1、发酵工程课程设计说明书第 1 页前言 淀粉酶属于水解酶类，是 水 解 淀 粉 和 糖 原 的 酶 类 总 称 。 通 常 通 过 淀 粉 酶催 化 水 解 织 物 上 的 淀 粉 浆 料 ， 由 于 淀 粉 酶 的 高 效 性 及 专 一 性 ， 酶 退 浆 的 退浆 率 高 ， 退 浆 快 ， 污 染 少 ， 产 品 比 酸 法 、 碱 法 更 柔 软 ， 且 不 损 伤 纤 维 。 此类酶广泛存在于动、植物和微生物中，几乎所有动物、植物和微生物都含有淀粉酶。 淀粉酶是研究较多、生产最早、产量最大和应用最广泛的类酶。特别是20 世纪 60 年代以来由于淀粉酶在淀粉糖工业生产和食品工业中的大规
2、模应用，它的需要量与日俱增，到目前为止，其产量几乎占到整个酶制剂的 50以上，销售金额占到 5560。按照水解淀粉的方式不向，主要的淀粉酶有 淀粉酶、淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、脱支酶、环糊精葡萄糖基转移酶等。淀粉酶已经成为工业应用中最为重要的酶之一，并且大量的微生物可以用以高效生产淀粉酶，但是酶的大规模商业化生产仍然局限于几种特定的真菌和细菌中。对于高效的淀粉酶的需求越来越多，这可以通过对现有酶的化学改良或者通白质工艺改良得到。得益于现代生物技术的发展，淀粉酶在制药方面的重要性日益凸显。当然，食品和淀粉工业仍然是主要市场，淀粉酶在这些领域的需求仍然是最大的。中性淀粉酶是目前使用最广泛的一种酶，主要
3、运用于发酵、食品、医药、纺织及造纸工业。就我国而言一般采用液态深层发酵法生产，但发酵水平低，过滤困难，使其发展受到了较大的限制。本课题中以枯草杆菌为实验菌株，采用液体摇瓶发酵，并在培养基中添加发酵助剂来提高酶活。枯 草 芽 孢 杆 菌 可 利 用 蛋 白 质 、 多 种 糖 及 淀 粉 ， 分 解 色 氨 酸 形 成 吲 哚 。有 的 菌 株 是 -淀 粉 酶 和 中 性 蛋 白 酶 的 重 要 生 产 菌 。 枯 草 芽 孢 杆 菌 菌 体 自 身 合成 -淀 粉 酶 、 蛋 白 酶 、 脂 肪 酶 、 纤 维 素 酶 等 酶 类 ， 可 在 消 化 道 中 与 动 物 体 内的 消 化 酶
4、 类 一 同 发 挥 作 用 。 枯 草 芽 孢 杆 菌 广 泛 分 布 在 土 壤 及 腐 败 的 有 机 物 中 ，易 在 枯 草 浸 汁 中 繁 殖 。发酵工程课程设计说明书第 2 页1. 菌种的选育1.1 菌种的选育及制备微生物是各种生物活性产物的丰富资源。在发酵前期，微生物的选择至关重要，我们此次设计的是利用枯草芽孢杆菌发酵生产中性蛋白酶的整体过程。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。1.1.1 含微生物材料的选择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
5、杆菌生活在中性的环境中，可以采集中性的土壤。 采土时先用小铲除去表土，取 5 15深处的土样，选好 35点，每点取土 10g 混在一起装入灭过菌的牛皮纸袋，并记录时间、地点、植被等情况。1.1.2 预处理在培养过程中以淀粉作为唯一或主要碳源，控制 pH 在 6.77.2。那些在所采用的条件下最适用于淀粉代谢的微生物最终将占优势，并可在淀粉琼脂糖平板上分离到产生中性淀粉酶的菌株。1.1.3 所需菌种的纯化和分离可用平板划线法进行菌种分离。方法如下：用接种管蘸取少量经增殖培养后的菌液，在含无菌固体培养基的平板表面上进行规则划线，操作时由右向左轻轻划线，划线时平板面与接种环成 3040 ，以手腕力量
