合工大生物工程毕设(共34页)

1、PAGE PAGE 毕业论文(b y ln wn)及设计 设计（论文(lnwn)）题目 利用(lyng)根霉发酵产富马酸工艺及年产500吨生产线设计 学院名称 生物与食品工程学院 专 业 （班 级） 生物工程（2010-2班） 姓 名 （学 号） 王凌军（20106332） 指 导 教 师 李 兴 江 系（教研室）负责人 叶 明 目录(ml) HYPERLINK l _Toc718 目录(ml) PAGEREF _Toc718 HYPERLINK l _Toc22744 中文(zhngwn)摘要 PAGEREF _Toc22744 HYPERLINK l _Toc18106 Abstract

2、PAGEREF _Toc18106 HYPERLINK l _Toc16198 1 引言 PAGEREF _Toc16198 HYPERLINK l _Toc6262 1.1 富马酸的性质和用途 PAGEREF _Toc6262 HYPERLINK l _Toc26648 1.3 课题的作用、意义以及国内外的研究现状和发展趋势，尚待研究的问题 PAGEREF _Toc26648 HYPERLINK l _Toc15506 1.3.1 课题的作用、意义 PAGEREF _Toc15506 HYPERLINK l _Toc13879 1.3.2 国内外的研究现状和发展趋势 PAGEREF _Toc

3、13879 HYPERLINK l _Toc24700 1.3.3 尚待研究的问题 PAGEREF _Toc24700 HYPERLINK l _Toc26307 1.4 课题研究的主要内容及拟解决的问题 PAGEREF _Toc26307 HYPERLINK l _Toc9369 2 材料与方法 PAGEREF _Toc9369 HYPERLINK l _Toc6471 2.1 实验材料 PAGEREF _Toc6471 HYPERLINK l _Toc4121 2.1.1 菌种 PAGEREF _Toc4121 HYPERLINK l _Toc20158 2.1.2 培养基 PAGEREF

4、 _Toc20158 HYPERLINK l _Toc1137 2.2 实验方法 PAGEREF _Toc1137 HYPERLINK l _Toc15778 2.2.1 试管培养 PAGEREF _Toc15778 HYPERLINK l _Toc13729 2.2.2 摇瓶种子培养 PAGEREF _Toc13729 HYPERLINK l _Toc2972 2.2.3 摇瓶发酵培养 PAGEREF _Toc2972 HYPERLINK l _Toc5554 2.2.4 实验试剂和仪器 PAGEREF _Toc5554 HYPERLINK l _Toc16784 2.3 分析方法1 0 H

5、YPERLINK l _Toc21769 2.3.2 单因素变量1 0 HYPERLINK l _Toc13586 2.3.3 正交试验1 0 HYPERLINK l _Toc26251 2.3.4 高锰酸钾滴定1 1 HYPERLINK l _Toc14991 3 米根霉发酵产酸的结果与讨论1 1 HYPERLINK l _Toc11686 3.1 培养条件的初步优化1 2 HYPERLINK l _Toc19883 3.2 结果与讨论1 2 HYPERLINK l _Toc28077 3.2.2 接种量对富马酸产量的影响1 2 HYPERLINK l _Toc2469 3.2.3培养基成分

6、对富马酸产量的影响（单因素实验）1 2 HYPERLINK l _Toc3383 3.2.4 培养基成分对富马酸产量的影响（正交实验）以及时间对富马酸产量的影响1 9 HYPERLINK l _Toc22973 3.2.5 小结(xioji)2 4 HYPERLINK l _Toc5476 4 年产500t富马酸的发酵工艺(gngy)计算2 4 HYPERLINK l _Toc18932 4.1 生产(shngchn)方案与生产规模2 4 HYPERLINK l _Toc21542 4.1.1 生产方案2 4 HYPERLINK l _Toc25244 4.1.2生产规模2 4 HYPERLI

7、NK l _Toc519 4.2 生产工艺流程设计2 4 HYPERLINK l _Toc3471 4.2.1 富马酸生产工艺流程示意图2 5 HYPERLINK l _Toc3851 4.3 物料衡算2 5 HYPERLINK l _Toc14861 4.3.1工艺技术经济指标及基础数据2 5 HYPERLINK l _Toc6035 4.3.2原料消耗计算（基准：一吨成品富马酸）2 6 HYPERLINK l _Toc23692 4.3.3发酵醪量的计算2 6 HYPERLINK l _Toc18802 4.3.4 接种量2 6 HYPERLINK l _Toc4606 4.3.5 液化醪

8、量计算2 6 HYPERLINK l _Toc659 4.3.6成品富马酸2 7 HYPERLINK l _Toc10843 4.3.7淀粉质原料年产500吨一水富马酸厂总物料衡算2 7 HYPERLINK l _Toc32222 4.4 能量衡算2 8 HYPERLINK l _Toc15476 4.4.1 液化热平衡计算2 8 HYPERLINK l _Toc18499 4.4.2发酵过程中的蒸汽耗量的计算2 8 HYPERLINK l _Toc13654 4.5 发酵过程中的冷却水耗量计算2 8 HYPERLINK l _Toc18190 4.6发酵过程中的无菌空气耗用量的计算2 8 H

