年产1000吨酸性蛋白酶的生产基本工艺设计.doc

1. 前言
酸性蛋白酶是一类最适pH值为2.5〜5.0天冬氨酸蛋白酶，相对分子质量为30000 〜40000。酸性蛋白酶重要来源于动物脏器和微生物分泌物,涉及胃蛋白酶、凝乳酶和某些微生物蛋白酶。依照其产生菌不同，微生物酸性蛋白酶可分为霉菌酸性蛋白酶、酵母菌酸性蛋白酶和担子菌酸性蛋白酶.依照作用方式可分为两类：一类是与胃蛋白酶相似，重要产酶微生物是曲霉、青霉和根霉等；另一类是与凝乳酶相似，重要产酶微生物是毛霉和栗疫霉等。 细菌中尚未发现产酸性蛋白酶菌株.由于酸性蛋白酶具备较好耐酸性，因而被广泛地应用于食品、医药、轻工、皮革工艺以及饲料加工工业中。
国外关于酸性蛋白酶生产研究从20世纪初就开始了。19，德国科学家从动物胰脏中提取出胰蛋白酶，并将其用于皮革鞣质。19美国科学家从木瓜中提取木瓜蛋白酶（在酸性，碱性和中性条件下都能分解蛋白质酶）并将木瓜蛋白酶用于除去啤酒中蛋白质浑浊物。自1954年吉田初次发现黑曲霉可产生酸性蛋白酶以来，国内外对微生物发酵生产酸性蛋白酶进行了广泛研究。1964年外国科学家初次发现大孢子黑曲霉突变体能产生两种不同酸性蛋白酶，即酸性蛋白酶和酸性蛋白酶。1965年又从血红色陀螺孔菌，中分离出了一种酸性蛋白酶，并对该酶进行了纯化和结晶。1968年从微小毛霉中筛选出了一种酸性蛋白酶，并对其进行了纯化和酶学性质分析。1995年外国科学家对烟曲霉酸性蛋白酶基因进行了克隆和测序。又从假丝酵母中筛选出了一种酸性蛋白酶菌株，并对该酶进行了核苷酸序列分析和功能分析。国外学者对曲霉酸性蛋白酶构造和功能等己经研究较为透彻。
与国外相比，国内对酸性蛋白酶研究相对较晚些。1970年上海工业微生物研究所一方面从黑曲霉中筛选出一株产酸性蛋白酶菌株，并和上海酒精厂协作进行中试生产，弥补了国内酸性蛋白酶制剂空白.近年来国内在酸性蛋白酶上研究大都致力于选育产酶活力高、抗逆性好菌种，并获得了某些很有应用前程产酶菌株。当前用于酸性蛋白酶生产高产菌株重要有黑曲霉、宇佐美曲霉和青霉及它们突变株。李永泉等，对宇佐美曲霉所产酸性蛋白酶进行了发酵过程动力学研究.戚淑威等对青霉产酸性蛋白酶适当条件和酶学性质进行了分析。谢必峰等，采用硫酸铵盐析法和离子互换层析法分离纯化了黑曲霉产酸性蛋白酶，并对其氨基酸组分进行了分析。王云等，通过质谱指纹法对黑曲霉发酵液中所产蛋白进行了分析比对和鉴定酸性蛋白酶分子生物学方面研究，国内仅仅集中于凝乳酶和胃蛋白酶方面，关于真菌酸性蛋白酶分子生物学研究报道很少

摘要：本课题设计是运用黑曲霉（Aspergillus niger ）3.350制备酸性蛋白酶，重要从菌种选育，培养基配备，灭菌，种子扩大培养，和发酵罐设计，发酵车间物料衡算，发酵过程工艺控制，下游加工十点进行。阐述了1000吨饲用酸性蛋白酶制取工艺。其中对发酵罐做了创新性设计。

