1、- 1 -年产 5000 吨工业用纤维素酶制剂厂设计专业名称:生物工程 作者:刘浩 指导教师：高健摘要本设计主要是对年产 5000 吨工业用纤维素酶制剂厂进行了设计。本设计主要在产品需求，地理环境，政策环境，生产工艺条件基本上，基于 5000 吨工业纤维素酶制备项目的要求，做的车间的平面设计。同时通过对生产工艺、产品方案、设备选型、物料衡算、全厂卫生安全、企业组织等方面的研究与设计。对本方案进行经济的估算，初步估算：固定资产 3000 万元的项目投资，项目建成后，年产固体和液体纤维素酶 5000 吨，年利润 16920 万元，投资回收期为 3 年。关键词：工业用纤维素酶；工厂设计；物料衡算；技
2、术经济分析The Plant Design of a 1000t/a Production Capacity of Industrial Used CellulaseMajor: Biological Engineering Author: Liu hao Instructor: Gao JianAbstractThis study was aimed to design an industrial used cellulase production plant with a 1000-ton production annual capacity.Workshop horizontal des
3、ign, the product plan and the craft proof, selection of processing technology and equipment, materials balancing, hygiene and safety, and organization were studied and designed for the industrial used cellulase production, based on the demand of product, geographical environment, governmental polici
4、es and the production technology. At last the analysis of technical economy of this project was done. It showed that the fixed assets was 27.3 million RMB, after the completion of the project, the plant may yearly produce solid cellulase 500t, liquid cellulase 500t, the annual profit was 35.25 milli
5、on RMB, and the return time of investment was 3 years.Key Words: Industrial used cellulase; Plant design; Materials balancing; Technical economy analysis- 2 -1 绪论1.1.项目建设的背景1.1.1. 项目提出的依据纤维素酶是降解纤维素生成葡萄糖的一组酶的总称。它不是单种酶，而是起协同作用的多组酶系。大多微生物产生的纤维素酶，最主要的有三个部分：内切葡聚糖酶；纤维二糖水解酶；葡萄糖苷酶。一般纤维素酶的相对分子质量在 4500075000