6、在平板表面轻巧滑动划线，线条要平行密集，使两线不能重叠，充分利用表面积，划线时接种环不要嵌入板内划破培养基，密集的含菌样品，经过多划线稀释，使菌体在平板培养基上逐渐分离成单个菌株，经培养繁殖成单个菌落，反复进行几次平板划线分离，可得枯草芽孢杆菌野生菌株。1.1.4 菌株的培养发酵工程课程设计说明书第 3 页常用培养基配方：1L 蒸馏水，10g 蛋白胨，3g 牛肉膏 1520g，琼脂5gNaCl。本课题以麸皮、豆饼粉作为天然培养基，在 37保温箱中培养，至培养基中部分出现成熟颜色即可进行保藏。1.1.5 菌落的选择初筛采用透明圈法，方法为在培养基里接入淀粉天青，接入含菌样品后，可在菌落周围清晰地
7、观察到淡蓝色晕环，初筛选出的微生物经过菌株性状试验后已确定具有一定生产能力的菌株还要进行复筛。方法：将初筛后的少数菌株接种于 40 ml 锥形瓶内的液体培养基中，110 次/min 往复式摇床式震荡培养，得到摇瓶种子。1.2 诱变育种诱 变 育 种 可 以 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 ， 进 而 培 育 成 新 的 品 种 或 种 质 。诱变育种操作程序如下：出发菌株纯化培养液细胞或孢子悬液诱变剂处理中间培养平板分离初筛复筛生产性能实验菌种保藏。1.2.
8、1 出发菌株的选择由于野生型菌株生产性能较差，通常采用经历过生产条件考验的菌株，即经过液体培养的摇瓶种子，这类菌株一定的生产性状，对生产环境有较好的适应性，正突变的可能性也很大。1.2.2 菌悬液的制备细菌一般要求处于对数生长中期的菌，用玻璃珠振荡 5 min，使细胞均一分散，然后用灭菌脱脂棉过滤，得到分散菌株。菌悬液的细胞浓度不宜过高，本课题中的枯草芽胞杆菌，宜将其浓度控制在 108 个/ml 。菌悬液介质一般用生理盐水。1.2.3 诱变剂的处理诱变剂包括物理、化学、生物诱变，在微生物诱变育种中，可用物理化学复合诱变因素处理菌种，这样可以扩大培养幅度，提高诱变效果获得中性淀粉酶高产突变株。方
9、法及步骤如下：吸取制备好的枯草芽孢杆菌悬液 5 ml 于直径为 6的无菌培养皿中，然后发酵工程课程设计说明书第 4 页用 0.5%1%的二乙酯处理 30 min，处理时采用 pH 7.0 的磷酸缓冲液，再将磁力搅拌器于紫外灯下（距离 30 cm）1 min，接着在红灯下吸取经处理的菌液 0.5 ml，稀释至 10-6，取 10-610 -1 稀释液滴一滴于 6 个平板中，10 -610 -1 依次涂布均匀，再置暗箱内与 37培养 48 h。注意：一般化学诱变剂均有毒性，多数还具有致癌作用，故操作时切忌用口吸取并勿与皮肤直接接触，做好安全工作。1.2.4 突变菌株的筛选包括：琼脂块透明圈法初筛。
10、方法：倒入选择培养基 6 皿，取其中较厚的 2 皿，用打孔器或玻璃打制圆形培养基平移琼脂块至一个选择平板上，再用接种针挑取单菌落的少量菌体分别接种于琼脂块中心并与一琼脂块接入出发菌株作为对照正置于 37培养45 小时于培养好的选择平板中滴加几滴淀粉天青，观察到透明圈的直径选择透明圈大的菌落接入斜面备复筛用。摇瓶发酵复筛：将经初筛处的菌株分别接入增殖培养基中，培养 13 小时分别接种于锥形瓶发酵培养基中置 37摇床上发酵 40 小时选出酶活力较高者进一步复筛直至选出中性淀粉酶高产突变株。1.3 菌种的保藏菌种保藏是进行微生物学研究和微生物育种工作的重要组成部分。其任务是使菌种不死亡，同时还要尽可
11、能设法把菌种的优良特性保持下来而不致向坏的方面转化。菌种保藏主要是根据菌种的生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体的生长代谢活动尽量降低，以减少其变异。一般可通过保持培养基营养成分在最低水平、缺氧状态、干燥和低温，使菌种处于“ 休眠” 状态，抑制其繁殖能力。常用的菌种宝藏方法有：斜面冰箱宝藏法、沙土管宝藏法、菌丝速冻法、石蜡油封存法、真空冷冻干燥保藏法、液氮超低温保藏法。在这里我们采用沙土保藏法。发酵工程课程设计说明书第 5 页2. 培养基的配制2.1 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
