乳糖酶生产线设计终稿

目录第一章项目总论 11.1乳糖酶的来源及其特性 11.2乳糖酶的基础研究 11.3乳糖酶的应用 21.3.1在乳产品中的应用 21.3.2在医药领域的应用 21.3.3乳糖酶基因在基因工程中的应用 31.4中国乳糖酶市场分析 41.4.1β-半乳糖苷酶的市场情况 41.4.2酶制剂生产厂家的产销情况 41.4.3国内市场需求预测 51.4.4本产品更新的特点 51.5生产乳糖酶的一般方法 51.5.1利用胞外酶 51.5.2利用胞内酶 61.6乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点 61.6.1生产局限性 61.6.2该项目乳糖酶的优点 61.6.3项目综合评价结论 71.7β-半乳糖苷酶的生产工艺 71.7.1生产工艺流程图 71.7.2项目技术路线图 81.8工厂组成 81.8.1生产车间 81.8.2辅助车间 81.8.3动力车间 81.8.4行管部门 81.9厂址选择与建设条件 81.9.1厂址选择 81.9.2建设条件 9第二章生产工艺 112.1乳糖酶生产工艺 112.1.1原料 122.1.2蒸汽喷射液化 122.1.3过滤 122.1.4连续灭菌 122.2发酵车间 122.2.1菌种处理工段 122.2.2发酵罐发酵 132.3分离车间 142.3.1过滤 142.3.2陶瓷膜微滤 152.3.3超滤浓缩 152.3.4喷雾干燥 152.3.5脱色 152.4包装车间 152.4.1包装及保藏 15第三章乳糖酶发酵工段工艺核算 163.1概况 163.2原料粉碎工段 163.3调浆工段 163.4液化工段 173.5过滤工段 173.6液化糖贮罐 173.7连消工段 173.8发酵工段 183.8.1种子罐 183.8.2发酵罐 183.8.3发酵液离心过滤 183.8.4空气系统 193.9水平衡计算 203.9.1工艺用水（河水） 203.9.2灭菌冷却用水 213.9.3发酵过程中冷却用水 213.9.4空压机耗水量 213.9.5空气冷却用水量 223.10蒸汽消耗量 223.10.130m3单罐发酵原料配料消耗蒸汽量 223.10.2喷射液化消耗蒸汽量(7h完成) 233.10.3种子罐消毒 233.10.4连消阶段消耗蒸汽量 233.10.5发酵罐空消蒸汽消耗量 23第四章生物反应器的设计 244.1反应器的论证 244.2反应器的设计 254.2.1发酵罐 254.2.2种子罐 304.3主要设备选型 34第五章核算 365.1概述 365.2基础数据 365.2.1生产规模和方案 365.2.2实施进度 365.2.3费用统计 36第六章财务评价 396.1内部收益率（IRR）的计算 396.2主要经济指标 396.3不确定性分析 396.3.1盈亏平衡分析 39附表：项目工程设计协作时间表 41第一章项目总论1.1乳糖酶的来源及其特性乳糖酶是一种酶，它是酵母Kluyveromyceslactis的lac4基因作为一种乳糖酶的代号，这个基因是由3078bp核苷酸组成并编码一种1025氨基酸形成的一种以特殊空间排列和物理形状的长链氨基酸组成的复合蛋白，和其它的酶相差不大。它是一种白色粉末，无味道，无气味，溶解时是一种浅棕色的液体。该酶是通过一种从酵母菌菌种发酵制备。乳糖酶特定水解半乳糖苷的键将乳糖转变成葡萄糖和半乳糖。乳糖酶又称β–半乳糖苷酶，是哺乳动物乳汁中一种重要的营养成分。可催化乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，多用于乳品工业。哺乳动物的乳糖酶活性随年龄增长具有典型的生理性降低，所以乳糖酶缺乏是广泛存在的世界性问题。1889年，荷兰生物学家Beijerincek首次报道了乳糖酶可水解乳糖以来，人们对于乳糖酶的研究日趋完整。目前，解决乳糖不耐受的最佳方法是用乳糖酶水解乳糖来生产低乳糖或无乳糖乳制品。而现在商业乳糖酶中乳糖酶的最适温度在37℃左右或者更高，但是对于乳品加工工业，许多长时间的操作工艺以及贮存和运输均在低温下进行，低温乳糖酶具有中温乳糖酶无法达到的优越性，所以近年来成为研究的热点。乳糖酶存在于植物、细菌、真菌、放线菌以及哺乳动物(特别是婴儿)的肠道中。目前只有来源于微生物的乳糖酶有工业应用价值，利用微生物发酵法制取乳糖酶，具有酶源丰富、产量高、生产成本低、周期短的特点，而且不受季节、地理位置等因素的影响，但不同微生物来源的乳糖酶的性质差别较大。1.2乳糖酶的基础研究乳糖酶的基本结构及其生物合成对乳糖起水解作用的酶是乳糖酶根皮苷水解酶(lactasephlorizinhydrolase，LPH)。LPH是一种肠上皮细胞微绒毛膜上的糖蛋白，具有乳糖酶和根皮苷水解酶活性，最适pH为5.5~6.0。LPH为一条多肽链，有乳糖酶和根皮苷水解酶的作用位点，并通过COOH末端的一段疏水氨基酸序列连接在肠牯膜微绒毛膜表面。前乳糖酶原由位于氨基末端的信号肽域、前导肽域、胞外域、疏水的跨膜锚定区、羧基末段的胞内段组成，在信号肽引导下进入内质网经过一系列修饰，乳糖酶原进入高尔基体后被糖基化，然后经历细胞内和肠腔的2次裂解后形成成熟的乳糖酶。1.3乳糖酶的应用1.3.1在乳产品中的应用1.3.1.1解决结晶问题由于乳糖结晶在浓缩乳制品或者冷冻制品中往往造成产品的(砂状组织)缺陷，若在加工中添加20%~30%的乳糖水解酶，不但可以防止结晶现象发生，还可以增加产品的甜度，减少蔗糖用量。