年产2000吨植酸酶生产工艺设计

题目年产2000吨植酸酶生产工艺设计摘要：在基本的化工产业生产中，酶的应用涉及范围逐步扩大，酶制剂被运用到各种产品去。植酸酶是一种催化植酸（肌醇六磷酸酯）及植酸盐水解为无机磷和肌醇的酶的总称。植酸酶可以使机体利用有机磷，减少磷的排放，减轻环境污染问题，对水和土壤都具有重要的保护作用，因而被作为一种新型饲料添加剂，还可以作为食品添加剂改善人体对矿物质的吸收和提高食品加工技术，因而被运用到食品工业中，因此广受关注。本设计通过对年产2000吨植酸酶的工艺流程进行设计，进行物料衡算和能量衡算，然后对发酵罐、种子罐等主要设备进行参数计算和选型，并通过CAD对基础设备进行画图，来实现工业化生产植酸酶。关键词：植酸酶，发酵，工艺设计 Abstract:Inbasicchemicalindustryproduction，Theapplicationscopeofenzymeisgraduallyexpanding,andenzymepreparationisusedinavarietyofproducts.Phytaseisageneraltermforenzymesthatcatalyzethehydrolysisofphyticacid（Inositolhexaphosphate）intoinorganicphosphorusandInositol.Phytasecanreducethebodyusingorganicphosphorus,phosphorusemissions,reduceenvironmentalpollution,theprotectionofwaterandsoilhaveimportantrole,andthusbeusedasanewtypeoffeedadditives,alsocanbeusedasafoodadditivetoimprovethehumanbodytoabsorbmineralsandimprovefoodprocessingtechnology,andwasusedinthefoodindustry,sowidelyattention.Thisdesignthroughtheannualoutputof2000tonsofphytaseprocessdesign,materialbalanceandenergybalance,andthenthefermentationtank,seedtankandothermainequipmentforparametercalculationandselection,andthroughCADonthebasicequipmentfordrawing,toachieveindustrialproductionofphytase.Keywords:Phytase,fermentation,processdesign 目录TOC\o"1-2"\h\u1前言 41.1植酸酶简介 41.2植酸酶的性质 41.3植酸酶使用条件和保存 41.4植酸酶的应用 51.5植酸酶的研究趋势 62植酸酶生产工艺流程 62.１工艺流程 62.２发酵工艺具体方法 63工艺计算 83.1基础数据 83.2发酵罐 83.3种子罐大小和个数 94发酵罐工艺 104.1发酵罐的无菌空气用量 104.2热量衡算 104.3发酵罐尺寸计算： 114.4发酵罐搅拌装置及搅拌器尺寸设计 125发酵罐换热设备 145.1发酵罐冷却面积 145.2进水管总直径 145.3竖式蛇管设计 156种子罐尺寸计算 166.1种子罐基本参数 166.2种子罐搅拌器参数计算 176.3种子罐搅拌轴功率计算 176.4种子罐换热设备 186.5种子罐进水管总直径 186.6种子罐竖式蛇管设计 197发酵设备图 201前言1.1植酸酶简介植酸，又被称为肌醇六磷酸，因其抗氧化性和能够与金属离子发生较强的络合作用，它很容易与矿物元素进行化学反应，即矿物质和蛋白-植酸-矿物元素复合物相结合。