1、年产400吨碱性果胶酶的发酵车间设计一、选题背景以及设计目的和意义 碱性果胶酶是指在碱性环境下具有高活性的果胶酶，广泛应用于苎麻脱胶、纸浆漂白、医药原料提取等方面。近年来，随着纺织工业污染由“末端治理”转向“源头治理”，碱性果胶酶以其低能耗、环境友好、产品品质高等优点广泛应用于棉织物的预处理中。中国从1990年初也开始研究碱性果胶酶，一般停留在菌种筛选及对酶学特性研究阶段，而对发酵和基因工程改造研究不多。国内厂家多采用原始菌株进行碱性果胶酶粗酶制品的发酵生产，一方面存在酶产量低的问题，另一方面存在碱性耐受谱不完整，酶活不稳定等性能缺陷。且现有碱性果胶酶产品较少，种类单一，需求量大。二、果胶酶与
2、碱性果胶酶的定义 果胶酶最初是由MacDonnell 从桔子里提取得到的，是指一类能够分解果胶类物质的酶的总称，是含有多种组分的复合酶。根据果胶质结构化学的研究表明，果胶质的化学结构比较复杂，能够催化其分解的果胶酶也种类繁多。碱性果胶酶是指在碱性范围内具有较高活性的果胶酶，一般多指聚半乳糖醛酸裂解酶，属于果胶裂解酶的一种。碱性果胶酶可来源于植物果实和微生物，霉菌、酵母等真菌、细菌和放线菌都可以产生碱性果胶酶。果胶酶和碱性果胶酶的酶学性质（1）果胶酶的热稳定性比较差，若以果胶为底物，60保温15min，酶活力剩余23%。酶作用的最适温度为4550，如低于此温度，作用时间要相应延长。（2）酶稳定的
3、PH范围3.06.0，故此酶在偏酸性条件下促进澄清效果最佳，酶最适PH为3.55.5。（3）Fe、Ca、Zn、Sn等离子对酶有抑制作用，因此在果汁澄清时应注意容器的选择。（1）采用硫酸铵分级沉淀法进行分离纯化，先用60%的硫酸铵去除杂蛋白，再用90%的硫酸铵最大程度的收集较纯碱性果胶酶。（2）本实验中，Bacillus subtilis WSH03-06 所产碱性果胶酶的最适作用温度为55，但是在50 条件下温度稳定性要好；最适pH 为9.4，且pH 在9.29.6 范围内稳定性较好。酶液中添加适量的可大幅度的提高酶活力。（3）采用自制的碱性果胶酶在酶的稳定性最好的pH 值、温度、30 min
4、 沸水条件下添加适量的Ca2+处理棉织物，并与碱精练织物的效果进行了实验对比。酶精练后的果胶去除率、织物润湿性，基本可达到行业标准要求，与碱精练相比，织物手感更柔软，对织物纤维的损失小，并且酶精练工业条件温和，具有良好的工业化前景。三、设计任务l年产碱性果胶酶：年产碱性果胶酶：400t400tl年工作日：年工作日：300 d300 dl产品收率：产品收率：85%85%l接种量：接种量：4%4%l发酵周期：发酵周期：3d3d（发酵（发酵1 1天，种子天，种子1 1天）天）l发酵罐装料系数：发酵罐装料系数：70%70%四、生产工艺选择及流程设计锥形瓶锥形瓶发酵培发酵培养基成养基成分分 胰蛋白胨10
5、.0，酵母浸出粉5.0，NaCl 10.0 PH为自然值（g/L）一级种一级种子罐子罐 蔗糖20.0，蛋白胨10.0，玉米浆30.0，硫酸镁1.0，磷酸氢二钾18.4，磷酸二氢钾6.0 PH为7.0 取子瓶斜面数只，在无菌室内超净工作台上制备成孢悬液，以压差取子瓶斜面数只，在无菌室内超净工作台上制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入一级种子罐内法将孢悬液接入一级种子罐内二级种二级种子罐子罐 蔗糖20.0，蛋白胨10.0，玉米浆30.0，硫酸镁1.0，磷酸氢二钾18.4，磷酸二氢钾6.0 PH为7.0 取一级种子罐的样品，在无菌室内超净工作台上制备成孢悬液，以取一级种子罐的样品，在无菌室内超净工作台
6、上制备成孢悬液，以压差法将孢悬液接入二级种子罐内。压差法将孢悬液接入二级种子罐内。发酵发酵 麸皮30.0000，豆饼粉35.3345，硝酸盐0.0455，氯化钠4.2988，氯化钙1.1100 一级种子罐在（一级种子罐在（35351 1），通气培养，通气培养 4060h 4060h 后，移种于二级种后，移种于二级种子罐，在（子罐，在（34340.50.5）继续通气培养约继续通气培养约40h40h，后期适当补料。培，后期适当补料。培养完成后，移种至发酵大罐内，在养完成后，移种至发酵大罐内，在3234 3234 下继续通气培养下继续通气培养7272h h后后放罐。发酵过程中，按糖氮代谢的实际情况补