12、要用到孢子,种子和发酵培养基这三种类型。2.1.1 菌种的活化将保存的菌种转接到斜面培养基，37 度培养 24h 备用。2.1.2 种子培养基种子培养基是供发芽、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。枯 草 芽 孢 杆 菌 的种子培养基的配置：将豆饼 1%、蛋白胨 1%、酵母浸出物0.5%、氯化钠 1%配置成种子培养基(pH 7.17.2)，在 0.1MPa 蒸汽灭菌 20 min。2.1.3 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
13、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。枯 草 芽 孢 杆 菌 的发酵培养基配方是：玉米粉 10、豆粕水解液67、Na 2HPO412H2O 0.8、(NH 4)2SO4 0.4、CaCl 2 0.2、NH 4Cl0.15、豆油 1kg，调 pH 至 6.57.0。2.2 培养基的营养要求培养基的成分大致分为碳源、氮源、无机盐、微量元素、特殊生长因子、促进剂、前体和水等几大类。对不同的微生物，微生物不同的生长阶段，不同发酵工程课程设计说明书第 6 页的发酵产物以及不同发酵工艺条件等，所使用的培养基都是不同的，这些也
14、都是培养基配制需要考虑的因素。2.2.1 水 水是所有培养基的主要成分，也是微生物机体的重要组成成分。水是良好的溶剂，又是活细胞中一切代谢反应的媒介物，还可以维持细胞中的渗透压，同时水又是热的良好导体，有利于散热，可调节细胞温度。在中性淀粉酶的发酵生产中，为了避免水质变化给生产带来不良影响，发酵用水采用深井水，并定期检查水质，要求：pH 6.87.2，电导率 5001500/cm ，总硬度 100230 mmol/L。 2.2.2 碳源 碳源的主要为微生物细胞的生长繁殖提供能源。目前生产中性淀粉酶的菌种为异养型微生物，所以只能利用有机碳；大量的农副产品是主要的有机碳源，如玉米粉、山芋、麸皮、玉
15、米、米糠、马铃薯、木薯、土茯苓等淀粉质原料，这里用到的碳源是玉米粉。2.2.3 氮源氮源是组成蛋白质和核酸的主要元素，酶自身即为蛋白质。因此，氮源是必不可少的重要原料。常用的有机氮源油花生饼粉、豆饼粉、棉籽饼粉、玉米浆、玉米蛋白粉、蛋白胨、酵母粉等。我们用到的氮源是豆饼粉剂和蛋白胨。常用的无机氮源有铵盐、硝酸盐和氨水等。2.2.4 无机盐类及微量元素酶在生长和繁殖生长过程中，需要某些无机盐及微量元素如磷、镁、硫、钾、钠、钙、铁、锰、锌等。钠离子具有控制细胞和培养基之间的渗透压的作用，从而促进产酶，添加适量亚硝酸钠可提高酶活力；钙对淀粉酶有稳定和活化作用。中性淀粉酶生产中通常以氯化钙提供钙离子。
16、2.2.5 生长因子和产酶促进剂酶的生产中所需的生长因子大多由天然原料提供。玉米浆、麦芽汁、豆芽汁等，都含有丰富的生长因子。产酶促进剂一般是该酶的底物和底物类似物，对于中性淀粉酶，可添加适量浓度的琼脂糖作为诱导剂。2.3 培养基的灭菌发酵工程课程设计说明书第 7 页生物化学反应过程中，特别是细胞培养过程，往往要求在没有杂菌污染的情况下进行，这是由于生物反应系统中通常含有比较丰富的营养物质，因而很容易受到杂菌污染，进而产生各种不良后果：（1）由于杂菌的污染，使生物化学反应的基质或产物消耗，造成产率下降；（2）由于杂菌所产生的某些代谢产物，或染菌后发酵液的某些理化性质的改变，使产物的提取变得困难，
