年产5万吨α-淀粉酶 工厂发酵车间设计 毕业论文.x
南阳理工学院
本科生毕业设计（论文）
学院(部）：生物与化学工程学院
专业：生物工程
姓名：
指导老师：
完成日期2014年4月南阳理工学院本科生毕业设计（论文）
年产5万吨α-淀粉酶工厂发酵车间设计
The Design for Alpha Amylase Fermentation Workshop with 50000 tons Annual Production
总计：毕业设计（论文） 33页
表格： 5 个
插图： 3 幅
南阳理工学院本科毕业设计（论文）
年产5万吨α-淀粉酶工厂
发酵车间设计
The Design for Alpha Amylase Fermentation Workshop with 50000 tons Annual Production
学院（部）：生物与化学工程学院
专业：生物工程
学生姓名：方帅
学号： 1 0 5 0 1 0 5 4 0 0 4 1
指导教师（职称）：肖连冬（教授）
评阅教师：
完成日期： 2014年4月
年产5万吨α-淀粉酶工厂发酵车间设计[摘要]：α-淀粉酶广泛分布于动物、植物和微生物中，能水解淀粉产生糊精、麦芽糖、低聚糖和葡萄糖等，是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。目前，α-淀粉酶已广泛应用于变性淀粉及淀粉糖、焙烤工业、啤酒酿造、酒精工业、发酵以及纺织等许多行业。本次设计的淀粉酶发酵工厂年产量为50000吨，以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）BF-7658为生产菌种，以玉米粉为碳源，以豆饼为氮源，采用液体深层发酵法发酵，以此为基础进行设计，确定了生产工艺流程，进行了物料衡算和热量衡算，并计算了主要设备的尺寸。
[关键词]：α-淀粉酶；生产过程设计；深层发酵法
The Design for alpha Amylase Fermentation Workshop with
50000 tons Annual Production
Biological engineering FANG Shuai
Abstract:Alpha amylase widely distributed in animals, plants and microbes, hydrolysis can produce dextrin, maltose starch, oligosaccharides and glucose and so on, it is the most
widely used in industrial production of one of the enzyme preparation. At present, the alpha amylase has been widely used in modified starch and starch sugar, baking industry, beer brewing, alcohol industry, fermentation and textile and the many industries. The design of the fermentation plant amylase, respectively, with corn flour for carbon sources, to soybean cake as nitrogen source, with BF-7658 Bacillus subtilis strains for production, the deep fermentation, by salting-out extraction technology method, with the annual production capacity of 50000 tons of amylase, 167 tons per day. At the same time make the production process flow diagram, the material balance calculations and heat balance calculations, the design and the size of the cans of fermentation tank seeds.
