生物设备 年产1000t淀粉酶工艺设.doc

吉林工程技术师范学院
食品工程学院

课 程 设 计

课程名称：生物工程设备与分离技术
学生姓名：尤吉吉
班 级：生物工程1241
学 号：27

II

1TPM发酵液中提取纯化工艺设计

学生姓名：王杏
学 号：29
指导教师：张雁南，孙洪雁，刘晓秋
专业名称： 生物工程
完成时间： 2011年11月

目 录
摘　　要 I
Abstract II
1 绪 论 1
1.1 α-淀粉酶的概述及应用 1
1.1.1 α-淀粉酶的概述 1
1.1.2 α-淀粉酶的应用 1
1.2 α-淀粉酶的市场情况 2
1.3 本课题研究的意义及内容 3
1.3.1 本课题研究的意义 3
1.3.2 本课题研究的内容 3
2 α-淀粉酶的生产工艺流程设计 4
2.1 生产方案的选择 4
2.2 生产工艺流程的设计 4
2.3 工艺流程简述 6
2.3.1 生产菌种 6
2.3.2 培养基 6
2.3.3 无菌空气制备 7
2.3.4 菌种培养 7
2.3.5 发酵罐发酵 7
2.3.6 发酵液预处理 8
2.3.7 α-淀粉酶盐析过程 8
2.3.8 湿酶干燥 8
3 工艺计算 9
3.1 物料衡算 9
3.1.1 工艺技术指标及基础数据 9
3.1.2 原料消耗的计算 9
3.1.3 盐析过程硫酸铵消耗量计算 11
3.1.4 物料衡算表 11
3.2 热量衡算 11
3.2.1 连续灭菌和发酵工序热量衡算 11
3.2.2 发液预处理热量衡算 14
3.2.3 真空浓缩的热量衡算 14
3.2.4 淀粉酶干燥过程的热量衡算 16
3.3 用水量计算 17
3.3.1 连续灭菌工序的用水量 17
3.3.2 发酵工序的用水量 17
3.3.3 洗涤滤饼的用水量 17
3.3.4 无菌空气制备过程用水量 17
3.3.5 清洗设备用水量 18
3.3.6 清洗车间用水量 18
3.4 无菌空气消耗量计算 18
3.4.1 发酵过程无菌空气的消耗量 18
3.4.2 种子培养等其他无菌空气耗量 18
3.4.3 高峰期无菌空气的消耗量 19
3.4.4 发酵车间年用气量 19
3.5 用电量计算 19
3.5.1 通风发酵罐耗电量 19
3.5.2 过滤机所耗电量 19
3.5.3 泵的耗电量 19
3.5.4 空气压缩机耗电量 19
3.5.5 照明用电估算 20
3.5.6 每天总耗电量 20
4 设备的工艺计算及选型 21
4.1 发酵罐的设计 21
4.1.1 发酵罐个数的确定 21
4.1.2 发酵罐尺寸的确定 21
4.1.3 发酵罐冷却面积的确定 22
4.1.4 搅拌器的设计 23
4.2 种子罐的设计 24
4.2.1 种子罐发酵液量 24
4.2.2 种子罐个数的确定 24
4.2.3 种子罐尺寸的计算 24
4.3 过滤机的选型 24
4.3.1 硅藻土过滤机的选型 24
4.3.2 板框压滤机的选型 25
4.4 真空浓缩锅的设计 25
4.4.1 浓缩锅直径的计算 25
4.4.2 浓缩锅高度计算 26
4.5 无菌空气设备的选型 27
4.5.1 空气压缩机的选型 27
4.5.2 空气贮罐设计 27
4.5.3 油水分离器的选型 28
4.5.4 丝网分离器的选型 28
4.5.5 空气分过滤器的选型 29
4.6 泵的选型 31
4.6.1 物料泵的选型 31
4.6.2 清水泵选型 31
4.7 车间管路的选型 31
4.7.1 管径的计算 31
4.7.2 物料管的选择 32
4.7.3 自来水管的选择 32
4.8 设备一览表 33
5 车间布置设计 34
5.1 生产车间工艺布置设计 34
5.1.1 发酵车间组成 34
5.1.2 车间布置原则 34
5.2 生产车间非工艺布置设计 34
5.3 车间布置及结构 35
6 环境保护与安全生产 36
6.1 污染源 36
6.2 三废及噪声的处理 36
6.2.1 废气处理和利用 36
6.2.2 废水的处理 36
6.2.3 废渣的处理 36
6.2.4 噪声的处理 37
6.3 节能减排 37
7 项目经济分析 38
7.1 投资估算 38
7.2 技术经济分析 38
7.2.1 工厂成本 38
7.2.2 工厂可获得的毛利 39
7.2.3 税金 39
7.2.4 最终纯利润 39
结 论 40
参考文献 41
致　　谢 42

