xx年产1000t碱性蛋白酶生产车间设计项目可行性方案.docx

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1、年 产 1 0 0 0 T 碱 性 蛋 白 酶 生 产 车 间 设 计 项 目 可 行 性 方 案目录摘 要1前 言31 . 1 选 题 背 景41 . 2 课 题 来 源41 . 3 设 计 目 的 和 意 义41 . 4 前 景 分 析52 碱 性 蛋 白 酶 的 基 本 性 质 和 生 产 工 艺 的 选 择62 . 1 碱 性 蛋 白 酶 的 基 本 性 质72 . 2 培 养 基 主 要 成 分 和 生 产 方 法82 . 3 生 产 工 艺 的 选 择82 . 4 分 离 纯 化 流 程1 03 初 始 设 计 条 件 与 基 本 物 性 数 据1 33 . 1 初 始 设 计 条

2、 件1 33 . 2 工 艺 参 数 与 基 本 物 性 数 据 的 选 取1 44 生 产 工 艺 的 物 料 衡 算1 45 热 量 衡 算1 66 设 备 设 计 计 算 与 选 型1 66 . 1 发 酵 罐 设 计1 66 . 2 种 子 罐2 56 . 3 空 气 分 过 滤 器2 96 . 4 连 续 操 作 设 备 的 设 计 选 型3 1致 谢2 8参 考 文 献4 2摘要：碱性蛋白酶是一类非常重要的工业用酶，如何在工厂进行有效的生产尤 为重要。本论文就主要介绍了用液态发酵法生产碱性蛋白酶，并采用双水相萃 取进行提纯，冷冻枯燥法将产品进行枯燥的工艺流程；并通过物料衡算、热量

3、衡算、设备选型、等几个步骤初步设计了年产 1 0 0 0 T 碱性蛋白酶的车间工程； 分析了传统工艺所存在的缺乏和问题；另外也谈到了碱性蛋白酶产业的开展前 景以及研究的目的和意义；并且最终设计出带控制点的工艺流程图，设备布置 图，发酵罐装配图。 关键词：碱性蛋白酶；液态发酵；双水相萃取；冷冻枯燥；生产车间De s ig na n n u a l o u t p u t o f 1 0 0 0 Ta lk a lin ep ro t e a s ew o rk s h o pAb s t ra c t :Th e a lka lin e p ro te a s e is o n e o f ve

4、 ry im p o r ta n t in d u s t ria l e n zy m e s ,a n d h o w to p ro d u ce th e p la n t e ffe c t ive ly is p a r t icu la rly im p o rta n t .Th is p a p e r in t ro d u ce s th e p ro ce s s th a t u s e liq u id fe rm e n ta t io n o n th e p ro d u c t io n o f a lka lin e p ro te a s e , u

5、s e tw o - p h a s e e xtra ctio n fo r p u rifica t io n o f w a te r, fre e ze - d ry in g p ro ce s s to d ry th e p ro d u ct;a n d th ro u g h th e m a te ria l b a la n ce , h e a t b a la n ce , e q u ip m e n t s e le ctio n , e tc . I p re lim in a ry d e s ig n th e a n n u a l o u tp u t

6、o f se ve ra l s te p s 1 0 0 0 T a lka lin e p ro te a s e w o rksh o p p ro je cts ;I a n a ly s is o f th e s h o rtco m in g s o f tra d it io n a l cra fts a n d p ro b le m s in th e p a p e ;I h a ve a lso ta lke d a b o u t th e p ro sp e cts fo r th e d e ve lo p m e n t o f a lka lin e p r

7、o te a s e , a n d th e p u rp o se a n d m e a n in g ;a n d u lt im a te ly d e s ig n a p ro ce s s flo w d ia g ra m w ith co n t ro l p o in ts , e q u ip m e n t la y o u t d ia g ra m , fe rm e n to r a s s e m b le d ia g ra m .Ke y w o rd s : Alka lin e p ro te a s e ;Liq u id Ae rm e n ta

8、t io n ;Aq u e o u s tw o - p h a s e e xtra ctio n ; Are e ze Dry in g ;W o rksh o p前言碱性蛋白酶(Alka lin e p ro te a s e )是指在 p H 值偏碱性范围内水解蛋白质肽 键的酶类，1 9 1 3 年 Ro h m 首先将胰蛋白酶作为洗涤浸泡剂使用，1 9 4 5 年瑞 士 Dr.Ja a g 等人在地衣芽孢杆菌(Ba c illu s lich e n iAo rm is )中发现了碱性蛋白酶 1 。碱性蛋白酶可以在碱性条件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、丝绸、医药、食