Keywords:alpha amylase; Production process design; Deep fermentation
目录
1 绪论 (1)
1.1Α-淀粉酶简述 (1)
1.2Α-淀粉酶结构 (1)
1.3Α-淀粉酶催化机制 (1)
1.3.1 α-淀粉酶催化过程 (1)
1.3.2 α-淀粉酶空间结构特点 (2)
1.4Α-淀粉酶的理化性质 (3)
1.4.1 底物特异性 (3)
1.4.2 最适PH和最适温度 (3)
1.4.3 金属离子对酶稳定性的影响 (3)
1.5国内外主要研究机构及其研究方向 (4)
2 设计说明 (4)
2.1设计任务 (4)
2.2设计原则 (4)
2.3生产菌种选择 (5)
2.4生产菌种简介 (5)
2.4.1枯草芽孢杆菌简介 (5)
2.4.2枯草芽孢杆菌的工业应用 (5)
3 生产方法的选择 (5)
3.1生产方法的选择及结果 (5)
3.1.1选择生产方法的主要依据[14]： (5)
3.1.2生产方法介绍及确定 (6)
3.2工艺流程设计原则 (6)
3.3.工艺路线选择 (6)
3.3.1工艺路线简述 (6)
3.3.2工艺流程简图 (6)
4 工艺计算 (7)
4.1物料流程及说明 (7)
4.1.2 工艺技术指标及基础数据 (7)
4.1.3 α-淀粉酶发酵车间的物料衡算 (8)
4.1.4 年产5万t/a α-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表 (9)
4.2生产车间的热量衡算 (10)
4.2.1 糊化用水耗热量Q1 (10)
4.2.2 混合醪煮沸灭菌耗热量Q2 (11)
4.3生产车间耗水量 (12)
4.4耗冷量计算 (12)
4.4.1发酵热计算 (12)
4.4.2冷却热计算 (13)
4.5无菌空气用量 (13)
5 主要设备的工艺计算及选型 (14)
5.1发酵罐的选型 (14)
5.1.1 发酵罐选型原则 (14)
5.1.2 发酵罐设计参数的确定 (14)
5.1.3 发酵罐尺寸的确定 (15)
5.1.4 发酵罐冷却面积的确定 (16)
5.1.5 发酵罐搅拌器的设计 (17)
5.1.6搅拌轴功率的计算 (18)
5.2种子罐的选型 (18)
5.3发酵罐换热器的选择 (20)
5.3.1 冷却水耗量 (20)
5.3.2 冷却面积 (21)
5.3.3蛇管组数和管径的确定 (21)
6 车间布置设计 (22)
6.1车间设计规范和规定 (22)
6.2生产车间布置设计 (22)
6.2.1 车间布置设计的依据 (22)
6.2.2车间布置原则 (22)
6.3车间布置结果 (23)
7结论 (23)
参考文献 (23)
鸣谢 (24)
1 绪论
1.1α-淀粉酶简述
淀粉酶广泛存在于动物、植物和微生物中[1]，在食品、发酵、纺织和造纸等工业中均有应用，尤其在淀粉加工业中，微生物淀粉酶更是应用广泛并已成功取代了化学降解法；同时，它们也可以应用于制药和精细化工等行业[2]。
根据淀粉酶对淀粉的水解方式不同[3]，可将淀粉酶分为α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶和异淀粉酶等。其中，α-淀粉酶（α-1，4-葡聚糖-4-葡聚糖苷酶)多是胞外酶，其作用于淀粉时可从分子内部随机地切开淀粉链的α-1，4糖苷键[4]，而生成糊精和还原糖，产物的末端残基碳原子构型为α-构型，故称α-淀粉酶[5]。α-淀粉酶来源广泛，主要存在发芽谷物的糊粉细胞中[6]，当然，从微生物到高等动、植物均可分离到，是一种重要的淀粉水解酶，也是工业生产中应用最为广泛的酶制剂之一。它可以由微生物发酵制备，也可以从动植物中提取。不同来源的α-淀粉酶的性质有一定的区别，工业中主要应用的是真菌和细菌α-淀粉酶。
1.2 α-淀粉酶结构
从淀粉酶的发现至今α-淀粉酶的种类已经越来越多，按照使用条件可以分为中温型，高温型，耐酸耐碱型。按生产菌不同可以分为细菌、真菌、植物和动物淀粉酶。BF-7568是细菌淀粉酶的代表，米曲酶是真菌淀粉酶的代表。[7]