1.3.1.2发酵乳制品中的应用用乳糖水解乳制造酸乳，可以缩短乳凝固时间约15%~20%，且由于乳酸菌生长快，菌数多，能延长酸乳的货架期，产品黏度也较大，若水解程度较大时，甜度也增加。因此，在制作水果酸乳时不仅可减少糖的用量，而且水果的风味也会增强；用乳糖水解乳加工干酪时，可缩短凝乳时间，并使凝块坚实，还可减少排除乳清时造成的损失，产量可增加10%。1.3.1.3作为替代添加剂乳清和超滤乳清中的乳糖部分水解可增加产品的甜味，提高糖的溶解度。不同比例的葡萄糖和半乳糖混合物的甜度相当于蔗糖甜度的65%~80%，溶解度增加3~4倍，这种糖浆的总固形物含量达75%，可代替卵蛋白和蔗糖制作面包、饼干和蛋糕等，还可代替加糖浓缩牛乳制作牛乳软糖等，且不会出现纹理、沙包、乳糖结晶和焦糖等现象。乳糖溶液经乳糖酶水解形成半乳糖和葡萄糖的混合液，称为半乳糖葡萄糖糖浆。其甜度与等质量分数的蔗糖相近。可代替蔗糖用于各种点心、饮料、罐头食品及冰淇淋和雪糕的加工，效果很好。1.3.1.4低聚半乳糖的生产低聚半乳糖是以牛乳中的乳糖为原料，经β-半乳糖苷酶催化水解半乳糖苷键，生成半乳糖和葡萄糖，并通过转半乳糖苷的作用，将水解下来的半乳糖苷转移到乳糖分子生成的。低聚半乳糖具有较强的耐酸性、耐热性，不会因为在加工过程中的高温杀菌及人体胃酸所分解而失去其本来应有的特性，而且能有效地被双歧杆B菌和乳酸杆A菌同时利用，因此低聚半乳糖的生产和应用也相当广泛，特别是在日本，随着人们越来越注重健康，低聚半乳糖将会有很大市场。1.3.2在医药领域的应用乳糖酶可作为助消化类药物，适用于婴儿各种消化不良症，如原发性乳糖酶缺乏，因胃障碍及缺铁所致的幼儿慢性腹泻、幼儿及新生儿腹泻等，且对新生儿无毒害作用。用于治疗乳糖不耐受的乳糖酶药物还可与其他抗生素联用，与杜迪和思密达治疗轮状病毒肠炎能明显有效地缩短病程，疗效确切，治愈率高。此类药物可调整肠道正常菌群，拮抗轮状病毒，对肠黏膜上皮细胞损伤有一定治疗效果。很多药物中都含有乳糖酶，如乳糖酶冻干酵母制剂、酵母乳糖酶肠溶微囊制剂等。医学上乳糖氢呼吸检查被广泛用于诊断乳糖酶缺陷，最常见的是乳糖不耐受症状的诊断，OberacherM等通过3个呼吸实验说明这个呼吸测试对乳糖酶缺陷具有良好的敏感性和特异性，呼吸实验可以简化但时间无法缩短。研究发现对乳糖的分解能力也可作为一些疾病发生风险的标志，实验测试者对乳制品食物消化后，双歧杆菌和大便乳酸菌的检测表明某些疾病的发生风险和乳制品食物的摄入有关。对于乳糖不耐受的治疗，用乳酸杆菌和半乳糖苷酶治疗乳糖不耐症的病人，通过氢呼吸实验的结果可知，乳酸杆菌和半乳糖苷酶都强烈提高胃肠道对乳糖的摄入吸收。由此可知益生菌对于乳糖不耐受治疗持续性较好1.3.3乳糖酶基因在基因工程中的应用1.3.3.1在载体构建中的应用乳糖酶基因编码的产物水解底物X-gal，可呈现蓝色，易于检测和观察，在构建表达载体LacZ基因置于启动子下游，通过蓝白斑来筛选阳性重组载体。1.3.3.2作为报告基因的应用乳糖酶是一种常用的报告基因分子，经常与荧光素酶报告基因一起转染细胞，被用作荧光素酶报告基因检测的内参照，从而消除因为质粒的转染效率不同而带来的误差。汪国忠等以β-galactosidase质粒为报告基因，将其与自制氟碳气体微泡黏附，制备载基因微泡。利用诊断性超声破裂微泡进行体外心肌细胞基因转染，采用原位染色及酶学定量检测β-galactosidase表达水平，同时进行细胞活性检测。其作为报告基因还用于研究启动子的效能和启动子不同位点突变对表达效能的影响。陈晓月等为检测构建的枯草芽胞杆菌分泌表达载体pGPST中启动子和信号肽的活性，将β-半乳糖苷酶基因插入表达载体的多克隆位点，构建含有β-半乳糖苷酶基因的重组质粒pGPST-lacZ。1.3.3.3构建产乳糖酶基因工程菌利用基因工程技术，可以将活性高的乳糖酶基因导入易于培养、生产繁殖迅速的微生物体内，从而降低乳糖酶生产成本。1.4中国乳糖酶市场分析1.4.1β-半乳糖苷酶的市场情况随着科学技术的发展和人们对乳糖酶的进一步研究，乳糖酶的应用范围越来越广，将来乳糖酶的应用就不仅仅局限于解决乳糖不耐受问题，还将在食品、医药、环保、基因治疗等各个领域发挥重要作用，具有广阔的市场前景。由于近年来低温乳糖酶的研究成为热点，乳糖酶的生产成本也将大幅降低，乳糖酶的适应性也将提高。目前，研究人员也正在从我国寒冷地区的土样中对低温乳糖酶产生菌株进行筛选并且将克隆其基因到大肠埃希菌中表达，随着研究的深入，低温乳糖酶的工业化生产及其在各个方面的应用将会逐步实现。乳糖酶在乳品加工中的潜力远在上世纪初即为人们所知，但到50年代，人们对乳糖不耐受症的进一步认识才逐渐被重视。60年代，由微生物中制取的乳糖酶商品化生产后，乳糖酶的应用才得以推广，对于乳糖酶的使用也得到了深入广泛的开展。1.4.1.1解决乳糖酶缺乏者食用乳制品的问题 乳制品中的乳糖需经位于小肠严密上皮细胞的乳糖酶水解为半乳糖和葡萄糖后才能被集体吸收利用。集体乳糖酶缺乏可分为3类：（1）先天性乳糖酶缺乏，指出生时乳糖酶活性即低下或缺乏，这是一种罕见的常染色体隐性遗传病；（2）继发性乳糖酶缺乏，指由于各种原因致小肠上皮损伤而导致的暂时性的乳糖酶活性低下，常见病因如感染性腹泻、局限性回肠炎、免疫球蛋白缺乏症、营养不良等，多于机体疾病康复后恢复正常；（3）原发性乳糖酶缺乏，是由于乳糖酶活性随年龄逐渐降低而引起的，无其他影响，是最常见的一种乳糖酶缺乏，发生时间因种族和地区不同而不同，有的在婴儿断乳后开始发生，有的20岁左右才开始出现，我国多发于7-8岁时发生。