6、之间，最适合温度 50左右，最适 pH=45。纤维素酶的用途极其广泛，近年来被广泛应用于酒精、饲料、食品等行业 1。纤维素是目前地球上唯一产量巨大而未得到充分利用的可再生资源，广泛而大量存在于自然界。随着能源危机的日渐加剧，对于纤维素的利用吸引了许多研究者的眼光。利用纤维素的关键是把不溶于水的纤维素分解为可发酵性糖，而纤维素酶则是此关键中的关键。利用纤维素酶可将纤维素质原料转化为可发酵性糖，再利用微生物将糖转化为乙醇。用此方法生产的燃料乙醇可部分取代汽油。这是目前生物能源研究的重点，也是纤维素酶的主要应用方向。随着酶制剂工业的发展，纤维素酶的应用范围也进一步的扩大。纤维素酶是畜牧业的一种新型饲
7、料添加剂。利用纤维素酶能将饲料中一部分难于消化的纤维素转化为糖和菌体蛋白，改善动物饲料利用性，能使畜禽最大限度的利用饲料，提高饲料利用价值，减少畜禽消化道疾病发生，同时可减少饲料用量，降低养殖成本 3。1.1.2. 投资的必要性和经济意义随着生物工程的迅猛发展，纤维素酶制剂的生产变为现实。美国、丹麦和日本于 20世纪 70 年代就开始了纤维素酶的生产，国际市场基本上为它们所垄断，我国七五计划才把纤维素酶的生产列为攻关计划，国内现已有些厂投产，年产量约 5000 多吨，国内生产量远远不能满足市场需求。随着经济的发展和石油价格的爆涨，国内外纤维素酶的需求市场前景十分乐观。纤维素酶生产行业是一个新兴
8、行业，21 世纪将是它的生命全盛期。由于纤维素酶的广泛应用，估计我国市场需求量将以每年 2535的速度上升，预见用纤维素酶产业化生产生物乙醇的关键技术将在未来年内得到解决，那时我国的纤维素酶年需求量将增加到 2540 万吨。纤维素酶的年利率可能达到 50 亿元以上。目前国内大规模生产纤维素酶的公司只有天津诺维信公司、北京索莱宝科技有限公司、上海戴迪实业发展有限公司等少数几家。因此，利用液体深层发酵法生产的纤维素酶将会有广泛的市场前景。 - 3 -1.2.厂址选择 1.2.1 投资环境评价临沂市位于山东省东南部，地近黄海，东连日照,西接枣庄、济宁、泰安，北靠淄博、潍坊，南邻江苏。根据国家统计局城
9、市社会经济调查司对全国 287 个地级以上城市根据2005 年城市基本情况统计年报资料，从“区位及自然环境 ”、 “经济环境”、 “市场环境”、 “人力资源环境”、 “基础设施环境”、 “社会服务环境”、 “综合安全环境” 等进行综合测评，发布了“2006 投资环境百佳城市 ”名单，临沂市榜上有名。同时，在中国社会科学院工业经济研究所、中国经营报社主办的中国城市竞争力论坛，临沂市荣获“2006 跨国公司眼中最有投资潜力的城市” 。临沂经济开发区是 2003 年 6 月份，经山东省人民政府批准建立的省级经济开发区，位于临沂市城区东南部，是临沂市的现代化工业新城区。经济开发区城市功能健全，基础设施
10、完善，交通运输便利，自然资源丰富，靠近国内第三大批发市场临沂批发市场，具有巨大的商贸优势。开发区对投资企业实行优惠的扶持政策，按照“政策最优、体制最顺、服务最好”的要求，对园区企业实行封闭式管理，提供最优的服务。从区位上看，形成了海、陆、空三通的立体格局。该工业园在交通、原料、资源方面都具有非常大的优势 。 1.2.2.开发区财政支持及土地政策 对临沂市外投资的工业性生产项目企业所得税市级地方留成部分前三年政府全额扶持，后两年扶持 50%。投资项目建设用地，通过协议、招标、拍卖、挂牌、划拨、出让或租赁等形式依法获得。生产性工业项目目前土地出让价格为每亩 5.8 万元左右，在此基础上，根据项目投
11、资规模、投资强度、建设期限、科技含量、税收贡献等再给予不同程度的优惠扶持。对于酶制剂厂厂址的选择，其基本要求是原料、燃料供应充分，产品流通迅速，交通便利。而新开发的开发区为招商引资，往往会出台一系列的优惠政策，有利于企业的成长。因此本着经济、合理、优势的原则，根据本项目的性质和对建厂地区及地址的相关条件进行考察和论证分析，最后厂址选择临沂市经济开发区。综合看来，无论是从地理位置、交通运输、原材料和燃料供应，还是从当地政策、投资环境来看，都是十分理想的。 1.3.项目建设的意义项目建成后一方面可以吸纳当地剩余劳动力，增加当地居民收入；另一方面，该项目还可以解决当地农作物秸秆浪费的问题，增加当地农