9、YPERLINK l _Toc10180 5 设备设计计算与选型2 9 HYPERLINK l _Toc8692 5.1 主要设备设计计算2 9 HYPERLINK l _Toc1176 5.1.1 发酵罐溶剂和台数的确定3 0 HYPERLINK l _Toc13950 5.1.2 发酵罐设备材料的选择3 0 HYPERLINK l _Toc27398 5.1.3 种子罐台数的确定3 1 HYPERLINK l _Toc10162 5.2 主要设备选型3 1 HYPERLINK l _Toc30739 6 厂址的选择3 1 HYPERLINK l _Toc29745 6.1 厂址选择的原则3

10、 2 HYPERLINK l _Toc30407 6.2 经济原则3 2 HYPERLINK l _Toc3621 6.3 厂址的选择依据3 3 HYPERLINK l _Toc7901 6.4 厂址选择(xunz)结果3 3 HYPERLINK l _Toc2990 6.5 技术(jsh)经济分析与概算3 4 HYPERLINK l _Toc15870 6.5.1 基本(jbn)投资3 4 HYPERLINK l _Toc31669 7 年产500t富马酸的设计图3 4 HYPERLINK l _Toc18379 7.1 车间设备布置设计3 4 HYPERLINK l _Toc2633 7.

11、1.1车间布置设计的目的和重要性3 5 HYPERLINK l _Toc27457 7.1.2设备布置图的内容和画法3 5 HYPERLINK l _Toc14577 7.1.3车间布置设计的原则3 5 HYPERLINK l _Toc65 7.1.4年产500t富马酸的车间布置设计图3 5 HYPERLINK l _Toc21155 7.2 带控制点的生产工艺流程图设计3 5 HYPERLINK l _Toc30265 7.2.1带控制点工艺流程图的内容3 6 HYPERLINK l _Toc16434 7.2.2年产500t富马酸生产线工艺流程图3 6 HYPERLINK l _Toc30

12、024 结论3 6 HYPERLINK l _Toc18804 致谢3 7 HYPERLINK l _Toc11604 参考文献3 7中文(zhngwn)摘要摘 要: 富马酸是一种(y zhn)重要的平台化合物和精细化学品,广泛应用于材料、医药、食品及饲料添加剂等领域,市场潜力巨大。国内外有机酸发酵(f jio)中, 富马酸发酵的方法分为两种, 即“化学法”和“生物法”。以米根霉为菌种, 通过生物发酵法生产富马酸, 应用单因素和正交实验设计法，在摇瓶实验中，通过逐个改变基本培养基中某一成分的浓度，添加不同大小的接种量以及对培养时间等因素进行探索,考察它们对富马酸产量的影响，确定最优工艺条件。结

13、果表明, 最佳发酵时间为80h，最适发酵条件为温度32.0 、转速为170r/min、起始糖浓度为120.0 g/L、 碳酸钙加量80.0 g/L。本课题通过优化培养基成分和培养条件，为工业生产使用淀粉为原料，米根霉为菌种来提高富马酸产量提供相关依据和参数。 关键词：米根霉 葡萄糖 富马酸 工艺设计AbstractAbstract: Fumaric acid is an important platform chemicals and fine chemicals,which widely used in the field of materials, medicine, food and f

14、eed additives，having huge market potential. In the fermentation of Fumaric acid around the world , Fumaric acid fermentation can be divided into two methods: the Biological and chemistry . We select Rhizopus oryzae as the strain of Biological fermentation to yield Fumaric acid. In the experiment of

15、flasks, adding different sizes of inoculum and using different time for training，through single factor and orthogonal experiment, through changing the concentration of a component one by one in the basic medium. The result showed the best fermentation period (80h) and the best fermentation condition

16、 as follows: temperature (32.0 ), rotation speed （170r/min）， the initial content of glucose (120.0 g/L), the initial content of calcium carbonate(80.0 g/L).Keywords: Rhizopus oryzae Glucose Fumaric acid Process Design1 引言(ynyn)1.1 富马酸的性质(xngzh)和用途富马酸, 又名反丁烯二酸，延胡索酸。分子式：C4H4O4。分子量：116.07。英文名：fumaric a

17、cid，trans-Butene dioic acid 。外观(wigun)：无色晶体 。熔点：299300相对密度：1.635（204）。溶解性：溶于水，微溶于冷水、乙醚、苯，易溶于热水，溶于乙醇。反丁烯二酸的化学性质与顺丁烯二酸相似。 图 1.1富马酸的结构反丁烯二酸用于生产不饱和聚酯树脂，这类树脂的特点是耐化学腐蚀性能好，耐热性也好；反丁烯二酸与乙酸乙烯的共聚物是良好的粘合剂，与苯乙烯的共聚物是制造玻璃钢的原料，反丁烯二酸所制得的增塑剂无毒，可用于与食品接触的乙酸乙烯乳胶。该品是医药和光学漂白剂等精细化学品中间体，在医药工业中用于解毒药二巯基 HYPERLINK /view/123220

18、.htm t _blank 丁二酸的生产，将反丁烯二酸用碳酸钠中和，即得到反丁烯钠，进而用硫酸亚铁置换得到反丁烯二酸铁，是用于治疗小红血球型贫血的药物富血铁。该品作为一种食品添加剂酸味剂，用于清凉饮料、水果糖、果冻、冰淇淋等，大多与酸味剂 HYPERLINK /view/122100.htm t _blank 富马酸并用，反丁烯二酸与氢氧化钠反应制成的单钠盐，也用作酸味调味品，还用作合成树脂、媒染剂的中间体。1.2 富马酸的生产与制备方法 目前，在工业上主要是通过化学合成法以及生物合成法来制备富马酸。 富马酸的化学合成方法主要包括有顺丁烯二酸酐(顺酐)异构法和糠醛氧化法二种。顺酐主要广泛用于合