9、品和生物化学试剂等领域，其最大用途是作为添加剂生 产加酶洗涤剂。1 .1 选题背景碱性蛋白酶是一类非常重要的工业用酶，广泛存在于动、植物及微生物中， 微生物来源的蛋白酶都是胞外酶，与动、植物来源的碱性蛋白酶相比，除了具 有动植物蛋白酶所具有的全部特性外，还具有下游技术处理相对简单、价格低 廉、来源广、产量高、菌体易于培养、高产菌株选育简单、快速、适于大规模 工业化生产等优点 2 。碱性蛋白酶主要应用于洗涤行业中， 在制革、食品等其它行业也有广泛 应用。目前我国洗涤行业中加酶洗涤剂也占 9 0 % 以上， 且占有率有上升趋势。 我国碱性蛋白酶的研究开展很快。目前， 国外碱性蛋白酶主要应用于洗涤及

10、皮革等行业中， 9 9 % 以上洗涤 剂均添加了碱性蛋白酶， 因此市场需求出现了供不应求的现象。相信随着碱 性蛋白酶研究的进一步深入， 该现象将会得到有效的缓解。当前国外碱性蛋 白酶高产菌株的选育主要用基因工程技术和蛋白质工程手段进行工业微生物 菌种的定向选育， 目的性强， 而且酶结构研究也比拟深入。Tsu y o sh iNo n a ka 3 等人研究了枯草杆菌抗氧化性稳定性并期望能应用于洗涤剂行业。Ku n a m n e n i Ad in a ra y a n a 4 等人研究了枯草芽孢杆菌 PE - 1 1 的热稳定性。研究说明，该酶在 6 0 处理了 3 5 0 m in 酶仍保

11、持 1 0 0 % 活力。极端碱性蛋白 酶和高活力碱性蛋白酶工程菌构建成为国外碱性蛋白酶的热点 5 。1 .2 课题来源本课题来源于三峡大学化生学院毕业设计课题组。充分考虑了理论与实践 的结合，并且关注了目前国内外碱性蛋白酶产业的开展现状和前景。课题本身 也来源于生产实践的需要。1 .3 设计目的和意义 碱性蛋白酶可以在碱性条件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、丝绸、医药、食品和生物化学试剂等领域，其最大用途是作为添加剂生 产加酶洗涤剂。碱性蛋白酶最早在猪的胰脏中发现。1 9 1 3 年，Ro h m 首先将 胰蛋白酶作为洗涤浸泡剂使用。1 9 4 5 年瑞士的 Dr.Ja a g

12、 等发现了微生物碱性 蛋白酶，使蛋白酶有可能广泛应用于洗涤剂工业。1 9 6 3 年，诺和诺德公司(现 诺维信公司)发现了更适用于洗涤剂的碱性蛋白酶 Alca la se ，酶制剂被广泛地 应用于洗涤剂产品中，出现了加酶洗衣粉；随后的 2 0 年中，细菌类蛋白酶是唯一被应用于洗涤剂中的商品化酶制剂 6 。目前我国所用的碱性蛋白酶工业生产菌种为地衣芽抱杆菌 2 7 0 9 的突变 株。这些菌株所产碱性蛋白酶在 p H8 - 1 0 的范围内活性较好。经过多年传统方 法的菌种选育和工艺优化，碱性蛋白酶的单位产量为 1 0 0 0 0 /m l 发酵液，己 很难有大的突破，其发酵单位与国外先进水平相

13、差甚远。近几年，国内学者对 2 7 0 9 碱性蛋白酶、嗜麦芽假单胞菌以及嗜热脂肪芽抱杆菌耐热碱性蛋白酶等 都做了基因克隆和在大肠杆菌中的表达研究。其中，江南大学的唐雪明构建的整合型工程菌酶活力在实验室水平上最高可达 2 4 4 8 0 /m l。但未见这些高产基因工程菌株应用于工业化生产的报道，有关它们的研究仍停留在实验室水 平。在国外，如世界著名公司 No vo No rd is k 和 Ge n e n e o r，碱性蛋白酶生产 菌株均为基因工程菌株，据这些公司销售网站报道，其发酵单位产量在 2 5 0 0 0 - 3 0 0 0 0 /m l 7 。1 .4 前景分析1 .4 .1