第一章 项目总论
1.1 a-淀粉酶的相关介绍
1．1.1 a-淀粉酶的特性

a-淀粉酶的标准名称是:a一1，4一葡聚糖一4一葡聚糖水解酶，分子量为50000左右，它是一种内切酶，作用于淀粉时以无规则的方式切开淀粉分子内部的a一1，4糖苷键，而使淀粉分子迅速降解，生成糊精、低聚糖、麦芽糖及少量葡萄糖等。同时会使淀粉失去粘性并产生与碘反应变蓝的显色反应，使水解产物的还原性增加。由于作用产物末端的葡萄糖残基C;碳原子为a一构型，故称为a一淀粉酶。a一淀粉酶的这种作用在工业上称为淀粉。米黄色、灰褐色粉末能水解淀粉中的α-1,4,葡萄糖苷键，在催化水解α-1,4-糖苷键 只能催化水解直链淀粉，生成α-麦芽糖和少量葡萄糖。能将淀粉切断成长短不一的短链糊精和少量的低分子糖类，从而使淀粉糊的黏度迅速下降，即起到降低稠度和“液化”的作用，所以此类淀粉酶又称为液化酶。作用温度范围60-90℃，最适宜作用温度为60-70℃，作用pH值范围5.5-7.0，最适pH值为6.0。Ca2+具有一定的激活、提高淀粉酶活力的能力，并且对其稳定性的提高也有一定效果。
1.1.2 a-淀粉酶的现状
国内α-淀粉酶类的生产和应用  1965年，我国开始应用淀粉芽孢杆菌BF-7658生产α-淀粉酶，当时只有无锡酶制剂厂独家生产。1967年杭州怡糖厂实现了应用α-淀粉酶生产饴糖的新工艺，可以节约麦芽7％～10％，提高出糖率10％左右。1964年我国开始了酶法水解淀粉生产葡萄糖工艺的研究。l979年 9月通过了酶法注射葡萄糖新工艺的鉴定，并先后在华北制药厂、河北东风制药厂、郑州嵩山制药厂等单位得到应用，取得了良好的经济效益。与传统的酸法相比可以提高收率10％，降低成本15％以上。另外我国以酶法进行柠檬酸生产、谷氨酸发酵、糖化制啤酒、酒精发酵、黄酒酿造、酱油制造、醋生产等方面也已经研究成功并投入生产。
国内有代表性的研究单位有：四川大学，主要研究α-淀粉酶的生产菌株及其培养条件；江南大学，主要研究α-淀粉酶的结构以及应用性能，如耐热性、耐酸性；西北大学，主要研究α-淀粉酶的变性机理以及环境对α-淀粉酶的影响；华南理工大学，主要研究α-淀粉酶的固定化和动力性质；还有华中农业大学，中国科学院沈阳应用生态研究所，天津科技大学，南开大学生命科学学院，中国农业科学院，中国科学院微生物研究所等多家研究机构对多种α-淀粉酶生产菌的α-淀粉酶基因进行了克隆以及表达研究。
国外α-淀粉酶研究现状  目前，除开展大量常规诱变育种工作外，国外已初步搞清了产α-淀粉酶的调控基因，探讨了有关转导转化和基因克隆等育种技术。将枯草芽孢杆菌重组体的基因引入生产菌株，使一淀粉酶产量提高7～10倍，并已应用于食品和制酒工业，给选育高产α-淀粉酶菌株开创了新的途径。
1.1.3a-淀粉酶的工业应用与前景
①面包焙烤工业，作为保鲜剂。②淀粉的液化作用和糖化作用，α-淀粉酶的主要市场是淀粉水解的产物，如葡萄糖和果糖。由于他们的高甜度，被用于饮料工业中软饮料的甜味剂。这个液化过程就用到在高温下热稳定性好的α-淀粉酶淀粉酶。③纤维脱浆，淀粉脱浆可以利用α-淀粉酶，它能有选择性的去除淀粉浆而不伤害纱线纤维，还能随机的使淀粉降解为易溶于水的糊精，因而容易被洗掉。④造纸工业，淀粉酶在造纸工业中的用途主要是改良纸张涂层淀粉。自然界的淀粉浓度对于纸张上浆来说太高，可以利用α-淀粉酶部分降解淀粉来节。⑤除垢剂中的应用，酶在除垢剂中最大的功能就是使除垢剂更温和无害。α-淀粉酶从1975年就被应用于洗衣粉。α-淀粉酶对Ca2+过于敏感，在低Ca的环境下稳定性很差，这限制了α-淀粉酶在除垢剂中的应用。⑥制药和临床化学分析，随着生物工程的不断发展，淀粉酶的应用涉及到许多其他领域，比如临床，制药和分析化学。