12、民的农业收入，生产中产生的废渣还可以作为农业用有机肥。本项目投产结构合理，投资少，见效快，效益高，投资回收期短，发展前景广阔，并符合国家可持续发展战略和三农政策，能积极的带动当地农- 4 -业的发展，从而达到农业增效、农民增收、企业增值、国家增税，促进地方经济发展，为社会带来济效益和社会效益。因此该项目切实可行。2 厂区平面设计2.1.总平面设计表 2.1 厂区建筑面积一览表序号 建筑物 建筑面积（m 2） 占地面积（m 2）1 应急发电室 910 = 90 902 配电室 910 = 90 903 原料库 1 912 = 108 1084 空压机房 810 = 80 805 水处理中心 81
13、0 = 80 806 粉碎配料车间 812 = 96 967 生产车间 1 9283 = 756 2528 生产车间 2 9283 = 756 2529 锅炉房 1012 = 120 12010 原料库 2 810 = 80 8011 成品车间 814= 112 11212 污水处理站 246+245 = 264 26413 职工公寓 10452 = 900 45014 机修车间 58 = 40 4015 职工餐厅 20152 = 600 30016 成品库 89 = 72 7217 科研中心 20153 = 900 30018 办公楼 10254 = 1000 25019 警卫室 1 58
14、= 40 4020 警卫室 2 58 = 40 402.2.设计说明书2.2.1.设计依据（1）以方便生产为前提，符合车间生产程序，避免原料、半成品、人流的交叉污染；（2）全厂建筑物采取南北朝向，利于通风、采光；- 5 -（3）发酵附属设施安排在发酵车间的周围，为发酵提供高压蒸汽、原辅料、冷却水、压缩空气；（4）粉碎车间和锅炉房安排在发酵车间旁边，远离生活区和公路，避免污染生活区的空气；（5）配电房、锅炉靠近生产车间，减少能源消耗，锅炉房处于厂西北角，使生产车间处在其上风位置；（6）通盘考虑全厂布置，填平补齐，力求合理、经济，并充分考虑全厂扩大生产 4。2.2.2.总平面设计说明（1）厂区主要
15、建筑物：原料库、成品库、办公楼、科研楼（兼菌种保藏中心） 、餐厅（兼工人活动中心） 、车库、工人公寓、广场、传达室、展厅、锅炉房、机修车间、生产车间、成品车间、粉碎配料车间空气压缩站、水处理中心、污水处理池等。按照生产流程布置，并尽量缩短距离，避免物料的往返运输。对厂房的布置符合生产工艺的要求，既保证了生产过程的连续性，又使得整个厂区紧凑合理。（2）办公楼在人流出口附近，距离车间较近，方便管理，又与物流避免交叉。（3）绿化情况：厂区绿化以普通绿化与重点绿化相结合，沿厂区主入口的主要道路进行重点绿化，种植有观赏价值的乔、灌木与草皮结合，并且绿化部分遍植草皮，并适当点缀冬青灌木，绿地率达到 50%
16、以上，以创造出一个美丽、怡人的厂区环境。（4）厂区道路：厂区主干道为 10m 宽，非主要道路为 8m 宽，两旁种植悬铃木、榆叶梅等。（5）厂区考虑到防火要求，各主要建筑物和易燃物附近均设有消防水龙头和灭火器。2.3.主要设计指标表 2.2 主要设计指标一览表项目 数据1 全厂占地面积 13872m32 全厂建筑物占地面积 2744 m33 建筑系数 19.78%4 绿化面积 1950 m35 绿化率 14.06%6 土地利用系数 32.88%3 产品方案及工艺流程3.1.产品与产量的确定- 6 -表 3.1 产品方案明细表产品名称 年产量 / t 日产量 / t 班产量 / t 全年生产天数