14、国外生产碱性蛋白酶的开展前景自 2 0 世纪中叶以来，工业用酶制剂市场得到了蓬勃开展。据统计数据表 明，1 9 8 1 年工业酶制剂生产量约 6 5 ，0 0 0 吨，产值 4 亿美元；1 9 8 5 年工业 酶制剂约生产 7 5 ，0 0 0 吨，产值约 6 亿美元；1 9 9 8 年全世界工业酶制剂销售 额高达 1 6 亿美元。进入 2 0 世纪 9 0 年代后，市场对酶制剂的需求进一步增强， 以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的 No vo No rd is k 公司为例，1 9 9 3 年的酶 制剂销售额为 9 亿美元；1 9 9 8 年产业用酶的销售额为巧 1 8 亿美元。从总体来 看，

15、世界酶制剂的生产量正以每年 8 % 左右的速度递增，酶制剂的生产品种已 由原来的十多个开展为数十个。1 9 9 4 年以来，酶制剂市场量最大的是洗涤剂 用酶，第二位是淀粉加工用酶，以后依次为乳制品加工、制酒工业、纤维工业 和饮料业等。酶作为生物催化剂，在许多化学反响中具有不可低估的作用。酶催化剂作 为生物进化的高级形式，与一般的化学催化剂相比，它可以在非常温和的条件 下高效、专一地催化底物转变为产物。酶工程技术已成为生物工程技术的重要 组成局部，无论是基因工程、蛋白质工程、细胞工程和发酵工程都需要酶分子的参与。酶催化的高效性、特异性及产品的高效回收、简单的反响体系等优点使酶工程技术成为现代生物

16、技术的主要支柱之一。 1 .4 .2 我国生产碱性蛋白酶的开展前景此产品高活力高碱性蛋白酶是从嗜碱芽孢杆菌中筛选的新型碱性蛋白酶 菌种产生的，是继传统 2 7 0 9 碱性蛋白酶之后又一可工业化生产的碱性蛋白酶 品种。国内碱性蛋白酶目前的产品形式主要为粉状和颗粒碱性蛋白酶，有明显 的不良气味。诺奥科技开发的碱性蛋白酶为精制酶，发酵活力高，耐碱性强 (PH9 - 1 1 )，无不良气味，可用于酵母水解、制备硫酸软骨素、咸味香精等食品 加工行业，填补了国内酶制剂行业在此酶品种上的市场空白。通过对此酶酶学 性质的进一步分析研究，可为国内应用行业的科研人员提供一种新的蛋白酶品 种，推动酶制剂应用技术的

17、快速开展。近十年来，酶制剂产业已经成为生物工程的重要组成局部，它的开展非常 迅速，仅 1 9 9 8 年全世界工业酶制剂销售额高达 1 6 亿美元，预计到 2 0 1 2 年，销售额将到达 4 0 亿美元。酶制剂对我国的国民经济开展起着非常重要的作用， 是我国化学工业“十五和“十一五规划中加快开展的精细化工产品，酶制 剂工业作为高技术产业，是 2 1 世纪最有希望的新兴产业之一。酶制剂是一类具有生物催化能力的蛋白质，它以用量少、催化效率高、专 一性强的特点，在生物技术应用领域备受瞩目。目前，在世界范围内蛋白分解 酶是工业酶种中应用得最多的一种酶，约占酶总量的 6 0 ，其中碱性蛋白酶 就占 2

18、 5 。碱性蛋白酶广泛存在于细菌、放线菌和真菌中，其中以芽孢杆菌 碱性蛋白酶的研究最为广泛和深入。碱性蛋白酶在改善人民生活质量、降低劳 动强度、节约原料和能源、保护环境等方面发挥着重要作用，并产生巨大的经济效益和社会效益。在高技术日新月异的今天，碱性蛋白酶在日用化工、食品、环保、医药及一些新兴产业中更是具有巨大的市场潜力，开展前景极其广阔， 大力开发碱性蛋白酶的应用根底研究及生产研究势在必行。2 碱性蛋白酶的根本性质和生产工艺的选择2 .1 碱性蛋白酶的根本性质2 .1 .1 碱性蛋白酶的概念 碱性蛋白酶是经细菌原生质体诱变方法造育的2 7 0 9 枯草杆微生物通过深层发酵、提取及精制而成的一