17、造成收得率降低或使产品质量下降；（3）污染的杂菌可能会分解产物而使生产失败；（4）污染的杂菌大量繁殖，会改变反应介质的 pH，从而使生物化学反应发生异常变化；（5）发生噬菌体污染，微生物细胞被破裂而使生产失败等。2.3.1 灭菌方法所谓灭菌，就是指用物理或化学方法杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质的过程。常用的灭菌方法有：化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤灭菌等。本实验采用湿热灭菌。2.3.2 培养基的湿热灭菌 条件为在 121（表压约 0.1MPa）维持 30 分钟。湿热灭菌即利用饱和水蒸气进行灭菌，是工业中最重要的灭菌方法。在同样的温度下，温热的杀菌效果比干热好，其原因有：蛋白
18、质凝固所需的温度与其含水量有关，含水量愈大，发生凝固所需的温度愈低。湿热灭菌中菌体蛋白质吸收水分，较同一温度的干热空气中易于凝固而杀灭各种微生物。温热灭菌过程中蒸气放出大量潜热，加速提高温度。因而湿热灭菌比干热所要温度低。如在同一温度下，则湿热灭菌所需时间比干热短。湿热的穿透力比干热大，使深部也能达到灭菌温度，故湿热比干热收效好。 影响灭菌效果的因素微生物的种类和数量；培养基性质、浓度、成分；灭菌的温度、时间。热阻：微生物对热的阻抗能力。灭菌原理对数残留定律：经加工灭菌，死亡微生物速度和存在的微生物数量成正比。发酵工程课程设计说明书第 8 页2.4 空气灭菌 课题为好氧发酵，以空气作为氧源。根
19、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。2.4.1 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：采风塔：采风塔建在工厂的上风头，高至少 10 m,气流速度 8 m/s。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。空气压缩机：作用
20、是提供动力，以克服随后各设备的阻力。空气储罐：作用是消除压缩空气的脉动。发酵工程课程设计说明书第 9 页要求：H/B=2 2.5 V=（0.10.2）V 1 其中，H 为罐高；B 为罐直径；V1 为空压机每分钟排气量（20，110 5Pa 状况下）。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。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。丝网除沫器：可以除去空气中绝大多数的 20m 以上的液滴和 1m 以上的雾滴，一般采用规格为直径 0.2540 孔且高度为 150的不锈钢丝网。
21、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。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。2.4.2 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，其组成为玉米粉 10、豆粕水解液6、Na 2HPO412H2O 0.8、(NH 4)2SO40. 4、CaCl 2 0.2、NH 4C1 0.15，pH 6.57.0，接种后置旋转
22、式摇床亡，(371)下培养 28h 左右备用。2.5 发酵罐的灭菌发酵罐的灭菌可采用空罐灭菌和实罐灭菌，此处采用空罐灭菌。空罐灭菌是将所有的通气口都稍微打开，然后通入热水蒸汽，让水蒸汽尽量通过每一个菌落达到灭菌效果。具体方法是：在 121灭菌 30 分钟。3.种子扩大培养本发酵属于二级种子罐扩大培养，三级发酵。设计流程如下：锥形瓶种子罐种子罐发酵罐发酵工程课程设计说明书第 10 页3.1 种子制备将保藏的菌种接种到营养琼脂培养基斜面， （蛋白胨 10g,牛肉粉 3g,氯化钠5g,琼脂 15g）37培养 3 天。然后接入到 20L 种子罐， 37搅拌，通风培养1214 小时。此时菌种进入对数生长