α-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α-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过蛋白质工艺改良得到。得益于现代生物技术的发展，α-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，α-淀粉酶在这些领域的需求仍然是最大的。α-淀粉酶的研究将趋向于特定领域，在酶工程、基因工程、蛋白质工程等领域依然有广阔的前景，更加专一的α-淀粉酶也将会大规模地出现，比如耐高温、耐酸、耐碱等。
1.1.4 a-淀粉酶的提取分离工艺概括
目前酶的分离提纯技术日益成熟，酶的分离纯化一般包括三个基本步骤：即抽提、纯化、结晶或制剂。首先将所需的酶从原料中引入溶液，此时不可避免地夹带着一些杂质，然后再将此酶从溶液中选择性地分离出来，或者从此溶液中选择性地除去杂质，然后制成纯化的酶制剂。以下是一些概括：
细胞破碎:机械破碎法(捣碎、研磨、匀浆等)、物理破碎法(温度差、压力差、超声波等)(多用于微生物)、化学破碎法(使用甲苯、丙酮、氯仿等有机溶剂以及特里顿、吐温等表面活性剂)和酶促破碎法等等。
酶的提取:使用盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶剂等
沉淀分离:盐析沉淀.等电点沉淀.有机溶剂沉淀.复合沉淀.选择性变性沉淀
离心分离：注意:离心机、离心方法、离心条件等。
过滤与膜分离:非膜过滤(粗滤、部分微滤)、膜过滤（大部分微滤、反渗透、透析、电渗析、）。
层析分离:吸附、分配、离子交换、凝胶、亲和、层析聚焦等。
电泳分离:纸电泳.薄层电泳、薄膜电泳、凝胶电泳、自由电泳、等电聚焦等。
萃取分离:有机溶剂、双水相、超临界、反胶束等。
浓缩结晶:盐析、有机溶剂、透析、等电点、温度差、金属离子等。
干燥成品:真空、冷冻、喷雾、气流、吸附等技术方案
42
α-淀粉酶的生产工艺流程设计
2.1 生产方案的选择
在酶制剂发展的早期，都是从动植物原料中提取酶，但是由于它们的生长周期长，又受地理、气候和季节等因素的影响，来源受到限制，所以不适于大规模的工业生产。而微生物具有种类多、繁殖快、容易培养、代谢能力强等特点，因此目前一般都是以微生物作为生产酶的酶源。
微生物发酵法产酶的方式主要包括固体发酵法和液体发酵法。固体厚层通气发酵法与液体深层通气发酵法相比各有其利弊。固体发酵法易受杂菌污染，因此所产酶的纯度较差，固态原料利用率较低，又因固体发酵的条件控制不易均匀，所产酶的质量难以稳定，生产劳动强度大，占用场地也多。不过固体发酵具有设备简单、投资少、钢材用量少等优点[17]。液体深层通气发酵法需要一定的设备和技术条件，动力消耗也较大，但该法的液态培养基的流动性大，对工艺条件如温度、溶氧、pH和营养成分等控制较容易，有利于自动控制，同时在密闭的发酵罐内进行纯种发酵，因而产酶纯度高，质量也较稳定，此外该方法还具有机械化程度高、劳动强度小、设备利用率高等优点[1]。所以基于多方面的考虑，本工艺采用液体深层通气发酵法。
2.2 生产工艺流程的设计