19、种蛋白水解酶，属于一种丝氨酸脆外高碱性蛋白 酶，它能水解蛋白质分子肽链生成多肽或氨基酸，具有较强的分解蛋白质的能 力。生产工艺是采用微滤超滤膜别离、喷雾枯燥或真空冷冻枯燥等先进技术， 广泛应用于食品、医疗、酿造、丝绸、制革等行业。2 .1 .2 碱性蛋白酶的特点 碱性蛋白酶是由芽孢杆菌发酵而得，主要成分为枯草杆菌蛋白酶，是一种内切酶，催化部位为丝氨酸，分子量约为2 7 3 0 0 。 碱性蛋白酶是目前市场上流行的洗涤添加剂，能大幅度提高洗涤去污能力，特别对血渍、汗渍、奶渍、油渍等蛋白类污垢，具有独特的洗涤效果。碱 性蛋白酶在技术上采用细菌原生质体诱变处理方法，从国内碱性蛋白菌生产菌 2 7 0

20、 9 枯草杆菌中研究选育出假设干稳定高性能菌株，在后处理上，采用去渣盐析 沉淀法，减少了蛋白酶的杂质含量和产品特有的气味，提高了溶解速度，与洗 涤剂有更好的配伍性，延长了保质期。碱性蛋白酶作为水解大豆别离蛋白的酶源，确定水解条件及制备多肽的工 艺用于碱性蛋白酶制备多肽，从而到达理想的效果 8 。大豆从古至今被认为是“营养的宝库， 在日本关于大豆的研究已经十分深入。从脱脂大豆到原油，从医用到食用所涉及的领域十分广泛，产品品种繁多，其中大豆多肽的研究成 为了近年来的热点。多肽是由蛋白质中2 0 种天然氨基酸以不同组成和排列方 式构成的，从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称，其中可调节生 物

21、生理功能的多肽称为功能肽。2 .2 培养基主要成分和生产方法2 .2 .1 培养基主要成分是淀粉 2 %(M / V)， 麸皮 5 %(M / V)，玉米浆 3 %(M / V)，接种量 5 %(V/V)，溶氧 0 .0 3 - 0 .0 4 M Pa ，吐温- 8 0 0 .0 2 %(M / V)，M g S O4 0 .0 2 %。2 .2 .2 碱性蛋白酶的主要生产方法1 . 直接提取法：从动物器官中提取碱性蛋白酶，然后进行别离纯化。2 . 微生物发酵法：培养有产量高的碱性蛋白酶产生菌，目前主要有固态发酵 法和液态发酵法。诺维信和庞博等生物技术公司普遍采用液态发酵法生产 碱性蛋白酶。2

22、 .3 生产工艺的选择 上述几种方法中，直接提取法操作简单，但是对原料要求高，并且所得酶制品比活力很低，提取过程中极易降低酶活力，不适合工业化生产。目前主要 利用微生物发酵法生产碱性蛋白酶，其液态发酵法产酶率较高，并且耗能少， 且简便了下游工作的别离提纯；而固态发酵法产酶周期长，酶比活力较低，产 酶量少，加大了下一步别离提纯的难度。综上所述，采用液态发酵工艺是可行的，而且是目前国内外碱性蛋白酶生 产的主要生产方法，所以在本次设计采用的工艺是液态发酵法。2 .3 .1 工艺原理邱秀宝 8 采集 3 8 个不同土样， 从中筛选到一株产碱性蛋白酶的嗜碱性短 小芽孢杆菌 R1 1 5 ， 经 NTG

23、和利福平处理， 获得一株具有高产稳产的碱性 蛋白酶变异株 B4 5 。徐子渊 9 等将碱性蛋白酶生产菌 2 7 0 9 进行诱变育种， 获 得变异株 C1 2 1 3 ， 酶产量提高了 4 0 % 。郑铁曾 1 0 等对如何提高 C1 2 1 3 碱性 蛋白酶活力进行了研究， 通过优化设计， 酶活力到达 2 1 0 0 0 U /m L， 相对 原始菌株 2 7 0 9 酶活提高了 1 7 0 %。冯清平 1 1 等也从土样中筛选到一株产碱性 蛋白酶的嗜碱性地衣芽孢杆菌 5 3 - A6 ， 对其原生质体进行复合诱变处理， 从中选育出了耐高温、耐碱的碱性蛋白酶高产株。在生物技术领域中， 碱性