通过两者的结合能够使一些植物性食物和植物蛋白分离物中矿物质的营养功效降低。植酸的生产工艺可采用多种技术，在实际生产中多采用微滤超滤膜分离、真空冷冻干燥，喷雾干燥等先进技术对植酸酶进行发酵生产。植酸上的磷酸残基能够被植酸酶水解下来，因此存在于植酸与矿物元素之间强的亲和力会被破坏，并且反应中产生的钙离子能够参加到生物体的其他反应中，因此可以改变植物性食品的性质。在食品制作中和饲料生产中植酸酶被广泛使用，它不仅能够提高食品的营养，还可优化饲料配方，更好的满足机体生长需要。有机磷能够被植酸酶分解掉，使其成为容易吸收的部分，所以将植酸酶加到饲料当中去，动物可以更好地吸收饲料中的磷，动物的粪便中磷的含量减少，磷的排放量就会降低，降低包括土壤和水中的磷环境的磷污染，对保护环境具有不可估量的价值。植酸在动物体内起到抗营养作用，而植酸酶可很好的解决这一作用，进而提高饲料消化利用率。植酸酶如果能在体内被充分消化利用，则日粮中的磷的含量就能基本满足畜禽的营养需要，可较少甚至不用再额外添加无机磷，因此在饲料中添加植酸酶被广泛应用。1.2植酸酶的性质植酸酶属于磷酸单脂水解酶，是磷酶的一种形式。自然界中广泛存在植酸酶，例如在微生物、动物组织和植物中。植酸酶在植物和微生物中的作用不有明显区别：（1）植物在发芽过程中，需要磷和肌醇促进它的发育，肌醇作为更重要的生长因子，即在发芽过程植物中的植酸酶被诱导，磷和肌醇使得植物进一步生长。（2）微生物在繁殖过程需要磷的参与，植酸酶可以让微生物周围的植物释放出磷供给有机体，那么微生物所需的磷就能够被满足，即植酸酶在微生物体磷饥饿时被诱导表达，微生物附近植物排放的磷使微生物可以进一步生长。1.3植酸酶使用条件和保存因为酶活力在不同温度和pH下均不同，植酸酶的酶活力最适温度范围为35-45摄氏度，植酸酶的最适pH范围为2.5-3.5和5.0-5.5。且底物浓度范围为10-25%，反应适合时间为3-6小时（可根据要求变化），添加酶范围为0.03-0.07%（以水解溶液重量计）。植酸酶是蛋白质，对光热比较敏感且害怕潮湿，要想使植酸酶能够保持高效活力，可以将植酸酶放在5℃条件下保藏，保存期可为一年。如果放在35摄氏度下贮存，植酸酶酶活保存期为3个月左右。1.4植酸酶的应用1.4.1饲料工业中的应用植酸酶作为一种动物饲料添加剂的酶制剂，适用于在单胃动物中使用。它已广泛应用到家禽、猪、鱼饲料中。把植酸酶加到饲料中，可以提高饲料的营养物质利用度；减少饲料被污染的几率；提高饲料的质量，降低成本；减少磷饲料中磷对环境的污染节省配方空间。现在为了使动物长得更强壮，人们会把磷在生产的过程中放入它们食用的饲料里，但是这就导致了许多的磷元素被排放出来，而磷会造成水产生污染，让环境变得脏乱差。环境污染日趋严重，植酸酶的优势也就显而易见了。如果把植酸酶加到饲料里面去，那么可以磷的释放程度就会被降低，水体的磷含量变少了，就可以抑制水体产生富营养化的现象，进而缓解环境问题，保护生态环境。1.4.2食品工业中的应用在食品工业中，植酸酶可作为一种新型的食品添加剂。它的活性因植物的不同而有明显差异，在麦类中例如小麦黑麦中植酸酶的活性很高，而在燕麦和玉米等的植酸酶活性很低，有些甚至没有活性。目前植酸酶在食品领域中，主要用于研究改善人体对矿物质的吸收和提高食品加工技术。（1）在豆制品和谷物类中，六磷酸肌醇与五磷酸肌醇等植酸能够降低或抑制铁的吸收，所以为了提高豆制品和谷物类中铁的吸收，一般让磷酸盐以比三磷酸肌醇低的三磷酸肌醇盐的形式存在，以可以提高人们对钙锌元素的吸收，从而维持生长生存需要。（2）植酸酶在食物中可将植酸的含量降低。例如小麦中含有植酸酶，植酸酶就可降解小麦中部分植酸，然后在面粉中再加入植酸酶，植酸就能几乎全部降解，因此可以很好的提高植酸的降解率。在面包的加工过程中，植酸酶能够作为一种改良剂，它能够在不影响面团本身pH的条件下，缩短发酵时间使面团发酵的更加蓬松，从而使面包的口感和品质得到提升。1.4.3在动物生产中的应用在动物的日粮中加入植酸酶，可以明显改善单胃动物的生产性能和饲料的配方。研究发现，在仔猪的日粮中添加植酸酶，可提高仔猪的日增重；在家禽的日粮中添加植酸酶，也同样能够提高家禽的生产性能。同时也可使日粮中磷的利用率得到提高，大程度减少添加无机磷的费用。植酸酶也可影响日粮中氨基酸和蛋白质的代谢，植酸能够降低内源性蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶的活性，从而使蛋白质等消化率降低。1.5植酸酶的研究趋势伴随着科技的日新月异，在新兴领域中植酸酶应用的潜力得到挖掘，同时受到大家的广泛关注，植酸酶也在各种不同的产业中发挥它独特的优势。然而现在植酸酶若想要大批生产，成本较高,无法满足植酸酶的大规模使用的要求,。因此在植酸酶生产中应用新型技术十分重要。菌种的诱变、基因工程菌、原生质体融合手段都可以有效的降低植酸酶的生产成本。除此自外，植酸酶的耐热性也值得进一步的去深入探究。目前植酸酶的生产可以通过发酵培养，分离纯化等步骤进行，但是得到的产物一般为粗制品，含有不溶性杂质，所以到医药等领域中怎样提高产物的纯度并使之应用，也是植酸酶发展值得研究的方向。2植酸酶生产工艺流程2.１工艺流程植酸酶的生产工艺流程为：菌种选育菌种培养接种一级液体培养二级液体培养发酵罐发酵对发酵液离心分离纯化2.２发酵工艺具体方法2.2.1产植酸酶菌种的选育很多微生物都可以产植酸酶，但是只有产酶活力高的菌株才会受到关注，因为酶产量高的菌株才能应用到实际的生产中。为了提高植酸酶产率，通常有三种方式：菌种的诱变、利用基因工程菌、原生质体融合。本文采用酶活力较高的酵母菌为原料进行植酸酶的发酵生产。2.2.2产植酸酶菌株的分离筛选在已被灭菌过的三角瓶中加入样品和适量的生理盐水，煮沸，然后对样品进行分离，将样品稀释为不同浓度梯度的液体，每个梯度的液体浓度都做三次实验，减少实验误差。接下来把稀释后的菌液涂布到分离培养基上，放到培养箱中30℃培养，培养后取出涂布到初筛平板上，挑选几株较大水解圈的菌落转接到斜面培养基中保存。2.2.3菌种的复筛将斜面培养基上菌株接种到种子培养基里筛选，在条件为30℃，200r/min的摇床上发酵培养24h，再把菌种转接到发酵培养基上，取1毫升种子液于锥形瓶中，继续在30℃，200r/min的摇床上培养3天。3天后取出适量的液体把它放在离心管中，在离心机中4000rpm离心操作30min，即可筛选出较高酶活力的菌株。2.2.4一级液体培养将筛选出来的单菌落接种于种子培养基，在温度为35℃下，摇床培养两天左右，然后实施一级液体培养。2.2.5发酵罐发酵按照工艺参数为10%的接种量把培养2天半的液体接种到发酵培养基中去，再对它进行深层的发酵培养，把培养基放在温度为35℃的摇床上，培养3天。整个过程要通过调节pH的方法来控制发酵，发酵液起始pH范围为5.6到6.0，在发酵的过程中，发酵液酸性增加时，要控制发酵液的PH值不高于６.０，之后发酵液碱性增加时，也应控制pH不高于6.0。2.2.6植酸酶的分离纯化工业上使用的植酸酶，一般都是粗制品，为了得到纯度较高的发酵液，首先要对发酵后的发酵液进行离心，来除去菌体细胞和其他的不溶性物质，然后再通过不同的沉淀方法，使无细胞的发酵液进行沉淀，使得发酵液得到分离，最后通过亲和层析、超滤、膜分离等不同的技术手段对发酵液进行操作，获得纯度更高的植酸酶。2.3培养基分离培养基种子培养基液体种子培养基发酵培养基葡萄糖1.5%葡萄糖1.5%葡萄糖5%葡萄糖5%植酸钙0.1%植酸钙0.1%蛋白胨1%蛋白胨1%NH4NO30.2%NH4NO30.2%NH4NO30.2%NH4NO30.2%KCL0.05%KCL0.05%KCL0.05%KCL0.05%MgSO4﹒4H200.05%MgSO4﹒7H200.05%MgSO4﹒7H200.05%MgSO4﹒7H200.05%MnSO4﹒7H2O0.03%MnSO4﹒7H2O0.03%MnSO4﹒7H2O0.03%MnSO4﹒7H2O0.03%FeSO4﹒7H2O0.03%FeSO4﹒7H2O0.03%FeSO4﹒7H2O0.03%FeSO4﹒7H2O0.03%植酸钠0.6%琼脂1.5%pH5.5pH5.5琼脂1.5%pH5.5pH5.5以上培养基均在1×105Pa条件下121℃灭菌20min3工艺计算3.1基础数据：年产量：M=2000t年工作日：m=330d装料系数：φ发酵周期：T=84h（发酵时间72h，辅助操作时间12h）提取收率：ⴄ=70%发酵平均水平：Vl=35000单位/毫升产品酶活：Vp=180单位/毫克接种量10%3.2发酵罐3.2.1每天发酵罐放罐体积Vd＝1000∗M∗vpm∗VL∗ⴄ=1000∗2000∗180式中：3.2.2发酵罐放罐体积发酵罐体积：V0=vdⱷ=440.7=63m3（那么需取100（校核：ⱷ=3.2.3发酵罐的个数发酵所需台数n=nd∗T24式中:nd为每天放罐数每天放罐两台T为发酵周期3.2.4发酵罐的物料衡算物料流入=基础培养基(消后)+种子液量+补料量+氨水用量+盐酸用量物料流出=成品液+损失掉的料液量（损失掉的料液量=尾气+蒸发+逃液+取样）盐酸氨补料出料4%0.5%35.5%40%发酵罐10%0.5%1.5%90%8%放罐损失油泡敌种子罐盐酸氨补料出料4%0.5%35.5%40%发酵罐10%0.5%1.5%90%8%放罐损失油泡敌种子罐发酵料液占总料液90%，则总发酵料液体积V总=vd90%=4490%=48.9m3V损失=48.9-44=4.9m3初料液体积占总料液的40%，则V初=40%*V总=40%*48.9=19.56m3(初始料液为总料液的40%)每台发酵罐年发酵批次：N=330∗24T=943.3种子罐大小和个数V种=V发*10%=63*10%=6.3m3n=nd∗T24=2∗该设计一台种子罐对应一台发酵罐，所以需要每天2罐。发酵时间为40小时，辅助时间8小时每台种子罐年发酵批次：N=330∗24T3.3.1种子罐放罐液量2V种=2*6.3=12.6m3假设损失5%V总’=12.61−5%=13.26m假设种子罐装料系数65%V=13.2665%=19.7m故取20m3的种子罐4发酵罐工艺4.1发酵罐的无菌空气用量现有公式：V=发酵罐的体积*填充系数*通气系数（假设通气速率为1VVM）单发酵罐用无菌空气量：V=100*1*70%=70m3/h单种子罐用无菌空气量：V=25*1*70%=17.5m3/h则一年用量为；70*7*330+17.5*4*330=1.848*105m34.2热量衡算假设实消时蒸汽的量为Wkg，室温为25摄氏度培养基升温所需热量Q,=C,M,ΔT=4.187*25*(121-25)=10048800KJ0.3MPa饱和蒸汽的焓为2742.1KJ/Kg，121摄氏度水的焓为507.9KJ/Kg则ΔH=2234.2KJ/Kg10048800=W*2234.2得W=4497.7Kg实消时热量损失（发酵罐体积为100m3）Q1=KAΔT=125.6*73.5*(121-25)=7.94*105KJ/h最大辐射散热量Q2=C0（T100）4A=360442.8KJ/假设实消时间为1h则热量损失转化为蒸汽量为1*（7.94*105+360442.8）/2234.2=516.7Kg实消时蒸汽通入并转化为冷凝水的量4497.7+516.7=5.014t采用Δt=10摄氏度的水冷却，循环水带走热量CMΔT=4.187*m*10=20935*50冷却水用量m=24t(罐/h)4.3发酵罐尺寸计算：V0