热处理
空气进口
粗过滤器
空气压缩机
贮气罐
一次冷却器
旋风分离器
丝网分离器
加热器
二次冷却器
总过滤器
分过滤器
试管斜面菌种
孢子斜面
孢子悬浮液

种子罐
发酵罐
补料罐
盐析
压滤
干燥
粉碎
混粉
成品
硫酸铵
硫酸铵废液
填充料
原料
连续灭菌

2.3 工艺流程简述
2.3.1 生产菌种
国内外生产α-淀粉酶所采用的菌种主要有细菌和霉菌两大类，典型的有芽孢杆菌和米曲霉。芽孢杆菌主要用于液体深层通风培养法大规模地生产α-淀粉酶，我国常采用枯草杆菌BF-7658生产α-淀粉酶，细菌呈短杆状，革兰氏阳性菌，两端钝圆，单独或成链状，在肉汁表面可生成菌膜，用马铃薯琼脂或淀粉琼脂试管斜面培养基，在37℃的恒温箱中培养24～28h，此时，培养基上菌落呈乳白色，表面光滑湿润，略有光泽，无皱纹，有黏稠性，用碘液试之细菌周围呈透明圆。菌种置于4℃的冰箱中保存使用，每两个月移种一次。
2.3.2 培养基
淀粉蛋白胨培养基：可溶性淀粉2%，蛋白胨1%，NaCl 0.5%，琼脂2%，pH6.7～7.0。
马铃薯琼脂培养：200g去皮马铃薯，加水煮沸1h，过滤定量到1000mL，加MgSO4 5mg、琼脂20g，pH6.7～7.0。
种子培养基和发酵培养基：见表2-1[3]。
表2-1 种子和发酵培养基配方 单位：%
培养基成份
种子罐
发酵罐
基料
补料
总量
豆饼粉
4
7.2
5.2
6.7
玉米粉
3
5.6
22.4
9.3
Na2HPO4
0.8
0.8
0.8
0.8
(NH4)2SO4
0.4
0.4
0.4
0.4
CaCl2

0.13
0.4
0.2
NH4Cl
0.15
0.13
0.06
0.118
豆油
0.15

α-淀粉酶

10～15万单位
100万单位
100万单位
pH
自然
自然
自然

2.3.3 无菌空气制备
好氧微生物的生长繁殖和产酶是需要氧气的。液体深层通风发酵过程中微生物生长所需要的氧气是由通入的无菌空气溶入液体的溶氧所提供的。一般地，发酵生产对空气无菌度的要求是10-3/罐，即1000罐发酵所用的无菌空气中只允许通过一个杂菌为准[14]。
发酵过程空气过滤除菌一般采用二级过滤器过滤，从各个空气压缩机排出的空气经降温除湿后先经一个总过滤器进行预过滤，然后进入发酵车间，通入各个种子罐和发酵罐前还要进行第二级即分过滤器过滤。
本工艺选择最常用、较保险的两级冷却、分离、加热除菌的无菌空气制备流程。从空气压缩机出来的空气一般压力在1.96×105Pa以上，温度在120～150℃，先冷却到适当的温度除去油和水，然后再加热。通常第一级冷却到30～35℃，第二级冷却到20～25℃。除水后，空气的相对湿度仍是饱和的，可用加热的办法把空气的相对湿度降到50%～60%，一般加热到30～35℃，以保证过滤器的正常运行，同时不增加发酵罐的热负荷[4]。
2.3.4 菌种培养
扩大培养：将试管斜面的菌种接到马铃薯三角瓶斜面培养基上，在37℃恒温箱中培养72h左右，然后置4℃冰箱中贮存待用。接种时加入350mL的无菌水，制成孢子悬浮液，接入种子罐中。
种子培养：种子培养基在120℃蒸汽的条件下灭菌30min，接入种子后，在37℃、搅拌速度300r/min、通气量1:1.3的条件下培养14h左右。此时镜检细菌密集，菌体粗壮整齐。当pH达到6.3～6.8，酶活为5～10U/mL时，结束培养，作为种子待用。在种子培养过程中，调节硫酸铵的用量对种子活力有着较重要的影响，国为NH4+对酶有抑制和激活作用。
2.3.5 发酵罐发酵
发酵培养基在120℃蒸汽的条件下灭菌50min。接入种子后，在37℃、罐压0.05～0.08MPa、搅拌速度200r/min、通气量0～12h为1:0.5，12h后为1:(1.0～1.3)条件下培养40～48h，此时镜检菌体80%形成空泡，酶活几乎不再上升，结束发酵。在发酵开始12h后开始补料，每小时都需要补加一次料，分30次左右在发酵结束前6～8h补完。这样可避免原料中淀粉降解生成的糖过量堆积而引起分解代谢阻遏，有利于酶的透导，有利于pH控制，延长产酶期，提高产量。也有从发酵前期就开始补料的。目前补料与基础料体积之比为1:3，补料中玉米粉和豆饼粉总浓度约30%[1]。
2.3.6 发酵液预处理
因为α-淀粉酶是胞外酶，不用破碎细胞，发酵完毕，直接在发酵液中加入2%CaCl2与0.8%Na2HPO4进行絮凝作用，并加热至50～55℃维持30min进行热处理，以破坏产生的蛋白酶，促使胶体凝集而易于过滤，降温至35℃后送下一道工序。
2.3.7 α-淀粉酶盐析过程
盐析是利用不同物质在高浓度的盐溶液中溶解度有不同程度的降低来进行的。溶液中加入大量的盐，使原溶解的物质析出沉淀的过程。盐析作用的主要原因是由于大量盐的溶入，使高分子物质去水化，从而降低了溶解度。硫酸铵是盐析最常用的盐，它具有盐析效应强、饱和溶液的浓度大，而且溶解度受温度影响很小。它一般不会引起蛋白质明显变性[9]。
在热处理后冷却到35℃的发酵液中加入硅藻土（助滤剂）过滤，滤饼加2.5倍水洗涤，将洗涤水和滤液合并，于45℃真空浓缩数倍，加硫酸铵液40%进行盐析，盐析时蛋白质沉淀析出需一段时间，所以要静置10h，然后送入板框压滤机进行压滤，取滤饼进行烘干即得成品。
2.3.8 湿酶干燥
在α-淀粉酶提取过程中，可以将滤液直接进行喷雾干燥制成酶粉，收率可达90%，但是这样做成品含杂质多且有臭味，蒸汽耗量大并容易吸湿，而且排出的废气含有气味，影响城市的环境卫生。
本工艺采用在40℃对压滤后的滤饼进行鼓风干燥，然后磨粉即得成品，整个工艺的收率为70%。