24、蛋白酶可作为工具酶用于核酸纯化过姚刚等人对培养基成分及培养条件进行 优化，得出最正确的发酵培养基成分为：酵母浸粉 2 % 、蔗糖 1 .0 % 、吐温- 8 0 0 .5 %、 硫酸镁 0 .0 2 %；发酵条件为：接种量 4 %(V/V)、起始 p H9 ，在 1 5 0 m l 的三角 瓶中，装液量为 2 5 m l，发酵 3 6 h 。在最正确培养条件下，碱性蛋白酶粗酶活力 可达 1 6 7 0 U/m l 1 2 。2 .3 .2 工艺流程图 液态发酵法生产碱性蛋白酶的工艺流程，包括原料预处理、液态发酵工序、双水相萃取和冷冻枯燥工艺三大局部。本次设计的主体是原料预处理、液态发 酵工序，

25、生产碱性蛋白酶的根本工艺流程如图 1 所示。图 1 碱 性 蛋 白 酶 工 艺 流 程 图2 .3 .3 工艺流程说明首先培养基经过预处理进行灭菌、均质，待温度降到 3 7 。将培养基分 别参加到种子罐和发酵罐内进行发酵，通风搅拌 2 4 h 。放罐后直接对发酵液进 行双水相萃取，经过两次萃取后获得纯的酶液，最后对酶液进行冷冻枯燥，便 制得产品。2 .3 .4 别离纯化流程1 .双水相萃取 萃取原理:将亲水性聚合物参加水中会形成两相。聚合物以不同的比例分配与这两相中，而水分在每一相中都会占很大的比例(8 5 %- 9 5 %)，生物蛋白质等在这种体系中能够保持自然活性。当两种聚合物的水溶液相互

26、混合时，究竟是分层成两相，还是混合成一相， 取决于两种因素，一是混合熵的变化，二是分子间的作用力。对大分子而言， 那么分子间的作用力占主导地位，也就是说，由分子间的作用力决定混合的结果。假设两种聚合物的分子间存在斥力，那么再某一分子的周围就可能系同种分 子而非异种分子。当到达平衡后那么分成两相，两种聚合物分别进入到每一相中， 到达别离的目的。反过来，如果两种聚合物之间存在引力，如在带相反电荷的 两种聚合物电解质之间，那么它们相互结合而存在于同一相中，假设两种聚合物间 不存在分子间力，那么它们相互混合。根据上述分析可知，能够进行双水相萃取 的必要条件是：形成的两种聚合物分子间存在引力。双水相萃取

27、中，影响分配的主要参数有聚合物的分子质量和浓度、p H、 盐的种类和浓度、操作稳定等。聚合物分子质量低时，生物大分子易分配于富 含该聚合物的相中，当远离临界点时，双水相萃取本身受温度的影响很小。大 规模生产总是在常温下操作，一那么节省制冷费用，再那么聚合物在常温下对蛋白 质有稳定作用，不会引起损失，同时温度高时，粘度低，有利于相的别离操作。 因此，确定适宜的操作条件，可到达较高的分配系数和选择性。双水相萃取的 一个重要优点是可直接从细胞破碎浆液中萃取蛋白质而无需将细胞碎片别离， 一步操作可到达固液别离和纯化两个目的。双水相萃取方法： 双水相萃取法的一个主要应用是胞内酶的提取，采用 双水相系统可

28、使欲提取的酶与细胞碎片以较大的分配系数分配在不同的相中， 进而采用离心法就可实现别离。采用双水相萃取时，通常将蛋白质分配在上相 (PEG)，细胞碎片分配在下相(盐)。反过来对相的别离不利，因为当上相固含量髙时，别离机的性能会受到影响。在操作时，单位重量相系统中料浆的参加量是一个重要参数。显然，料浆的参加量愈多愈经济，但过量的料浆会影响原来 聚合物的成相系统，是分配系数降低，结果收率降低。根据经验，一般每 1 kg 萃取系统处理 2 0 0 - 4 0 0 湿菌体为宜。2 . 冷冻枯燥冷冻枯燥原理：冷冻枯燥是将湿物料在较低温度下冻结成固态，然后在高 度真空(1 3 0 Pa - 0 .1 M P