乳糖酶缺乏随不同国家，不同种族人群的变化而变化，亚洲60~90%，澳大利亚白人0~6%，欧洲30%以上，非洲90~100%，美国白人12%，黑人70%，日本人100%。3-13岁中国儿童乳糖酶缺乏发生率为87%。食物中的乳糖进入小肠后，由于乳糖酶的缺乏，乳糖不能被分解为单糖而吸收进入血液，称为乳糖消化不良或乳糖吸收不良。1.4.2酶制剂生产厂家的产销情况本项目通过对世界生化制剂公司的先驱Gist-brocadeB.V，在食品营养价值、保健因子、食品风味、安全性、组织结构，延长保质期以及环保等方面的研究和生产情况的进行调查；另外，荷兰Gist-brocadeB.V下三大公司（FIS）食品原辅料公司的乳制品原辅料部（FSD）和DIG，尤其是DIG的产品基本上已经成为世界性的所有乳制品原料的提供商。另外哈尔冰美华生物技术股份有限公司的乳糖酶项目，自2002年来的运作概况，也做了跟踪和调查，在本土生产此项目具有很高的工业前景，效益很高。1.4.3国内市场需求预测我国是世界上牛奶产量增长最快的国家，今后几年的产量仍持续快速增长。据国家农业部统计，2001年全国奶牛存栏达687万头牛，牛奶宗长亮增加到1229万吨，液态奶产量355.14万吨。国家统计局数据显示，2005年2-12月，全国乳制品产量为1310万吨，较上年同比增长27.97百分点。世界人均牛乳年消费量94公斤，亚洲人均40公斤，我国人均24.89公斤，相差甚远，除了经济发展水平外，还有一个重要原因，就是我国人群中存在着乳糖消化不良、乳糖不耐症等，但是乳糖奶消费，在我国基本上还属于空白。按照国际市场的消费情况，低乳糖的开发提高了奶制品的消费量。从2005年2到12月，国内消费结构，酸奶消费增长，可能与新的消费增加有关。目前，2006年全国总奶产量在1500万吨，按生产百分之10到百分之20的低乳糖制品计算，每年的产量可达150到300万吨，以一公斤乳糖酶产品处理加工1吨乳制品估算，乳糖酶的年产量可达1500到3000吨。2015年需求量可达2000到4000吨。1.4.4本产品更新的特点从理论上来说，针对乳糖不耐症有多种方式，例如，添加乳酸杆菌发酵、工业再加工等，能在一定程度上解决该问题，但从节约和降低成本，以及工艺配套简便等角度来看，乳糖酶还是最简便易行，从调查情况来看，该项目在短时间内还不存在非常有竞争力的替代产品。1.5生产乳糖酶的一般方法1.5.1利用胞外酶利用絮状酿酒酵母和黑曲霉中含有编码分泌胞外乳糖酶的LacA基因构建重组菌株，使重组酿酒酵母菌株能够分泌可高效利用乳糖的乳糖酶。Ibrahim等使用化学诱变剂对两株双歧杆菌、乳植杆菌和嗜热链球菌进行诱变，筛选高产菌株，长双歧的诱变菌株产酶量比野生型增加2倍多。为了获得高产菌株，新基因工程菌不断出现。生产酶的工程菌以大肠埃希菌、酵母菌为主，还有嗜热链球菌、乳杆菌等。1.5.2利用胞内酶酶水解法，即利用外源性乳糖酶将乳糖降解为易被人体吸收利用的单糖。该法水解条件温和、产物简单、口感不会破坏牛乳中其他营养成分，是目前乳制品加工中所采用的好方法。EC3.2.1.23通常被称为乳糖酶。该酶能将乳糖水解为半乳糖和葡萄糖。1.6乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点1.6.1生产局限性1）乳糖酶的单位产量低；2）市场销售的乳糖酶多源于酵母，酶的耐热性差，适用范围窄；3）且酵母来源的乳糖酶为胞内酶，需要破碎细胞才能得到，成本昂贵适用范围窄，不能满足食品和乳制品工业多方面的需要。1.6.2该项目乳糖酶的优点1）该项目的乳糖酶为胞外酶，不需要细胞破碎就能得到，提取纯化工艺简单，加工成本低。在水解牛奶的应用试验中，在不同的温度下，（6到60摄氏度中）不同时间内均有较好的乳糖水解效果，水解率达百分之80到百分之92。国外酵母来源具有较高质量的乳糖酶，在37～40摄氏度，pH6.6的条件下对牛乳中的乳糖水解率高。2）具有较好的机械强度，可以搅拌或装柱的方式下进行作用；3）可用于工业化生产，适应连续化、自动化生产4）产物纯度高、副反应少、因此产率高；5）可反复使用，提高酶利用率，降低了生产成本；6）安全性好，避免了想天然牛奶中添加外援物质，食品安全性高7）该乳糖酶与商业化的乳糖酶相比，在比活，pH稳定性，pH范围、热稳定性、金属离子及化学试剂稳定性、Km上均具有优越性；8）与商业化酵母来源的乳糖酶相比，具pH适用范围，热稳定性强等优点。该项目的酶具有优越的酶性质，使其应用在不同的乳制品加工中生产多种类型的产品。生产过程具有良好的安全性，无抗药性标记，培养过程中不分泌有毒物质和热源。发酵工艺简单，培养基均为工业所适用的。1.6.3项目综合评价结论本项目经过充分论证和市场调研，项目产品技术含量高，知识产权明晰、生产技术先进、符合国家和当地产业政策，项目产品有较广阔的市场前景和丰厚的投资回报。项目投资估算合理，资金来源明确、资金预算科满足项目建设和运营的要求。拟建方案、建设条件、产品方案、工艺技术、经济效益、社会效应、等基本完备，具有相当的可行性。1.7β-半乳糖苷酶的生产工艺1.7.1生产工艺流程图图1-1生产工艺流程图1.7.2项目技术路线图图1-2项目技术路线图1.8工厂组成企业采用有限责任公司形式，下设生产部、质量管理部、研发部、维修部、化验部、化验室、以及各个车间1.8.1生产车间由上游原料选择和处理（原料选择、上游处理、摇床培养、HPLC、补料发酵）、提取（过滤、脱色、干燥）、精制（蒸发浓缩、模拟移动床（SMB）色谱分离系统、储存）等组成。