年产15吨番茄红素的生产工艺设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日

评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日交通大学毕业设计（论文）任务书课题年产15吨番茄红素生产工艺的设计姓名李文伟专业生物工程班级091班课题简介本设计主要研究年产量为15吨的番茄红素的工艺流程，因为番茄红素的生物保健作用极强，其市场需求大，故本设计在实验基础上，进行工厂化放大生产，以玉米浆为原料，利用三孢布拉霉在温度28℃，搅拌速度250r/min，设计任务设计要求：产品名称：番茄红素年处理量：15吨年工作时间：250天设计依据：发酵周期6天（含辅助时间）萃取率95%皂化率80%产品性状：晶体为棕红色设计任务：1.总述：提出选题的初步设想2.生产工艺流程或生产方案确定3.生产流程叙述4.工艺计算5.主要设备的工艺计算和设备选型6.用CAD画主设备图和工艺流程图7.计算原材料、动力消耗定额及消耗量8.环境保护和安全措施9.结论10.设计体会和收获图纸要求：1.绘制带控制点的工工艺流程图（1#图纸）2.根据计算数据绘制设备结构图（1#图纸）3.绘制要求详见《化工工程制图》，图纸单独装订作为附图。设计要求1.通过文献查阅及综述，基本掌握本课题的国内外研究进展2.学会研究方案的制订和设计方法3.确定设计方案、工艺流程4.进一步通过工艺计算，论证本设计的可行性5.运用专业知识分析、掌握设计技能，解决实际问题6.训练实事求是和严谨的科学作风，在德、智、体诸方面得到发展指导教师签字系主任签字主管院长签章

兰州交通大学毕业设计(论文)开题报告表课题名称年产15吨番茄红素的生产工艺设计课题来源兰州交通大学自选课题课题类型AY导师任爱梅学生姓名李文伟学号200907241专业生物工程资料准备：收集有关番茄红素的性质及生产的国内外研究进展资料，同时深入了解影响番茄红素生产的有关因素，为设计方案的制定及论文写作奠定了基础。设计目的：通过分析发酵法生产番茄红素及不同条件对番茄红素产量的影响，掌握番茄红素的生产过程，结合已有知识和现在的生产状况对年产15吨番茄红素生产工艺进行合理的设计，使之更适合生产需要。设计要求：1.查阅有关番茄红素生产及番茄红素提取等相关文献；2.分析比较各种番茄红素的生产方法，确定年产15吨番茄红素的设计方案及工艺流程；3.完成番茄红素生产工艺的基本设备配置；4.用CAD画出年产15吨番茄红素的生产工艺流程图和主设备图。设计思路：1.对番茄红素相关背景知识和现状进行综述和分析，并掌握番茄红素生产的国内外研进展。2.由前人对番茄红素生产的研究进展分析存在的问题得出本设计的意义；3.通过分析比较粉碎法，有机溶剂提取法，超临界流体萃取，微生物发酵法及它们各自的优缺点，确定番茄红素生产方案；4.设计番茄红素生产的基本工艺流程；5.确定设计番茄红素生产方案并画设备图和工艺流程图;6.运用所学知识分析，论证本设计的可行性。预期成果:1.通过设计了解番茄红素的生产技术。2.分析不同番茄提取方法、不同条件对番茄红素产量的影响以及了解番茄红素的生产。3.设计出产率高、周期短的年产15吨番茄红素的生产线，并能在理论上满足生产需求，达到降低成本的目的。任务完成阶段及时间安排：1.收集有关番茄红素生产技术及生产的资料，拟定论文提纲。自2013年3月—2013年4月，围绕不同制备方法及不同方法对番茄红素产量的影响进行资料收集，做好论文的前期准备工作，在毕业论文开始两周内提交详细论文写作大纲。2.论文开题。详细提纲经指导老师审定后，在3月20日前完成开题报告。3.撰写初稿。自2013年3月21日—2013年4月30日（第13周）前完成初稿。4.毕业论文中期检查。在5月10之前完成“兰州交通大学毕业论文学生自查表”。5.论文修改。根据指导老师的意见，在14周—16周进行二稿、三稿的修改、打印、装订工作。6.定稿。在6月10号前交毕业论文终稿。完成任务所具备的条件及因素：利用图书馆的资料、文献，查阅的各种期刊和网络资源，不断提出问题，同指导老师探讨，并融合所学的相关知识。指导教师意见签名：年月日

兰州交通大学毕业设计（论文）学生自查表（中期教学检查用）学生姓名李文伟专业生物工程班级生物091指导教师姓名任爱梅职称讲师课题名称年产15吨番茄红素的生产工艺设计个人精力实际投入作时间8小时周平均工作时间40小时迄今缺席天数无出勤率%100%指导教师每周指导次数5次每周指导时间（h）10小时备注2小时/天有问题时导师及时指导毕业设计（论文）工作进度（完成）内容及比重已完成主要内容%待完成主要内容%设计整体规划。查阅有关番茄红素的相关文献及书籍并概括出番茄红素的各种生产工艺。分析各种提取方法对番茄红素生产及产量的影响。确定番茄红素的生产工艺流程方案。设计合理的年产15吨番茄红素生产工艺流程。翻译了一篇与番茄红素相关的外文文献。初步完成设计说明书的撰写。701、完成工艺流程图及设备图的绘制。2、说明书的修改补充及整理定稿。30存在问题由于缺乏实践以及初次接触工艺的生产线设计，所以生产线的设计还需进一步完善。由于本设计缺乏实验生产数据，故其实际生产的可行性还有待实践验证。指导教师签字：年月日摘要本文在对番茄红素的特性以及作用进行综述的基础上，分析对比了各种提取方法的优劣，并设计出了一套以玉米浆为原料，利用三孢布拉氏霉菌生产番茄红素的发酵工艺。具体为：温度28℃，pH6.5，接种量10％（体积比）；流加工艺最适为发酵后48h，在60h时添加阻断剂。最佳发酵周期为120h，转速为250转/分。发酵完成后，经过过滤，干燥，破碎细胞，石油醚萃取，浓缩结晶，精制后为90%番茄红素纯品。该工艺所用设备简单，易于操作，提取时间短，生产成本低，提取率高。关键词：玉米浆；三孢布拉氏霉菌；发酵；番茄红素