29、a )下，将其中固态水分直接升华为气态而除去的枯燥过 程，也称为升华枯燥。冷冻枯燥也是真空枯燥的一种特例。冷动枯燥也可将湿物料不预冻，而是利用高度真空时水分汽化吸热而将物 料自行冻结。这种冻结能量消耗小，但对液体物料易产生泡沫或飞溅现象而遭 致损失，同时也不易获得多孔性的均匀枯燥物。冷冻枯燥中升华温度一般为- 3 5 - - 5 ，而抽出的水分可在冷凝器上冷冻聚集或直接为真空泵排出。假设升 华时需要的热量直接由所枯燥的物料供给，这种情况下，物料温度减低很快， 以至于冰的蒸汽压很低而使升华速率降低。一般情况下，热量由加热介质通过 枯燥室的间壁供给，因此，既要供给湿物料的热量以保证一定的枯燥数率，

30、又 要防止冰的融化。与其他枯燥相比，冷冻枯燥具有以下特点：1 ) 枯燥温度低，特别适合于高热敏性物料的枯燥，生物制品的枯燥。又系在 真空下操作，氧气极少，物料中易氧化物质得到了保护，因此，制品中的 有效物质及营养成分损失很少。2 ) 能保持原物料的外观形状。物料在升华脱水前先进行预冻，形成稳定的固 体骨架。枯燥后体积形状根本不变，不失原有的固体结构，无干缩现象。3 )冻干制品具有多孔结构，因而有理想的速溶性和快速复水性。枯燥过程中，物料中溶于水的溶质就地析出，防止了一般枯燥方法中因物料水分向外表 转移而将无机盐和其他有效成分带到物料外表，产生外表硬化现象。4 )冷冻枯燥脱水彻底(一般低于 2

31、%- 5 %)，质量轻，产品保存期长，假设采用真 空密封包装，常温下即可运输、保存，十分简便。 但冷冻枯燥需要昂贵的专用设备，枯燥周期长，能耗较大，产量小，加工 本钱高。 冷冻枯燥流程：冷冻枯燥过程分为两个阶段，第一阶段，在低于熔点的温度下，使物料中的固态水分直接升华，大约有 9 8 %- 9 9 % 的水分在这一阶段除 去。第二阶段中，将物料温度逐渐升高甚至高于室温，使水分汽化除去，此时 水分可以减少到 0 .5 %。冷东枯燥系统主要有 4 局部组成，即冷冻装置、真空 装置、水汽去除装置和加热局部，用于生物制品的了扭动枯燥流程见带控制点 饿工艺流程图。预冷冻和枯燥均在一个箱内完成。带枯燥的物

32、料放入枯燥室内， 开动预冷用冷冻机对物料进行冷冻，随之开启冷凝器和真空装置，实现升华干 燥操作。加热器以作冷凝器内化霜之用。第一阶段升华枯燥结束后，开启油加 热循环泵对枯燥室加热升温，使之汽化排除剩余的水分。3 初始设计条件与根本物性数据3 .1 碱性蛋白酶发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模 生产方法年生产天数t/ad /a深成液态发酵1 0 0 03 0 0产品日产量t/a3 .4产品质量比活力U/g 5 0 万倒罐率%1 .0发酵周期h3 6发酵液酶活力U/m l1 8 0 0 0碱性蛋白酶提取率%8 5冷冻枯燥酶收率%8 0平均总收率率%6 83 .2 工艺参数与根本物性数据的选

33、取3 .2 .1 工艺参数碱性蛋白酶比活力比活力为 5 0 万 U/g ，生产周期为 3 6 h ，发酵温度为 3 7 ，溶氧为 0 .0 3 - 0 .0 4 M Pa 。3 .2 .2 根本物性数据的选取在低温下油或油脂的平均热容在 2 .0 5 - 2 .5 1 k J/(kg )，随着温度升高比热 将增加。4 物料衡算根据物料衡算的质量守衡定律，在间歇操作过程中，假设系统内不发生物料 量的积累，输入的物料量等于输出的物料量。表 1物 料 的 基 本 物 性 参 数密度kg /m 3 汽化替热k J/kg比热容k J/(kg )沸点()培养基1 0 0 04 .1 8 3水9 9 82