7、料，后期适当补水。放罐。发酵过程中，按糖氮代谢的实际情况补料，后期适当补水。工艺流程说明工艺流程说明（1）锥形瓶培养：吉氏芽孢杆菌S-2菌株在锥形瓶发酵罐中进行培养（2）种子制备：以320L发酵罐为例，与2830，通风（1012h为0.3VVm，12h后为1.0VVm），搅拌培养菌体镜检粗壮呈网络状，即可转入发酵。（3）发酵培养：以夹套型不锈钢发酵罐进行培养基杀菌，冷却到2830，接入320L罐种子，在罐压0.080.12MPa，通风（024为0.8VVm，24到结束为1.2VVm），搅拌（270r/min）培养24h，果胶酶活力达1000U/ml。（4）后处理。将发酵液用压滤机压滤除渣，由发
8、酵液得滤液后。经超滤浓缩到酶活力为1000U/ml，加入硫酸铵进行酶的盐析，干燥，粉碎，得到活力4000U/ml的酶粉。五、物料衡算和能量衡算5.1 计算基础数据计算基础数据 （1）生产规模：年产400吨碱性果胶酶 （3）生产天数：300天/年 （4）碱性果胶酶日产量：1.34吨 （5）碱性果胶酶年产量：400吨 （6）产品质量：果胶酶活力 4000U/mg （7）发酵液的酶活力：1000U/mL5.2 设备选型一、发酵罐的个数 发酵罐体积为200m3，装料系数为70%，酶的比活力为4000U/mg，发酵液的酶活力为1000U/mL，收率为85%。则，每立方米发酵液产酶量约为4.7 kg。每个
9、发酵罐产酶量（以产品计）20070%4.785%=559.3kg 每天产酶量为1340，则每天需要发酵罐个数为1340/559.33（个）产品生产周期约为1天，则所需的发酵罐个数为 13=3（个），总共需要3个发酵罐 V全=V筒+2V封=230m3；封头折边忽略不计，以方便计算。则有V全=0.785D22D+0.131D32=230，且H=2D,解方程得：D=5m，则H=10m。由图可知：封头高H封=ha+hb=1250+50=1300（mm）验算全容积 V全=V筒+2V封=0.785D22D+0.131D32+0.785D20.05=0.7855225+0.131532+0.785520.0
10、5 =230(m3)=V全三、一级种子罐以及二级种子罐的个数及大小的确定 二级种子罐体积为10m3，接种量均：4%，装料系数为70%，则每天需（320070%4%)/(870%)=3个二级种子罐，发酵周期为1天，则需二级种子罐数为13=3个，共需要3个二级种子罐。一级种子罐体积为0.32m3，接种量均：4%，装料系数为70%，则每天需（3870%4%）（0.3270%）=3个一级种子罐。二级种子罐装料体积为8m3，但，装料体积为总体积的70%，所以二级种子罐的体积约为10m3。同理，与发酵罐的选型过程相同，则筒体直径为1800（mm）,筒体高为3600（mm），封头高为475（mm）,总高为4
11、500（mm）。一级种子罐装料体积为0.32m3。但，装料体积为总体积的70%，所以一级种子罐的体积约为500L。同理，与发酵罐的选型过程相同，则筒体直径约为700（mm），筒体高为1400（mm），封头高为200（mm）,总高为1800（mm）。发酵大罐及种子罐示意图发酵大罐及种子罐示意图5.3 原料消耗的计算 年理论消耗麸皮量年理论消耗麸皮量 32007033003780（吨）（吨）年理论消耗豆饼粉量年理论消耗豆饼粉量 3200703.53004410（吨）（吨）年理论消耗氯化钠量年理论消耗氯化钠量 3200700.43300541.8（吨）（吨）年理论消耗硝酸盐量年理论消耗硝酸盐量 32
12、0070%0.00455%300=3.822（吨）（吨）年理论消耗氯化钙量年理论消耗氯化钙量 320070%0.111%300=139.86（吨）（吨）1 -每天放罐数每天放罐数 200 -发酵罐体积发酵罐体积/m3 70-装料系数装料系数 0.03 -麸皮的质量体积分数麸皮的质量体积分数/kg/L 0.035 -豆饼粉的质量体积分数豆饼粉的质量体积分数/kg/L 0.0043 氯化钠的质量体积分数氯化钠的质量体积分数/kg/L 0.00455%-硝酸盐的质量体积分数硝酸盐的质量体积分数/kg/L 0.111%-氯化钙的质量体积分数氯化钙的质量体积分数/kg/L 300 -一年生产天数一年生产
13、天数副产品产量计算副产品产量计算粗酶制剂年产量：粗酶制剂年产量：320.153001440（吨）（吨）32 -滤渣体积滤渣体积m3/d0.15-每立方米滤渣经烘干所得产品质量每立方米滤渣经烘干所得产品质量 300 -一年生产天数一年生产天数5.4 热量衡算一、发酵罐灭菌用蒸汽 每个200 m3的发酵罐灭一次菌大约需6吨，种子罐灭一次菌大约需1.6吨，每天有3个发酵罐和6种子罐用于生产，则一年中用于发酵罐灭菌需用蒸汽量为：(63+1.66)300=8280（吨）二、干燥用蒸汽 干燥器（喷雾干燥器、气流干燥器）每小时耗气量大约为：1620Kg/h，每天工作2小时；则一年耗气量为：162032300
14、/1000=1458（吨）三、取暖及其它用蒸汽为：3800（吨）蒸汽的价格为：100元/t，则一年蒸汽花费为(1458+3800+8280)100=135万元5.5 水的衡算一、发酵耗水 32009570399 t/d 3 -每天放罐数 200 -发酵罐体积/m3 70-装料系数 95-水的质量体积分数二、洗罐用水 每个发酵罐（包括种子罐）洗涤用水按5吨算：51050 t/d三、冷却用水每罐每发酵一次用水10吨，时间为55小时 10/55241043.6 t/d四、过滤机用水量 每台每次4吨每天工作4小时共2台 424=32 t/d五、其他用水量 4 t/d六、总用水量399+50+43.6+
15、32+4=528.6 t/d平均每吨果胶酶用水量528.6/1.04=500.3 t/d天津市工业用水价格为6.5元/t，所以一年用水花费为500.36.5300=975585元5.6 耗电量的计算一、发酵罐 发酵罐搅拌过程中总功率为110Kw，每天有3个罐工作：110324=7920 Kwh二、种子罐种子罐搅拌过程中总功率为90Kw，每天有6个罐工作：90624=12960 Kwh三、提取耗电量（1）板框过滤机 功率4kw 每天工作时间6h 共3台 耗电量463=72 Kwh（2）超滤装置 功率3kw每天工作时间15h 共1台 耗电量1531=45 Kwh（3）喷雾干燥塔 功率5kw每天工作
16、时间时间2.5h 共1台 耗电量52.51=12.5 Kwh（4）气流干燥装置 功率7kw每天工作时间时间3h共1台耗电量731=21Kwh（5）蒸馏装置 功率3kw每天工作时间时间24h 共1台 耗电量3241=72Kwh（6）粉碎机 功率7.5kw每天工作时间时间6h 共1台 耗电量7.561=45Kwh（7）蠕动泵 功率7.5kw每天工作时间时间10h 共1台 耗电量7.5101=75Kwh（8）离心泵 功率10.05kw每天工作时间时间2h 共10台 耗电量10.05210=201Kwh 除以上几个设备外，生产中其他设备用电较少些，每天用电约21423.5 Kwh，非生产生活及其他用电
17、为5000 Kwh，天津市工业用电每度约0.8元，则全年总用电量为26423.5Kwh，则本公司一年所需电费约为26423.50.8元=21138.8元=2.1万元六、经济效益的计算利润估算 据市场可将我产品（果胶酶）定价为400元/kg，粗酶制剂定价为8元/kg，那年末销售收入为：400400000+81440000=161152万元。税收=销售利润33%=16115233%=53180.16万元 销售利润=销售收入-生产成本=161152万元-53180.16万元=107971.84万元 纯利润=销售利润-税收=107971.84万元-53180.16万元=54791.68万元三废的处理三
18、废的处理 废气 发酵过程中产生的废气主要是二氧化碳，其中可能含有一些颗粒，可以在排气口加一个旋风分离器，除去杂质。将其回收，用于出售。对于生活中产生的废气（如锅炉房排气），经一吸附装置吸附后再排到大气中。废水 废水主要是提取酶后的发酵残留液，需做理化性质检验，确定无毒或抗生素后，再经活性污泥处理，达到国家排放标准后用来灌溉树木及草地；对于一些冷却，洗罐用水等可经一定处理后用于循环使用；对于生活污水可直接输送到污水处理厂进行统一处理。废渣 发酵完后的废渣其中所含的营养物质较为丰富，经过处理及理化检验无毒后，用于制作饲料添加剂；对于生活中产生的一些固体废弃物，若本公司没有处理能力可交给垃圾处理厂统一处理。工艺流程图The End谢谢！