1.8.2辅助车间废水处理、渣处理（副产品加工）、产品仓库、原料仓库、材料仓库、机修等。1.8.3动力车间由锅炉房、变电所、空气处理系统。1.8.4行管部门主要办公室、中心实验室、汽车库、传达室等。1.9厂址选择与建设条件1.9.1厂址选择项目建设的具体地点为南京浦口高新技术开发区。根据投资方与南京市政府以及浦口区高新技术开发区管理委员会协商，并经过南京市设计院的初步勘查和测量，南京浦口区高新技术开发区将在该区内提供能够买足该项目的建设及后续生产经营的需要的土地。具体设计方案及图纸由***另行出具。1.9.2建设条件1.9.2.1自然条件南京市位于118°46'北纬:32°03'，属于亚热带温润季风区，年平均温度15.4°C，年平均降水量1106毫米，气候宜人，景色秀丽。高新区地处长江三角洲，地势平坦，地质结构优良，地耐力达18-30吨/平方米，海拔高度50米左右。该区地层发育完整，保存较好。由古—中元古代之浅变质岩系（张八岭岩群、埤城岩群）组成基底。新元古生代之南华纪至中生代三叠纪，由海相碳酸盐岩和碎屑岩相间组成盖层，构成宁镇、茅山、宜兴等山脉，厚达万米以上，不整合于中元古代地层之上。其内部，各层间多为整合、或少数呈平行不整合接触。中生代中三叠世至中侏罗世由内陆河、湖相碎屑岩组成，厚度变化较大（0—5000米），平行不整合—不整合于老地层之上。中生代晚侏罗世至白堊纪，则为陆相火山喷发重要阶段，由红色碎屑岩间大量中、酸性火山岩组成，分布局限，厚度变化极大，厚者可达万米。与下伏地层为平行不整合接触、整合接触或不整合接触。新生代之古近纪—新近纪，该区仍处陆相环境，形成杂色碎屑岩，夹基性火山岩堆积，以苏北盆地为发育，厚可达数千米。不整合于前第三纪地层之上。该区，前第四纪岩石地层，自下至上共分61个单位，包括4个群、51个组、2个段、相当段级4个。厂址所在区域，地势平坦，地质结构优良，无不适合项目建设之缺陷。1.9.2.2基础设施条件厂址地处南京市区北部，在京沪高铁和京沪高速途经之处，南京东依上海，本身又是江苏省会，全国排名前十的城市，位置优越，交通便利。1.9.2.3所处地区的主要经济情况南京的工业以电子信息、石油化工、汽车机械、生物制药、食品饮料、仪器仪表等产业占有重要地位。2008年规模以上工业总产值6472.23亿元。

最新评定，制造业“十大强市”南京列第一。排行榜中，南京的城市制造业经济创造能力排名为第六，科技创新能力排名为第一，环境资源保护能力排名为第五。1.9.2.4社会经济条件2008年，南京市实现消费品零售总额1651.82亿元。南京的主要商业区有新街口、湖南路、夫子庙、珠江路等。新街口位于南京市中心，在民国时期发展为商业区，目前集中了大批大型店铺。湖南路位于鼓楼区，主要是1990年代以后兴起的新商业区。夫子庙位于秦淮区，是南京最古老的传统商业区之一，自1985年起陆续改建为仿古街市，以餐饮娱乐为特色。珠江路位于玄武区并为区政府所在地，是华东地区规模最大的IT产品集散地之一。2008年度，全市实现旅游总收入714.3亿元人民币。2004年末，全市拥有4A级旅游景点5个，旅游星级宾馆饭店113家，其中五星级宾馆8家，各类旅行社三百余家，其中从事国际旅游业务的旅行社27家。南京市也是中国评出的第一批优秀旅游城市之一。1.9.2.5原材料及主要辅助材料供应本产品的原材料、主要辅助材料，主要是农副产品和无机化学原料等。所有这些消耗品的市场供应均十分便利，在当地可提供。1.9.2.6燃料动力及其他公共设施的供应本项目在浦口高新技术开发区实施，交通便利，开发区配套企业提供包括水、点、热、燃气等相关的生产所需，保证满足项目建设和投产后的生产经营和生活的需求。

第二章生产工艺2.1乳糖酶生产工艺利用毕赤酵母系统表达有生物活性的乳糖酶，使得乳糖酶高效分泌到细胞外，而无需破碎细胞来提取，降低了乳糖酶的生产成本，简化了生产工艺，具体如下：采用30m3容积的发酵罐进行生产，需要三级发酵，将摇瓶培养的种子按1：10的比例接入一级种子罐，由一级种子罐再接入二级种子罐，再接入30m3容积的发酵罐中好氧发酵，发酵过程中适时补料，监控菌体生长、产酶情况，防止污染。待发酵结束后，放罐，将菌体与发酵液分离，通过分离纯化获得酶制剂产品。流程图如图1所示：30m3发酵罐培养流加氨水30m3发酵罐培养流加氨水流加麦芽汁、甲醇离心分离清液微滤除菌、脱色、脱盐超滤浓缩喷雾干燥固体成品包装毕赤酵母活化种子罐卡式罐三角瓶麦芽粉碎调节pH过滤麦芽糖化2.1.1原料取大麦和小麦若干，用水洗净，浸泡6~12小时，置于15℃阴暗处发芽，上面盖纱布一块，每晚早、中、晚淋水一次，麦根延长至麦粒的两倍时，即停止发芽，摊开晒干或烘干，贮存备用。具体工艺流程：麦芽谷物粉碎——蒸煮糖化——静置冷却——麦芽液过滤——调节pH粉碎：麦芽的粉碎方法：采用干法粉碎法，将麦芽投进辊式粉碎机进行粉碎2.1.2蒸汽喷射液化喷射液化法液化均匀，完全且连续化生产。此液化法主要受到蒸汽方面的影响,，蒸汽的高低直接影响液化进料的速度,从而影响质量及产量。将粉碎的麦芽粉加进喷射液化器，通过高温喷射液化成糖。2.1.3过滤 板框式压滤机是由容钠糖化醪的框和分离麦汁的滤布及收集麦汁的滤板各若干组组成过滤元件，再配以顶板、支架、压紧螺杆或液压系统组成。2.1.4连续灭菌将配制好的培养基用泵连续输入由直接蒸汽加热的加热器，使其在短时间内达到灭菌温度130℃。然后进入维持罐，使在灭菌温度下维持5～7分钟后再进入冷却罐，使其冷却至接种温度30℃并直接进入已事先灭菌（空罐灭菌）过的种子罐和发酵罐内。