34、2 5 84 .1 8 31 0 0生产 1 0 0 0 kg 比活力为 5 0 万 U/g 的发酵液量： 5 0 万 U/g 1 0 0 0 1 0 0 0 = 1 0 8 万 U1 0 8 万 U/1 8 0 0 0 = 2 .7 8 1 0 7 m l= 2 7 .8 m 31 8 0 0 0 U/m l 发酵液酶活V0 = V 发 /(0 .6 8 0 .7 )= 9 2 .6 /(0 .6 8 0 .7 )= 1 9 4 .5 4 m 30 .6 8 平均总收率0 .7 填充系数 发酵液所需淀粉量:1 9 4 .5 4 2 %= 3 .8 9 kg 发酵液所需麸皮量:1 9 4 .5

35、 4 5 %= 9 .7 3 kg 发酵液所需玉米浆量:1 9 4 .5 4 3 %= 5 .8 3 kg 二级接种量：V2 = 1 % V1 = 1 .9 5 m 3吐温- 8 0 (M / V)：0 .0 2 % 1 9 4 .5 4 = 0 .0 3 8 9 kg M g S O4 (M / V)：0 .0 2 % 1 9 4 .5 4 = 0 .0 3 8 9 kg表 2 物 料 一 览 表物料名称生产 1 t (1 0 0 万 U/g )酶的物料量1 0 0 0 t/a 酶生产的物料量每日物料量发酵液(m 3 )2 7 .82 7 8 0 03 2 .4 3二级种液(m 3 )1 .

36、9 51 9 5 06 .5淀粉(kg )3 .8 93 8 9 01 2 .9 7麸皮(kg )9 .7 39 7 3 03 2 .4 3玉米浆(kg )5 .8 35 8 3 01 9 .4 3吐温- 8 0 (kg )0 .0 3 8 93 8 .90 .1 3培养基(kg )1 9 .4 91 9 4 9 06 5 .0 0M g S O4 ( k g )0 .0 3 8 93 8 .90 .1 35 热量衡算5 .1 基准温度的选定为便于计算，热量输入和输出的基准温度选为 2 0 (2 9 3 K)。 5 .2 连消塔的热量衡算Q= Gc(t 2 - t 1 )= 1 3 4 0 6

37、 3 .9 1 (1 1 5 - 7 0 )= 2 .3 6 1 0 6 (k J/h )5 .3 发酵罐的热量衡算发酵时放出的生物热：Q 总 = 4 .1 8 6 0 0 0 1 0 2 .1 4 = 2 .5 6 1 0 6 (k J/h )表 3 热 量 衡 算 表设备热量衡算(k J/h )备注螺旋板换热器0物料循环加热连消塔2 .3 6 1 0 6蒸汽加热维持罐0只需保温喷淋冷却2 1 0 6原水冷却种子罐2 .5 6 1 0 4夹套冷却发酵罐5 .1 2 1 0 6蛇管冷却发酵一次所需总热量2 .3 6 1 0 6蒸汽 1 3 3 9 kg /h6 设备设计计算与选型 1 4 1

38、5 1 6 1 7 6 .1 发酵罐设计6 .1 .1 设备设计要求单表 4 设 备 设 计 要 求 单技术特性指标压力体内0 .5 M p a温度体内1 0 0 介质体内腐蚀情况培养基微弱6 .1 .2 确定发酵罐和封头：从要求单上所列的工作压力及温度以及设备的工艺 性质，可以看出它是属于机械搅拌通风式发酵罐。根据惯例，选择圆柱形筒体 和椭圆形封头。6 .1 .3 容积：选用公称容积 1 5 0 m 36 .1 .4 生产能力的计算：V0 = V 发 /(0 .6 8 0 .7 )= 9 2 .6 /(0 .6 8 0 .7 )= 1 9 4 .5 4 m 36 .1 .5 发酵罐个数确实定

39、：N= 1 9 4 .5 4 3 6 /(2 4 1 5 0 )= 1 .9 4 = 2 个6 .1 .6 主要尺寸的计算：按公称容积 1 5 0 m 3 的发酵罐计算：21 . 1 2 52设 H= 2 D， 采 用 椭 圆 形 封 头 ， 经 计 算 得 ， 选 罐 内 径 为 4 5 0 0 m m ， 据 JB1 4 5 - 7 1 ，可选择椭圆封头的直边高度为 5 0 m m ，曲面高度为 1 1 2 5 m m ，那么 可以计算出椭圆封头的容积为：曲面体积：1 . 1 2 50(1 y2 ) 2 . 2 5 d y= 1 .1 2 5 (2 .2 5 )2 3 .1 4 - 3 .