17、/ d酒精工业用酶 500 1.525 0.508 328饲料添加酶 500 1.525 0.508 3283.2.工艺流程3.2.1.原辅料及菌种（1）原料：玉米秸秆、麦麸（2）辅料：酵母膏、木质纤维、蛋白胨、MgSO 47H2O、泡敌、CaCl 22H2O、Tween-80、KH 2 PO4（3）菌种：里氏木霉 Rut C-303.2.2.工艺流程图原料粉碎过筛高温高压杀菌 保藏菌种斜面种子培养摇瓶液体种子扩大培养液体深层发酵过滤浓缩流酸铵沉淀（饲料添加酶为乙醇沉淀）过滤溶解酶泥过单宁琼脂糖层析柱浓缩干燥造粒固体酶制剂液体酶制剂图 1 生产工艺流程图 53.2.3.操作要点（一）菌种培养（
18、1）菌种及菌种保存一般选用的菌种为里氏木霉，发酵周期为 70h 左右，纤维素酶产量高且稳定性好，产生的纤维素酶为胞外产物，容易分离纯化。一般里氏木霉菌种用马铃薯琼脂（PDA）培养基保藏。（2）菌种活化 5马铃薯琼脂（PDA）培养基灭菌冷却至 30左右时，在无菌条件下将保藏的原菌接种到培养基中，在 2830的恒温培养箱中培养 72h，取出后于 04保存备用。（3）种子培养基及种子罐培养玉米秸秆粉(20 目筛) 1%、酵母膏 0.05%、木质纤维 1%、蛋白胨0.3%、 MgSO47H2O 0.03%、KH 2PO4 0.4%、 CaCl22H2O 0.03%、(NH 4) 2 SO4 0.2%、
19、 Tween-80 0.02%（体积比） ，121下灭菌 30min 后使用。菌种活化后按 7%的接种量接种到一级种子罐中通气培养，培养 48h 后再接种至二级- 7 -种子罐中，培养 48h 后按 7%的接种量接种至发酵培养基中进行发酵 6。（二）发酵过程（1）发酵培养基的配制 发酵培养基的组成 5玉米秸秆粉 19.5%、麦麸 5%、酵母膏 0.05%、蛋白胨 0.3%、MgSO 47H2O 0.03%、 KH2PO4 0.4%、CaCl 22H2O 0.03% 、(NH 4) 2SO4 1.5% 、Tween-80 0.8%（体积比），121下灭菌 30min 后使用。 配制培养基的注意事
20、项 1I碳源 纤维素酶发酵大多采用含有纤维素的原料作为碳源。一般是将玉米秸秆粉碎至 20 目以下后与麦麸等其他辅料混合。麦麸对菌种产酶的影响是双面的：它一方面为产酶提供必要的生长因子；另一方面，其含量增加又会降低培养基的蓬松程度，使通气量降低，从而影响产酶。对于里氏木霉，当玉米秸秆与麦麸之比为 4:1 时纤维素酶的产量最高 7。II氮源 可用无机氮，也可用有机氮，二者差别不大。里氏木霉的最适氮源为硫酸铵和谷氨酸钠，硫酸铵价格较便宜，因此选用硫酸铵，用 1.5%浓度效果较佳。III. 细胞通透性 增加细胞通透性对提高纤维素酶活性有一定的作用。一般认为Tween-80 可以提高里氏木霉的纤维素酶的
21、产量，添加量为 0.8%。培养基的配制是在拌料罐中进行的。预先在拌料罐中添加所需质量的各种成分，然后加入培养基中所有用水量的 60%左右，使最终两个发酵罐中的装料量为 14.26 m3。用搅拌桨搅匀后用往复泵泵入两个发酵罐中。（2）发酵培养基的灭菌 8由于发酵罐的体积较小，因此可采用实罐灭菌的方式进行灭菌。灭菌过程采用蒸汽压为 196kPa（表压）的蒸汽通入发酵罐中，利用蒸汽冷凝释放的热量加热培养基，以达到灭菌的目的。实罐灭菌过程共分为三个阶段： 升温阶段采用直接将活蒸汽通入发酵罐中的方式把培养基由室温加热到灭菌温度。此过程中通入的蒸汽冷凝形成的水可直接补充配制培养基时未加足的水。 保温阶段蒸