19、成树脂、涂料、农药、润滑油添加剂、医药、纸张处理剂、食品添加剂、稳定剂等方面，是用量比较大的有机原料。糠醛则是一种以农林副产品水解获得的重要有机化工原料，它在医药、兽药、农药、染料、香料、涂料、塑料、电绝缘材料、助剂、试剂、溶剂、粘合剂、饲料添加剂、食品、合成树脂、合成橡胶及合成纤维单体等工业部门有着十分广泛的用途。 化学合成法制备富马酸面临着的重要难题是石油资源的短缺所引起的生产成本提高和对环境的污染。石油作为一不可再生资源，其储量是有限的石油的短缺使世界石油市场供需严重失衡，导致石油价格飞涨，同时以石油为原料制备的苯、甲苯、乙烯、乙二醇等大宗化学品的价格也大幅上涨，使下游制造业的成本增加。

20、因此，寻找新的资源和能源，建立新的大宗化学品合成平台是刻不容缓的，这关系到人类文明的可持续发展。 富马酸的生物合成法包括(boku)有酶催化转化法和微生物发酵法2种。20世纪90年代中期所出现的酶催化转化法一般是以马来酸为底物，在马来酸异构酶的作用下制备富马酸。该方法有较高的转化效率以及产率。而微生物发酵法所用菌种主要有以马来酸作为底物的产碱假单胞菌和以葡萄糖作为底物的霉菌。20世纪初期开始的霉菌发酵产富马酸的研究工作现随着科学技术的进步，富马酸得率也提高到了3040。不过，早期受技术水平的局限，对微生物的生长代谢的了解不够深入，一直未能进行工业化的生产。根霉属中的米根霉是富马酸发酵经常使用的

21、菌种，米根霉有淀粉糖转化能力，发酵所需营养也简单，只需要简单无机氮源。同时菌丝与发酵液容易分离，而后提取(tq)方便，产品较纯。米根霉产酸在好氧的条件下进行，要求通气以保持好氧条件，糖对富马酸转化率一般在50左右。1.3课题(kt)的意义以及国内外的研究现状和发展趋势，尚待研究的问题1.3.1 课题的作用、意义富马酸是一种重要的平台化合物和精细化学品,可广泛应用于材料、医药、食品及饲料添加剂等领域,市场潜力巨大。利用可再生生物质为原料发酵生产富马酸符合当前社会对绿色环保、健康安全及可持续发展的总体需求。本课题研究富马酸发酵条件及工艺参数，优化根霉发酵产富马酸的条件，为工业生产提高富马酸产量提供

22、相关依据和参数。1.3.2 国内外的研究现状和发展趋势 目前全世界富马酸的生产能力为400000 t/a ， 其中我国富马酸年产量达到50000t左右。我国富马酸的应用范围较小， 用途也比较单一， 主要消费领域为不饱和聚酯树脂、纸浆料助剂、食品、医药等领域。随着其应用领域的不断拓展， 尤其作为一种平台化合物从它出发可以合成很多四碳化合物， 在石油资源日益枯竭的情况下,采用微生物发酵法进行富马酸的工业化生产受到了越来越多的关注,发酵法生产富马酸还是处于实验室研究状态。但目前发酵法生产富马酸的生产成本比较高， 还无法和化学法竞争。但随着科技的不断发展,利用各种新兴手段不断改良现有菌种及工艺,必将实

23、现发酵法生产富马酸的大规模工业化。1.1.3尚待研究的问题（1）米根霉产富马酸的条件选择，以及过程的控制；（2）对高产量的菌种扩大以及进一步为工厂化生产做好准备；（3）对发酵工厂的设计。1.4 课题研究(ynji)的主要内容(nirng)及拟解决的问题本课题研究富马酸发酵条件及工艺参数，优化米根霉发酵产富马酸的条件，为工业生产提高富马酸产量(chnling)提供相关依据和参数。2 材料与方法2.1 实验材料:2.1.1 菌种 米根霉CICC 40506（合肥工业大学保藏菌种）2.1.2 培养基 种子培养基：PDA培养基物质浓度（g/L）马铃薯浸出液200葡萄糖20琼脂20发酵培养基：葡萄糖10

24、0g/L，(NH4)2SO4 5g/L，KH2PO4 0.5g/L，MgSO47H2O 0.3g/L，ZnSO47H2O 0.1g/L温度为：32，摇床转速170 rmin，250 mL三角瓶装培养液50mL,一次性添加CaCO3 80 gL用于调节pH值。2.2 实验方法2.2.1 试管培养 种子培养基，32，培养57 d2.2.2 摇瓶种子培养 种子培养基，32，培养57 d2.2.3 摇瓶发酵培养 取冰箱中保存的活化菌种，加入20 mL生理盐水，用接种环搅拌，制成孢子悬浮液，取5 mL孢子悬浮液接种于装有50 mL发酵培养基的250 mL三角瓶中，添加一定量CaCO3，32，170 rm