水解淀粉的酶类主要有α-淀粉酶家族（EC 3.2.1.1），β-淀粉酶家族（EC 3.2.1.2）,葡萄糖糖化酶（EC 3.2.1.3），异淀粉酶（EC 3.2.1.68），环式糊精糖化酶（EC 2.4.1.19）等，[8]其中大部分淀粉水解酶都属于α-淀粉酶家族，需要指出的是，α-淀粉酶与α-淀粉酶家族是两个不同的概念，通常将作用于α糖苷键连接的葡萄糖聚糖，并且作用后能保持葡萄糖残基的c1碳原子为α淀粉酶家族。α-淀粉酶家族明确的包含两大类酶，即葡萄糖苷水解酶和葡萄糖基转移酶，他们或者水解α-1,4键、α-1,6键，或者生成α-1,4键、α-1,6键，极少数还可作用于α-1,2键、α-1,3键，这取决于各个酶作用的特异性，根据酶的特异性，α-淀粉酶家族可分为将近30种不同专一性特征的酶类。显然α-淀粉酶家族的概念要比α-淀粉酶大很多，只作用于α-1,4键，而且仅是水解作用，α-淀粉酶家族则有的作用于α-1,4键，有的作用于α-1,6键，有的两种糖苷键都能作用，而且既可以是水解作用，也可以是转糖基作用。因此α-淀粉酶只是α-淀粉酶家族中的一个重要成员。[9]
1.3 α-淀粉酶催化机制
1.3.1 α-淀粉酶催化过程
α-淀粉酶的催化过程包括三步，共发生2次置换反应。第一步，底物某个糖残基要先结合在酶酶活性部位的-1亚结合位点，该糖苷氧原子被充当质子供体的酸性氨基酸（如Glu）所质子化；第二步，-1亚结合位点的另一亲和氨基酸（如Asp）对糖残
基的C1碳原子进行亲核攻击，与底物形成共价中间物，同时裂解C1-OR键，置换出底物的糖苷配基部分；第三步，糖苷配基离去之后，水分子被激活（可能正是被刚去质子化的Glu所激活），这个水分子再将Asp的亲和氧与糖残基的C1之间的共价键C1-Asp水解掉，置换出酶分子的Asp残基，水解反应完成。在第二次置换反应中，如果进攻基团不是水分子，而是一个带有游离羟基的糖（寡糖）ROH，那么酶分子的Asp残基被置换出后，就发生了糖基转移反应而非水解反应。
1.3.2 α-淀粉酶空间结构特点
自从DNA重组技术建立以来，许多α-淀粉酶的基因陆续被克隆，α-淀粉酶基因的核苷酸序列的测定和由此推定的氨基酸序列也逐渐被人们越来越深入地认识，人们在研究清楚α-淀粉酶的蛋白质氨基酸结构以后，已经分别从假单胞杆菌（Pseudomonas stutzeri Mo-19）米曲霉（Aspergillus oryzae）枯草杆菌（Bacillus subtilis）黄单胞菌（Xanthomonas campestuis PV，camperstris）等以及动物和植物中克隆到了α-淀粉酶基因，Tonozaka通过对不同来源的37个α-淀粉酶基因分支酶基因、异淀粉酶基因进行同源序列的比较发现，微生物与动物和植物产生的α-淀粉酶的氨基酸序列之间的同源性不超过10%，但这些淀粉酶有A B C D四个区域有高度的保守性，推测这些保守区域与其底物的结合或催化中心有关。Y.Mutsuura通过对米曲霉（Aspergillus oryzae）产生的Taka淀粉酶的X-衍射晶体结构分析，推测出其可能的淀粉酶活性中心和第五结合的四个位点的序列，其结果与Nakajima的一致。通过对α-淀粉酶基因结构的分析，发现在结构基因之前，有由不同的氨基酸组成的信号肽，在G+细菌中如枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等分泌到细胞外。尽管不同来源的α-淀粉酶在氨基酸序列上是不同的，但它们却具有相同的二级结构——由8个β折叠组成的筒状结构，该结构被认为具有催化能力。YJanec k.S通过对α-淀粉酶家族研究发现大部分α-淀粉酶除了含有上述筒状结构的催化中心（domain A）外，还包括domain B、C、D。其中domain C端非常明显的外延，在这一区域包含大量的β折叠，这些β折叠与淀粉的结合有关。1999年英国的Stacey M.Southall等人研究发现C端的淀粉结合位点（starch-binding domain）具有与淀粉结合的能力该位点能与淀粉结合破换淀粉颗粒表面的结构，加快淀粉水解速度。[10]
图2.1具有淀粉结合位点的α-淀粉酶的三维模型
1.4 α-淀粉酶的理化性质
不同来源的α-淀粉酶的酶学性质和理化性质有一定的区别。它们的性质对其工业应用的影响也较大，在工业生产中要根据需要使用合适来源的酶，因此对淀粉酶性质的研究非常重要。
1.4.1 底物特异性
α-淀粉酶和其他酶类一样，具有反应底物特异性，不同来源的α-淀粉酶反应底物也各不相同，通常α-淀粉酶显示出对淀粉及其衍生物有最高的特异性。这些淀粉及衍生物包括支链淀粉，直链淀粉、环糊精、糖原质和麦芽三塘等。
1.4.2 最适PH和最适温度
PH和反应温度对酶活力影响最大，不同来源的α-淀粉酶有各自的最适作用PH和最适作用温度。通常情况下，α-淀粉酶的最适作用PH一般在2-12之间变化。真菌和细菌类α-淀粉酶的最适PH在酸性和中性范围内，如芽孢杆菌α-淀粉酶的最适PH为3，碱性α-淀粉酶的最适PH为9-12。
不同来源微生物来源的α-淀粉酶的最适作用温度存在着较大的差异，其中最适作用温度最低的只有25-30，而最高的能达到100-130。另外，钙离子和钠离子对一些酶的最适作用温度也有一定影响。
1.4.3 金属离子对酶稳定性的影响
α-淀粉酶是金属酶，很多金属离子特别是金属离子对其有抑制作用，另外巯基、N-溴琥珀酸亚胺，P-羟基汞苯甲酸、碘乙酸等对α-淀粉酶也有抑制作用。α-淀粉酶中至少包含一个Ca2+,Ca2+使酶分子保持适当地构象，从而维持其最大的活性和稳定性
Ca2+对α-淀粉酶的亲和能力比其他离子强，其结合钙的数量在1-10之间，通常情况下，有Ca2+存在时α-淀粉酶的活性比没有时要好。
1.5 国内外主要研究机构及其研究方向
由于α-淀粉酶是具有重要应用价值的工业酶，国内外很多课题组对它进行了研究。国内有代表性的研究单位有:四川大学，主要研究α-淀粉酶的生产菌株及其培养条件；江南大学，主要研究α-淀粉酶的结构以及应用性能，如耐热性、耐酸性；西北大学，主要研究α-淀粉酶的变性机理以及环境对α-淀粉酶的影响；华南理工大学，主要研究α-淀粉酶的固定化和动力性质；还有华中农业大学，中国科学院沈阳应用生态研究所，天津科技大学，南开大学生命科学学院，中国农业科学院，中国科学院微生物研究所等多家研究机构对多种α-淀粉酶生产菌的α-淀粉酶基因进行了克隆以及表达研究。
国外有代表性的研究单位有:加拿大的University of British Columbia，他们对人胰腺的α-淀粉酶结构和作用机理进行了深入的研究；丹麦的Carlsberg实验室主要研究大麦α-淀粉酶结构域与结合位点;美国的Western Regional Research Center主要研究大麦的α-淀粉酶与抗菌素的作用以及大麦α-淀粉酶的活性位点。[11]
2 设计说明
2.1设计任务
以细菌为发酵菌株，设计一条合理、经济、先进的工艺路线生产α-淀粉酶。其次，进行工艺衡算，主要包括有物料衡算、热量衡算、水衡算等，在工艺衡算的基础上，
对主要的专业设备进行选型。最后，绘制工艺流程图和车间布置图。
2.2设计原则
(1)设计工作要围绕现代化建设这个中心，为这个中心服务。首先要做到精心设计，投资省，技术新，质量好，收效快，回收期短，是设计工作符合社会主义经济建设的
总原则。
设计的安全性和可靠性是工项目设计工作的第一要务，是设计人员进行生物工厂
设计的根本出发点和落脚点。
(2)设计工作必须深入调查，善于从实际出发去分析研究问题。设计的技术一达到
国内同类型工厂生产实际平均先进水平。
(3)积极采用新技术，加强先进技术和专利成果的采用。突出创新性，现实性和先
进性，尽可能提高劳动生产力，降低能耗，努力达到设计的高质量和高水平。
(4)设计必须结合实际、因地制宜，不能千篇一律。工厂生产规模、产品品种的确定，要适应市场的需要、满足客户要求、控制成本，并适当预留发展余地。
2.3生产菌种选择
目前能够产生α-淀粉酶的微生物种类主要分为两大类：以米曲霉（Aspergillus oryzae）和黑曲霉(Asppergilus niger)等曲霉属真菌，此类真菌产生的α-淀粉酶在食品
和医药产业的应用非常广泛，但是由于此类真菌α-淀粉酶的生产菌株选育工作开展较少，有关文献报道的具有产酶能力的此类菌株产酶水平较低无法达到工业化生产。[12]另一类就是以枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）为主要代表的细菌，工业上应用此
菌种发酵生产α-淀粉酶具有悠久的历史，在技术上非常成熟，使用最广泛的菌种就是α-淀粉酶BF7568，按照设计任务以及设计原则中的现实性原则选用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）BF7568为本次设计的生产菌种。
2.4生产菌种简介
2.4.1枯草芽孢杆菌简介
枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），广泛分布在土壤及腐败的有机物中，因易在枯
草浸汁中繁殖而得名。是芽孢杆菌属（Bacillus Cohn）的一种。无荚膜，周生鞭毛，能运动，是一种革兰氏阳性需氧菌。在酶制剂（例如淀粉酶和蛋白酶）、鸟嘌呤、肌醇、叶酸、核黄素、和D-多糖等多种重要产品的发酵中有广泛的应用，对环境、医药和工
业生产都非常重要。[13]
2.4.2枯草芽孢杆菌的工业应用
枯草芽孢杆菌不仅在医药中应用比较广泛，在污水处理及生物肥发酵或发酵床制
作中应用也相当广泛，是一种多功能的微生物。
(1)市政和工业污水处理，工业循环水处理，腐化槽、化粪池等处理，畜牧养殖动
物废料、臭味处理，粪便处理系统，垃圾、粪坑、粪池等处理；
(2)畜牧、家禽、特种动物及宠物养殖，水产养殖；
(3)可以与多种菌种混配，在农业生产中具有重要作用。
3 生产方法的选择
3.1 生产方法的选择及结果
3.1.1选择生产方法的主要依据[14]：
(1) 原料来源、种类和性质。本次设计的原料采用市场上来源比较广泛的玉米淀粉，
(2)产品的质量和规格。罐发酵单位为600u/mL，终产物产品规格为4000u/g，
(3)生产规模。设计生产规模为50000t/a。
(4)技术水平。生产方式采用较易掌握的间歇式生产。
(5)建厂地区的自然环境。南阳地区地处温带地区，无需配套的冷冻系统即可满足
正常发酵的温度要求
(6)经济合理性。
结合以上原则和生产方法的比较，本设计决定采用液体深层发酵法进行生产，设计年产量为50000t/a,终产物活力单位为4000u/g的α-淀粉酶工厂生产车间。
3.1.2生产方法介绍及确定
目前，工业生产α-淀粉酶主要有两种方法，分别是固体培养法和液体深层发酵培养法。
(1) 固体培养法:固体培养法的培养基以麸皮、米糠等为主要原料，加入其他必要的营养成分，制成固体或半固体的麸曲，经过灭菌冷却后，接种产酶微生物菌株，在一定条件下进行发酵，以获得所需的酶。固体培养法的优点是设备简单，操作方便，麸曲中酶的浓度较高，特别适用于各种霉菌中的培养和发酵产酶。其缺点是劳动强度较大，原料利用率较低，生产周期较长。
(2) 液体深层发酵法:液体深层发酵法是采用液体培养基，置于生物反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细胞，在一定条件下，进行发酵，生产得到所需的酶。液体深层培养法不仅适合于微生物细胞发酵生产也可用于植物细胞和动物细胞的培养。液体深层发酵法的机械化程度较高，技术管理较严格，酶的产率较高，质量较稳定，产品回收率较高。
以上两种方法，是目前酶发酵生产的主要方式。根据上述生产方法特点和选择依据，本次设计采用液体深层发酵法进行工业生产。
3.2 工艺流程设计原则
(1)保证产品质量符合国家标准，外销产能品必须满足销售地区的质量要求。
(2) 尽量采用成熟先进的技术和设备。是工厂在短期内即可达到设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全可靠。
(3) 实施清洁生产，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用。
(4) 确保安全生产，保证人身和设备的安全
(5) 生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产高产。
3.3.工艺路线选择
3.3.1工艺路线简述
综合以上分析，本次设计决定采用枯草芽孢杆菌BF7568作为生产菌种，发酵液由种子液、底料液、补料液组成，接种量按10%，采用液体深层发酵法进行工业生产粗产品，随后经过盐析法提纯，得到精制产品。
3.3.2工艺流程简图
其工艺流程如下图3.1所示：
图3.1工艺流程简图
4 工艺计算
4.1 物料流程及说明
玉米粉、豆饼粉和热水以1:4的比例在糊化锅内混合至65，为了便于后期液、糖化，糊化后加入一部分α-淀粉酶 (4000U/g)用量按8U/g计算，液糖化完成后加热至100，并保温40min，保温完毕，冷却至发酵温度（此过程需2小时完成）进入发酵罐，准备生产。该过程物料流程图如下：
图4.2物料流程图
4.1.2 工艺技术指标及基础数据
(1) 主要技术指标如下表所示：
表 4.1发酵工艺技术指标