AbstractBasedonthefeaturesandfunctionsoflycopeneweresummarizedonthebasisoftheanalysiscomparedthestrengthsandweaknessesofvariousextractionmethods,andputsfor-wardasetofthreesporebrady'smoldintheproductionoflycopenefermentationprocess.Sp-ecificasfollows:temperature28℃,pH6.5,inoculationamount10%(volumeratio);Flowpr-ocessoptimalfor48hafterfermentation,addblockersin60h.Bestfermentationperiodis120h,andtherotatingspeedis250RPM.Fermentationiscompleted,afterfiltering,drying,thebrokencells,petroleumetherextraction,enrichmentcrystallization,refinedafter90%lyc-openeistasted.Equipmentusedintheprocessissimple,easyoperation,shortextractiontime,lowproductioncost,highextractionyield.Keywords:lycopenethreesporebrady'smoldproductionprocessProcessdesign目录TOC\o"1-3"\h\u264981绪论 1101671.1番茄红素的简介 152251.2番茄红素的来源 150071.3番茄红素的分子结构 179001.4番茄红素的理化性质 165051.4.1稳定性 1287521.4.2呈色能力 210591.4.3溶解性 2313611.5番茄红素的生物学特性 2203691.5.1番茄红素具有抗氧化性 2324701.5.2番茄红素对细胞生长代谢起调控作用 384091.5.3番茄红素可以调节胆固醇的代谢 3147971.6番茄红素的保健作用 317031.7预防和抑制肿瘤的作用 3232671.8番茄红素的提取原理 4266291.8.1直接粉碎法 4134541.8.2有机溶剂提取法 4324691.8.3超临界流体萃取 5115931.8.4微波辐射法 5254111.8.5化学合成法 54511.8.6酶反应法 660591.8.7微生物发酵法 6106641.8.8其他方法 6165811.9国内外对番茄红素的研究进展 7316521.9.1国外对番茄红素的研究现状 7215241.9.2我国对番茄红素的研究现状 7211352生产番茄红素的意义 758673番茄红素的生产工艺 8176343.1菌种的选择 8231773.2培养基的选择 8186593.2.1PDA培养基 815563.2.2种子培养基 8131033.2.3发酵培养基 8177963.2.4流加糖液 9108853.2.5阻断剂 9114453.3设计步骤 9171533.3.1孢子悬浮液制备 9225843.3.2发酵培养 9174553.3.3发酵后期发酵液处理方法 986163.3.4流加工艺的确定 9308673.3.5固液分离 9275193.3.6萃取 1068153.3.7皂化 10268223.3.8精制阶段 10210373.4工艺流程 11100043.5工艺说明 1138323.6培养条件的讨论及优化 1255593.6.1培养温度对发酵的影响 12121983.6.2pH对发酵的影响 12232983.6.3转速和装液量对发酵的影响 1288053.6.4接种量对发酵的影响 1243613.6.5发酵时间的确立 13212873.6.6阻断剂最佳添加时间的确立 1334204工艺计算 1374234.1物料衡算 13131844.1.1工艺技术指标及基础数据 13243694.1.2原料消耗计算(以一吨成品番茄红素为基准) 1441434.1.3原料日消耗量和年总消耗量 1571534.2主要阶段的能量衡算 16111814.2.1发酵过程中蒸汽耗量的计算 17301784.2.2发酵罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量 17132374.2.3种子罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量 18191614.2.4发酵车间总的消耗蒸汽量 18250264.2.5发酵过程冷却水耗量的计算 18239244.2.6发酵过程无菌空气耗量的计算 18268275设备选型 19195705.1主要设备的选型与计算 19198775.1.1发酵罐的选择条件及计算 19199745.1.2种子罐的选型 21265335.2辅助设备的选型 2257455.2.1细胞过滤器 22295075.2.2真空干燥器 22196155.2.3细胞破碎器 22119695.2.4萃取设备 22175805.2.5浓缩设备 23310155.2.6结晶设备 23141925.2.7发酵后期发酵液处理总共时间 23281855.3主要设备（见表2） 23101136效益评估 2434036.1原料消耗（见表3） 24264576.2设备消耗（见表4） 25129576.3水电人工劳动力费用 2544706.4效益评估 2531187环境保护和安全措施 2627357.1环境保护 26260807.1.1废气 26102697.1.2废水 2677187.1.3固体垃圾 2674857.1.4噪音 26302267.2安全规则 26154198结论 28161209设计体会与心得 29858410致谢 3014894参考文献 3126228英文文献 337033英文翻译 411绪论1.1番茄红素的简介番茄红素是植物中所含的一种天然色素。主要存在于茄科植物西红柿的成熟果实中。它是许多类胡萝卜素生物合成的中间体，类胡萝卜素是由细菌、藻类及植物生物合成的类菇烯，动物无法生物合成，只能靠食物摄取[1]。目前，在自然界的植物中被发现的最强抗氧化剂就数番茄红素。科学证明，人体内的单线态氧和氧自由基是侵害人体自身免疫系统的罪魁祸首。番茄红素清除自由基的功效强于其他类胡萝卜素和维生素E，其淬灭单线态氧速率常数是维生素E的100倍。因为它可以有效的防治因衰老，免疫力下降引起的各种疾病，所以，番茄红素受到世界各国专家的关注。1.2番茄红素的来源番茄红素广泛存在自然界中，主要分布于西瓜、柿、胡椒果、南瓜、桃、木瓜、芒果、葡萄、番茄、葡萄抽、番石榴、红荀、柑桔、云葛等的果实及胡萝卜、萝卜、芜答甘蓝等的根部。番茄红素是西方膳食中类胡萝卜素最主要的来源，也是人体血清中含量较高的类胡萝卜素之一。番茄红素在番茄中的含量随品种和成熟度的不同而不同。一般说来，加工用番茄中番茄红素的含量是鲜食用番茄的3.0—3.5倍，成熟度越高，番茄红素的含量越高。我国新疆产加工用番茄的番茄红素含量很高，番茄含量为400mg/100g以上，番茄皮中含量为20mg/100g[2]。有报道称秋橄榄果实的番茄红素含量也很高，可以达15—54mg/1.3番茄红素的分子结构1910年，Willstaller[3]和Escher在对番茄红素的研究中首次确定了其分子式为C40H56，分子量为536.85。