有不同量的自由水（freewater）。

　　狭义：

微生物生长在潮湿不溶于水的基质进行发酵，在固体发酵过程中不含任何自由水，随著微生物产出的自由水的增加，固体发酵范围延伸至黏稠发酵（slurryfermentation）以及固体颗粒悬浮发酵。

　　固体发酵有其优点，如：

培养基单纯，例如谷物类、小麦麸、小麦草、大宗谷物或农产品等均可被使用，发酵原料成本较经济；基质前处理较液体发酵少，例如简单加水使基质潮湿，或简单磨破基质增加接触面积即可，不需特殊机具，一般家庭即可进行步骤；因获得水分可减少杂菌污染，此种低灭菌步骤即可施行的发酵，适合低技术地区使用；能产生特殊产物，如红麴产生的红色色素是液体发酵的十倍，又曲霉菌在固体发酵所产生的葡萄糖苷酶较液体发酵产生的酵素更具耐热性；固体发酵相当于使用相当高的培养基，且能用较小的反应器进行发酵，单位体积的产量较液体为高；下游的回收纯化过程及废弃物处理通常较简化或单纯，常是整个基质都被使用，如做为饲料添加物则不需要回收及纯化，无废弃物的问题；固体发酵可食品产生特殊风味，并提高营养价值，如天培可作为肉类的代用品，其胺基酸及脂肪酸易被人体消化吸收。

　　但其缺点也很明显，如：

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；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；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，（单位面积或体积内）生物的数量不易量测，每批次发酵条件不易一致，再现性差；不易以搅拌方式进行质量传递（大量迁移），因此发酵期间，物质的添加无法达到均匀；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；固体发酵的培养时间较长，其产量及产能常低于液体发酵；萃取的产物常因黏度高不易大量浓缩。

（3）液体表面发酵法又称液体浅盘发酵或液体静置培养法。

此法无需搅拌，动力消耗少；缺点是培养基的灭菌须在单独的设备中进行。

整个过程控制杂菌污染较难，而且发酵所需场地也比较大。

（4）液体深层通气发酵法是目前酶制剂生产中应用最广泛的方法，所用主要生物反应器（发酵罐）是一个具有搅拌桨叶和通风系统的密闭容器。

该发酵罐又称通用式发酵罐，从培养基灭菌、冷切到接种后的发酵都在同一罐内进行。

总之，液体发酵法与固体发酵法相比而言，液体的流动性大，工艺条件容易控制，有利于自动化操作。

由于采用纯种发酵，发酵过程不易染杂，所得产品纯度提高、质量稳定。

该方法机械化强度高，劳动强度小，设备利用率高。

1.3.2间歇式操作的选择

间歇式反应器是一种间歇的按批量进行反应的化学反应器，液体物料在反应器内完全混合而无流量进出。

采用间歇操作的的反应器叫做间歇反应器，其特点是进行反应所需的原料一次装入反应器，然后在其中进行反应，经一定的时间后，达到所要求的反应程度便卸除全部反应物料，其中主要是反应产物以及少量未被转化的原料。

间歇式操作发酵彻底、工艺技术要求低、不易染菌，而且染菌后的损失相对较小。

目前酶制剂工业的液体发酵主要是采用间歇发酵法，国内外正在尝试连续发酵法和其他方法，一旦成功，将会推动酶制剂工业上一个新台阶。

选用此生产工艺，机械化和自动化程度高，生产过程安全，有完善的三废处理措施。

1.4工艺流程简述

先将原材料粉碎，然后糊化备用。

将备好的碳源和氮源加入发酵罐中，利用黑曲霉发酵，将发酵好的发酵液放入储罐中，加入絮凝剂絮凝。

因为所需产物为胞外产物，所以，选用板框压滤机过滤，取滤液。

再将滤液经过超滤膜，进一步过滤。

加入防腐剂后，所得液体便可装罐，制成成品。

流程主要包括：

原材料的预处理、菌种的培养、发酵、过滤、成品加工。

图1为总工艺流程示意图。

1.5工艺流程说明

1.5.1种子制备

1.5.1.1固体孢子培养

在茄瓶中加入孢子培养基，灭菌冷却后接菌种。

于31℃培养6-7天备用。

菌种

斜面培养

摇瓶孢子培养

种子罐扩大培养

原料

预处理

灭菌

冷却

空气

压缩

冷却

气液分离

过滤除菌

发酵

发酵液

过滤

滤液

2%酸性白土

2-5%硅藻土

酶清液

浓缩

再浓缩

浓缩酶液

防腐剂、稳定剂

成品酶液

冷却酒精

1%淀粉

压滤

滤饼

真空干燥

固体糖化酶

图1糖化酶生产总工艺流程示意图

1.5.1.2种子罐培养

种子培养基：

麦芽糊精：

4%；玉米浆：

1%；（NH4）2SO4:

0.2%K2HPO4:

0.2%。

在31℃培养48h，通风量0.5VVM。

镜检菌丝生长正常，无杂菌污染，即