主要设备：加热器、维持罐、冷却罐2.2发酵车间2.2.1菌种处理工段2.2.1.1培养基的制备毕赤酵母在试验室培养阶段一般多采用米曲汁或麦芽汁来做培养基。由于其中含有丰富的碳、氮及其它营养物质，很适宜于酵母菌繁殖。将市售麦芽磨碎后，加水，于55~60℃糖化4小时，再过滤，将滤液浓度调整为l0~12Bx。如果要制作固体培养基时，可加入2％的琼脂，溶化后分装试管，灭菌后取出斜放，待冷凝后，于30℃培养两天，观察有无杂茵生长，如无，就可以做接种用。采用平板划线法接种。麦芽汁的pH值一般可控制在4~4.5左右，如果太高，可用H2SO4或磷酸调整。2.2.1.2实验室扩大培养流程毕赤酵母活化——斜面试管——一级种子培养——二级种子培养2.2.1.2.1毕赤酵母活化应先将菌体接入新鲜斜面试管进行活化，以便酵母菌处于旺盛的生活状态。在无菌条件将原菌下接人新鲜斜面试管，于28-30℃保温培养3-4天，待斜面上长出白色菌苔，即培养成熟，培养基为：葡萄糖、酵母粉、琼脂糖。2.2.1.2.2三角瓶培养采用三角瓶培养，可视其容量选用不同的培养基。如用250毫升小三角瓶，可装入l00ml米曲汁，如3000ml大三角瓶，则可装入米曲汁和经过过滤的酒母糖化醪各500ml，经灭菌后备用。2.2.1.2.3一级种子培养采用卡氏罐培养，卡氏罐培养基可使用酵母糖化醪，以使毕赤酵母逐渐适应大生产培养条件。卡氏罐用的糖化醪应单独杀菌后备用，如果工厂卫生管理条件较好，也可不杀菌。2.2.1.2.4二级种子培养将一级种子罐的种子转移的二级种子罐培养。2.2.2发酵罐发酵2.2.2.1发酵工艺流程发酵过程采用流加操作（补料分批式操作），是指在分批发酵过程中，间歇或连续地补加一种或多种成分的新鲜培养基的培养方法，是分批发酵和连续发酵之间的一种过渡培养方式，是一种控制发酵的好方法，现已广泛用于发酵工业。在培养过程中不断补加浓麦芽汁,使得在整个培养过程中培养液保持较低的糖的质量浓度。采用此方法,既可获得较高的酵母得率,又可获得高的酵母浓度。甲醇也是碳源，流加甲醇时，菌体以甲醇为碳源诱导表达外源蛋白。由于过高浓度的甲醇抑制细胞的生长和产物的表达，因此通过合适的策略控制甲醇的流加是提高外源蛋白表达量的关键。流加氨水可以调节pH，同时提供氮源。2.2.2.2培养温度的控制酵母菌在适宜生长温度范围内，高温比低温繁殖稍快。但高温培养酵母易于衰老。酒精生产中酒母培养温度为28~30℃。由于酵母菌在生长代谢过程中还要产生一定热量，故应注意加强冷却，以保证酵母菌健壮生长。2.2.2.3pH控制糖化完成后可适当加大风量使发酵进入旺盛产酸期。在产酸期内控制风量使产酸速率维持在2-3g/h·L，不得过快，以进一步利用糖化作用和防止菌体过早衰老。2.2.2.4选择通风培养毕赤酵母在生长繁殖过程中需要消耗大量能量，这种能量来源主要是靠葡萄糖的有氧分解来获得。所以，在有氧条件下培养酵母菌，利用能量高，糖分消耗少，在酵母培养过程中通入适量的无菌空气，对酵母繁殖是有利的。在实际流加培养过程中，前期应控制较低的搅拌转速（600r/min）以提供较低的kLa值，这样迟滞期可相对缩短；在对数生长期后期应迅速增大搅拌转速（提高到1200r/min），4kLa值达到800（1/h）以上，以满足细胞快速生长对溶氧的要求，提高产率；在培养末期应调节搅拌转速至800r/min左右。2.3分离车间2.3.1过滤过滤采用板框压滤机进行过滤，将发酵好的发酵液加进板框压滤机，通过压滤，将大物质的杂质去掉，得到滤液。将滤液收集到贮存罐板框压滤机由交替排列的滤板和滤框构成一组滤室。滤板的表面有沟槽，其凸出部位用以支撑滤布。滤框和滤板的边角上有通孔，组装后构成完整的通道，能通入悬浮液、洗涤水和引出滤液。板、框两侧各有把手支托在横梁上，由压紧装置压紧板、框。板、框之间的滤布起密封垫片的作用。由供料泵将悬浮液压入滤室，在滤布上形成滤渣，直至充满滤室。滤液穿过滤布并沿滤板沟槽流至板框边角通道，集中排出。过滤完毕，可通入清洗涤水洗涤滤渣。洗涤后，有时还通入压缩空气，除去剩余的洗涤液。随后打开压滤机卸除滤渣，清洗滤布，重新压紧板、框，开始下一工作循环。 2.3.2陶瓷膜微滤酵母菌适用孔径0.65μm、亲水性滤膜，过滤无须任何预处理，节约成本。菌渣可直接做饲料，完全消除废液污染。滤液不含蛋白质量高，保证连续离交进料要求。将发酵液通过陶瓷膜，滤掉杂质。收集上清液2.3.3超滤浓缩采用中空纤维式膜分离器，将上清液进料，进料液在管内流动，在压力的作用下透过液由管内侧流向管外侧，乳糖酶等小分子颗粒通过滤膜，细菌的大分子被截留。由于乳糖酶的分子量是120KD，所以选择截留分子量为20kD的超滤膜进行浓缩，既不损失过多的蛋白，又会除去多余的杂质。2.3.4喷雾干燥上层清液经处理后进行喷雾干燥获得半成品干物料。喷雾式干燥机的主要工作过程是：外界新鲜空气通过空气过滤器、鼓风机，进入空气加热器，使空气温度提高到280℃左右，送进干燥室(塔)。在进入干燥室(塔)前，热空气先通过匀风板，使热空气均匀分布，防止旋涡，避免焦粉发生，以保证干燥效果。需干燥处理的物料液，经杀菌处理后进入料罐，再由压力泵送至雾化器，料液以雾状喷出并与热空气混合，物料微粒吸取热量，瞬间水分蒸发，形成粉末向下降落，干燥室内一般保持120℃以下，经过一段恒速干燥，进一步蒸发水分，粗颗粒落人干燥室(塔)的锥形底部并排出机外。干燥后的物料细粉粒和低温湿空气经旋风分离器分离，废空气由排风机排放，干燥细粉末产品落下由卸料器连续排出。2.3.5脱色采用活性炭脱色。温度75~80℃为好，pH3~6，在极性溶剂中效果较好，加入量为千分之一至三（或5），脱色时间为30~60min。