2. 菌种选育
2.1 菌种制备
不论在过去、当前和将来，微生物是各种生物活性产物丰富资源。在发酵前期，微生物选取至关重要，此课题设计是运用黑曲霉发酵生产酸性蛋白酶整体过程。
选取性分离普通环节如下：
含微生物材料选取——材料预解决——所需菌种分离——菌种培养——菌种初筛——菌种复筛——性能鉴定——菌种保藏。
本实验选用黑曲霉作为菌种，发酵生产酸性蛋白酶，该霉菌株在中华人民共和国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心保藏编号为3．350。
而黑曲霉（Aspergillus niger ）生产酸性蛋白酶工艺流程为：
原始菌株→分离纯化→紫外线诱变→选育菌株分离纯化→亚硝基胍诱变→选育菌株分离纯化→选育菌株生产工艺优化→传代实验→选育菌株→斜面菌种→三角瓶菌种→浅盘菌种_________________
↓
主原料→混料（水、无机氮、无机盐）→蒸料→冷却→接种→发酵→稳定化解决→干燥→粉碎→包装→检测→成品
↓
粗酶→抽提→过滤→盐析→沉淀→干燥粉碎→包装→检测→成品
2.2 菌种保藏
菌种是从事微生物学以及生命科学研究基本材料，特别是运用微生物进行关于生产工业，更离不开菌种。因此，菌种保藏是进行微生物学研究和微生物育种工作重要构成某些，其任务是使菌种不死亡，同步还要尽量设法把菌种优良特性保持下来而不致向坏方面转化。
菌种保藏重要是依照菌种生理生化特点，人工创造条件，使孢子或菌体生长代谢活动尽量减少，以减少其变异。普通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，使菌种处在“休眠”状态，抑制其繁殖能力。惯用菌种保藏办法有：斜面冰箱保藏法、沙土管保藏法、菌丝速冻法、石蜡油封存法、真空冷冻干燥保藏法和液氮超低温保藏法。
此课题中黑曲霉采用真空冷冻干燥保藏法，预冻：本实验采用-80 ℃预冻2h后进行干燥。干燥过程：第一阶段干燥．样品温度分别控制在-15 ℃ 14 h，10 ℃ 10 h，真空度为150 Pa，直到样品水分升华除去90%；第二阶段干燥。升高板层温度至20℃，迅速蒸发样品中残存水分。该过程大概需要10h。将冻干菌存储于0℃冰箱中备用.

3．培养基配制
培养基类型诸多，可以依照构成、状态和用途等进行分类，按照用途可以提成孢子培养基、种子培养基和发酵培养基。微生物大规模发酵设计重要用到孢子、种子和发酵培养基这三种类型。
3.1活化培养基
黑曲霉活化培养基配制如下：斜面培养基：蔗糖 30g，NaNO3 3 g，MgSO4 0.5 g，KCl 0.5 g，FeSO4 0.01 g，K2HPO4 1 g，琼脂20 g，将上述各组分溶于1000 mL水中，121 ℃灭菌20 min，备用。
3.2 种子培养基
种子培养基是供孢子发芽、生长和大量繁殖菌丝体，并使菌丝体长粗壮成为活力强种子。对于种子培养基营养规定比较丰富和完全，氮源和维生素含量也比较高些，浓度以稀薄为好，可以达到较高溶解氧，供大量菌体生长和繁殖。
黑曲霉种子培养基为麦芽汁培养基。
3.3 发酵培养基
发酵培养基规定是营养要恰当丰富和完全适合于菌种生理特性和规定，使菌种迅速生长、健壮，能在比较短周期内充分发挥产生菌合成发酵产物能力，但要注意成本和能耗。
黑曲霉3．350发酵培养基配方：豆饼粉 3.75％，玉米粉0.625％，鱼粉 0.625％，氯化铵 1.0％，氯化钙 0.5％，磷酸二氢钠0.2％，豆饼石灰水解液10％，pH 5.5。
3.4 补料培养基
黑曲霉3．350发酵培养基配方：豆饼粉 37.5％，玉米粉0.625％，鱼粉 0.625％，氯化铵 1.0％，氯化钙 0.5％，磷酸二氢钠0.2％，豆饼石灰水解液10％，pH 5.5。重要加大豆饼粉量，起补充碳源，氮源和生长因子之用。