=Vc+Vb=π4D2H+VVb=π4D2hb+π6D2发酵罐的公称体积是下封头体积Vb和罐的筒身体积Vc之和ha=D公称体积：V0=π4D2H+π4D2（hb+D6）(h所以，V0=π4D2H+π24V0=100m3,把H=2D代入上式有100=π4D2*2D+π解得：D=3.89m取直径D=4000mm（将直径圆整到国内发酵罐系列）筒身高度：H=V0公称直径D=4000mm,ha=D4=1000mm，hbH=V0−Vb取整后H=7300mm（校核：HD=73004000=1.83（符合即发酵罐公称体积为V0=π4D2*H+π24D3=101发酵罐直径为4m罐体总高度为H0=H+2（ha+hb）=7.3+2*(1+0.05)=9.4m圆筒部分装液量：Vc’=V-Vb=63-9.02=53.98m3则圆筒部分液面高：HL’=Vc'π发酵液体总高度为：HL=HL’+ha+hb=4.29+1+0.05=5.34m4.4发酵罐搅拌装置及搅拌器尺寸设计4.4.1搅拌装置发酵罐上常用的搅拌器是推进式搅拌器和涡轮式搅拌器，这两种搅拌器各有特色，推进式搅拌器由于叶片的结构物料流向主要为轴向，出物料量大，整体混合程度好，所需功率小，但剪切力较小，对气泡的细化和分散作用，若在发酵过程中不利于氧的传递。因此，涡轮式搅拌器被大量的应用于发酵罐中，但涡轮式搅拌器的功率消耗大，在相同条件下，涡轮式搅拌器的功率消耗是推进式搅拌器的五到六倍，根据植酸酶发酵工艺的需要，本设计采用遛弯叶圆盘涡轮式搅拌器可以有利于粉碎气泡，强化氧的传递，以达到最佳混合效果。4.4.2搅拌器参数计算采用六弯叶涡轮搅拌器，搅拌器的各种尺寸与管径D存在一定的比例关系。例如：搅拌器直径：d=13D=1叶宽：b=0.2d=0.2*1333.33=266.66mm叶弦长：L=0.25D=0.25*1333.33=333.33mm弧长：r=0.375d=0.375*1333.33=500mm底距：C=0.8D=0.8*4000=3200mm盘径：ⱷ=0.75d=0.75*1333.33=1000mm叶径：S=1.5d=1.5*1333.33=2000mm4.4.3搅拌轴功率计算根据科学实验和生产实践总结功率准数和搅拌雷诺准数之间的函数关系P=Npρn3d5六弯叶涡轮桨的Np=4.8搅拌直径为1.05m,转速110r/minn=N(d1d2)23=110*1.051.33)2根据上述公式可知P=4.8*1000*1.573*1.335=77.30KW5发酵罐换热设备5.1发酵罐冷却面积发酵罐的传热装置由内蛇管、外盘管和夹套构成，一般情况下，V小于5m3,的罐用夹套为传热装置，大于10m3采用蛇管和外盘管传热装置。对于生产菌种发酵热较大的发酵罐，当安装的外盘管的传热面积不够时，罐内还要安装竖式蛇管来加大传热面积。本设计采用竖式蛇管冷却装置。冷却面积计算采用牛顿传热公式：F=式中：Δtm=Δt1−Δt2LnΔ种子罐热效应7000*3.912=27384KJ/h发酵罐热效应7000*44=308000KJ/hF=3080001400∗11.36=19.37考虑灭菌等因素，乘以1.1F实=1.1*19.37=21.31m2发酵罐可用面积：F’=πDH’=π*4.0*4.29=53.89m2F实<F’故可以选用内部蛇管,符合本设计要求。5.2进水管总直径冷却水用量：W=24t/h=6.67kg/s冷却水体积流量：ω=6.671000=6.67*10-3m3/故冷却水在管中流速取V=1.6m/s冷却管截面积为：S总=ωv=4.17*10-3m进水管总直径：d总=S总/（π5.3竖式蛇管设计5.3.1冷却管组数和管径冷却管组数和管径：S总=π4nd式中：S总-冷却管总截面，m2n-竖式蛇管总数d0-竖式蛇管管径，m一般来说，蛇管组数由罐的大小来决定，一般为3，4，6，8组等，每组管圈数不会超过6圈，增加组数可排下更多的冷却管；管与搅拌器的最小距离不应小于250mm，每圈管子的中心距离为。