22、汽从与培养基相接触的管道连续进入，从不与培养基相接触的管道连续排出。维持一定的灭菌时间，以到达灭菌的目的。 冷却阶段完成保温时间后，关一路排汽，再关一路进汽（次序不能颠倒） ，最后排汽与进汽全部关闭。然后引入无菌空气，再打开蛇管的冷却水，使培养基的温度降低到合适的温度，以进行接种。（3）发酵过程中的条件控制 温度- 8 -发酵前期，培养温度应稍高些，以有利于菌体的生长，里氏木霉一般控制前期培养温度为 30（即最适生长温度） ，大约保持 12h；进入产酶期后，应适当降低培养温度，里氏木霉产酶期培养温度一般为 28，较低的温度有利于提高酶的稳定性，延长细胞产酶时间 9。 pH里氏木霉发酵生产纤维素
23、酶的最适 pH 为 4.65。在实际的发酵过程中，随着微生物的代谢活动，发酵液的 pH 值在不断变化，要根据其变化严格控制 pH 值 1。 通风量发酵早期，菌体刚刚萌发，数量较少，呼吸强度较弱，耗氧速度较低，应控制通气量为 1:0.20.3；进入对数生长期以后，菌体代谢旺盛，呼吸强度提高，细胞大量分裂，细胞浓度迅速增加，因此耗氧速度较快，应控制通气量为 1:1；产酶时期，细胞分裂完全，细胞浓度最大，形成大量的酶蛋白，也消耗大量的氧气，应控制通气量为 1:11。 搅拌纤维素酶液体深层发酵中还需要搅拌，以利于热交换、营养物质与菌体均匀接触，降低细胞周围的代谢产物，从而有利于酶的合成。所以，应控制整
24、个生产过程的搅拌速度为 100150rpm。 泡沫控制发酵中往往产生较多的泡沫，其存在阻碍 CO2 排出，影响溶解氧量。生产上一般采用聚氧丙烯甘油醚或泡敌（聚环氧丙环氧乙烷甘油醚）消泡。 产酶量的测定发酵过程中要定时取样测定产酶量，一旦发现到达最大酶活产量时要及时停止发酵。（4）发酵终点的判断一般利用里氏木霉进行纤维素酶发酵的周期为 70h 左右。当发酵液的 pH 上升至 5 左右，镜检观察到菌丝自溶、断裂，80%以上的菌丝染色着色浅或染不上色时，可以放罐 6。一般发酵的产酶率为 6.5%。（二）纤维素酶的分离与提取（1）发酵液的预处理发酵结束后要向冷却蛇管内通入蒸汽，使发酵液温度升高至 90
25、维持 10min，灭活菌体并有利于后续的过滤过程。加热结束后将发酵液转移至发酵液储罐中。同时准备使用板框过滤机对发酵液进行过滤，以除去菌体和未发酵的培养基原料。（2）发酵液过滤在里氏木霉生产纤维素酶的过程中，在常压下滤饼形成后，一般采用加压至0.30.4MPa 来过滤。滤液储存于储罐中，分四批进行后续的提取过程。生产中常采用以压力泵或压缩空气为过滤推动力的压滤机来进行过滤。经过滤后滤液中的纤维素酶的收率为 95%。- 9 -（3）浓缩将板框过滤后的滤液调到pH4.5，在40、2.0kPa的条件下利用三效真空蒸发仪将滤液浓缩至原体积的3040% 1，此过程的酶的收率约为95%。（4）沉淀与酶泥的
26、重新溶解在酶制剂的生产过程中，一般采取盐析法进行纤维素酶的分离。首先向浓缩酶液中加0.2饱和度的硫酸铵，静置1小时后利用板框过滤机进行过滤，弃去沉淀。然后向收集的清液中加入0.6饱和度的硫酸铵，再静置1小时后过滤弃去清液，得到纤维素酶的粗品。对于应用于饲料工业中的酶制剂，由于硫酸铵沉淀法析出的酶沉淀，含有大量的无机盐，不适合用于食品行业。因此在其生产过程中，应该采用有机溶剂法进行纤维素酶的分离。常用纤维素酶沉淀分离的有机溶剂为乙醇。乙醇的最适浓度为70%。提取酶制剂过程中容易引起酶的变性失活，所以必须在4左右的低温下进行操作，沉淀析出后要立即分离。有机溶剂用量一般为酶液体积的2倍左右，而且，要