1 工艺计算
1.1 物料衡算
1.1.1 工艺技术指标及基础数据
(1) 枯草芽孢杆菌BF-7658生产α-淀粉酶采用玉米粉、豆饼粉为源料。根据国家食品添加剂α-淀粉酶生产标准GB8275-2009，生产工艺技术指标及基础数据如表3-1。
表3-1 α-淀粉酶发酵工艺技术指标及基础数据
指标名称
单位
指标数
生产规模
kg/m
1000
生产方法
液体深层培养发酵
月生产天数
d/m
25
产品日产量
kg/d
40
产品质量
酶活力U/g
2000
产品含水量
%
≤8
倒罐率
%
1
发酵周期
h
48
生产淀粉酶转化率
%
51
(2) 主要原料质量指标：玉米粉的淀粉含量为86%，豆饼粉的蛋白质含量为44%。
(3) 接种量为5%。
3.1.2 原料消耗的计算
(1) 生产淀粉酶的总转化率是51%。实际上，整个过程经发酵、提纯等工序会损失一部份原料，如表3-2。
表3-2 原料损失表
名称
原因
损耗量
发酵
巴斯德效应
0.32%
发酵
残糖
2.68%
废糟
废糟带走
1.54%
总计

4.54%
(2) 从发酵液中提取淀粉酶要经过发酵液热处理、过滤、浓缩、盐析和干燥工序，每一过程的收率，如表3-3
表3-3 各提取工序的收率
序号
提取工序名称
收率/%
1
发酵液热处理
93
2
过滤
86
3
浓缩
95
4
盐析
99
5
干燥
93
（3）生产淀粉酶的总转化率为：
51%×（1－4.54%）=48.68%
（4）首先计算生产1000kg淀粉酶需耗用的原辅材料及其他物料量。
实际应生产的淀粉酶量为：
1000÷(93%×86%×95%×99%×93%)=1429.5kg
进入发酵罐的干基质原料量为：
1429.5÷48.68%=2936.5kg
发酵液中固形物浓度一般为5%～6%，所以发酵液的量为：
2936.5÷6%=48941.67kg
种子罐中的发酵液量为：
48941.67×5%=2447.1kg
豆饼粉消耗量为：
48941.67×6.7%+2447.1×4%=3376.98kg
玉米粉消耗量为：
48941.67×9.3%+2447.1×3%=4624.99kg
Na2HPO4消耗量为：
48941.67×0.8%+2447.1×0.8%=411.11kg
CaCl2消耗量为：
48941.67×0.2%=97.88kg
NH4Cl消耗量为：
48941.67×0.118%+2447.1×0.15%=61.42kg
豆油消耗量为：
2447.1×0.15%=3.67kg
α-淀粉酶的消耗量：应用酶活力为2000U/g的α-淀粉酶在培养基灭菌时，促使发酵罐中的淀粉液化，其用量按8U/g原料计算，酶用量为：
4624.99×8÷2000=18.5kg
3.1.3 盐析过程硫酸铵消耗量计算
发酵液过滤后，加2.5倍水洗滤饼后，将洗涤水和过滤液合并，进行真空浓缩到浓度为30%。最后所得溶液的量为：

经真空浓缩后的溶液量为：

盐析时，向溶液中加入硫酸铵，硫酸铵达到40%的饱和度进行盐析，查硫酸铵饱和度的常用表，要使硫酸铵饱和度从0增加到40%，需添加的硫酸铵的量为243g/L[9]。
生产1t淀粉酶所需的硫酸铵量为：