指标名称单位指标数指标名称单位指标数生产规模t/a50000 发酵初糖浓度kg/m3 150 生产方法深层发酵，盐析提取发酵罐装料系数% 75 年生产天数d300 提取总收率% 82 日产量t/d167 麦芽糖化转化率% 95 产品质量u/g4000 罐发酵单位u/ml600
发酵周期h72 接种量% 8
(2) 种子培养基：水解糖25g/l（由麦芽糊精提供，约占培养基4.0%）；(NH4)2SO4 0.3%；Na2HPO40.2%；消泡剂0.2%。上述百分数均为质量百分数
(3) 发酵培养基：水解糖150g/l (由玉米淀粉提供，约占培养基20%)；豆饼粉6.5%； (NH4)2SO40.5%；Na2HPO40.3%；消泡剂0.4%。上述百分数均为质量百分数
(4)补料液：水解糖150g/l（由玉米淀粉提供，约占培养基25%）；豆饼粉7.0%；消泡剂0.3%。上述百分数均为质量百分数
4.1.3 α-淀粉酶发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg规格为4000u/g的α-淀粉酶需耗用的原辅材料及其他物料量。
(1)放罐成熟发酵液量
V0=1000kg×4000u/g÷(600u/ml×82%×99%)=8.21m3式中82%——提取总收率
99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率
(2)放罐发酵成熟液V0分为以下三部分：
底料：V底=8.21×80%=6.568m3
种液量：V种=8.21×8%=0.6568m3
=8.21×12%=0.9852m3
补料量：V
补
（3）发酵液底料配置需水解糖量：
M1=150×V底=150×6.568= 985.2kg
种子培养液配置需水解糖量：
M2=25×V种=25×0.6568= 16.42kg
补料液配置需水解糖量：
M3=150×V补=150×0.6568= 147.78kg
（4）以玉米为淀粉原料作为水解糖来源
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用玉米淀粉量为：
m底料 = 985.2÷(80%×95%×111%)= 1167.85kg
m补料= 147.78÷(80%×95%×111%)= 175.18kg
m玉米粉=1167.85+175.18=1343.08kg
式中80%——玉米淀粉原料含纯淀粉量
95%——淀粉糖化转化率
（5）豆饼粉耗用量
m豆饼粉=1167.85÷20%×6.5%+175.18÷25%×7%=428.6 kg （6）麦芽糊精耗用量
理论上，100㎏麦芽转化为140㎏葡萄糖，故理论上耗用淀粉量为：
m麦芽=16.42÷(140%×95%×80%)=15.43kg
式中80%——麦芽糊精原料含纯麦芽量
95%——麦芽糖化转化率
（7）玉米浆耗用量
m玉米浆 =1167.85÷20%×1.0%+15.43÷4.0%×1.0%=62.25kg （8）(NH4)2SO4耗用量
1167.85÷20%×0.5%+15.43÷4.0%×0.3%=30.36kg （9）Na2HPO4耗用量
1167.85÷20%×0.3%+15.43÷4.0%×0.2%=18.29kg （10）CaCO3耗用量
1167.85÷20%×1.6%=93.43kg
（11）消泡剂耗用量
1167.85÷20%×0.4%+15.43÷4.0%×0.2%+175.18÷25%×0.3%=26.23 kg （12）α-淀粉酶用量
4.1.4 年产5万t/a α-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表
由上述生产1000kg α-淀粉酶（规格为4000u/g）的物料衡算结果，可求得5万t/a α-淀粉酶工厂发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如下表所示。
表 4.2 物料衡算表
物料名称每吨α-淀粉酶所需物料量50000t/a物料量每日物料量
发酵液/(m3）8.21 4.11×1051368
种子液/(m3）0.6568 3.28×104109.5
玉米粉/(kg）1343.08 6.71×107 2.24×105
豆饼粉/(kg）428.60 2.14×1077.14×104
玉米浆/(kg）62.56 3.13×106 1.04×104
麦芽糊精/(kg）15.43 7.72×1052572