4 .灭菌
生物化学反映过程中，特别是细胞培养过程中，往往规定在没有杂菌污染状况下进行，这是由于生物反映系统中普通具有比较丰富营养物质，因而很容易受到杂菌污染，进而产生各种不良后果：
（1）由于杂菌污染，使生物化学反映基质或产物消耗，导致产率下降；
（2）由于杂菌所产生某些代谢产物，或污染后发酵液某些理化性质变化，使产物提取变得困难，导致收得率减少或使产品质量下降；
（3）污染杂菌也许会分解产物而使生产失败；
（4）污染杂菌大量繁殖，会变化反映介质pH，从而使生物化学反映发生异常变化；
（5）发生噬菌体污染，微生物细胞被破裂而使生产失败等。
4.1 灭菌办法
所谓灭菌，就是指用物理或化学杀灭或去除物料或设备中一切有生命物质过程。惯用灭菌办法有：化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌和过滤灭菌等。本设计采用湿热灭菌。
4.2 培养基持续灭菌

图4-1 持续灭菌流程图

培养基持续灭菌为在短时间内被加热到灭菌温度（130℃~140℃），短时间内保温（普通为5~8min）,升降温时间相对较短，可以实现自动控制、提高发酵罐设备运用率，蒸汽用量平稳等长处，培养基在短时间内被加热到灭菌温度，短时间保温后迅速冷却，再进入早已灭完菌发酵罐，这样不但可以节约时间，更重要是减少了培养基破坏率。对补料培养基灭菌办法跟发酵培养基灭菌办法同样都是湿热灭菌，其加热蒸汽压力规定较高，普通不不大于0.45MPa。持续灭菌流程如上图。
影响灭菌效果因素有：微生物种类和数量；培养基性质、浓度、成分；灭菌温度和时间。
灭菌原理：对数残留定律（对培养基进行湿热灭菌时，培养基中微生物受热死亡速率与残存微生物数量成正比）。
4.3 空气灭菌
此课题以空气为氧源。依照国家药物质量管理规范规定，生物制品、药物生产场地业需要符合空气干净度规定。获得无菌空气办法有：辐射灭菌、化学灭菌、加热灭菌、静电除菌、过滤介质除菌等。
过滤介质除菌是当前发酵工业中空气除菌重要手段，惯用过滤介质有棉花、活性炭或玻璃纤维、有机合成纤维、有机和无机烧结材料等。
4.3.1 过滤除菌流程及设备
过滤除菌流程图如图4-1所示：

1-粗过滤器；2-压缩机；3-贮罐；4，6-冷却器；5-旋风分离器；7-丝网除沫器；8-加热器；9-空气过滤器
图4-1 空气除菌设备流程图
4.3.2 无菌空气检查
无菌检查办法有肉汤培养法、斜面培养法和双碟培养法。这里采用斜面培养法进行无菌空气检查，详细办法为：500ml三角瓶内装斜面培养基50ml，接种后置旋转式摇床上，30℃下培养24h后观测有无菌落形成。
4.4 发酵罐灭菌
发酵罐灭菌可采用空罐灭菌，此处采用空罐灭菌。空罐灭菌是将所有通气口都稍微打开，然后通入水蒸汽，让水蒸汽尽量通过每一种菌落达到灭菌效果。详细办法是：在121℃灭菌80分钟。
5．种子扩大培养
本发酵属于一级种子罐扩大培养，二级发酵。设计流程图如图5-1：
发酵罐
种子罐