3.1.4 物料衡算表

表3-4 1t/a-淀粉酶生产发酵车间物料衡算表 单位：kg
物料名称
生产1t淀粉酶的物料量
每日物料量
干基质原料量
2936.5
117.46
发酵液量
48941.67
1.96×103
种子发酵液量
2447.1
97.884
豆饼粉
3376.98
1.35×102
玉米粉
4624.99
1.85×102
Na2HPO4
411.11
16.4444
CaCl2
97.88
3.9152
NH4Cl
61.42
2.4568
α-淀粉酶
18.5
0.74
豆油
3.67
0.1468
硫酸铵
1172
46.88
3.2 热量衡算
3.2.1 连续灭菌和发酵工序热量衡算
(1) 加热所需的蒸汽量W，可按下式计算：
[4]
式中：G—物料流量，kg/h
c—物料的比热容，kJ/(kg·K)
t1—物料的初始温度，℃
t2—物料加热后的温度，℃
I—加热蒸汽的热焓，2738kJ/kg
λ—加热蒸汽凝结水的热焓，
(2) 冷却用水量M，可招安下式计算：
[4]
式中：G—物料流量，kg/h
t1—物料的初始温度，℃
t2—物料加热后的温度，℃
c1—物料的比热容，kJ/(kg·K)
c0—冷却水的比热容，kJ/(kg·K)
T1—冷却水进口温度，℃
T2—冷却水出口温度，℃
(3) 培养液连续灭菌用蒸汽量 假设发酵过程所用的发酵罐为1.50m3，装料系数为0.7，那么每只罐产淀粉酶的量应为：

日产淀粉酶为0.04t。一般来说发酵的操作时间需要48h（其中发酵时间为42h），这样生产需要的发酵罐应为：

取整后4罐。每日投罐次为4÷2.15=1.86罐，日运转。每罐的初始体积为1.05m3。
灭菌过程中用0.4MPa蒸汽（表压），其I=2743kJ/kg，分两步加温，先用板式换热器将物料由20℃预热到75℃，再加热到120℃，而冷却水的温度由20℃升至45℃。设灭菌的时间为3h，需要的输料流量为：

发酵液的比热

式中： —原料比热，kJ/(kg·K)
—水的比热，kJ/(kg·K)
—原料浓度，%

灭菌所用的蒸汽量为：

这样，每天的灭菌蒸汽用量就是，其中高峰用量是0.026t/h，平均用量是。
(4) 培养液冷却用水量 由培养液板式换热器灭菌流程可知，120℃的热料先通过与生料进行热交换，降温至80℃后，再用冷却水冷却至37℃。在此过程中冷却水由20℃升温至45℃，由此计算出冷却水的用量：

全天冷却水用量为。
(5) 发酵罐空罐灭菌的蒸汽用量 发酵罐体的体积为150m3，假设罐体是由不锈钢制造而成，此时罐体的重量为25.7t，冷却排管重为4.5t，不锈钢比热容是0.5kJ/(kg·K)[6],用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15Mpa（表压）下，由20℃升温至127℃，蒸汽的用量为：

（4）充满发酵罐空间需要的蒸汽量 考虑到罐内有排管、搅拌器等配件所占有的空间，罐的自由体积按150m3计算，充满空间需要的蒸汽量为：

式中：—发酵罐自由空间，即全容积，m3
—加热蒸汽的密度，kg/m3，0.2MPa的蒸汽密度为1.622kg/m3
（5）灭菌过程中的热损失 设发酵罐的外壁温度为70℃，此时辐射与对流的联合给热系数α[12]为：

150m3发酵罐的表面积为165m2，耗用蒸汽量为：

罐辟附着洗涤水升温的蒸汽消耗量：

式中：0.001—罐壁附着洗涤水的平均厚度，mm
灭菌过程的蒸汽渗漏消耗的蒸汽 一般灭菌过程的蒸汽渗漏可取总蒸汽消耗量的5%。空罐灭菌时的蒸汽消耗量为：

每次空罐灭菌的时间是1.5h，耗用的蒸汽量为：

每日耗用的蒸汽量为：

平均耗用蒸汽量为：

（6）发酵过程产生的热量及冷却水用量 根据部分酶制剂厂的实验和经验数据，淀粉酶的发酵热约为3.0×104kJ/(m3·h)[4]。150m3的发酵罐，一般装料量是105m3，使用新鲜的冷却水进行冷却，那么冷却水的用量就可按下试进行计算：

式中：10—冷却水进口温度，℃
20—冷却水出口温度，℃
因为每天运转的发酵罐是3.3罐，高峰用水量为，日用水量为：

式中：0.8—各罐发热状况均衡系数
平均用水量为：
3.2.2 发液预处理热量衡算
发酵完毕后，需要对发酵液进行热处理，加热温度到55℃，维持30min，每日所消耗的蒸汽量为：

平均耗用蒸汽是为：
3.2.3 真空浓缩的热量衡算
发酵液热处理后，需要将发酵液进行冷却到40℃，假设冷却水进口温度是10℃，出口温度是30℃，冷却水用量为：

在冷却后的发酵液中加硅藻土过滤，滤饼加2.5倍水洗涤，将洗涤水和滤液合并，于45℃进行真空浓缩。
(1) 过滤后滤液量为：

(2) 假设浓缩时间为6h，发酵液每小时处理量为：

(3) 水分蒸发量:

式中：F—溶液的进料量，kg/h
W—水分的蒸发量，kg/h
x0—料液中溶质的含量，%
x—完成液中溶质的含量，%

(4) 热量总消耗
浓缩发酵液变成二次蒸汽所需的热量，

式中：L1—二次蒸汽汽化热，kJ/kg
i—二次蒸汽热焓，kJ/kg
T—浓缩液温度，K
C—料液的比热，kJ/(kg·K)

故
发酵液从40℃加热到45℃所需热量

热量损失
总消耗热量
浓缩过程所需要的蒸汽量为：

式中：—加热蒸汽热焓，kg/h
—加热蒸汽冷凝水热焓，kJ/kg

3.2.4 淀粉酶干燥过程的热量衡算
经板框压滤机压滤后的湿淀粉酶含水30%左右，干燥后含水应小于8%，用热空气进行干燥。进入加热器的空气温度是18℃，相对湿度，通过加热器使空气升温到45℃，从干燥器出来的空气温度为25℃。
年产千吨淀粉酶，需要日产湿淀粉酶6.14t，一班生产，即。干燥后失去的水分为：

查阅有关手册可知，18℃的空气，当相对温度70%时，它的绝对湿度是，热焓，加热到45℃时，空气的热焓
根据热量平衡可知：

式中：—空气经过干燥后的热量变化，kJ/kg
—出空气加热器和出干燥器的空气热焓，kJ/kg干空气
—出空气加热器和出干燥器的空气的湿含量，kg/kg干空气
—物料初始温度时中每㎏水的热含量，J/kg
—加热物料所消耗的热量，kJ/(kg·K)
—损失的热量，通常为有效热量的10%

此时

假设

此时空气的消耗量为：

45℃时空气的比热容为0.79m3/kg[16]，那么实际消耗的空气体积量就为：

若使用0.1MPa的蒸汽进行加热，热损失按15%进行计算，耗用的蒸汽量是：

每天用的蒸汽量是，平均每小时用的蒸汽的量是65kg/h。
最后根据上述计算就可列出生产过程耗用蒸汽的量，如表3-5。
表3-5 生产过程耗用的蒸汽汇总表
生产工序
日用蒸汽量t/d
平均蒸汽用量t/h
高峰蒸汽用量t/h
培养基连续灭菌
15.6
0.65
2.6
发酵罐空消
3.7
0.16
2.5
发酵液预处理
5.5
0.23
5.5
真空浓缩
41.76
6.96
6.96
淀粉酶干燥
1.56
0.065
0.26
合计
68.12
8.1
17.82
3.3 用水量计算
3.3.1 连续灭菌工序的用水量
(1) 配料用水量 在制备种子罐培养基和发酵罐培养基时，需要向培养基中加入水，以使培养基的固形物浓度在5%～6%，以便发酵更好地利用营养物质。所以制备发酵培养基所需的水量：

(2) 料液的冷却用水量 灭菌后料液的冷却水用量，前已计算出每日冷却灭菌后料液的冷却水用量是 318t/d。
3.3.2 发酵工序的用水量
前已计算出发酵工序的用水量是4762t/d。
3.3.3 洗涤滤饼的用水量
使用硅藻土过滤机过滤后的滤饼，需加2.5倍的水洗滤饼，每日需要洗涤的滤饼量为11746kg，在此过程中所消耗的水量为

3.3.4 无菌空气制备过程用水量
(1) 一次冷却的用水量 从空压机出来的空气为120℃，需要将空气进行第一次冷却到35℃，然后进行油水分离。假设冷却水进口温度为10℃，出口温度为50℃，冷却水用量为：

式中：42—发酵所需的时间，h
0.898—120℃时，空气的密度，kg/m3
1.009—120℃时，空气的比热容，kJ/(kg·℃)
（2）二次冷却的用水量 空气在进入丝网分离器前需冷却到20℃，冷却水进口温度为10℃，出口温度为20℃。冷却水用量为：

3.3.5 清洗设备用水量
每日洗涤设备及各种冷却设备用水量及CIP清水耗水约为10t/d。
3.3.6 清洗车间用水量
每日需要清洗车间地面用水量约为10t/d
3.4 无菌空气消耗量计算
3.4.1 发酵过程无菌空气的消耗量
(1) 发酵过程中0～12h的通气量为1:0.5，即1m3培养液，每分钟流过的空气量为0.5m3，所以刚开始的12h通气量为：

(2) 12h后的通气量为1:（1.0～1.3），取最大值1.3，通气量为：

(3) 每日的通气量为：

3.4.2 种子培养等其他无菌空气耗量
二级种子培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间进行计算。但通常的设计习惯，是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等算在一起，一般取这些无菌空气消耗量之和等于发酵过程空气消耗量的25%。故这项无菌空气的用量为：

3.4.3 高峰期无菌空气的消耗量
高峰期的无菌空气消耗量：

3.4.4 发酵车间年用气量
发酵车间年用气量：

3.5 用电量计算
3.5.1 通风发酵罐耗电量
通过前述计算，每天运转的罐有3个发酵罐，3个种子罐，发酵罐的电机功率为132KW，种子罐的电机功率为5.5KW，则发酵罐每天耗电量为：

3.5.2 过滤机所耗电量
淀粉酶生产过程中要过滤，需要用到过滤机，整个生产过程中需要硅藻土过滤机3台，其功率为5KW，5台板框压滤机，其功率为4KW，每天工作5小时。则过滤耗电量为：

3.5.3 泵的耗电量
生产过程中，需要用泵来输送物料和水，物料泵4台，其功率为6.66KW，清水泵4台，其功率为5.5KW，平均每天工作10小时，则泵所消耗的电量为：

3.5.4 空气压缩机耗电量
淀粉酶发酵生产是一个耗氧的过程，需要通入无菌空气，需要空气压缩机进行空气输送，需要空气压缩机4L-40/2-3.2型空气压缩机3台，其功率为130KW，则空气压缩机耗电量为：

3.5.5 照明用电估算
照明灯为200W，灯泡10只，每天14h，白天有5只灯工作，平均工作2h，则用电量为：

3.5.6 每天总耗电量
每天总耗电量为：

4 设备的工艺计算及选型
4.1 发酵罐的设计
4.1.1 发酵罐个数的确定
用枯草芽孢杆菌BF-7658生产淀粉酶是耗氧的，所以选择机械搅拌通风发酵罐，选用100m3的发酵罐，现每天生产淀粉酶4t，发酵周期为48h，每天所需的发酵液量为：

式中：1.022—发酵液的相对密度
假设发酵罐的装料系统数，每天发酵需要的发酵罐总体积为V0，侧总体积为：

发酵罐个数的确定，公称体积为100m3的发酵罐，总体积为118m3[13]，则发酵罐的个数：

式中：—发酵周期，h
—发酵罐总体积，m3
取公称体积为100m3发酵罐6个，其中一个留作备用。
实际产量验算：

富裕量

能满足产量要求。
4.1.2 发酵罐尺寸的确定
发酵设计为圆柱椭圆形封头发酵罐，材质选用不锈钢板，型号为304，取罐的径高比为 H:D=2:1[13]

椭圆形封头体积：

式中：—椭圆封头的直边高度，m
—椭圆短半轴长度，标准椭圆
故发酵罐的全体积为：

封头折边忽略不计，以方便计算，则

故

取，
查表可知封头高：

封头容积
圆柱部分的容积
验算全容积

符合设计要求可行。
4.1.3 发酵罐冷却面积的确定
为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质量最多以及环境气温最高时也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。
淀粉酶发酵过程中，每1m3发酵液在每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/(m3·h)[14]。
采用竖式列管换热器，经查表，总传热系数K=4.18×500kJ/(m2·h·℃)[10]，主发酵期控制发酵温度t在37℃，冷却水进口温度t1为10℃，出口温度t2为20℃。
平均温度差为：
30℃ → 30℃
10℃ → 20℃
20 10
℃
℃
℃
对公称容量100m3的发酵罐，每天平均装2.5罐，每罐实际装液量为：

则换热面积为

4.1.4 搅拌器的设计
机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种型式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。由于淀粉酶发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此选