2.4包装车间2.4.1包装及保藏经质量检验合格的活性干酵母、乳糖酶先加入AADY保护剂（海藻糖5%+司班-602%+吐温-802%的组合），后采用铝塑薄膜真空包装成500克/包、100克/包、30克/包、10克/包等规格，在室温下保质期为6-12个月。并将包装好的活性干酵母、乳糖酶置于10℃的条件下保藏。第四章生物反应器的设计4.1反应器的论证本设计拟采用自吸式发酵罐。自吸式发酵罐是一种用于好气发酵的发酵罐，它装有一种特殊设计的机械搅拌装置，当这种搅拌桨滚动时，紧密贴在桨底的导气管可借桨叶排出液体时所产生的局部真空把大气中空气经由滤后吸入罐内。镇江格瑞生物生产的这种发酵罐已在醋厂，酵母厂，制药厂等投入使用。由于其独特的流体力学特性，自吸式发酵罐有以下突出优点：（1）气液接触十分良好，气泡分散较细，氧在发酵液中的溶解速率快。（2）设备便于自动化、连续化降低劳动强度。（3）结构简单，溶氧效率高，操作方便。（4）节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水分离器、空气储罐、总过滤器设备，减少厂房占地面积。（5）减少工厂发酵设备投资约30%左右。4.2反应器的设计4.2.1发酵罐设计内容：30m3的自吸式发酵罐表4-1技术特性要求设备内外夹套内衬设计压力MPa0.350.30.3设计温度℃80120120主要物料发酵液蒸馏水发酵液腐蚀裕度mm1.01.01.0焊缝系数0.9操作容积m330换热面积m221主要受压元件材料1Cr18Ni9Ti，Q235-A（1）公称容积V=30m3（2）自吸式发酵罐高径比取：H/D=2/1（3）发酵罐壁厚的计算：4.2.1.1计算确定壁厚：设计压力：0.35MPa设计温度：80℃采用不锈钢[σ]t=133MPaDg>800mm，采用双面对接焊，局部探伤=0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3C1钢板负偏差，其范围为0.13~1.3，现取0.8C2腐蚀裕量，单面取1，双面取2，C2=2C3加工减薄量，对冷加工，C=0，C3=0V公称=0.485D22D=30D=3.14m取D=3200mmH=6400mm壁厚：S=PD/（2[σ]-P）+C=7.48mm选S=8mm4.2.1.2强度校正：取K=1，[P]=2δe[σ]t/(KDi)=0.352MP﹥Pw=0.35MP，所以设计壁厚符合要求。4.2.1.3两端封头4.2.1.3.1顶部封头：在发酵过程中，发酵过程中，发酵液活动剧烈，易产生大量的泡沫，故在设计过程中，可局部放大顶部封头，增大可容空间，以作缓冲作用，减少逃液量。采用椭圆形封头，材料为1Cr18Ni9Ti。选型：Dg=3200mmh=Di/4=800mmh0=25mm封头上有四个开孔：a、人孔：Φ400，选用不锈钢，水平吊盖（J04-0099-0114）公称压力为0.6MPa。b、排气管：采用不锈钢管，以焊接方式与封头连接，为缓解发酵过程中气液夹带现象，减少泡沫随气体溢出的可能性，排气口直径可考虑取大些，公称直径Dg=200mmc、视孔：HGJ501-86-14，Pg10Dg300组合件 d、备用孔：取Dg=80mm4.2.1.3.2底部封头：采用椭圆封头，材料为1Cr18Ni9Ti。其上开孔：1个排料孔，1个冷凝进水口，若干个空气分布器孔。封头选型：Dg=3200mmh=800mmh0=25mmF=11.351m2V=1.541m34.2.1.4空气喷嘴：条件：反应液体积V=21m3空气以250~300m/s高速喷入反应液循环周期：当菌体的浓度微7%时要求周期在2.5~3.5min，不可超过4min，现取t=3.5min。环流速w=1.2~1.4m/s，现取w=1.2m/sVL/QCVL—有效反应液体积QC—反应液循环量QC=（D2-D2）W/4D=3047mm喷嘴直径的计算：提高溶氧系数，需选用良好结构及适当直径的喷嘴，当Re空气>Re液+250时，气泡分裂细碎较好，以此为依据：Re空气=V/d1v空气Re液=V/dv液式中：d1—喷嘴直径v空气—空气的运动黏度m2/sV液—反应液的循环量m3/sd—上升管的直径，采用套筒，故需转换面积比v液—反应液的运动黏度，可取0.803×10-6（m2/s）空气提升力：A=V液/V空气由上述条件知：V液=6m3/min循环上升线速w=1.2m/s，由《生物工艺学》P119表6-3，知A=2.2，故V空气=2.73m2/min。喷嘴前空气压力P=2.9大气压（表压）罐压0.35大气压（表压），P2=1+0.35=1.35大气压（表压）喷嘴前后压力差：P=3.9-（1.35+12.610）=1.29根据近似公式：V空气=1.8105d12..5P0..6P20..3根据高孔荣《反应设备》d1=11mm 喷嘴个数的确定： 由反应通风量要求：最大通风量达V=1.62m3/h V=3000.785nd12 n=57 57个喷嘴，可以确定空气分布器管Dg=300mm4.2.1.5筒体壁个接管:4.2.1.5.1进料口：采用连续灭菌，设进料流速1m/s，每小时灭8m3，计算得：A=8/(36001)=2.2210-3m2，又A=0.785d2，计算得进料口直径d=0.053m。故选用Dg=650mm的水煤气输送钢管GB3092—82，材料1Cr18Ni9Ti。