23、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 pH 6.36.8,酶活 510U/mL） ，再接种到发酵罐。3.2 发酵罐培养培养基的配制：玉米粉 10、豆粕水解液 67、Na 2HPO412H2O 0.8、(NH 4)2SO4 0.4、CaCl 2 0.2、NH 4Cl0.15、豆油 1kg、深井水 85%，调 pH 至 6.57.0。发酵罐培养基经消毒灭菌冷却后接入 1%2%种子培养成熟液。培养条件为：温度 371，罐压 0.5kgcm 2，风量 120h 为 1：0.48vvm，20 h 后1：0.67vvm，培养时间为 2836 h。4. 发酵罐的设计4.1 发酵
24、罐的结构通用发酵罐的主要组成部件有：罐体：是发酵罐的主要结构，其内壁有挡板，作用是防止液内中心产生漩涡，一般用 35 块挡板。搅拌装置：主要功能是使罐内物料混合均匀，搅拌器叶轮多采用搅拌涡轮式，搅拌轴要与罐体密封严实，防止漏液和染菌。搅拌转速为 200r/min.传热装置：有夹套，列管等，这里采用外夹套。通气部分：通过空气分布器将通入的无菌空气均匀分布到发酵液中，发酵罐通风量 012 h 为 1：0.67vvm ,12 h 至发酵结束通风量为 1：（1.01.33）vvm 。分布器有单管式和环形管式。消泡装置：用于消除产生的泡沫，最简单实用的消泡装置是耙式消泡器，直接装在搅拌轴上。发酵工程课程
25、设计说明书第 11 页进出料口：罐顶设有进料口，罐底有出料口。其他附属设备还包括试镜、人孔（手孔）、取样管等，用以观测和检修。4.2 发酵罐的工艺尺寸常用的机械通风发酵罐的结构和主要几何尺寸标准化设计（见附图）其几何尺寸比例如下：H0/D=1.73.5 H/D=25 d/D=1/31/2 W/D=1/121/8 B/D=0.81.0 (S/d)2=12 (2 表示搅拌器挡数) h/D=1/4 单位全部为 m发酵罐大小用公称体积表示，V 0=D2H/4+0.15D3其中：H 0-发酵罐圆柱形筒身高度 D-发酵罐内径 H-罐顶到罐底的高度 d-搅拌器直径 W-挡板宽度 B-下搅拌器距罐底的距离 S
26、-搅拌器间距 h-底封头或顶封头高度 ，取 H/D=4, 酶液到粉状制酶剂的收率为 70%。计算： 已知年产量为 3 吨，,一年有 300 个工作日，发酵周期为 48 小时，即 2 天，清理发酵罐 1 天，预处理收率 85%，提取率为 70%，浓缩干燥收率为 70%，装料系数为 0.75，中性淀粉酶产量为 35g/L（放罐发酵单位 Um=7000IU/mL，折合成产量为 35g/L，折合系数为 k=2105 IU/g。 ） ，V 0 是公称容积，指筒身容积与底封头容积之和， 一年需放罐的次数：3003=100 次每批次产酸性蛋白酶：3000/100=30 千克总提取率为：85%70%70% =
27、41.56%假设用一台发酵罐，则发酵罐的体积 V=30/41.56%/75%/35=2.75 m3选发酵罐的公称体积为 1000L，则需要发酵罐 3 个，则购置 4 台发酵罐，发酵工程课程设计说明书第 12 页一台备用。V0=D2H/4+0.15D3=1m3D=0.954m那么：H 0=3D=30.954=2.862m H=4D=40.954=3.816md=D/2=0.50.954=0.4725m W=D/12=0.954/12=0.0795 mB=0.9D=0.90.954=0.8586 m S=2D=20.954=1.908mh=D/4=0.954/4=0.2385m 传动部采用卧式电动
28、机通过联轴节带动大型减速箱直接带动搅拌轴, 就是减速箱内设一对弧形伞齿轮使进轴作 90变向用联轴节通过十二根尼龙销棒联接卧式电动机。既降低了设备安装高度, 又给安装维修带来了很大方便, 四台发酵罐采用二种减速箱, 前二台罐为迸口减速箱, 减速箱内装有一对直齿轮和一对弧形伞齿轮, 结构简单, 维修方便, 一般只有伞齿轮及进轴、轴承损坏要维修更新。后二台罐采用国产福州发电设备厂生产的行星齿轮箱, 箱内加设一对弧形伞齿轮使进轴作 90变向, 由联轴节与卧式电动机相联。与进口减速箱比, 结构复杂、行星轮坏很难修理。减速箱下传动架上传动轴设计安放一部轴承座, 内装中型普通轴承一粒, 轻型平面受力轴承一粒