2.5D外-3.5D外，管两端U型或V型弯管，可弯制或焊接。安装时，每组竖式蛇管用专用夹板加紧，悬挂在托架上。夹板和托架则固定在罐壁上。管子与罐壁的最小距离应大于100mm，主要考虑便于安装，清洗和良好的传热。根据本设计，n取4，则d0=S总/（π选择Φ57*3的钢管d内=57-3*2=51mmd均=d外−d内现取U型弯管，曲径为250mm，两直管间距离为500mm；两弯管总总长度L0=π*d=π*500=1570mm5.3.2冷却管总长度竖式蛇管传热面积为20m2L=Fd均π=2已知每组蛇管需接管1mL总=118+4=122m每组蛇管长=1224=30.5筒底部分液深HL’=4.29m，则竖式蛇管高度H’=4.29+0.25=4.54m两弯管总长L0’=1570mm则竖式蛇管竖直部分长h=H’-0.25*2=4.04m则一圈管长L=2h+L0=2*4.04+1.57=9.65m故每组蛇管可绕圈数：n0=L0L=30.5校核：管总长：L总=9.65*5*4+1*5=198m>122m故满足设计要求6种子罐尺寸计算6.1种子罐基本参数种子罐公称容积为20m3，取H=2.5DV0=Vc+Vb=π4D2H+π24解得：D=2.12m根据发酵罐尺寸，取D=2200mm，ha=D4=550mm，hb=40m，Vb=1.54mH=V0−Vb取整为H=4900mm，则HD=发酵罐直径为2.2m罐体总高度为H0=H+2（ha+hb）=4.9+2*(0.55+0.04)=6.08m圆筒部分装液量：Vc’=V-Vb=11.85-1.54=11.04m3则圆筒部分液面高：HL’=Vc'π4发酵液体总高度为：HL=HL’+ha+hb=2.90+0.55+0.04=3.49m6.2种子罐搅拌器参数计算本设计采用六弯叶涡轮搅拌器搅拌器直径：d=1叶宽：b=0.2d=0.2*733.33=146.67mm叶弦长：L=0.25D=0.25*2200=183.33mm弧长：r=0.375d=0.375*733.33=275mm底距：C=0.8D=0.8*2200=1760mm盘径：ⱷ=0.75d=0.75*733.33=550mm叶径：S=1.5d=1.5*733.33=1100mm6.3种子罐搅拌轴功率计算P=Npρn3d5六弯叶涡轮桨的Np=4.8搅拌转速可根据20m3的发酵罐得，搅拌直径为700mm,转速200r/minn=N(d1d2)23=200*700733.33)23=193.89r根据上述公式可知P=4.8*1000*3.233*0.755=33.53KW6.4种子罐换热设备本设计采用蛇管冷却装置牛顿传热公式：F=Qk∗Δtm=17080考虑灭菌等因素，乘以系数1.1F实=1.07*11=1.2m2此时种子罐可用的传热外表面积为F’=πDH’=π*2.2*2.9=20.03m2F实<F’故可以选用内部蛇管6.5种子罐进水管总直径冷却水用量：W=1.2∗170804.2∗10=0.135kg/冷却水体积流量：ω=0.1351000=1.35*10-4m3/冷却水在管中流速取V=1.6m/s冷却管截面积为：S总=ωv=8.4*10-4m进水管总直径：d总=S总/（π/4）6.6种子罐竖式蛇管设计6.6.1冷却管组数和管径S总=π4nd式中：S总-冷却管总截面，m2n-竖式蛇管总数d0-竖式蛇管管径，m在一般情况下，蛇管组数由罐的大小决定，一般为3，4，6，8组等，每组管圈数不会超过6圈。根据本设计，n取4d0=S总/（π选择Φ21.3*2.75的钢管d内=21.3-3*2.75=15.8mmd均=d外−d内6.6.2种子罐冷却管总长度竖式蛇管传热面积为1.07m2L=Fd均π=1.07π∗1.8∗10−2已知每组蛇管需接管1mL总=19+4=23m每组蛇管长=234