锥形瓶
斜面

图5-1 种子扩大培养流程图

5.1 种子制备
将菌种接种于活化斜面培养基培养，30℃活化24h。活化后菌种用生理盐水洗下，转接于摇瓶种子培养基，接种量5%~6%，30℃培养12h。经摇瓶培养后种子，以接种量5%接种于种子罐，30℃培养12h，菌种浓度达到108~109个/mL。
5.2 发酵罐培养
将扩大培养后菌种以5%接种量接入发酵罐中，发酵温度控制在30℃，罐压0.5㎏/cm2，发酵过程中通过流加Na0H溶液控制发酵液pH。依照菌体浓度、pH决定详细发酵时间为35.5h。发酵过程中采用自动搅拌器，将转速控制在100r/min，使流加碱液与发酵液迅速混合均匀。

6．发酵罐设计
广东省微生物研究所通过变化摇瓶装液量和转速来考察溶氧对黑曲霉菌种影响。实验成果表白：在250ml三角瓶中装液量为100ml，转速150r/min酶活最高，装液量过多或过少，产酶量较低。摇床转速较低时，通气量不够，生长较慢，产酶量也低。当摇床转速过快时，产酶量也不高，也许是菌丝断裂过度。培养基中营养重要被菌体用于自身生长。
此课程设计中选取使用机械搅拌式通风发酵罐。机械搅拌通风发酵罐是发酵工厂最惯用类型。它是运用机械搅拌器作用，使空气和发酵液充分混合，促使氧在发酵液中溶解，以保证供应微生物生长繁殖、发酵所需要氧气。
6.1 发酵罐构造
机械搅拌式通风发酵罐重要构成部件有：罐体、搅拌器、轴封、消泡器、联轴器、中间轴承、空气吹泡管(或空气喷射器)、挡板、冷却装置、人孔以及管路等。
6.2 发酵罐罐体几何尺寸计算
1.发酵罐普遍H0/D=1.97，而酸性蛋白酶对空气有一定规定，为了使之更大面积接受氧气，黑曲霉所用发酵罐设计为矮胖形，即：H0/D=1.63，从通风角度讲，空压机为无油润滑一级压缩，出口压力0.3MPa。压缩空气通过约60m米以上路程才送到发酵车间，管道阻力加上空气过滤器阻力，空气压降厉害，若大型发酵罐再设计成瘦高形，势必会增长液柱高度，直接影响到进罐通风管口空气压头和流速，若空压机房贮气筒压头稍有波动产生下降，发酵罐进风口风速无喷力，对供气量及溶氧带来不利影响。因此大型发酵罐设计成矮胖形可减少液柱高度，有利通风溶氧。
2.发酵罐上下封头采用十二块西瓜片拼装而成，顶部中心太阳板直径Φ1800，在现场施工拼装，解决了封头整体成形无法运送困难。
3.传动部采用卧式电动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。既减少了设备安装高度，又给安装维修带来了很大以便，如图：
图6-1 传动部卧式电动机联轴图

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，构造简朴，维修以便，普通只有伞齿轮及进轴、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，构造复杂、行星轮坏很难修理。
4.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，轴承上端轴头由夹壳联轴节与减速箱出轴联接。设计少放一部轴承减少传动架约米高度，增强了减速箱及电机在罐顶上稳定性。罐内设计放二部轴瓦来定位罐内轴与上主轴同心度，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。
5.对发酵罐来讲，冷却面积及冷却管设计非常重要，既要考虑排作形式，又要起到最佳冷却效果，还要便于安装维修。设计中采用盘管式，列管式同步采用做法，加设盘管组相对来讲好布置，可运用盘管间之间隙当楼梯用，给安装及此后维修带来很大以便。加设列管组可弥补全用盘管时需用冷却面积管量放不下和盘管无档板作用缺陷。考虑罐径大，放热量集中冷却效果一定要好,因此又在冷却管合理进出水上做文章，采用快进快出接管法，就是把盘管列管提成多组，使冷却水提成多路进多路出，以水在冷却管内1.5米/秒停留1分钟来分组。与发酵液热互换后热水汇集总管进热水池、再用泵送冷却塔，冷却后水进冷水池,由泵供送发酵罐进水用。原则冷却塔循环水量要不不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需要,如图
图6-2 发酵罐冷却管设计

6.搅拌桨叶形式及档次直接影响到产酸及搅拌功率，由于罐体矮胖形，罐径大,，设计采用大桨叶，低转速。底道桨Φ1900，八弯叶，中道桨小，六弯叶，转速65r.p.m。因此，采用高通风，大桨叶，低转速搅抖,可减少搅拌功率，同样达到高产酸效果。桨叶叶片做成可装拆式，部件拿进罐内后组装，用不锈螺栓把叶片锁紧在园盘上，给运送安装带来以便，司时罐顶人孔可缩小，开Φ600即可。
八万叶轮尺寸如下：
叶径d=0.365D=0.365×5200=1900mm，
盘径d=0.62d=0.62×1900=1175mm，
叶片高h=0.15d=0.15×1900=280mm，
叶片弧长L=0.4d=0.4×1900=760mm，
风管：罐压：0.02MPa，罐温：35℃，培养基量：最大通风比1：0.38时120 m3。
液柱高度：H=7.3米，风管出口压P=0.193MPa。
贮气筒压头P（供气最低压力）：空气输送管道阻力0.02MPa，二级空气过滤器阻力0.04MPa。故P=0.02+0.04+0.193=0.253MPa（绝对压力）
7.进风管采用盘管式（管径依照通风量计算，在盘管上放二付不锈法兰，便于安装及此后清洗，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Φ4~6，交叉排列、这样有助于罐底部液体搅拌和通风，且不易被固体物堵塞，孔数依照盘管内截面积计算，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。

8.罐体支座设计成由六根园柱脚支承整台罐体放在盆形水泥墩上，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。避免了裙座导致罐底难清洗，死角多，长杂菌、难消毒缺陷。整台罐底下通风好，阳光照，清洗消毒非常以便。
9.运用下轴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，使用安全可靠性。
6.3 发酵罐壁厚
6.3.1 罐体壁厚
δ1=pD/(2σψ-p)+C （6-2）
式（6-2）中：p—耐受压强（取0.25MPa）
ψ—焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0
σ—设计温度下许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃,137 MPa）
C—腐蚀裕度，当 δ- C<10mm时，C=3mm
解得罐体壁厚
δ1=pD/(2σψ-p)+C=0.25×1500/（2×137×0.8-0.25）+3=4. 7 mm
取整为δ1=5 mm
6.3.2 封头壁厚
δ2=pDy/(2σψ) +C （6-3）
式（6-3）中：p—耐受压强（取0.25MPa）
y—开孔系数，取2.3
ψ—焊缝系数，双面焊取0.8，无缝焊取1.0
σ—设计温度下许用应力（不锈钢焊接压力容器许用应力为150℃,137 MPa）
C—腐蚀裕度，当 δ- C<10mm时，C=3mm
解得封头壁厚
δ2=pDy/(2σψ)+C=0.25×1500×2.3/（2×137×0.8）+3=6.9 mm
取整为δ2=7 mm
6.4 发酵罐个数拟定
已知年产量为1000吨，一年有300个工作日，黑曲霉发酵周期T=48h=2d，其中清理发酵罐1天，产量为50 g/L，罐压0.5㎏/㎝2。查有关资料有：酸性蛋白酶发酵周期48h，清理及维修发酵罐时间为1天，则发酵总时间为3天，产量为50g/L,灭菌时间为5h，发酵液预解决收率约为90 %，提取时收率约为95%，浓缩干燥收率为90%，装料系数为60%
一年需放罐次数：300÷3=100次
每批次产酸性蛋白酶1000/100=10吨
总提取率为：90 %×95%×90 %=76.95%
假设用一台发酵罐，则发酵罐体积V=10×1000/76.95%/60%/50=433.2 m3
选发酵罐公称体积为200 m3，则需要发酵罐3个，则购买4台发酵罐，一台备用。
6.5 发酵罐附属构造计算
6.5.1 搅拌器
搅拌桨叶形式及档次直接影响到产酸及搅拌功率，由于罐体矮胖形，罐径大,，设计采用大桨叶，低转速。底道桨Φ1900，八弯叶，中道桨小，六弯叶，转速65r.p.m。因此，采用高通风，大桨叶，低转速搅抖,可减少搅拌功率，同样达到高产酸效果。桨叶叶片做成可装拆式，部件拿进罐内后组装，用不锈螺栓把叶片锁紧在园盘上，给运送安装带来以便，司时罐顶人孔可缩小，开Φ600即可。
八万叶轮尺寸如下：
叶径d=0.365D=0.365×5200=1900mm，
盘径d=0.62d=0.62×1900=1175mm，
叶片高h=0.15d=0.15×1900=280mm，
叶片弧长L=0.4d=0.4×1900=760mm，
风管：罐压：0.02MPa，罐温：35℃，培养基量：最大通风比1：0.38时120 m3。
液柱高度：H=7.3米，风管出口压P=0.193MPa。
贮气筒压头P（供气最低压力）：空气输送管道阻力0.02MPa，二级空气过滤器阻力0.04MPa。故P=0.02+0.04+0.193=0.253MPa（绝对压力）
6.5.2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)，选用光滑密封面平盖手孔APNl，DN250 JB/T589-1979。
视镜：由原则《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：加强套管温度计选用可以参照生产厂家产品目录，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(《板式平焊钢制管法兰》)。
工艺接管：(《钢制管法兰型式、参数(欧洲体系)》)。
进料管口采用Ф57×3.5无缝钢管，配法兰PNo.6，DN50，HG20592-1997出料管口采用Ф76×4无缝钢管，配法兰PNo.6，DN65，HG20592-1997
加热蒸汽进口管采用Ф38×3.5无缝钢管，配法兰PNO．6，DN32，HG20592-1997
冷凝液出口管和压力表接管都选用Ф32×3.5无缝钢管，配法兰PNO.6，DN25，HG20592-1997
安全阀接管采用Ф45×3.5无缝钢管，配法兰PNO.6，DN40，HG20592-1997
6.6发酵设备一览表
通过设备工艺设计计算，可列出淀粉酶生产所有设备，如表4-1
表6-6 1000t/a酸性蛋白酶生产车间设备一览表
序号
设备名称
台数
规格与型号
材料
1
发酵罐
6
公称容积200m3,5200mm
A3钢
2
种子罐
3
公称容积5m3,1400mm
A3钢
3
种子罐分过滤器
3
40mm
A3钢
4
发酵罐分过滤器
6
300mm
A3钢
5
连消塔
1
350×2600mm
A3钢
6
维持罐
1
V=4m3
A3钢
7
喷淋冷却器
1
F=171.9m2
A3钢
8
螺旋板换热器
1
F=20m2
A3钢
9
预解决罐
3
V=100m3
A3钢
10
硅藻土过滤机
3
WK500-A
A3钢
11
真空浓缩锅
1
SZN—1200
A3钢
12
盐析罐
1
V=50m3
A3钢
13
板框压滤机
5
XYJ800
A3钢
14
物料泵
4
GNF64×4
机体铸铁
15
清水泵
4
JL×20-36-G
机体铸铁
16
空气压缩机
3
4L-40/2-3.2
A3钢
17
空气贮罐
1
1300mm
A3钢
18
油水分离器
1
600mm
A3钢
19
丝网分离器
1
120mm
A3钢
20
热互换器
4
JM220QF
A3钢

7．发酵车间物料衡算
7.1 工艺技术指标及基本数据
7.1.1 重要技术指标见表7-1
表7-1黑曲霉重要技术指标
指标名称
单位
指标数
指标名称
单位
指标数
生产规模(G)
t/a
1000
产品纯度
%
95
年生产天数(D)
d/a
300
接种量
%
5
产品质量(U)
IU/mg
50
发酵罐装料系数(η1)
%
60
倒罐率(η0)
%
2.0
放罐发酵单位(Um)
IU/ml
8000
发酵周期(T)
d
3
提取总收率(η2)
%
77

7.1.2 培养基（g/L）
黑曲霉3．350发酵培养基配方：豆饼粉 3.75％，玉米粉0.625％,鱼粉 0.625％ ,氯化铵 1.0％,氯化钙 0.5％ ,磷酸二氢钠0.2％,豆饼石灰水解液10％，pH 5.5.
菌种培养基配备：查氏培养基NaNO3 2g，KHPO4 1g，KCl 0.5g，MgSO4 5g，FeSO4 0.01g，蔗糖 30g，琼脂 15g，水 1000ml，pH 自然。
7.2 发酵车间物料衡算
7.2.1 放罐成熟发酵液量
成熟发酵液放罐单位为Um=8000IU/mL，生产G=1000t酸性蛋白酶发酵液量为：
V0=(G×U)/(Um×η2×98%×95%) （7-1）
式（7-1）中：G—生产规模
U—产品质量
Um—放罐发酵单位
95%—产品纯度
98%—除去倒罐率2%后发酵成功率
7.2.2 放罐成熟发酵液量V0分为三某些构成
底料 V1=156960×84%=131846.4m3
种液量 V2=156960×5%=7848m3
补料液 V3=156960×11%=17265.6m3
7.2.3 培养基各组分耗用量
豆饼粉耗用量： m1=3.75％×156960=5886
玉米粉耗用量： m2=0.625％×156960=981,
鱼粉耗用量： m3=0.625％×156960=981
氯化铵耗用量： m4=1.0％×156960=1569.6
氯化钙耗用量： m5=0.5％×156960=7784.8
磷酸二氢钠耗用量： m6=0.2％×156960=313.92
豆饼石灰水解液耗用量：m7=10％×156960=15696
pH 5.5
7.3物料衡算表
表7-3 1000t/a黑曲霉发酵生产物料衡算表
物料名称
1000 t/a黑曲霉生产物料量
每周期物料量
豆饼粉/㎏
玉米粉/㎏
鱼粉/㎏
氯化铵/㎏
氯化钙㎏
磷酸二氢钠/㎏
豆饼石灰水解液/㎏
HCI
5886
981
981
1569.6
7784.8
313.92
15696
据状况而定
588.6
98.1
98.1
156.96
778.48
31.392
156.96
据状况而定
7.4 简朴物料衡算
放罐发酵单位Um=8000IU/mL，折合成产量为50g/L，折合系数为k=1.6×105 IU/g。
本设计采用3个发酵罐，每个为200m3，酸性蛋白酶产量50g/L，提炼总收率为95%，装料系数为60%，浓缩干燥收率为90%，产品纯度为95%，则：
每个发酵罐在一种发酵周期中酸性蛋白酶产量为：
200×50×95%×60%,90%×95%=4873.5㎏
那么3个发酵罐一年总产量为：
（4873.5×300/3）×3=1462050㎏=1462.05t
在后期损耗合理状况下，故符合年产1000t生产规定。

8．发酵过程工艺控制
8.1 发酵过程补料方略
中间补料是在发酵过程中补充某些营养物料、水或产酶增进剂，以满足微生物代谢活动和产酶需要。由于黑曲霉发酵周期短，故采用补料分批发酵。在补料分批发酵中，初始发酵培养基中玉米粉浓度为3.75g/100ml,从发酵第3h开始恒速（200L/h）补入原培养液，其中玉米粉浓度变为原料液十倍37.5g/100ml，每隔1h取样一次，不适当处加以微调。
8.2 发酵过程pH值控制
各种微生物需要在一定pH环境中方能正常生长繁殖。
黑曲霉酸性蛋白酶最适pH是2.5~2.7，但黑曲霉3．350发酵产生酸性蛋白酶培养基最初浓度应调节为4.5~5.5左右。普通控制在5.5。
8.3 发酵过程温度控制
温度对微生物生长、产物合成和代谢调节有重要作用。温度变化一方面影响各种酶反映速率和蛋白性质，另一方面影响发酵液物理性质。不同菌种有着不同最适温度。黑曲霉发酵温度控制在30℃左右最适当。
8.4 发酵过程溶氧控制
液体深层培养中大某些微生物在合成蛋白酶时需要强烈搅拌通风。氧是黑曲霉生物合成酸性蛋白酶必要，通风量较大对产酸性蛋白酶有利，通风气量局限性对黑曲霉菌丝体生长无明显影响，但对酶产量有严重影响，通风量对产酶影响在培养前期更为明显，短暂停止通风搅拌会导致酶产量急剧下降。因而发酵工程中应控制好通风量，0~24h为1:0.25,24~48h为1:0.5,48h至结束为1:1.0，发酵周期为72h左右。
8.5发酵过程氧载体控制
在发酵过程中，在发酵培养基中加入正十二烷、全氟化碳，液态烷烃(为12—16碳直链烷烃混合物)等氧载体，使培养基中氧传递速度加快，产气愤泡少，剪切力小，能明显提高菌株产酸性蛋白酶量。
8.6发酵过程染菌控制
在工业发酵中，染菌轻则影响产品质和量、重则倒罐或停产、影响工厂效益。因而要严格规定无菌操作，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。
也许浮现异常发酵现象：
（1）培养基变稀：也许是噬菌体污染或营养成分缺少，也也许是设备渗漏或灭菌完毕后冷凝水过多；
（2）培养基过浓：会抑制微生物生长，考虑也许是污水污染、灭菌时水分散失过多，或微生物生长速率过慢；
（3）耗糖慢：也许是环境问题，或种子生长能力减少，检测种子与否衰退，发酵条件与否适当，以及营养成分与否全面，特别注意缺磷；
（4）pH值不正常：用缓冲对来调节，检查与否染菌，碳氮比与否适当；
（5）生长缓慢：最也许因素就是营养成分局限性或细胞自身浮现问题。

9．下游加工
下游加工过程是生物工程一种构成某些，是生物化工产品通过微生物发酵过程、酶反映过程或动植物细胞大量培养获得，以上述发酵液、反映液或培养液分离、精制关于产品过程。
9.1 下游加工工艺流程
将发酵液过滤得到滤液，然后加入单宁酸沉淀，离心得到酸性蛋白酶与单宁酸复合物，其后加入相对分子质量为6000聚乙二醇溶液，搅拌，离心，去滤液，加入糖用活性炭脱色，得到浅黄色酶液，先用乙醇沉淀，后加入硫酸铵盐析，得到湿晶体，干燥后得到浅色酶，磨粉，制得浅色酶粉，成品加工成工业用酶制剂。

10.总结和讨论
通过本次课程设计,大量翻阅关于资料，进一步掌握了《发酵工程》课程基本知识，掌握了发酵工艺设计要点及其有关工程设计要点，锻炼了自己初步发酵工程工艺及设备独立设计能力；培养了综合运用所学理论知识独立分析和解决发酵工程实际问题实践能力。
本次课程设计中依然存在许多局限性和缺陷,例如说提炼总收率不是很高。跟其她发酵产品相比，酸性蛋白酶产量不是很高，为了增长酸性蛋白酶产量，咱们还要做出诸多努力，运用各种遗传学技术手段变化生产菌株特性，或者通过过程控制法控制乳链菌肽发酵过程来进一步提高乳链菌肽产量，以满足广大民众对乳链菌肽需求。
在本次设计过程中贾万利教师和多位教师予以了大力指引和协助和支持，这才使得我可以顺利地完毕课程设计。在此，我对课程设计所有教师表达诚挚感谢！

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