29、，轴承上端轴头由夹壳联轴节与减速箱出轴联接。设计少放一部轴承降低传动架约米的高度, 增强了减速箱及电机在罐顶上的稳定性。罐内设计放二部轴瓦来定位罐内轴与上主轴的同心度, 上部轴瓦在盘管上方, 下部轴瓦安装在轴端。轴瓦、轴套材质均为铸铁。只要上下轴垂直同心度装得好, 轴瓦、轴套半年到一年更换一次。对发酵罐来讲, 冷却面积及冷却管的设计非常重要, 既要考虑排作形式, 又要起到最好冷却效果, 还要便于安装维修。设计中采取盘管式, 列管式同时采用的做法, 加设盘管组相对来讲好布置, 可利用盘管间之间隙当楼梯用, 给安装及今后维修带来很大方便。加设列管组可弥补全用盘管时需用冷却面积的管量放不下和盘管无档
30、板作用的缺点。考虑罐径大, 放热量集中冷却效果一定要好,所以又在冷却管的合理进出水上做文章, 采用快进快出的接管法, 就是把盘发酵工程课程设计说明书第 13 页管列管分成多组, 使冷却水分成多路进多路出, 以水在冷却管内 1.5 米/秒停留1 分钟来分组。与发酵液热交换后的热水汇集总管进热水池、再用泵送冷却塔, 冷却后的水进冷水池,由泵供送发酵罐进水用。原则冷却塔循环水量要大于发酵用水量约倍, 保证热水通过冷却塔及时降温到气温夏天满足发酵冷却用水的需要,搅拌桨叶形式及档次直接影响到产酶及搅拌功率,设计采用小桨叶, 高转速。故采用小型搅拌叶：叶径 d=0.25D=0.250.954=238.5m
31、m，叶片高 h=0.15d=0.150.477=71.55mm，叶片弧长 L=0.4d=0.40.477=190.8mm，温度 371，罐压 0.5kgcm 2，风量 120h 为 1：0.48vvm，20 h 后1：0.67vvm进风管采用盘管式（管径根据通风量计算, 在盘管上放二付不锈法兰, 便于安装及今后清洗，盘管径等于低道桨径。盘管放在底道桨叶片下面, 盘管下方开三排小孔,，二排成 45角，小孔径 46，交叉排列、这样有利于罐底部液体的搅拌和通风, 且不易被固体物堵塞, 孔数根据盘管内截面积计算, 小孔总面积镇盘管内截面积, 使风通过各个小孔时有产生喷力。罐体支座设计成由六根园柱脚支承
32、整台罐体放在盆形的水泥墩上, 放料管从罐底中接出斜穿过水泥墩壁排水孔引接到打料泵送等电点提取。避免了裙座造成罐底难清洗, 死角多, 长杂菌、难消毒的缺点。整台罐底下通风好, 阳光照, 清洗消毒非常方便。利用下瓦座筒形架下部四孔封上 2 目不锈钢网来捕集罐内螺褚全、螺母等另部件的脱落回收, 给查罐时及时提供维修信息,保证了放料阀、打料泵不易损坏, 使用安全可靠.4.3 罐体壁厚1=pD/(2-p)+C （6-2）式（6-2 ）中：p耐受压强（取 0.25MPa）发酵工程课程设计说明书第 14 页焊缝系数，双面焊取 0.8，无缝焊取 1.0设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150,
33、137 MPa）C腐蚀裕度，当 - C10mm 时，C=3mm解得罐体壁厚1=pD/(2-p)+C=0.251500/（21370.8-0.25 ）+3=4. 7 mm取整为 1=5 mm4.3.1 封头壁厚2=pDy/(2) +C （6-3）式（6-3 ）中：p耐受压强（取 0.25MPa）y开孔系数，取 2.3焊缝系数，双面焊取 0.8，无缝焊取 1.0设计温度下的许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150,137 MPa）C腐蚀裕度，当 - C10mm 时，C=3mm解得封头壁厚2=pDy/(2)+C=0.2515002.3/（21370.8）+3=6.9 mm取整为 2=7 mm4.