40、1 4 4 (1 .1 2 5 )3 /3= 1 1 .9 2 m 3直面体积：0 .0 5 (2 .2 5 )2 = 0 .7 9 m 3封头总体积：1 1 .9 2 + 0 .7 9 = 1 2 .7 1 m 3故 D= 4 .5 mH= 9 mh a = 1 .1 2 5 mh b = 0 .0 5 m故发酵罐的全体积为：V0 = 1 2 .7 1 2 + 0 .7 8 5 4 .5 2 9 = 1 6 8 .4 9 m 31 .冷却面积的计算QA=总mK t对于碱性蛋白酶发酵，每 1 m 3 发酵液、每小时传给冷却器的最大热量约为 4 .1 86 0 0 0 kj/(m h ) t t

41、1 7 1 0m平均温度差 t ： t = 12 =m t1 7ln 1l n2 t1 0= 1 3 .2 发酵罐的实际装液量 1 3 6 .1 8 2 = 1 0 2 .1 4 m 33QA=总mK t= 4.18 6000 102.144.18 500 13.2= 9 2 .8 5 (m 2 )2 .搅拌器设计 由于碱性蛋白酶发酵过程有中间补料工作，对混合要求较高， 因此选用六弯叶涡轮搅拌器。该搅拌器的个尺寸与罐径 D 有一定饿比例关系，现将主要尺寸列后：搅拌器叶径 Di =D = 4.533= 1 .5 m取 d = 1 .5 (m )叶宽 B= 0 .2 d = 0 .2 1 .5 =

42、 0 .3 (m )弧长 l= 0 .3 7 5 d = 0 .3 7 5 1 .5 0 .5 6 (m ) 底距 C= D = 4.5 = 1 .5 (m )33盘径 d i = 0 .7 5 Di = 0 .7 5 1 .5 = 1 .1 2 5 (m ) 叶旋长 L= 0 .2 5 d = 0 .2 5 1 .5 = 0 .3 7 5 (m ) 叶距 Y= D= 4 .5 (m )弯叶板厚 = 1 4 (m m )取两档搅拌，搅拌转速 N2 可根据 5 0 m 3 发酵罐，搅拌器直径 1 .0 5 m ，转速 N1 = 1 1 0 r/m in ，以等 P0 /V 为基准放大求得：DD1

43、N2 = N1 (2)2 /3 = 1 1 0 (1.051.5)2 /3 = 8 7 (r/m in )3 .搅拌轴功率的计算 现用修正的迈克尔式求搅拌轴功率，并由此选着电机。 发酵液可视为牛顿流体，计算步骤如下：1 )计算 Re mRe m =D 2 N式中D搅拌器直径N搅拌器转速，N= 87 = 1 .4 5 (r/s )60 醪液密度， = 1 0 5 0 kg /m 3 醪液粘度， = 1 .3 1 0 - 3 Ns /m 2将数代入上式：Re m =1.52 1.45 10501.3 10 - 3= 2 .6 4 1 0 6 1 0 4 ，视为湍流，那么搅拌功率准数Np = 4 .

44、72 )计算不通气时搅拌轴功率 P0 ：P0 = Np N3 D5 式中 Np 在湍流搅拌状态时其值为常数 4 .7 N搅拌转速，N= 8 7 r/m in = 1 .4 5 r/s D搅拌器直径，D= 1 .5 m 醪液密度， = 1 0 5 0 kg /m 3代入上式： P0 = 4 .7 1 .4 5 3 1 .5 5 1 0 5 0= 1 1 4 .2 5 kw两档搅拌 P0 = 2 P0 = 2 2 8 .5 kw 3 )计算通风时的轴功率 Pg :Pg = 2 .2 5 1 0 - 3 (P 2 ND30Q 0 . 0 8)0 . 3 9 (kw )式中 P0 不通风时搅拌轴功率(kw )，P0 2 = 2 2 8 .5 2 = 5 .2 2 1 0 4N轴转速，N= 8 7 r/m inD搅拌器直