4.2.1.5.2出料口：发酵结束，发酵液从此处快速排出，拟在20分钟内完成，设排出速为2m/s，计算得A=21/(20602)=0.00875m2又A=0.785d2，d=105.6mm，故选用Dg=125mm的水煤气输送钢管GB3092-82，材料1Cr18Ni9Ti。4.2.1.6冷却面积的计算：影响发酵罐冷却面积的因素很多，诸如：不同的菌种系统、基质浓度、材质、冷却水温、水质、冷却水流速等。采用经验值计算法：查吴思方主编《设备的设计与选型》P111，因生产乳糖酶，故Ψ取1.0，Φ取70％，则每一个30m3的发酵罐换热面积：A=V全ΦΨ=300.71=21m2。4.2.1.6.1冷却管的布置：为了保证发酵罐的冷却，单是计算出冷却面积是不够的，还要有足够的管道截面积，以供足够的冷却水通过。最高热负荷下的耗水量：W=Q总/Cp（t1-t2）Q总—每1m3料液在发酵最旺盛时，1h的发热量与料液总体积的乘积Cp—冷却水的比容，4.18/KJ(Kg·K)t2—冷却水的终温t2=24℃t1—冷却水的初温t1=20℃Q总=4.18600021=5.27105KJ/h故：W=5.2710^5/﹛4.18(24-20)﹜=31500Kg/h=8.75Kg/s冷却水体积流量为110-2m3/s，取冷却水在竖直列管中流速1m/s，根据流体力学方程可得：冷却管总截面积S总=W/v=110-2m2进水总管直径：d总=(S总/0.785)½=113mm故进出冷却水管选Dg=125mm4.2.1.6.2冷却管组数与管径：冷却管总截面积S总、管径d0、组数n=2（根据经验）S总=0.785nd02d0=0.080m查金属材料表选取：Dg=100mm水煤气输送钢管。冷却管总长：L=F/F0F—总冷却面积F0—每米长冷却管面积L=71m占有的体积：V=0.7850.1271=0.557m34.2.1.6.3每组管长L0和管组高度：L0=L/2=71/2=35.5m另需连接管2m：L实=L0+2=73m可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可深入封头150mm，设反应罐内附件总占有体积0.8m3。总占有V总=V液+V管+V附=21+0.628+0.8=22.428m3筒体液面为：(V总-V椭圆)/S总=(21.9705-1.541)/(0.7853.22)=2.54m竖蛇管总高度：H总=2.54+0.5=3.04m现取竖蛇管圈端部U型管曲径250mm，则两管距为500mm，两端弯管总长度l0=3.14D=1570mm。直径高度：h=12.5m每一圈管长：l=2h+l0=26.57m4.2.1.6.4每组管子圈数n0n0=L0/l=64.2.1.6.5校核：F实际=3.14×0.1×73=22.9>21，故满足要求。4.2.1.7连消泵的选型(1)连消泵输送的是密度为0.14t/m3的水解糖液，其黏度范围在(1.3~0.5)×10-3Pa.s，温度在100℃以下。(2)介质中无固体颗粒，澄清，透明。(3)介质中基本上无气体。(4)操作条件：温度为30~40℃；压力：进口侧靠调浆罐液位压送，出口侧设备压力为0.4~0.5MPa；流量：最大流量qmax=9m3/h，最小流量qmin=7m3/h，正常流量=8m3/h.(5)连消泵一般设在车间或泵房中，进口侧泵在液面之下。(6)据上，查有关图表，可确定选择离心泵即可满足生产要求。现选IS50-32-125型离心泵，该型泵流量12.5m3/h，扬程20m，转速2900r/min，电机功率2.2kw。4.2.2种子罐表4-2技术特性要求设备内外夹套内衬设计压力MPa0.350.30.3设计温度℃80120120主要物料发酵液蒸馏水发酵液腐蚀裕度mm1.01.01.0焊缝系数0.9操作容积m33换热面积m22.4主要受压元件材料1Cr18Ni9Ti，Q235-A（1）公称容积V=3m3（2）搅拌式发酵罐高径比取：H/D=2.0/1（3）发酵罐壁厚的计算：4.2.2.1计算确定壁厚：设计压力：0.35MPa设计温度：34℃采用不锈钢[σ]t=133MPaDg>800mm，采用双面对接焊，局部探伤=0.9壁厚附加量：C=C1+C2+C3 C1钢板负偏差，其范围为0.13~1.3，现取0.8C2腐蚀裕量，单面取1，双面取2，C2=2C3加工减薄量，对冷加工，C=0，C3=0V公称=0.485D22D=3D=1.458m取D=1500mm，H=3000mm壁厚：S=PD/(2[σ]-P)+C=4.99选S=6mm强度校正：取K=1，[P]=2δe[σ]t/(KDi)=0.511MP﹥Pw=0.35MP，所以设计壁厚符合要求。4.2.2.2两端封头4.2.2.2.1顶部封头：在发酵过程中，发酵过程中，发酵液活动剧烈，易产生大量的泡沫，故在设计过程中，可局部放大顶部封头，增大可容空间，以作缓冲作用，减少逃液量。椭圆形封头，材料为1Cr18Ni9Ti选型：Dg=1500mmhi=375mmh0=25mmF=2.557m2V=0.486m3封头上有四个开孔：a、人孔：选用不锈钢，水平吊盖（J04—0099—0114）公称压力为0.6MPa，公称直径Dg=700mmb、排气管：采用不锈钢管，以焊接方式与封头连接，为缓解发酵过程中气液夹带现象，减少泡沫随气体溢出的可能性，排气口直径可考虑取大些，公称直径Dg=400mmc、视孔：HGJ501—86—14，Pg10Dg300组合件d、备用孔：取Dg=80mm4.2.2.2.2底部封头：采用椭圆封头，材料为1Cr18Ni9Ti。其上开孔：1个排料孔，1个冷凝进水口，若干个空气分布器孔。封头选型：Dg=1500mmhi=375mmh0=25mmF=2.557m2V=0.486m34.2.2.3空气喷嘴：条件：反应液体积V=2.1m3空气以250~300m/s高速喷入反应液循环周期：当菌体的浓度微7%时要求周期在2.5~3.5min，不可超过4min，现取t=3.5min。环流速w=1.2~1.4m/s，现取w=1.2m/sVL/QCVL—有效反应液体积QC—反应液循环量QC=（D2-D2）W/4D=1496mm喷嘴直径的计算：提高溶氧系数，需选用良好结构及适当直径的喷嘴，当Re空气>Re液+250时，气泡分裂细碎较好，以此为依据：Re空气=V/d1v空气Re液=V/dv液式中：d1—喷嘴直径v空气—空气的运动黏度m2/sV液—反应液的循环量m3/sd—上升管的直径，采用套筒，故需转换面积比v液—反应液的运动黏度，可取0.803×10-6（m2/s）空气提升力：A=V液/V空气由上述条件知：V液=0.6m3/min循环上升线速w=1.2m/s，由《生物工艺学》P119表6-3，知A=2.2，故V空气=0.27m3/min。喷嘴前空气压力P=2.9大气压（表压）罐压0.35大气压（表压），P2=1+0.35=1.35大气压（表压）喷嘴前后压力差：P=3.9-（1.35+12.610）=1.29根据近似公式：V空气=1.8105d12.5P0.6P20.3根据高孔荣《反应设备》d1=4.2mm，取d1=5mm喷嘴个数的确定：由反应通风量要求：最大通风量达V=0.061m3/hV=3000.785nd12n=1111个喷嘴，可以确定空气分布器管Dg=300mm4.3主要设备选型表4-3设备选型一览表设备名称数量型号尺寸容积（立米）供货商发酵罐3KF200韩国高百特发酵机(上海)有限公司种子罐350北京静鑫通茂机械设备有限公司螺杆压缩机1LGHS-13/72600*1350*1620开山产品销售公司空气贮罐1PE耐腐贮罐（立式）3335(D)6620(H)50无锡新龙科技有限公司冷却器1A2.5F1125(H)304(D)江苏省姜堰市立新液压设备厂丝网除沫器1HG/T21618-1998400(D)苏州恒通金属丝网厂加热器2A2.5F1125(H)304(D)江苏省姜堰市立新液压设备厂总过滤器1YUD-Z-31000(D)1897(H)上海一鸣过滤技术有限公司分过滤器6JPF-15230(D)1178(H)上海一鸣过滤技术有限公司气动隔膜泵1QBY-10180*170*225上海上城泵阀制造有限公司卧式贮罐1PE耐腐贮罐4430*225015无锡新龙科技有限公司稀释罐1锥底聚乙烯贮罐2870(D)5700(H)30无锡新龙科技有限公司澄清罐1PE耐腐贮罐5700(L)2870(D)30无锡新龙科技有限公司连消泵1IS50-32-125308*100*88上海连工泵阀制造有限公司维持罐12000*8000喷淋冷却器1西安换热器网高位水槽1方形不锈钢水箱常州市双健不锈钢制品有限公司喷嘴式碟片分离机2DPF500型辽阳华联制药机械有限公司转鼓过滤机1JTY系列诸城金昊三扬环保机械有限公司单螺杆挤出造粒机1DLG-60广州楷诚干燥设备有限公司流化床1WBF-1重庆英格制药机械有限公司CIP清洗系统1HF温州华丰阀门机械有限公司车间51360*27840*15300

第五章核算5.1概述项目生产为国内外较紧俏的乳糖酶产品。主要设备为自行设计的200m3发酵罐。主要技术为成熟工艺。厂址地处南京市区北部，在京沪高铁和京沪高速途经之处，南京东依上海，本身又是江苏省会，全国排名前十的城市，位置优越，交通便利。5.2基础数据5.2.1生产规模和方案规模：年产乳糖酶200吨5.2.2实施进度计划3年建成，4年投产，当年的生产负荷达到设计能力的50%，经2-3年逐步转换为100％，再逐年增加。5.2.3费用统计（1）工艺设备及安装费用根据设备选型及各厂的报价，可知需800万元。（2）公用工程供用电气及安装工程：供电局供电，需200万元，增容费用80万元（3）辅助车间总费用800万元（4）废处理总费用100万元（5）生活福利工程费用200万元（6）用房与土地征用：产品仓库、原料仓库、材料仓库，各厂房配置温度记录。共50亩表5-1建设投资金额简表项目期间建设期试产期实施年份20132017序号完成任务6—12月1季度2季度3季度4季度1厂房设计10万执行2编制可研报告3项目立项报批20万4厂房建设200万试产期建设增加资金50万5设备谈判签约100万6设备制造800万7人员培训50万一期试用补贴10万二期试用补贴10万8设备安装调试由供应商负责9设备验收由供应商负责10项目试产验收40万50万60万70万说明：1、建设投资总额1420万元。2、固定资产投资方向调节税，根据国家规定,本项目投资方向调节税税率为5%。3、全厂定额为150人，工资及福利费按每人每年20000元，总300万元。表5-2产品成本估算单位：元/吨序号项目消耗定额t/t单价（元/t）金额（元）1原料、辅料麦芽4150060002燃料及动力水104.541.5156.8蒸汽407.220382661.6小计2082818.43工资及福利费211.2211.24制造费用2002005副产品回收-400单位产品成本88829.6附：制造费用：折旧费、修理费、其它制造费用。表5-3利润合算项目金额（万元）制造成本合计2620销售收入5200增值税312净销售收入4888销售收入消费税488.8教育附加税2.0城建费9.36销售费用10销售利润4387.84管理费用800财务费用1776.6利润181