(NH4)2SO4/(kg）30.36 1.52×1065060
Na2HPO4/(kg）18.29 9.15×1053048 CaCO?/(kg）93.43 4.67×106 1.56×104
α-淀粉酶/(kg)
2.686
1.343×105
447.7
4.2 生产车间的热量衡算
4.2.1 糊化用水耗热量Q 1
根据物料衡算的结果，料水比为1:4，糊化锅加水量为：
m 1=（1343.08+428.6）×4=7086.72 kg
则m 混合酪=1343.08+428.6+7086.72=8858.4 kg
式中，1343.08为生产1000kg α-淀粉酶 所需要的玉米淀粉量，428.6为糊化锅加入的豆饼粉量。
自来水平均温度为20℃ ，为便于液化，糊化过程后的水温应达到一定温度，故糊化配料用水采用热水，设热水温度1t ，二者混合后温度达到65℃，故由能量守恒得：
1m 65=(m m m C t ?C +C )20+C 1w 混合醪混合醪玉米粉玉米粉豆饼粉豆饼粉
计算混合醪的比热容C 混合醪根据经验公式[14]
0.01[(100) 4.18]
0C w C w =-+谷物
式中：W 为原料含水百分率，豆饼粉为6；玉米淀粉为8； C 0为绝对谷物比热容，1.55kJ /(kg ·k )
C 豆饼粉 =0.01[(100-6) ×1.55+4.18×6]=1.71[kJ /( kg ·℃)] C 玉米粉=0.01[(100-8) ×1.55+4.18×8]=1.76[kJ /(kg ·℃)]
11
m c +m c +m c =m +m +m w
C 玉米粉玉米粉豆饼粉豆饼粉混合酪玉米粉豆饼粉
1343.08 1.76+428.6 1.71+7086.72 4.18
=
1343.08428.67086.72
???++
=3.69 [kJ /(kg ·℃)]
代入公式得：
13.698858.465=++t ??????（1343.08 1.76428.6 1.71）207086.72 4.18
解得t 1=69.6℃
则热水由常温20℃加热至69.6℃所需热量Q 1:
611(69.620) 4.187086.7249.6 1.4910w Q c m kJ =-=??=?
4.2.2 混合醪煮沸灭菌耗热量Q 2
此部分热量Q 2由混合酪加热耗量Q 2’和煮沸过程中损失的热量Q 2’’以及全过程热损失Q 3’’ ’
222
2Q Q Q Q ''''''=++ (1).糊化后混合醪由65℃加热至100℃耗热
2m (10065)Q C '=-混合醪混合醪
'62==Q C m kJ =???混混（100-65）3.698858.4351.1410
(2).煮沸过程蒸汽带出的热量
设该过程用时为40min ，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为：
1v m 5%40
m =
=295.28kg 60
??混合酪
152295.282257.6 6.6710v Q m I kJ
''==?=?
式中，I -2257.6 kJ /kg 为100℃下水的汽化潜热（kJ /kg ） (3).热损失
混合醪升温和煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%，即：
6552
2215%()15%(1.1410 6.6710) 2.7110Q Q Q kJ ''''''=+=?+?=? (4).由上述结果得：
6556222
2 1.1410 6.6710 2.7110 2.0810Q Q Q Q kJ ''''''=++=?+?+?=?
(5).总耗热量Q 总：
66612=+ 1.4910 2.0810 3.5710Q Q Q kJ =?+?=?总
(6).生产一吨淀粉酶所需蒸汽量
使用表压为0.3MPa 的饱和蒸汽，h =2725.3kJ /kg ，则：
()
6
3.57101736.7(2725.3561.47)0.95Q Q m kg
h i η?===--?总
式中 i ----相应冷凝水的焓（561.47kJ /kg ） h ----蒸汽的热效率，取h =95% (7).蒸汽单耗
每年产量为50000t ，则年耗蒸汽量为
7=1736.750000=8.6810m kg ??汽
每天消耗蒸汽量
7
518.6810 2.8910300
m kg ?==?