34、4 发酵罐附属结构的计算4.4.1 手孔、视镜、温度计和工艺接管手孔：由平盖手孔(JB/T589-1979) 或板式平焊法兰手孔(HG21529-1995)，选用光滑密封面的平盖手孔 APNl，DN250 JB/T589-1979。视镜：由标准压力容器视镜(HG/T21619-21620-1986)或组合式视镜(HG21505-1992)，选用碳钢带颈视镜 IPNl，DN80(HG/T21619-21620-1986)。温度计：加强套管温度计的选用可以参考生产厂家的产品目录，这里取公称长度 1 430 mm，配凸面板式平焊管法兰 PNO.6 MPa，DN65，HG20593-1997( 板式平
35、焊钢制管法兰)。发酵工程课程设计说明书第 15 页工艺接管：(钢制管法兰型式、参数(欧洲体系)。进料管口采用 573.5 无缝钢管，配法兰 PNo.6，DN50，HG20592-1997 。出料管口采用 764 无缝钢管，配法兰 PNo.6，DN65 ，HG20592-1997 。加热蒸汽进口管采用 383.5 无缝钢管，配法兰PNO6，DN32 ，HG20592-1997。冷凝液出口管和压力表接管都选用 323.5 无缝钢管，配法兰 PNO.6, DN25, HG20592-1997。安全阀接管采用 453.5 无缝钢管，配法兰 PNO.6，DN40，HG20592-1997 。5.物料衡算
36、本系统采用 3 个发酵罐，每个为 1000L=1m3，中性淀粉酶产量为 35g/L，预处理收率 85%，提取率为 70%，浓缩干燥收率为 70%，装料系数为 0.75，则：放罐发酵单位 Um=7000IU/mL，折合成产量为 35g/L，折合系数为 k=2105 IU/g。每个发酵罐在一个发酵周期中性淀粉酶产量为：13585%70%0.7570% = 10.933（kg）那么 3 个发酵罐 1 年的总产量为：（10.933300/3）3 = 3863.16（kg）=3.28 吨故符合年产量为 3 吨的生产要求。计算每一批次所需培养基成分的体积玉米粉: 101000=100L豆粕水解液: 610
37、00=60L发酵工程课程设计说明书第 16 页Na2HPO412H2O： 0.81000=8L(NH4)2SO4 : 0.41000=4LCaCl2 : 0.21000=2LNH4Cl：0.151000=1.5L所以每个发酵罐所需培养基玉米粉: 100/3=33.4L豆粕水解液: 60/3=20LNa2HPO412H2O: 8/3=2.67L(NH4)2SO4 0.4: 4/3=1.333LCaCl2： 2/3=0.666LNH4Cl: 1.5/3=0.5L6.发酵过程的工艺控制6.1 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
38、。中性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。6.2 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。中性淀粉酶最适 pH 为 6.87.2。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。6.3 发酵过程温度的控制发酵工程课程设计说明书第 17 页温度对微生物的生长、产物的合成和代
39、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 3537最适宜。6.4 溶氧的控制中性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。中性淀粉酶发酵过程中，012 h通气量为 1：0.67 vvm，12 h 至发酵结束通气量为 1：（1.01.33） vvm 搅拌转速 200r/min。 罐压 0.5kg/cm2。6.5 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