天然存在的番茄红素全都是全反式，但是通过高温的油炸、蒸煮等加工方式可由反式构型向顺式构型转变。研究还表明，番茄红素的顺式异构体与反式异构体的物理和化学性质有所不同，与反式异构体相比，番茄红素的顺式异构体的极性强，熔点低，不易结晶，摩尔消光系数小，更易溶解，而且在放置过程中可能会回复到全反式状态。1.4番茄红素的理化性质1.4.1稳定性番茄红素分子中有11个共扼双键及2个非共轭双键，使得番茄红素的稳定性比较差，它在一定条件下可发生氧化降解和顺反异构化。番茄红素对氧化反应很敏感，其溶液经日光照射一段时间后，番茄红素基本上损失殆尽。溶液中的Fe3+和Cu2+会对番茄红素的光氧化反应起催化作用，而其它金属离子如Mg2+、K+、Zn2+、Ca2+等则对其影响不大，所以天然番茄红素在提取和应用过程中应尽量避免使用铜制和铁制容器。此外，pH值对番茄红素也有影响，当用乙醇溶解番茄红素，并调制成PH值1～14。结果表明，番茄红素对碱比较稳定，对酸则不稳定，故番茄红素作为色素使用时并不适合于酸性饮料。由此可见，影响番茄红素稳定性的因素有金属离子、氧、光、pH等，故番茄红素的提取、加工、分析及贮存都应该在对环境因素进行控制的条件下进行[4]。1.4.2呈色能力番茄红素作为一种天然红色素，如何保持其最强的着色力是至关重要的。番茄果实中的番茄红素有两种存在状态：其中大部分是以细长的、针状的结晶形式存在于有色体中，呈现明亮的红色。当番茄红素的结晶形成时，质体膜消失，色素结晶自由分散在原生质中，在显微镜下观察时，可以看到小粒状的有色体，说明了有色体所显现的颜色；另外一小部分（10%左右）则与蛋白质形成复合体存在于细胞中。番茄红素以不同的形态存在时具有不同的颜色和强度，而且会随着溶剂和介质的不同而呈现出不同的颜色。例如，溶解在石油醚中的番茄红素呈黄色，在二硫化碳中则呈红色。1.4.3溶解性番茄红素是脂溶性色素，可溶于其他脂类和非极性溶剂中，不溶于水，难溶于强极性溶剂如甲醇、乙醇等，可溶于脂肪烃、芳香烃和氯代烃如乙烷、苯、氯仿等有机溶剂。番茄红素在各种溶剂中的溶解度随着温度的上升而增大，然而当样品越纯时，溶解越困难。结晶的番茄红素溶解缓慢，倾向于形成一种超饱和状态，虽然提高温度可加速其溶解，但冷却时可能会出现结晶，这时可利用超声波加速其溶解。纯的番茄红素虽然不溶于水，但当它与某些物质如蛋白质结合形成复合物时，则具有较高的溶解度。1.5番茄红素的生物学特性1.5.1番茄红素具有抗氧化性番茄红素通过物理和化学方式猝灭单线态氧或捕捉过氧化自由基。单线态氧是具有很强活性的氧自由基，具细胞毒性作用，以线粒体、细胞膜等部位对其最为敏感，能与大多数生物大分子发生作用，通过与分子结合造成细胞膜系统的损伤；番茄红素能够接受不同电子激发态的能量，吸收光能并通过单线态—单线态能量转移过程使单线态氧的能量转移到番茄红素，生成基态氧分子和三重态番茄红素分子，三重态番茄红素通过与溶剂的一系列旋光和振动反应得到再生，并在此过程中将能量散发；类胡萝卜素的猝灭能力与其分子中所含有的共轭双键的数目有着密切的关系，番茄红素分子中有11个共轭双键，一个番茄红素分子可以清除数千个单线态氧，其猝灭单线态氧的速率常数较β-胡萝卜素高2倍。1990年Paolo等[5]报道了类胡萝卜素和生育酚等30余种生物抗氧化剂猝灭单线态氧的作用，番茄红素是猝灭单线态氧最强的。番茄红素还能通过与其他形式的活性氧的化学反应消除氧化自由基，如过氧化氢、亚硝酸根等氧化自由基，而氧化自由基能引起脂质过氧化形成多种产物，这些产物与人体老化、癌症发生、自身免疫病及贫血等疾病都有关系。1.5.2番茄红素对细胞生长代谢起调控作用通常细胞间隙之间有膜蛋白构成的通道，具有选择通透性，允许第二信使及生长调节物质通过，细胞之间通过细胞间隙连接通讯（GJIC）传输细胞群体内生长调控信号，调节细胞的正常增殖与分化。实验表明，番茄红素通过诱导细胞间连接，增强正常细胞之间的GJIC，控制细胞生长和诱导细胞分化来抑制肿瘤的增长。日本学者在大鼠肝组织上用荧光染料示踪技术研究番茄红素对GJIC的作用时发现，每天饲喂5mg/kgBW番茄红素，连续5d时，可以明显增强GJIC功能；同时，由于大多数肿瘤细胞的GJIC功能微弱或缺失，细胞发生转化后其GJIC功能降低或抑制，GJIC功能的抑制或被破坏被认为是促癌变阶段的重要机制。1.5.3番茄红素可以调节胆固醇的代谢番茄红素是一种低胆甾醇剂，它可抑制巨噬细胞3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A，而它是一种胆固醇生物合成的限速酶。实验发现，在培养巨噬细胞的介质中加入番茄红素后，其胆固醇合成降低，同时番茄红素还增大巨噬细胞低密度脂蛋白（LDL）受体活性。实验还表明，人体3个月内每天补充60mg番茄红素，可减少14%的胞质LDL胆固醇浓度。1.6番茄红素的保健作用番茄红素的上述生物学特性决定了它具有抗氧化、抑制突变、降低核酸损伤、减少心血管疾病及预防癌症等多种保健功能[6]。1.7预防和抑制肿瘤的作用番茄红素具有预防和抑制肿瘤作用，一方面是因为它的抗氧化作用；另一方面是番茄红素能够阻断组织细胞在外界诱变剂的作用下发生基因突变过程，这是肿瘤生成的重要机制之一。实验发现，番茄红素可影响乳腺、肺和子宫癌细胞周期的S阶段；番茄红素通过抑制细胞周期中Gl到S的转化阶段来影响细胞的生长；番茄红素通过可抑制LDL胆固醇的氧化和煎烤肉、鱼的褐色反应中产生的杂环胺类的形成，从而有效地抑制致癌物的产生及诱发肿瘤。研究表明，番茄红素对消化道癌、宫颈癌、乳腺癌、皮肤癌、膀胱癌等均有一定的抑制作用[7.8]。1.8番茄红素的提取原理由于合成色素一般都有毒性和致癌性，对人类造成极大的危害，从整个食用色素的发展情况来看，在世界范围内，合成色素有被淘汰的可能性，从而势必造成天然食用色素成为唯一的使用色素。但是，就目前来说，天然色素价格太高，在工业上得不到广泛应用，因此提取天然色素要尽可能选择便宜的原料，经济的工艺条件，这样便于实现工业化生产。番茄红素在番茄皮的下表皮细胞中含量较高，一般在l0～15mg/100g，因此，可利用番茄皮提取番茄红素。可将干燥过的番茄皮粉碎后直接作为着色剂食用；也可利用番茄红素的特性，用有机溶剂浸提。近年来，随着技术的不断发展，酶反应法和超临界流体萃取等方法也被用于番茄皮中番茄红素的提取，此外，微生物发酵法作为一种新型的方法将是未来发展的方向1.8.1直接粉碎法将番茄皮粉碎，作为着色剂直接添加于食品中，工艺为：番茄籽原料番茄皮晾干粉碎包装一着色粉1.8.2有机溶剂提取法番茄红素不溶于水，难溶于甲醇、乙醇，可溶于乙醚、石油醚、己烷、丙酮，易溶于氯仿、三硫化碳、苯等有剂溶剂。利用这一特性，一般选用亲油性有机溶剂提取番茄红素工艺为：滤渣—二次浸提番茄皮—干燥—有机溶剂浸提—提取液—过滤—滤液提取液—色素—包装选用此法提取番茄皮中的色素，采用石油醚室温浸泡l0～24h。