表4.3 热量衡算表
名称 压力/(MPa ） 每吨产品耗量/(kg ） 日耗量/(kg /d ） 年耗量/(kg /a ） 蒸汽 0.3
1736.7
2.89×105
8.68×107
4.3 生产车间耗水量
此过程仍然以生产1000kg 产品为例进行计算。 （1）糊化过程用水量
m 1=（1343.08+428.6）×4=7086.72（kg ）
（2）洗糟水用量
451002=3986.28m m kg =?混
（3）生产1000kg α-淀粉酶 总用水量
127086.723986.2811073m m m kg =+=+=水
（4）全年总用水量
9=1107350000=5.5410M kg ??总
每天耗量
9
75.5410 1.8410300d M kg
?==?
表4.4 耗水量衡算表
名称 压力/(MPa) 每吨产品耗量/(kg)
日耗量/(kg /d) 年耗量/(kg /a) 冷水
0.3
11073
1.84×106
5.54×109
4.4耗冷量计算
工艺耗冷量包括混合酪灭菌完毕冷却的耗冷量和发酵耗冷量。 4.4.1发酵热计算
发酵热计算 发酵过程所产生的净热量称之为“发酵热”，相应的通气发酵过程总热量为：
'1234t Q Q Q Q Q =+--
式中Q 1生物合成热，包括生物细胞呼吸放热和发酵热两部分。呼吸热约占20%，发酵热约占80%，以葡萄糖作基质时，呼吸放热为15651kJ /kg (糖)，发酵热为4953kJ /kg （糖）,
Q 2---机械搅拌放热，Q 2=3600P g h P g ----搅拌功率，kw
h ----功热转化率，经验值h =0.92
Q 3----发酵过程通气排出的水蒸气所需的汽化热及气温上升所带出的热量 Q 4----发酵罐壁与环境存在的温差而传递散失的热量 通常可以近似计算Q 3+Q 4=20%Q 1
由物料衡算可得每吨产品的发酵液中所含水解糖质量为：
M 1+M 3=985.2+147.78=1132.98kg
则每小时所耗水解糖量
1132.98500007867.430024
h kg m h ?==?
代入公式，计算发酵热：
'12
0.80.8(0.2156517867.40.849537867.4)36002100.9245335776.99t Q Q Q kJ
h
=+=???+??+??=
4.4.2冷却热计算
混合酪从100℃冷却至发酵温度32℃的耗冷量，此过程要求2h 完成，所耗冷量：
'''
12()
h t
m c t t Q τ
-=
混
'5000
=61516.724300
h m kg m h ?=
?混合酪
'''
12()
61516.7 3.7168
77597122
h t
m c t t kJ Q h τ
-??=
=
=混
'''45335777775971253095489t t t kJ
Q Q Q h =+=+=
表 4.5 耗冷量衡算表
名称 发酵耗冷量/ (kJ/h)
混合醪耗冷量/ (kJ/h)
合计耗冷量/(kJ/h)
耗量
4.53107
7.76106
5.31107
4.5 无菌空气用量
液体深层发酵时需要溶解氧，所以需要通入无菌空气用于种子培养和发酵生产，此外设备和管路的消毒吹干也需要消耗无菌空气。根据工艺要求，生产过程中1m 3发酵醪每小时通入2m 3无菌空气就满足生产要求了。
（1）发酵罐中消耗无菌空气量为：
551284..21112010V kg
=?=??
（2）种子罐中消耗无菌空气量为：
442263..52816010V kg
=?=??
（3）培养基的压送及管路损失等，一般取发酵罐和种子罐所消耗的无菌空气的20%，故这部分无菌空气耗量为：
545312()20%(8.2210 6.5610)20% 1.7610V V V kg
=+?=?+??=?
(4) 全年无菌空气消耗量为：
6123 1.0610V V V V kg
=++=?气
表 4.6 无菌空气耗量
名称 发酵罐空气耗量/（kg ）
种子罐空气耗量/（kg ）
全年空气耗量/（kg ）
耗量
8.22105
6.56104
1.06106
5 主要设备的工艺计算及选型
5.1发酵罐的选型
5.1.1 发酵罐选型原则
评价发酵罐技术性能的主要尺寸是体积溶氧系数KLa ;评价经济性能的依据是溶氧效率；当然实践性也要考虑，发酵罐已实践过的最大容积，放大性能，是否适合某种