25、in摇床培养60 h。2.2.4 实验试剂和仪器 表2.1 试剂序号药品名称规格12345678910葡萄糖硫酸铵七水合硫酸锌七水合硫酸镁磷酸二氢钾碳酸钙氢氧化钠琼脂七水合硫酸亚铁 木糖分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯分析纯 表2.2 仪器(yq)设备、仪器名称型号 数量超净工作台 SWCJCO 1恒温培养箱 HZQ-F160 1不锈钢手提式压力蒸汽灭菌锅 YXQ-SQ46-280S 1电热恒温鼓风干燥箱 DHG-9240A 1紫外可见分光光度计 721 1恒温摇床 DNP-9052 1电子天平 AR1140 1 2.3 分析方法2.3.1富马酸的测定(cdng)：本实验

26、测定(cdng)富马酸含量的方法是滴定法。应用KMnO4滴定法快速检测米根霉发酵液中富马酸含量,通过研究富马酸滴定体系下的酸度以及发酵培养基中的葡萄糖和代谢副产物如乳酸、苹果酸、乙醇、草酰乙酸、丁二酸等对KMnO4滴定结果的影响,发现应用KMnO4滴定法测定米根霉发酵液中富马酸的含量,与HPLC检测法测定的含量误差在3%以内,平均回收率为96.86%,相对标准偏差(RSD)为0.27%.以上结论表明,KMnO4滴定法可有效应用于快速检测米根霉发酵液中富马酸的含量. 2.3.2还原糖的测定：用DNS法测定残糖含量，样液稀释100倍，取1ml，再加入2mlDNS沸水浴2min，再加入9ml水，最后

27、用可见光分光光度计测定540nm处的吸光度。2.3.3 单因素(yn s)变量 所谓(suwi)“单因素变量” ,即控制其它因素不变 ,而仅改变其中的某一因素 ,观察其对实验结果(ji gu)的影响。它与控制某种因素的变化幅度 ,在不同条件下重复实验 ,观察其实验结果的影响程度的平行原则不同 ,它往往与在实验中设立对照组联合使用。其基本思想与孟德尔的豌豆杂交实验中先只研究一对相对性状 ,再研究多对相对性状实有异曲同工之妙 ;其基本方法是实验设计中不改变实验背景环境 (不变因子 ) ,只改变实验中的某一条件 (单因素 ) ,观察这一因子变化产生的后果 ,逐级比较 ,通过一系列的单因子变量实验 ,

28、取得一组数据 ,从而得到实验结果。在本次实验中，主要通过单因素变量法研究了发酵时间、培养基中碳氮含量、无机盐含量、无机盐种类对米根霉发酵积累富马酸的影响。2.3.4 正交试验 正交试验设计(Orthogonal experimental design)是研究多因素多水平的又一种设计方法，它是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验设计是分式析因设计的主要方法。是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。当分析因设计要求的实验次数太多时，一个非常自然的想法就是从析因设计的水平组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。因此就出

29、现了分式析因设计(fractional factorial designs)，但是对于试验设计知识较少的实际工作者来说，选择适当的分式析因设计还是比较困难的。 例如作一个三因素三水平的实验，按全面实验要求，须进行33=27种组合的实验，且尚未考虑每一组合的重复数。若按L9(33)正交表安排实验，只需作9次，按L18(37)正交表进行18次实验，显然大大减少了工作量。因而正交实验设计在很多领域的研究中已经得到广泛应用。 3 米根霉发酵产酸的结果与讨论3.1 培养条件的初步优化实验时，采用单因素变量法以及正交试验法对发酵培养基成分、接种量、发酵条件进行初步优化。3.2 结果与讨论 3.2.1 接种

30、量对富马酸产量的影响 接种量是指移入种子液的体积和接种后培养液体积的比例。接种量的大小决定于生产菌种在发酵罐中生长繁殖的速度，采用较大的接种量可以缩短发酵罐中菌丝繁殖达到高峰的时间，使产物的形成提前到来，并可减少杂菌的生长机会。但接种量过大或者过小，均会影响发酵。过大会引起溶氧不足，影响产物合成；而且会过多移入代谢废物，也不经济；过小会延长培养时间，降低发酵罐的生产率。通常接种量，细菌15%，酵母菌510%，霉菌715%，有时2025%。本实验考察(koch)了不同的接种量对发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示图1.1 接种量对富马酸产量的影响051015202501234567接种量（%）富

31、马酸产量（g/L）由上图可以看出，随着接种(jizhng)量的变大，富马酸的产量先变大后保持不变，最终逐渐变小。这说明存在一个最适的接种量范围既适合菌种的繁殖生长又利于富马酸的产生。3.2.2培养基成分(chng fn)对富马酸产量的影响（单因素实验） 时间对富马酸产量的影响： 单因素试验以葡萄糖120g/L，(NH4)2SO4 5g/L，KH2PO4 0.5g/L，MgSO47H2O 0.3g/L，ZnSO47H2O 0.1g/L并且一次性添加碳酸钙（80g/L）作为基础培养基。实验室所存米根霉在此条件下培养8d，第一次接种后48h开始测定，然后每隔24h测定一次富马酸含量。富马酸产量峰值为

32、20.3 g/L。如下图所示：图1.2时间进程对富马酸产量的影响051015202501234567时间（天）富马酸产量（g/L） 由上图可以看出，随着培养时间的增长，富马酸的产量先变大后保持不变，最终逐渐变小。这说明存在一个适合的时间范围既允许菌种的繁殖生长又利于富马酸的产生。不同碳源对根霉产富马酸的影响：葡萄糖浓度对富马酸产量的影响：图1.3葡萄糖浓度对富马酸产量的影响1012141618202260708090100110120130140150葡萄糖浓度(g/L)选择不同葡萄糖浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加80、100、120、140g/L的葡萄糖，在摇瓶中考察不同葡萄糖浓度对米

33、根霉发酵生产富马酸的影响，结果下图所示: 由上图可知，富马酸发酵产量随葡萄糖质量(zhling)浓度升高而升高，当葡萄糖质量浓度为120g/L时,富马酸产量最高。但当葡萄糖质量浓度大于120g/L时富马酸产量反而下降。这是因为虽然葡萄糖作为碳源，而碳源提供 HYPERLINK /view/3687.htm t _blank 细胞(xbo)的碳架，提供细胞生命活动所需的能量，提供合成产物的碳架。但这些并不意味着碳源越多越好，我们同时需要注意的是，微生物生长(shngzhng)需要合适的渗透压过高的渗透压不利于微生物的生长。 木糖浓度对富马酸产量的影响：选择不同木糖浓度进行发酵，分别在基础培养基中

34、添加80、100、120、140g/L的木糖，在摇瓶中考察不同的木糖浓度对米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示：图1.4木糖浓度对富马酸产量的影响051015206080100120140160木糖浓度（g/L）富马酸产量（g/L）由上图可知，富马酸发酵产量随木糖质量浓度升高而升高，当木糖质量浓度为120g/L时,富马酸产量最高。但当木质量浓度大于120g/L时富马酸产量反而下降。但值得注意的是，木糖提供碳源对于根霉产富马酸的效果没有葡萄糖显著，所以经常使用葡萄糖为根霉提供碳源产富马酸。不同氮源对根霉产富马酸的影响： 尿素浓度对富马酸产量的影响：图1.5尿素浓度对富马酸产量的影响0510

35、1520250123456尿素浓度（g/L）富马酸产量（g/L） 选择了不同的尿素浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加1、2、3、4、5g/L的尿素，在摇瓶中考察了不同的尿素浓度对米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示: 由上图可知，富马酸发酵产量随尿素浓度的升高而升高，当在尿素浓度在3g/L时富马酸产量达到最大值19.5 g/L。硝酸铵浓度继续增大时，富马酸产量略有下降 硝酸铵浓度对富马酸产量的影响： 在本实验中，硝酸铵提供无机氮源，而氮源主要用于合成细胞内蛋白质和核酸及代谢产物中的含氮化合物。选择了不同的硝酸铵浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加1、2、3、4、5g/L的硝酸铵，在摇瓶

36、中考察了不同的硝酸铵浓度对米根霉发酵富马酸的影响，结果如下所示：05101520250123456硝酸铵浓度（g/L）富马酸产量（g/L）图1.6硝酸铵对富马酸产量的影响 由上图可知，富马酸发酵产量随硝酸铵浓度的升高而先增大后减小，在3g/L时富马酸的产量达到(d do)最大值20.3g/L。从折线的走势来看，硝酸铵的浓度对富马酸的影响较大。 硫酸铵浓度(nngd)对富马酸产量的影响：选择了不同的硫酸铵浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加(tin ji)1、2、3、4、5g/L的硫酸铵，在摇瓶中考察不同的硫酸铵浓度对米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示：图1.7硫酸铵浓度对富马酸产量的影

37、响051015200123456硫酸铵浓度（g/L）富马酸产量（g/L） 由上图可知，富马酸发酵产量随硫酸铵浓度的升高而逐渐增大，最佳浓度为2g/L但增大的幅度相对较小，这显示硫酸铵对富马酸的产生影响较小。无机盐浓度以及种类对根霉产富马酸的影响 硫酸镁浓度对富马酸产量的影响：选择了不同的硫酸镁浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加0.3、0.4、0.5、0.6、0.7g/L的硫酸镁，在摇瓶中考察，米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示：051015200.20.30.40.50.60.70.8硫酸镁浓度（g/L）富马酸产量（g/L） 图1.8硫酸镁浓度对富马酸产量的影响 由上图可知，富马酸发

38、酵产量随硫酸镁浓度的升高而略有升高，当在硫酸镁浓度在0.4g/L左右时富马酸产量达到最大值。硫酸镁浓度继续增大时，富马酸产量略有下降。 磷酸二氢钾浓度在本实验中，选择了不同的磷酸二氢钾浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加0.4、0.5、0.6、0.7、0.8g/L的硫酸镁，在摇瓶中考察，米根霉发酵生产富马酸的影响(yngxing)，结果如下图所示：由上图可知，当磷酸二氢钾浓度在0.5g/L左右时富马酸产量达到最大值。磷酸二氢钾浓度继续增大时，富马酸产量略有(l yu)下降。硫酸锌浓度(nngd)对富马酸产量的影响：图2.0硫酸锌浓度对富马酸产量的影响101214161820220.10.20.

39、30.40.50.60.7硫酸锌浓度(g/L)富马酸产量（g/L）选择了不同的硫酸锌浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加0.2、0.3、0.4、0.5、0.6g/L的硫酸锌，在摇瓶中考察对米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示：由上图可知，当硫酸锌浓度在0.3g/L左右时富马酸产量达到最大值。硫酸锌浓度继续增大时，富马酸产量略有下降。0硫酸亚铁浓度对富马酸产量的影响：选择了不同的硫酸亚铁浓度进行发酵，分别在基础培养基中添加0.1、0.2、0.3、0.4、0.5g/L的硫酸亚铁，在摇瓶中考察对米根霉发酵生产富马酸的影响，结果如下图所示：10121416180.10.20.30.40.50.6

40、0.7硫酸亚铁浓度（g/L）富马酸产量（g/L）图2.1硫酸亚铁浓度对富马酸产量的影响由上图可知，当硫酸亚铁浓度在0.4g/L左右时富马酸产量达到最大值。硫酸亚铁浓度继续增大时，富马酸产量略有下降。3.2.4 培养基成分(chng fn)对富马酸产量的影响（正交实验）以及时间对富马酸产量的影响 通过对培养基成分进行(jnxng)单因素方差分析得知，葡萄糖，硝酸铵，KH2PO4 ，FeSO47H2O 等5个因素(yn s)对富马酸产量有影响。因此，选择了上述五个因素，设计五因素四水平的正交实验，以富马酸产量为响应值，试验设计及结果见下表，每组三个平行样，结果取平均值。 注：在正交实验及其验证实验

41、中，我们均以1ml发酵液滴定消耗的高锰酸钾毫升数作为数据处理的对象。表3.2.1 正交实验设计及结果实验号因 素实验结果ABCDE葡萄糖KH2PO4ZnSO47H2OMgSO47H2O(NH4)2SO411（80）1（0.3）1(0.08)1(0.25)1(4)31.34212（0.4）2(0.10)2(0.30)2(6)22.05313（0.5）3(0.12)3(0.35)3(8)15.67414（0.6）4(0.14)4(0.40)4(10)16.8352（100）123414.5162214320.3172341218.5782432113.9393（120）134212.7710324

42、3115.67113312416.83123421313.93134（140）142312.191442314 9.86154324115.09164413220.31表3.2.2 直观(zhgun)分析表项目ABCDE均值121.4717.7022.2018.4319.01均值216.8316.9816.4016.2518.43均值314.8016.5413.0616.5415.53均值414.3616.2515.8116.2514.51极差7.111.459.142.184.50。正交实验(shyn)的验证实验： 通过直观分析得到的最优组合为A1B1C1D1E1，同时由直接分析得到的最优组

43、合也为A1B1C1D1E1，所以可以(ky)初步判定米根霉摇瓶发酵产富马酸的培养基最优组合即为A1B1C1D1E1，随后对实验结果进行验证实验，安排和结果如下： 实验分为两组，即对照组和验证组，两者的培养基成分如上所述外，对照组即为未改进的基础培养基，验证组使用得到的最优组合培养基，每组三个平行样（两组共30个三角瓶）,实验结果取平均值。每天取六个三角瓶（每组三个）进行取样测定富马酸产量，培养三天后，每24小时检测一次。因为这样既可以进行验证正交实验，又能同时研究时间对米根霉发酵富马酸产量的影响。其实验结果如下图所示：由上图得知(d zh)，分析得到的配方（A1B1C1D1E1)比原始配方的富

44、马酸发酵产量要高。因此得到的配方（A1B1C1D1E1)是本人得到的最佳培养基配方。当利用此最佳培养基配方进行发酵到第五天时，滴定1mL发酵液消耗的EDTA毫升数为5.3mL,即富马酸产量为30.76g/L。3.2.5 小结(xioji) 经过培养基的初步优化，确定了出发菌株米根霉摇瓶发酵(f jio)的最佳培养基组成为：葡萄糖120g/L，（NH4）2SO4 4g/L, KH2PO4 0.3g/L ,MgSO4.7H2O 0.25g/L ,ZnSO4.7H2O 0.08g/L ，碳酸钙80g/L。相对于基础培养基，优化出的培养基的富马酸产量提高了26.1%。同时，也研究了接种量和时间对富马酸

45、发酵的影响，了解到富马酸发酵需要合适的接种量，适当的时间延长能够增加富马酸的产量。4 年产500t富马酸的发酵工艺计算4.1 生产方案与生产规模4.1.1 生产方案 本次生产工艺设计以薯干为原料，采用直接粉碎、调浆、液化，进行好气液体深层发酵，钙盐法提取，最后结晶、干燥得到富马酸。4.1.2生产规模500t/a 99.5%一水富马酸折合成432.83t/a 99.5%无水富马酸。4.2 生产工艺流程设计 本次生产工艺的基本过程是：在接收糖浆后，根据糖浆组成作适当的处理或配制，配成发酵原料，进行连续杀菌并冷却后，进入发酵罐，加入菌种和净化压缩空气后进行发酵；发酵液经升温、过滤处理后，进入中和罐，

46、用CaCO3中和处理；再经过过滤洗涤，得到富马酸钙固体，送入酸解罐，再添加H2SO4酸解，并加入活性炭进行脱色；然后，通过带式过滤机过滤、酸解过滤，除去CaSO3及废炭；酸解过滤液经离子交换处理后，进行蒸发、浓缩，再进行结晶；结晶后，用离心机进行固液分离，对得到的湿富马酸晶体进行干燥与筛选，最后得到成品的富马酸。4.2.1 富马酸生产工艺流程示意图淀粉糖化过滤糖化液加配料连续灭菌发酵过滤蒸发浓缩结晶富马酸钙酸解过滤粗富马酸离子交换浓缩真空抽滤产品4.3 物料(w lio)衡算4.3.1工艺技术经济指标及基础(jch)数据 表4.1 工艺技术基础(jch)数据 指标名称生产规模生产天数发酵产酸率

47、淀粉糖化率提取率产品纯度指标500 t/年250天/年40 g/L90%80%90%发酵培养基组成（g/L）:葡萄糖120g/L；(NH4)2SO4 4g/L；KH2PO4 0.2g/L；MgSO47H2O 0.25g/L；ZnSO47H2O 0.08g/L；碳酸钙 40g/L发酵培养基中主要成分为碳源和水。工艺技术指标及基础数据如下：（1）生产规模：500t/a99.5%一水富马酸折合成432.83t/a 99.5%无水富马酸；（2）生产方法：外加耐高温-淀粉酶液化，深层液体发酵，钙盐干法提取；（3）生产天数：每年280天；（4）食用99.5%无水富马酸日产量：432.83280=1.5t；

48、（5）食用99.5%无水富马酸年产量：1.5280=433t；（6）产品质量：国际食用富马酸99.5%（质量分数），实际产率98%，副产品约占2%；（7）薯干粉成分：含淀粉量 70%，水分13%；（8）-淀粉酶用量：8U/g原料；（9）操作参数：淀粉糖转化率98.5%，糖酸转化率95%，提取阶段分离收率95%，精制阶段收率98%，倒罐率1%则其得率为；产酸率（即糖发酵液转化率）50%；发酵周期75h，发酵温度（311），发酵通风量10V/(V发酵液h)。4.3.2原料消耗计算（基准：一吨成品富马酸）年产500吨一水富马酸，折合无水富马酸，按1995年5月，中国发酵工业协会富马酸分会制定的“富马

49、酸行业统计办法”：无水富马酸需要量为：5001.1552=432.83t/a(1)生产无水富马酸的总化学反应式：(C6H10O5)n+nH2O+nCO22nC4H4O4 +2nH2O 162 2116 X 1000（2）生产1000kg99.5%无水富马酸所需的理论淀粉消耗量： X=1000 (162232)99.5%=694.78 kg (3）生产1000kg99.5%无水富马酸所需实际淀粉消耗量： X(98.5%95%95%98%99%)=805.6kg（4）生产1000kg99.5%无水富马酸所需实际薯干粉原料消耗量： 805.670%=1150.86kg（5）-淀粉酶的消耗量：应用酶活

50、力为20000u/g的-淀粉酶使淀粉液化。 -淀粉酶用量按8u/g原料计算；有： 1150.86103820000=0.46kg4.3.3发酵(f jio)醪量的计算 根据(gnj)发酵液转化率为50%：100099.5%（95%98%50%）=2137.5kg4.3.4 接种(jizhng)量接种量为发酵醪的10%，则：2137.510%110%=194.32 kg4.3.5 液化醪量计算 因为成熟蒸煮醪为：2137.5-194.32-0.46=1942.72kg 则调浆浓度为：1150.86100%1942.72=59.2% 粉浆的干物质浓度为：805.6100%1942.72=41.47

51、% 蒸煮直接蒸汽加热,采用连续液化工艺:操作流程:（1）混合后粉浆温度为50，应用喷射液化器迅速使粉浆升温至100。升温后进入维持罐，使料液保温2030min以完成液化，进蒸汽压力保持在0.30.4MPa表压。（2）液化完成的醪液由板式换热器降温至35+1备用。（3）调浆及液化灭菌时产生的泡沫可用少量泡敌消泡。工艺计算:干物质含量B0=70%的薯干原料比热容为: C0=4.18(1-0.7 B0)=2.13kJ/(kgK)粉浆的干物质浓度为B1=41.47%液化醪的比热容为：C1=B1C0+(1.0- B1)Cw =41.47%2.13+(1.0-41.47%)4.18 =3.33kJ/(kg

52、K)Cw-水的比热容取4.18kJ/(kgK) 为简化计算，定液化醪的比热容在整个过程中维持不变. 经喷射液化器前的液化醪量为X:X+X3.33(100-50)(2731.2-1004.18)=1942.72(kg) 解得X=1812.3（kg）其中2731.2-喷射液化器加热蒸汽0.3MPa的焓4.3.6成品富马酸日产富马酸量为：432.83280=1.54 t/d即结晶液中富马酸的含量为：1.54 t/d需精制液中富马酸含量为：1.5498%=1.58t/d需分离液中富马酸的含量为：1.58（95%98%）=1.69t/d4.3.7淀粉质原料年产500吨一水富马酸厂总物料衡算即对生产432

53、.83t/a 99.5%无水富马酸的薯干原料富马酸厂进行计算 (1)富马酸成品日产食用99.5% 无水富马酸量为1.54t，取整数为2t日产副产品为：2298=0.04t则日产总量为：2.04t实际年产量为：食用富马酸量为：2280=560t/a 副产物为：0.04280=11.2 t/a 总产量为：571t/a（2）主要(zhyo)原料薯干用量 日耗量：1150.861032.04=2.35t 年耗量：2.35280=658t(3)根据(gnj)以上计算，将物料衡算结果列于表4.2。物料名称每吨产品耗物量（kg） 年产500吨耗物量每天（t/d） 每年(t/a)食用富马酸9802500副产品

54、200.0410薯干原料1150.862.35587.5淀粉805.61.65411-淀粉酶0.460.00090.23发酵醪2137.54.361090接种量194.320.499成熟蒸煮醪1942.723.96990.79 薯干浆量7231.4614.7536884.4 能量(nngling)衡算4.4.1 液化热平衡计算喷射加热器耗热喷射加热初温t1=50加热后t2=100醪液的比热容为C1 =3.33kJ/(kg)由工艺可知:经过喷射加热器温度由t1=50升温至t2=100 Q= C1G醪液(100-50) =3.337231.46(100-50) =1204036.01 kJ4.4.

55、2发酵过程中的蒸汽耗量的计算（1）蒸汽用量的计算公式整个生产过程采用蒸汽加热，蒸汽耗用量计算公式为：式中：为蒸汽的热效率，取； I汽化潜热。(2)基础数据在28下，查得：淀粉(dinfn)的比热容为1.55 kJ/kgK 水的比热容为4.174 kJ/kgK 加热(ji r)蒸汽的热焓为2549.5 kJ/kgK 加热(ji r)蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60 kJ/kgK由前面的计算可知，日耗薯干粉量为2.35t/d 日耗淀粉量为1.65t/d 日耗薯干浆量为3.96t/d则日耗调浆用水量为：3.96-2.35=1.61 t/d日耗淀粉浆量为：1.65+1.61=3.26 t/d淀粉浆中

56、含水量为：（1.613.26）100%=49.4%淀粉浓度为：（1.653.26）100%=50.6%由此可算得淀粉浆的比热容为： C=C淀粉X+C水Y=1.5550.6%+4.17449.4%=2.85 kJ/kgK式中：X淀粉浓度，50.6% Y水浓度，49.4%（3）生产过程中蒸汽耗量的计算培养基灭菌及管道灭菌：培养基采取连消塔连续灭菌，进塔温90，灭菌130则灭菌用蒸汽量：每罐的初始体积为70 m3，初糖浓度是13g/100mL，灭菌前培养基含糖量19%。其数量为：7013%19%=47.9t灭菌加热过程中用0.3MPa，蒸汽（表压）I=2725.3kJ/kg，由维持罐（90），进入连

57、消塔加热至130，糖液比热容3.69。每罐灭菌时间3h，输料流量47.93=15.96t/h，消毒灭菌用蒸汽量：D=159603.69(130-90)(2725.3-1304.18) 95%=1136kg/h=1.14t/h；每天培养基灭菌用蒸汽量：1.1434=13.68 t/d；所有用罐空罐灭菌及相关管道灭菌用蒸汽量，据经验取培养基灭菌用蒸汽量的10%，则：D1=22.3610%=1.4t/d。加热发酵醪所用的蒸汽量D6：富马酸水溶液的比热容可按下式近似计算：C=(0.99-0.66+0.0010t) 4.16式中：0.99比热容kJ/kg 富马酸质量分数，=（294.9630.56）10

58、0%=46.8% t 温度(wnd)，代入上式，得：C=（0.99-0.6646.8%+0.001035）4.19=3.0 kJ/kgK那么(n me)由此可得D6为：D6=GC(t1-t2)/(I-)=4.363.0（85-35）（2549.5-1250.60）95% =0.49t/d=122.5t/a生产工序日用蒸汽量(t/d)平均蒸汽用量(t/h)年用蒸汽量（t/a）培养基灭菌22.361.865590加热发酵醪9.930.412482空罐灭菌2.240.09560合计34.532.368632将发酵(f jio)段蒸汽衡算列于表4.3。4.5 发酵过程中的冷却水耗量计算已知发酵过程中的

59、发酵热为4.186000 kJ/m3h，100 m3的发酵罐一般装料量为70 m3（填充系数为0.7），则 =32308kg/h=775.385t/d=193846.3t/a已知25 m3的种子罐（填充系数0.7），装料量为17.5 m3W种子=4.18600017.54.18(28-15)=8077kg/h=193.85t/d=58155t/d将发酵段水衡算列入表3-3。表4.4 发酵车间冷却水衡算表生产工序平均耗水量(t/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)发酵罐用水32.3775.4193846.3种子罐用水8.1193.9 58155合计 40.4969.3252001.34.6发

60、酵过程中的无菌空气(kngq)耗用量的计算（1）单罐发酵罐用无菌空气量：根据(gnj)无菌空气用量的计算公式：V=发酵罐体积(tj)通气速率填充系数已知：发酵罐体积为100 m3 通气速率为0.18vvm填充系数为60%则：V=1000.1860%=10.8 m3/min=648m3/h（2）单个种子罐用无菌空气量：取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的25%, 则: V=25%V=25%648=162m3/h（3）将发酵车间蒸汽衡算列入表3.4。表4.5 发酵车间无菌空气用量衡算表设备 名称单罐每小时用气量(m3/h)单罐每日用气量(m3/d)每罐每年用气量(m3/a) 发酵罐756181