Yen等[10]以苦瓜为原料，采用混合溶剂(石油醚：丙酮=l：1)提取高纯度的番茄红素，不需要复杂的纯化工艺。欧洲一专利采用95%的乙醇作溶剂，逆流法78℃浸提5有机溶剂提取法：设备少，工艺简单，操作方便，目前国内一般都采用这种方法。但通过此法获得的产品质量差，纯度低，有异味和溶剂残留，严重影响了天然色素的推广。1.8.3超临界流体萃取超临界流体萃取技术[11.12]使食品工业新兴的项萃取，分离和纯化技术，与传统的有机溶剂提取法相比，其工艺简单，能耗低，萃取剂便宜，无毒，易回收，它是低温处理，适于提取番茄红素等热敏极性成分。安本光政等研究了超临界CO从番茄皮中提取番茄红素，原料微粉碎或经果胶酶，纤维素酶处理后，提取压力270kg／cm，提取温度40℃，提取率达95%。此外，日本另一专利报道了超临界流体萃取精制番茄红素，将粗番茄红色粉末和己烷(1:2)放入抽提罐，形成均质混合系，使原料中的红素从己烷中溶出，在35～50℃，300kg1.8.4微波辐射法番茄红素是脂溶性色素，而脂溶性色素的提取特点是提取时间较长，原因是有机溶剂不易渗透穿过物质的细胞壁和细胞膜，所以不能很好的将提取物从细胞器中溶出。采用微波辐射萃取(Microwave-AssistedExtraction．简称MAE)可以提高其萃取效率近年来，微波辐射技术已有所应用．其最佳的工艺条件是：提取剂为6#溶剂油，功率200W，萃取时间80s，液固比2:1二级提取，此条件下提取率为97.56。与传统的有机溶剂提取法相比微波提取最大的优点是提取时间大大缩短，且提取率较高。而与超临界CO2相比，它成本低，投资少，提取率高。可以说，微波提取在天然色素的提取工艺中具有广阔的应用前景。1.8.5化学合成法从1831年在胡萝卜中首次分离胡萝卜素到1950年首次完成p一胡萝卜素的合成经历了100年的时间。到现在，能用化学法合成的类胡萝卜素已很多。目前，番茄红素在瑞士罗氏公司和德国的巴地斯化工公司也都在开发当中，他们的生产与VA的生产类似，一般以p-紫罗酮作为原料来合成。另据资料报道，以乙酸松油酯为原料，经过系列化学反应，合成番茄红素的代谢五：2,6-环番茄红素-1,5-二醇和5,6-二羟基-5,6-氢番茄红素。近年来的研究表明，他们是人体内血液中主要类胡萝卜素，具有防癌和抗癌作用[13]。1.8.6酶反应法将番茄皮渣加碱调至pH7.5～9.0使番茄皮中的果胶酶和纤维素酶反应，分解果胶和纤维素，使得番茄红素的蛋白质复合物从细胞中溶出，然后于4560℃下加热搅拌5h左右，过滤，加酸调整滤液至弱酸性(pH4.0-4.5)，使类胡萝卜素聚沉，静止后吸去上清液，得含番茄红素的沉淀，调整沉淀物的pH之后真空浓缩，然后加酸或食盐保存等通过外加果胶酶和纤维素酶的方法来提取番茄红素。其工艺为：番茄原料(番茄酱、番茄泥等)用果胶酶和纤维素酶(0.2～0.5)在50℃处理3h，出去901.8.7微生物发酵法除了从含有番茄红素的物质中提取或用化学合成番茄红素外，还可以采用藻类和真菌及酵母发酵[14]生产番茄红素。从品质、技术、生产、资源成本等分析，利用微生物技术生产番茄红素等天然类胡萝卜素将是未来发展的方向。目前含番茄红素较高的有红色细菌，但还未能工业化生产。利用霉菌Blakesleacrispora的发酵可生产番茄红素，但需加入一些杂环氮化物如咪啶等来抑制番茄红素的环化反应。另有资料表明：添加烟草的废弃物于霉菌的发酵液中，经110h发酵，可得到番茄红素约60--80mg/100mL。利用产蛋白假丝酵母的重组体培养生产番茄红素(产蛋白假丝酵母是一种不能天然合成类胡萝卜素的食品酵母)，可得到758g/1000g干重的八氢番茄红素。此外，三孢布拉霉菌株具有独特的代谢过程，添加植物油，表面活性剂，抗氧化剂和各种结构类似物能提高8一胡萝卜素的产量，但如果添加其他的发酵促进剂可有助于其他类胡萝卜素的产量，如通过改变以8一胡萝b素为主的三孢布拉霉菌的生长条件和添加助剂(Na1.8.8其他方法在各国学者的不断努力下，又开发出许多高科技的生产技术。日本KirinBrewerr公司采用代谢工程技术，即通过DNA重组技术改变细胞的代谢系统刍三产番茄红素Kajiwara等从产生虾黄素的酵母Pharffiarhosozyma和雨生红球藻中分离出cDNA编码异戊烯焦磷酸酯(Ipp)异构酶，将编码IPP异构酶cDNA转入E．coli菌株JmL01能增加番茄红素的产量3.6～4.5倍。相信随着科技的发展和研究的深入这些技术会更加完善和成熟。1.9国内外对番茄红素的研究进展1873年，Hartsen[15]最早从TamuscommunisL.中分离得到深红色的番茄红素结晶1875年，Millardet[16]从番茄中获得一种含有番茄红素的粗提物，当时命名为Solanorubin.Schunck（1930年）命名的“lycopene”名称（中文即番茄红素）一直沿用至今。番茄红素具有淬灭单线态氧，清除自由基，阻断亚硝胺形成抑制细胞增殖，诱导细胞分化，增加免疫力，减少DNA损伤，以及对细胞间隙连接通讯的影响等多种生理功能，起到防癌抗癌预防心血管疾病，提高免疫功能和延缓衰老等作用。1.9.1国外对番茄红素的研究现状1989年，Mascio发现番茄红素在所有类胡萝卜素中对单线态氧的猝灭速度最高。1994年，Franceschi[17]发现消化道癌的发生与番茄红素的摄入有关随后，对番茄红素功能的研究成为一大热点1995年-2003年，与番茄红素有关的报道达800多篇，内容涉及番茄红素的吸收运输及新陈代谢的动力学，番茄红素与癌症心脏病及其他多种疾病的关系，番茄红素的提取测定及番茄产品的开发研究等。1.9.2我国对番茄红素的研究现状我国对番茄红素的研究在2000年以前鲜有报道，近3年骤然升温，出现了大量综述类文章，内容包括番茄红素的性质和提取方法，番茄红素保健功能的研究现状，番茄红素及其生产应用研究，番茄红素的生产工艺研究进展，番茄红素分离与分析的研究进展等[18]。2生产番茄红素的意义因番茄红素具有的优越生理调节功能和防癌抗癌作用，故番茄红素产业被称为红色产业，已纳入到国家863计划，受到社会各方的高度重视。采用发酵法能降低成本，污染相对较小，利用传统的突变技术或应用分子生物学的技术可得到产番茄红素的高产菌株。在优化发酵条件和保证菌株高产的前提下，结合各种发酵促进剂的研究及利用，将会使微生物发酵法更经济高效。从发展趋势来看，微生物发酵法生产番茄红素有极大的市场和工业化潜力，是实现工业化生产较理想的一条途径。微生物发酵法生产番茄红素与传统的番茄提取法相比具有占用土地资源少、生产受季节和环境影响小等优点。如何选育产量高、遗传稳定性好的番茄红素生产菌株及优化发酵生产工艺仍是现在研究的重点。由于本设计选用玉米淀粉作为培养基来发酵番茄红素，选用的玉米产自当地，便于随时购买，且减少了运费。生产出来的番茄红素纯度高，可以用于医药、保健等一些关键领域。3番茄红素的生产工艺3.1菌种的选择用于发酵法生产番茄红素的微生物主要为三孢布拉氏霉菌(Blakesleatrispora)，经基因改造的酵母菌(Saccharomyces)，红细菌(Rhodobacilluspalustris)以及革兰氏阴性非光合菌。菌种选育通常采用诱变育种的方法，Mehta等[19]纠采用亚硝基胍对野生三孢布拉氏霉菌(B．trispora)：菌株(+)F986和菌株(一)F921进行突变改良，获得两性突变体菌株，番茄红素的含量为15ms/s，较出发菌株提高了1.2倍。此外还可通过基因工程技术，构建高产工程菌株生产番茄红素。诱变菌种的生产性状不稳定，导致番茄红素的产量低，而基因工程技术虽可以从实验室规模走向小规模产业化，但由于工程细胞所携带的质粒对于过程控制条件要求苛刻，那么在中试规模甚至大规模产业化过程中，其所携带的质粒容易脱落，从而导致产量大幅降低，是严重制约番茄红素工程生产菌种走向产业化的瓶颈。在产业化过程中，研究者更多的倾向于选择天然生产菌种，如具有较高生产能力的三孢布拉氏霉菌(B．trispora)，这样就可以避免发酵工程上。3.2培养基的选择3.2.1PDA培养基葡萄糖1.0g/L、玉米浆6.0g/L、KH2PO3.2.2种子培养基淀粉40g/L、玉米浆40g/L、葡萄糖25g/L、KH2PO3.2.3发酵培养基淀粉40g/L、棉籽油50ml/L、玉米浆40g/L、KH2PO3.2.4流加糖液淀粉经糖化后，制成300g/L的葡萄糖液，灭菌后备用[203.2.5阻断剂添加烟草废弃物13.3设计步骤3.3.1孢子悬浮液制备将三孢布拉氏霉菌（+）（-）原菌经活化后，分别接种于PDA斜面培养基上，在28℃条件下，培养箱中培养72h，然后在有氧有光的环境中，于18℃再继续培养483.3.2发酵培养将培养良好的（+）（-）菌孢子悬浮液在无菌条件下按1:2的体积比混合制成种子液在30L的发酵罐中加入5L初始发酵培养基，经3.3.3发酵后期发酵液处理方法分离纯化工艺一般包括：培养液的预处理和固液分离；初步提取；高度纯化和成品加工四个部分。发酵液经固液分离后，收集菌体并将菌体破碎；初步纯化采用石油醚萃取技术，得到富含番茄红素的萃取液；精致工艺采用真空浓缩、结晶技术后干燥可达到含量90%番茄红素晶体。3.3.4流加工艺的确定在发酵时，按一定的时间一定的速度流加糖液，且在发酵60h时，添加阻断剂采用正交实验的方法分别考察糖液流加起始时间流加糖量发酵时间对发酵生物量以及番茄红素含量的影响，并利用正交实验的结果优化流加条件[21]。3.3.5固液分离番茄红素是三孢布拉氏霉菌的胞内产物，在发酵过程中并没有分泌到胞外，经过过滤机过滤得到深红色菌体；再将菌体真空干燥24h，菌体基本恒重可以称量菌体干重。再将菌体经过细胞破碎仪粉碎成菌粉。3.3.6萃取番茄红素是脂溶性类胡萝卜素，在萃取过程中选用有机溶剂石油醚为萃取剂，利用超声波萃取机进行萃取。萃取温度为60℃-70℃萃取过程中番茄红素的损失主要在于番茄红素的降解，因而在萃取过程中添加抗氧化剂TBHQ（叔丁基对苯二酚，是一种安全食品添加剂），可使萃取率提高近20%，而且萃取损失率只有5%左右。3.3.7皂化在萃取过程中，萃取剂会将菌体细胞壁中的脂肪酸和其他脂类物质萃取到萃取液中，而且菌体合成的少量水溶性类胡萝卜素也会被萃取到萃取液中，采用皂化法将上述杂质转移到水相中，而脂溶性类胡萝卜素继续留在油相中。皂化时，温度控制在50℃-60℃之间，皂化时间为30min。皂化液为氢氧化钾甲醇溶液，氢氧化钾的量为0.1g3.3.8精制阶段皂化后，将下相水相处理后溶剂回收利用。上相（油相）真空浓缩，在在40℃下，真空度0.1MPa条件下浓缩直至有部分晶体析出为止；番茄红素不溶于无水乙醇，则选用无水乙醇作为结晶溶剂。无水乙醇的用量为浓缩液的10倍时利于结晶，温度控制在0℃-53.4工艺流程过滤发酵培养种子培养斜面培养28h48h流加糖

正负菌混合60h添加阻断过滤发酵培养种子培养斜面培养细胞破碎石油醚萃取皂化细胞破碎石油醚萃取皂化真空干燥洗涤干燥晶体油树脂保存真空浓缩洗涤干燥晶体油树脂保存真空浓缩低温结晶3.5工艺说明（1）PDA培养基培养菌种：将三孢布拉氏霉菌（+）、（-）原菌经活化后，分别接种于斜面培养基上，在28℃条件下，培养箱中培养72h。（2）种子培养基培养菌种：有氧、有光的环境中，于18℃再继续培养28（3）发酵：将培养良好的（+）、（-）菌孢子悬浮液在无菌条件下按1:10的体积比混合制成种子液，在无菌条件下接入种子液，在28℃条件下进行发酵。在发酵的48h的时候加入流加糖液，在发酵的第60h加入阻断剂，发酵120（4）过滤：将发酵液进行过滤，将菌体和发酵液分开而得到深红色湿菌体。（5）真空干燥：将湿菌体真空干燥（45℃，0.1MPa真空下），真空干燥24h（6）细胞破碎：将干菌体细胞研磨破碎，粉碎成60-80目的菌粉。（7）萃取：萃取温度为60℃-70℃（8）皂化：温度控制在50℃-60℃（9）真空浓缩：温度在40℃下，真空度0.1（10）低温结晶：无水乙醇的用量为浓缩液体积的10倍，温度控制在0℃（11）洗涤干燥晶体：结晶物经过洗涤干燥后得到含有90%番茄红素纯品。（12）保存：由于番茄红素不稳定，需低温避光保存，选用石油醚来保存。3.6培养条件的讨论及优化3.6.1温度是影响微生物代谢和生长的重要因素。对同一微生物来说，其不同的生理生化过程有着不同的最适温度。因此，需要考察三孢布拉氏霉菌达到最佳的生产能力时的培养温度。经过研究发现三孢布拉氏霉菌生物量最高的培养温度是26℃，但在此时，细胞生产β－胡萝卜素的能力并没有达到最大；而在28℃时，细胞合成β－胡萝卜素的能力达到最佳；但再随着温度的升高，菌体合成β－胡萝卜素的能力开始下降。因此可以看出，三孢布拉氏霉菌对于温度的要求是比较苛刻的。因而，在后续实验中，我们就控制温度变化范围为±3.6.2pH对发酵的影响经过考察发酵液起的pH从4.5变化到8.0对发酵的影响。看出发酵起始最佳的pH是5.5～6.5之间，而当pH偏碱性后，菌体生产β－胡萝卜素的能力明显下降。另外，发酵后期pH偏酸性有利于β－胡萝卜素的合成。3.6.3转速和装液量对发酵的影响溶氧是影响微生物发酵的重要因素之一。在摇瓶培养过程中，可以通过转速和装液量来考察溶氧对发酵的影响。三孢布拉氏霉菌是好氧菌，而且配制的发酵培养基粘度比较高，如果培养条件不合适，会造成发酵液中溶氧水平低，细胞摄氧率低，无法合成大量的目标产物；因而，我们必须对转速和装液量进行考察。随着转速的提高，菌体中β－胡萝卜素的含量增加，这说明三孢布拉氏霉菌对氧的需求量是很大的。但由于受到设备的限制，我们无法继续提高转速，考察转速对发酵的影响。因而，我们选择转速为250转/分。研究表明，装液量在40ml～50ml时，发酵水平最高；如果装液量小于40ml时，由于菌体发生粘壁现象，菌体无法与发酵培养基良好接触，其生长受到限制。而装液量太大时，细胞摄氧率下降，菌体生长代谢也受到抑制。3.6.4接种量对发酵的影响接种量的大小决定于生产菌种在发酵过程中生长繁殖的速度。采用较大的接种量可以缩短菌丝体达到高峰的时间，使得产物提早形成。同时，种子液中含有生长过快、培养液粘度增加，造成溶解氧不足，而影响产物合成。大量的体外水解酶类，有利于基质的利用。但是，如果接种量过多，往往使菌体随着接种比例的增加，发酵液中β－胡萝卜素的含量也在逐渐增加，当接种量达到10％时，β－胡萝卜素的含量达到最大；而随着接种量的继续增加，细胞内β－胡萝卜素的含量却在下降。这可能是由于接种量较高时，菌体生长迅速，很快耗尽了营养物质，而且大部分营养物质供给菌体生长，而没有被利用来合成目标产物。3.6.5发酵时间的确立发酵终点的判断须综合多方面的因素统筹考虑。不过，一般都以提高生产率为首要的目标。为此，我们主要从两方面来确立发酵时间的。一方面是菌体的生长指标，即菌体干重；另一方面则是菌体的代谢指标，即β－胡萝卜素的产在发酵前48h，细胞合成β－胡萝卜素的酶系还为完全建立，β－胡萝卜素含量较低；而在48h以后，菌体开始大量合成β－胡萝卜素，在120h达到最大，此时，菌体干重虽然开始下降，但单位发酵液中β－胡萝卜素含量仍然保持较高的水平。因而，综合以上因素，我们确立发酵时间为120h。3.6.6阻断剂最佳添加时间的确立我们选择吡啶作为阻断剂。考察阻断剂添加的时间我们可以看出，在发酵前36h添加阻断剂（吡啶），会造成对菌体的毒害，从而菌体自溶；当发酵48h时，从镜检结果可以看出，菌体颜色开始转为黄色；因而，可以推测在发酵48h左右，菌体进入生产期，在生产前期添加阻断剂可以有效地阻遏番茄红素环化酶的环化反应，从而细胞合成番茄红素。但在发酵60h后添加阻断剂，阻断效果就明显低于48h。因而，选择48h添加阻断剂。4工艺计算4.1物料衡算4.1.1工艺技术指标及基础数据①生产规模：年产量15t；②生产天数：除去节假日，机器维修时间，每年按工作250天计算；③日生产量：15÷250=0.06t/d；④发酵水平：番茄红素产量400mg/L；⑤番茄红素萃取收率为95%；皂化收率为80%；精制阶段的收率为98%；产品纯度90%。⑥操作参数：发酵周期120h，发酵温度28℃，搅拌速速24.1.2原料消耗计算(以一吨成品番茄红素为基准)1.根据产品纯度90%可得：番茄红素纯品量：1000kg÷90%=12.根据精制阶段的收率98%可得：皂化后番茄红素量：1000kg÷90%÷98%=1根据皂化收率80%可得：萃取后的番茄红素量：1000kg÷95%÷98%÷80%=14根据番茄红素萃取收率95%可得：发酵后的番茄红素量：1000kg÷95%÷98%÷75%÷95%=1根据发酵水平番茄红素产量400mg/L可得：发酵液需求量：1000kg÷95%÷98%÷75%÷95%×106÷400mg/L=37根据发酵培养基各成分比例可得：已知发酵液需求量为3729562玉米淀粉量：3729562.00L×10g/L=149182480g=149.182t玉米浆量：3729562.00L×40g棉籽油量：3729562.00L×50ml/L=186478100ml=186478L磷酸二氢钾量：3729562.00L×硫酸镁量：3729562.00L×VB1量：3729562.00L×0.5mg/L=18根据流加糖液300g/L可得：已知发酵液需求量为3729562葡萄糖量：3729562.00L×10%×根据添加阻断剂1g/L可得：已知发酵液需求量为3729562烟草废弃物量：3729562.00L×1g/L=3729562根据接种比例10%可得：已知发酵液需求量为3729562接种量：3729562.00根据萃取剂用量20ml/g菌粉可得：干燥的菌粉约等于发酵后的番茄红素的量，已知发酵后的番茄红素量1491.82kg，则石油醚的量：1491.82kg×103×20ml/g菌粉=根据添加抗氧化剂TBHQ5%可得：已知萃取剂用量29836.4LTBHQ量：29836.4L×5%=12.根据皂化过程中皂化液氢氧化钾的量为0.1g/g菌粉，甲醇溶液为80%的水溶液其配比为400g/L，可得：干燥的菌粉约等于发酵后的番茄红素的量，已知发酵后的番茄红素量1491.82kg，则：氢氧化钾的量：1491.82kg×103×0.1g甲醇水溶液的量：149182g÷400g甲醇溶液的量：372.96L×80%=13.根据无水乙醇的用量为浓缩液的10倍可得：已知皂化后番茄红素量：1133.79kg，其浓缩后的番茄红素含水量为10%，浓缩液密度按水的密度计算，则有浓缩液体积为：1133.79kg÷1kg无水乙醇的量：1257.77L×10=4.1.3原料日消耗量和年总消耗量已知番茄红素日生产量：0.06t/d；年产量15t可得：1.VB1日需量1.865kg×10-3×0.06=1.12×10-4年需量1.865kg×10-3×15=0.02.棉籽油日需量186478L×年需量186478L×153.玉米浆日需量149.182t×0.06=8.95t年需量149.182t×15=2237.73t4.硫酸镁日需量0.932t×0.06=0.0559t年需量0.932t×15=13.98t5.葡萄糖日需量111.89t×0.06=6.71t年需量111.89t×15=1678.35t6.接种量日需量372956.20年需量372956.207.玉米淀粉日需量149.182t×0.06=8.95t年需量149.182t×15=2237.73t8.氢氧化钾日需量149.18kg×10-3×0.06=8.95×10-3t年需量149.18kg×10-3×9.甲醇溶液日需量298.37L×0.06=年需量298.37L×15=10.无水乙醇日需量12577.7L×年需量12577.7L×11.石油醚日需量29836.4L×0.06=年需量29836.4L×15=12.烟草废弃物日需量3.729t×0.06=0.2237t年需量3.729t×15=55.94t13.磷酸二氢钾日需量3.729t×0.06=0.2237t年需量3.729t×15=55.94t14.TBHQ（叔丁基对二苯酚）日需量1491.82年需量1491.82表1产15吨番茄红素消耗物料物料名称每吨产品耗物量年产15吨番茄红素耗物量每天的耗物量每年的耗物量接种量372956.20L22377.37L5594343L甲醇溶液298.37L17.90L4475.6L无水乙醇12577.7L754.66L188665.5LVB11.865kg1.12×10-4t0.0279t棉籽油186478L11190L2797170L玉米浆149.182t8.95t2237.73t硫酸镁0.932t0.0559t13.98t葡萄糖111.89t6.71t1678.35t玉米淀粉149.182t8.95t2237.73t氢氧化钾149.18kg8.95×10-3t2.24t烟草废弃物3.729t0.2237t55.94t磷酸二氢钾3.729t0.2237t55.94t石油醚29836.4L1790.18L447546LTBHQ1491.82L89.51L22377.3L4.2主要阶段的能量衡算4.2.1发酵过程中蒸汽耗量的计算①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：η为蒸汽损失效率，取η=10%；i为蒸汽热焓，千焦/千克；G为发酵培养基，千克；C为发酵培养基比热容，千焦/(千克×摄氏度)；T1为加热开始料页温度，摄氏度；t2为加热到的料液温度，摄氏度；②基础数据在28℃下查得：淀粉的比热容为1.55kJ/(kg·℃水的比热容为4.174kJ/(kg·℃)；加热蒸汽的热焓为2549.5kJ/(kg·℃)；加热蒸汽的冷凝水的热焓为1250.60kJ/(kg·℃)；棉籽油的比热容为1.97kJ/(kg·℃)；玉米浆的比热容为2.01kJ/(kg·℃)；③培养基的比热容已知淀粉的密度为0.83g/cm3；玉米浆的密度1.25g/cm3；培养基中淀粉的比例：÷1=40÷0.83÷1000÷1×100%=4.9%；培养基棉籽油的比例：×100%=50×10-3÷1×100%=5%；培养基玉米浆的比例：÷1=40÷1.25÷1000÷1×100%=3.2%；培养基的水的比例：1-4.9%-5%-3.2%=86.9%；培养基的比热容：C=1.55×4.9%+1.97×5%+2.01×3.2%+4.174×86.9%=3.80kJ/(kg·℃)；④直接蒸汽消耗量=372956.20/1000×3.80（121-30）（1+10%）/(2549.5-121×3.80)=675.5tD1天=D1×0.06=40.53tD1年=D1×15=10132.5t4.2.2发酵罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量保温时蒸汽消耗量D2与操作有很大的关系，比较难计算，一般按直接蒸汽加热时消耗量的50%来估算，D2=D1×50%；D2=D1×50%=387.75tD2天=D2×0.06=23.26tD2年=D2×15=5816.25t4.2.3种子罐实罐灭菌保温时消耗的蒸汽量按照种子罐接种量3%，估算种子罐消耗蒸汽量D0D0=（D1+D2）×3%=31.89tD0天=D0×0.06=1.91tD0年=D0×15=478.3t4.2.4发酵车间总的消耗蒸汽量D总=D0+D1+D2=1095.14tD总天=D0天+D1天+D2天=65.7tD总年=D0年+D1年+D2年=16427.1t4.2.5发酵过程冷却水耗量的计算已知发酵培养基需要从121℃降温到30=3.80×372956.20/1000×(121-30）=1.29×105（KJ）C--为比热容；M--为培养基质量；T1、T2--为培养基冷却前后的温度；则需冷却水吸收的温度也为Q,需要冷却水量为=1.29×105/4.174(28-15)=24142kg=2376.77kg=2.38tM天=2.38×0.06=0.14tM年=2.38×15=35.7t4.2.6发酵过程无菌空气耗量的计算①单个发酵罐耗用无菌空气量计算公式：V=发酵罐体积×通气速率×填充系数已知：发酵罐体积为100m³；通气速率为0.18vvm；填充系数为1/则V=100×0.18×1/5=3.6②单个种子罐耗用无菌空气量取种子罐的无菌空气耗量为发酵过程无菌空气耗量的20%则V=20%V=0.2×3.6=0.72m5设备选型5.1主要设备的选型与计算5.1.1发酵罐的选择条件及计算发酵设备是发酵工厂中最基本最重要的设备。随着科技的发展，现有的发酵罐容量系列有：10，20，50，75，100，150，200，250，500m3等等。一般说来单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高，根据生产的规模和实用性，可以先选择公称容积为100m1.发酵罐容积和个数的确定①日需发酵罐体积计算已知每吨番茄红素需要发酵液为3729562.00L；已知日生产量：15÷250=0.06t/d；则日需发酵液体积：V发酵液=3729562.00×0.06=223773.73L已知装液量为φ=1/5，则每天需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为72h）V0=V÷φ=223.78÷1/5=1②周期发酵需要发酵罐个数计算现选择公称容积为100m³N1=V0/100=1118.9÷100=11.189≈12一周期需要的发酵罐个数N=12×5＋1=61（个）即需要公称容积为100m³的发酵罐612.发酵罐主要尺寸的计算现按公称容积100m³的发酵罐计算,取高径比H:D=2:1，公称体积为10V=V桶+2V封=118m³则有：V全=0.785D2×H+2πD3/24=118其中，设H=2D，1.57D3+0.26D3=118，可求得D=4.009（m）取D=4m，则H=2D=8m查表可知封头高H封=ha+hb=1000+50=1050（mm），则全容积V=V桶+2V封==0.785D2×H+2πD3/24+0.785D2×0.05×2=118.44（m3）从而满足设计3.冷却面积计算为了保证发酵在最旺盛、微生物消耗基质最多以及环境气温最高是也能冷却下来，必须按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到的最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。计算冷却面积使用牛顿传热定律公式[22]，即对于番茄红素的发酵，每1m³发酵液每1h传给冷却器的的热量大约为4.18×6000kJ/（m3·采用竖式蛇管换热器，取经验值K=4.18×500kJ/（m3·h·℃）。平均温差Δtm：28℃─→15℃Δt128℃─→25℃Δt2代入得=6.9℃换热面积为29m4.搅拌器设计（1）选用六弯叶涡轮搅拌器，该搅拌器的各部分尺寸与罐直径D有一定的比例关系。搅拌器叶径：Di=D/3=4/3=1.33（m），取Di=1.3（m）叶宽：B=0.2Di=0.2×1.3=0.26（m）弧长：l=0.375Di=0.375×1.3=0.49（m）底距：C=D/3=4/3=1.3（m）盘径：di=0.75Di=0.75×1.3=0.98（m）叶弦长：L=0.25Di=0.25×1.3=0.33（m）叶距：Y=D=4（m）弯叶板厚：δ=12（mm）5.搅拌轴功率的计算淀粉水解糖液低浓度发酵醪可视为牛顿型流体，计算过程如下： 计算Rem其中：D—搅拌器直径，D=1.3mN—搅拌器转速，N=250/60=4.17（m/s）ρ—醪液密度，可取ρ=1050（kg/m3）μ—醪液粘度，可取μ=1.3×10-3N·s/m2则有=，视为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7。5.1.2种子罐的选型种子罐容积和台数的确定①种子罐容积的确定每天的接种量为22377.37L，即22.38m3，种子罐装液量φ=75%，则每天需要种子罐体积V1=22.38÷0.75=②周期发酵需要种子罐个数计算选择公称容积为20m³的机械搅拌通风发酵罐为例，则日需要种子罐的个数为N2N2=29.84/20=1.49≈2一个周期需要的种子罐个数为2×6＋1=13（个）种子罐主要尺寸的计算V=V桶+2V封=23m=0.785D2×2D+π/12×D³=23解出D=2.325m，取D=2.4m=2400mm，则H=2D=4.8m实际容积为V=0.785×2×2.43+3.14×2.43/12=25.3m³>23m³5.2辅助设备的选型5.2.1细胞过滤器根据工艺查《工艺设计手册》[23]，假设选用内虑面转鼓真空过滤机，型TY/GL-WKGL1,过滤面积20平方米，处理量约为200L/(m2·h)，发酵周期为6天（辅助时间1天），则有：每周期处理发酵液3729562.00L假设处理时间定为一天，每台过滤器每天处理的量为：200L×20×24=则需要设备数量：1342642.32÷96000≈14（台）所以我们选用该型号的过滤器14台，即可保证生产工艺要求。5.2.2真空干燥器根据生产工艺，我们选取YZG/FZG系列真空干燥机两台，干燥速率100kgH2O/(m2·h),干燥面积3m2每周期发酵液经过虑后，干燥后的菌体量按菌体内的番茄红素量计算得1491.82kg过滤后的菌体约带有5%的水分，即该干燥的水分有：537.05kg÷95%×5%≈28.27kg每台干燥器每小时处理的量为：100kg×3=300kg/h则选用一台干燥器需要处理的时间为：28.27÷30≈0.94（h）满足设计需求。根据实验经验需要真空干燥12h，干燥两次时间为：12×2=24（h）。5.2.3细胞破碎器为满足本设计处理量需求，我们选用工业生产超声波细胞破碎机一台，型号CSJ—400/WFM—10L，处理量为300需要破碎的细胞量按干燥后番茄红素的量计算，1491.82kg×0.06×6≈537.05kg则选用一台细胞破碎器需要处理时间：537.05kg÷300≈1.8（h）满足设计需求。5.2.4萃取设备微波萃取设备，型号CNWB—1000一台，处理量为1m3石油醚周期需量29836.4L×0.06×6=水和石油醚等量对比，则水的量10741.10抗氧化剂周期需量1491.82L×0.06×6≈破碎后的细胞量1491.82kg×0.06×6≈537.05kg约按水的密度算一共需要进入萃取设备的液体量有：10741.10L+10741.10L+537.05L+537.05L=则选择一台该设备处理时间需要22.6m3÷1m3/h=22.6后期的皂反应也可在萃取设备中完成，萃取完毕弃下相水相10741.10L，在上相中直接加入氢氧化钾甲醇溶液298.37L皂化半小时即可。皂化时间则有：22.6×5.2.5浓缩设备真空浓缩设备一台，型号ZRTN-500，容积500L，加热面积2.0m2，浓缩速度500L/(m2·h)。本设备适用于中药、食品、保健品等料液的真空浓缩、蒸馏酒精回收和简单的回流提取需要浓缩的液体为萃取剂的量石油醚周期需量29836.4L×0.06×6=每台浓缩设备每小时处理量为500×2.0=1000(L)则选择一台该浓缩设备处理时间需要10741.1÷1000≈10.7(h)满足设计需求。5.2.6结晶设备结晶设备一台，型号滚筒类型，规格Ø800×1000，结晶能力450kg/h。需要结晶处理的量为含有10%水的番茄红素的量，1133.79kg×0.06×6≈则选用一台结晶设备结晶处理时间需要：408.16kg÷450kg/h=0.91(h)即可满足设计需求。根据经验，需要结晶处理125.2.7发酵后期发酵液处理总共时间一个发酵周期需要：细胞过滤24h；真空干燥24h；细胞破碎1.8h；萃取22.6h；皂化11.3h；浓缩10.7h；结晶12h；后期精制时间约15h。总计时间：24+24+1.8+22.6+11.3+10.7+12+10=117.4<6天所以处理时间上满足设计5.3主要设备（见表2）表2主要设备一览设备名称规格/型号发酵罐100m种子罐20m过滤器TY/GL-WKGL1干燥器YZG/FZG细胞破碎器CSJ—400/WFM—10L萃取设备CNWB—1000浓缩设备ZRTN-500结晶设备Ø800×1000滚筒6效益评估6.1原料消耗（见表3）表3原料消耗费用名称单价(元/t)用量（t）总价（万元）甲醇溶液15004.480.6720无水乙醇2500188.6747.1675石油醚5000447.5223.75TBHQ150006.710.05棉籽油50002797.171398.585玉米浆2002237.7344.7546硫酸镁50013.980.699葡萄糖25001678.35419.5875玉米淀粉3002237.7367.1319氢氧化钾60002.241.344磷酸二氢钾400055.9422.3760总计2236.11756.2设备消耗（见表4）表4设备消耗费用名称单价(元/台)数量总价（万元）发酵罐150006191.5种子罐7000139.1过滤器3000144.2干燥器57000211.4细胞破碎器2000012萃取设备1200011.2浓缩设备100000110结晶设备1000011总计--106125.56.3水电人工劳动力费用人工劳动费：雇佣20人，每人一年5万，共20×5=100万元水用量20000立方米2000×1=20000元3.电用量50000度50000×1=50000元6.4效益评估纯度为90%的番茄红素的市场价为200万/吨年产总值：200×15=3000万场地费、维修费、以及各种支出费用一年100万年成本约：2236.1175+125.5+100+100+5+5=2572.6万年利润：3000-2572.6=427.4万7环境保护和安