40、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：培养基变稀：可能是噬菌体污染或营养成分缺乏；培养基过浓：会抑制微生物的生长，考虑可能是污水污染；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；pH 值不正常： 用缓冲液来调节，检查是否染杂菌，碳氮比是否合适；生长缓慢：最可能的原因就是营养成分不足。7. 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
41、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：固体分离发酵液预处理固液分离 液体初步纯化发酵工程课程设计说明书第 18 页高度纯化成品加工7.1 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。7.2 提取中性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
42、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(NH 4)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、喷雾干燥、沸腾干燥、振动干燥和真空冷冻干燥。由于喷雾干燥生产能力大，维修保养简单，因此生产中常采用这种方法。7.3 纯化中性淀粉酶的纯化方法可采用凝胶过滤法，就是以特定的凝胶物质为分子筛装入层析柱，再通过分离溶液时大于凝胶孔径的分子会被排阻在胶粒外，因此它们将“绕道通过”；小于该孔径的分子，
43、由于可以自由出入胶粒内外，因此将沿着胶粒缝隙而直接流出。通过一段程度的凝胶层析柱后，大小分子将依次先后流出。8.总结和讨论通过本次课程设计,大量翻阅有关资料，进一步掌握了发酵工程课程的基本知识，掌握了发酵工艺设计要点及其相关工程设计要点，锻炼了自己初步的发酵工程工艺及设备的独立设计能力；培养了综合运用所学的理论知识独立分析和解决发酵工程实际问题的实践能力。本次课程设计中仍然存在许多不足和缺陷,比如说提炼总收率不是很高。跟其他发酵产品相比，中性淀粉酶的产量不是很高，为了增加中性淀粉酶的产量，发酵工程课程设计说明书第 19 页我们还要做出很多努力，利用各种遗传学技术手段改变生产菌株的特性。在本次设
44、计过程中高莉老师和多位老师给予了大力指导和帮助和支持，这才使得我能够顺利地完成课程设计。在此，我对课程设计所有老师表示诚挚的感谢！9. 枯草芽孢杆菌生产发酵中性淀粉酶工艺总流程图保藏的菌种 菌种的选育斜面培养 空气灭菌 种子罐 无菌空气 发酵罐发酵 培养及的灭菌 培养基的配置发酵工程课程设计说明书第 20 页热处理 压滤盐析干燥粉碎包装成品10.参考资料1 周晓云. 酶原理与酶工程.中国轻工业出版社.2005. 2 俞俊棠,唐孝宣 .新编生物工艺学（上）.化学工业出版社.2005.3 曹军卫,马辉文 .微生物工程.科学出版社.2003.4 刘国诠.生物工程下游技术.化学工业出版社.2003.
45、5 周洪波,彭华松 .生物工程产品工艺学.高等教育出版社.2006.6 刘洋，沈微，石贵阳，王正祥.中温 -淀 粉 酶 的酶学性质研究江南大学工业生物技术教育部重点实验室7 赵永芳.生物化学技术原理及应用3 版北京：科学出版社，20078 孙俊良酶制剂生产技术北京：科学出版社，2004发酵工程课程设计说明书第 21 页9 俞俊棠，唐孝宣，邬行彦新编生物工艺学（上、下册） 北京：化学工业出版社，200510陈国豪生物工程设备北京：化学工业出版社，200511岑沛霖，蔡谨工业微生物学北京：化学工业出版社，200012刘国诠生物工程下游技术北京：化学工业出版社，200313贾树彪，李盛贤新编酒精工艺学北京：化学工业出版社，2004