27、将酶液的pH 值调至纤维素酶的等电点附近，再用0.020.05mol/L的磷酸缓冲液溶液溶解后进行进一步的纯化。沉淀过程的酶的收率为94%，过滤过程的收率为95% 1。（5）纤维素酶的纯化单宁是纤维素酶的天然抑制剂，用单宁结合活化的琼脂糖做成亲和层析柱，用蒸馏水平衡，再将上一步得到的酶液过柱，使单宁专一性结合纤维素酶，蒸馏水平衡后，用0.020.05mol/L 的磷酸缓冲液洗脱出来，就可得到纯化的液态纤维素酶 1。酶的亲和层析一般控制在较低的温度下进行，以防止由于温度的升高而使酶在纯化过程中变性失活。经过该过程后酶的损失率为 7%。（6）洗脱液的浓缩 由于里氏木霉生产的纤维素酶在 60以上活性
28、迅速下降，所以在真空蒸发浓缩时，应控制浓缩系统的真空度，使蒸发温度在 60以下。在纤维素酶的生产中一般采用真空蒸发器，在 50进行真空浓缩，除去约 2/3 的水分。浓缩后的收率为 90%。（三）酶的成品与包装 10（1）液体酶的混合与包装向经浓缩后的液体酶加入 1,2-丙二醇，以维持酶制剂的活性。最终产品的颜色为棕色，密度为 1.051.1g/cm3，粘度为 50 Pas，装于有环氧树脂涂覆的容量为 200kg 的铁桶中以及容量为 25g 的手提桶中。（2）固体酶的造粒与包装将浓缩后的酶液用喷雾干燥法干燥，形成粉状的酶。固体酶制剂的包装外要刷明标记，包括成品名称、生产厂家名称、厂址、生产日期、
29、保质期、使用方法、成品标准编号等。（四）成品的储存包装后的成品经过水平皮带输送机运到成品库中，再由叉车搬运到存放的位置。成品库要求低温干燥通风，库内温度在 025范围内，保质期为半年。避免在 30以上长期- 10 -储存，避免日光暴晒和雨淋。（五）成品质量检测 11酶制剂的成品各项指标要符合工业酶制剂通用检测规定和标志、包装、运输、贮存QB/T 1804-93 的要求。并按照下述的测定纤维素酶活力的方法测定其 CMC 酶、FPA（滤纸糖）酶和 BG 酶活性，并用 SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法来测定该酶制剂的纯度与分子量。ICMC 酶活的测定5%CMC 溶液（ pH4.5、0.025mol/L
30、柠檬酸，0.05mol/L 磷酸氢二钠）1.0mL，适当稀释后的酶液 1.0mL，40 恒温水浴 60min，用 3,5-二硝基水杨酸法测定还原糖；IIFPA 酶活的测定取适当稀释后的酶液 0.1mL，再加入 0.2mL 磷酸缓冲液（pH6.0 ）和 0.50.5 滤纸条1 张，其余同 CMC 测定。III BG（-1,3-葡萄糖苷酶）酶活的测定取适当稀释酶液 0.5mL，加入 0.5ml1%水杨酸溶液（溶于 pH4.8、0.1mol/LHAc 和NaAc 缓冲液） ，50反应 30min，加入 3mLDNS 试剂测糖。3.3.物料衡算里氏木霉的发酵时间为 70h 左右，考虑到装料、实消、放料
31、、清洗需要一部分时间，因此确定整个发酵周期为 4d，在 330d 的工作日内，共有 82 个生产周期。由设备计算（3.4.1）可得，生产中共需要 23 m3 的发酵罐 80 个。发酵罐的装料系数为 70%，发酵产率为 6.5%，提取率为 70%，种子罐的装料系数为 75%，发酵液密度约为 1020 kg/m3。主要技术参数：发酵时间：70h 生产周期：4d 生产天数：328d年产量：5000t 预设发酵罐个数： 80 个发酵罐装料系数：70% 发酵产率：6.5% 酶提取率：70%FPA 酶活：46264781 单位/ g3.3.1.原料计算（1）玉米秸秆玉米秸秆需经过粉碎后才能用于发酵。在粉碎过程中随着运输、粉尘等会有原料损失，按 10%的损失率及 3t/t(原酶)的投料比计算，可得每次发酵周期需要的原料玉米秸秆量为：m1 = 发酵液总质量 产酶率玉米秸秆投料比（1损失率）= 802370%4375%10206.5%3（110%）=286.64年用量:
