1、年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计年产 3吨碱性蛋白酶发酵工艺设计王鑫（中北大学化工与环境学院）摘要在现代食品工业中, 酶的应用几乎涉及到食品加工的各个领域。随着酶制剂日益广泛的应用,经济效益显著。蛋白酶是水解蛋白质肽链的一类酶的总称, 而碱性蛋白酶则适宜在碱性条件( pH911) 下水解动植物蛋白质, 广泛存在于动植物及微生物中。设计中首先根据参考资料选定了碱性蛋白酶发酵生产的具体工艺流程，通过物料衡算确定需要 立方米发酵罐 台和 立方米种子罐 台，在此基础上得出发酵工段所需要的各种原料量，通过能量衡算确定水、无菌空气和蒸汽等的消耗量。然后对主要设备进行计算和选型，得出发酵罐、种子罐及通用设
2、备、非标准设备等的结构尺寸、冷却装置、传动装置，根据工艺要求确定罐的附属设备和辅助设备以及发酵过程中的优化控制。根据计算结果，设计了两张图纸，分别为发酵罐装配图、工艺流程图。关键词：碱性蛋白酶 发酵罐 种子罐 物料衡算年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计1绪论 -11.1碱性蛋白酶概述 -11.2碱性蛋白酶的性质 -11.3碱性蛋白酶的使用条件 -11.4碱性蛋白酶的保存 -11.5注意事项 -11.6碱性蛋白酶的主要应用 -21.6.1在洗涤剂中的应用 -21.6.2在皮革中的应用 -21.6.3在饲料添加剂中的应用 -31.6.4在纺织行业的应用 -31.6.7在玉米深加工中的应用 -31.
3、7碱性蛋白酶的发展前景 -42设计任务 -42.1设计内容 -42.2设计要求 -43碱性蛋白酶生产工艺选择 -53.1生产工艺的选择 -53.2工艺流程图 -53.3工艺流程图说明 -63.3.1菌种的制备 -63.3.2孢子的制备 -63.3.3种子的制备 -63.4菌种的改良 -63.5培养基的制备 -83.6灭菌的方法 -83.6.1湿热灭菌 -83.6.2培养基的连续灭菌 -93.6.3空气除菌 -9年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计3.6.4无菌空气的质量标准 -103.6.5无菌空气的制备 -103.7发酵 -113.8分离纯化 -124工艺计算 -124.1 碱性蛋白酶发酵工艺
4、技术指标 -124.2 工艺参数与基本物性数据的选取 -124.2.1 工艺参数 -124.2.2基本物性数据的选取 -134.3物料衡算 -134.4热量衡算 -144.4.1 基准温度的选定 -144.4.2 连消塔的热量衡算 -144.4.3 发酵罐的热量衡算 -145分离干燥 -145.1双水相萃取 -145.2干燥 -156后记 -16参考文献： -17年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 0 页1绪论1.1碱性蛋白酶概述碱性蛋白酶是由细菌原生质体诱变选育出的地衣芽孢杆菌 2709，经深层发酵、提取及精制而成的一种蛋白水解酶，其主要成分为地衣芽孢杆菌蛋白酶，是一种丝氨酸型的内切蛋白酶
5、，它能水解蛋白质分子肽链生成多肽或氨基酸，具有较强的分解蛋白酶的能力。生产工艺是采用微滤超滤膜分离、喷雾干燥或真空冷冻干燥等先进技术，广泛应用于食品、医疗、酿造、洗涤、丝绸、制革等行业。碱性蛋白酶是目前市场上流行的洗涤添加剂，能大幅度提高洗涤去污能力，特别对血渍、汗渍、奶渍、油渍等蛋白类污垢，具有独特的洗涤效果。碱性蛋白酶在技术采用细菌原生质体诱变处理方法，从国内碱性蛋白菌生产菌 2709枯草杆菌中研究选育出若干稳定高性能菌株，在后处理上，采用去渣盐析沉淀法，减少了蛋白酶的杂质含量和产品特有的气味，提高了溶解速度，与洗涤剂有更好的配伍性，延长了保质期。目前，在世界范围内蛋白分解酶是工业酶种中用
6、得最多的一种酶，约占酶总量的 60%，其中碱性蛋白酶就占 25%.它在商业中的巨大应用前景及在基础研究中的重要作用，吸引着国际国内的许多公司及研究单位竞相对其进行多方面的研究。1.2碱性蛋白酶的性质碱性蛋白酶外观为褐色粉末，有酵曲的特殊臭味，能够分解蛋白质分子中的肽键成为小分子的氨基酸和肽。碱性蛋白酶是由造育的地衣芽孢杆菌发酵而得，主要成分为枯草杆菌蛋白酶，是一种内切酶，催化部位为丝氨酸，分子量约为 27300.1.3碱性蛋白酶的使用条件底物浓度 1025%，温度 5060，pH 值 911，反应时间 36小时（根据要求可长可短） ，添加酶 0.030.06%（以水解溶液重量计） 。1.4碱性
7、蛋白酶的保存5保藏，保质期一年；25储存，酶活保存期至少 3个月以上。年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 1 页1.5注意事项（1）此产品可完全溶于水，使用安全可靠。操作时请勿直接与酶制剂接触，若有接触需及时用清水冲洗。（2）原包装打开后尽快食用，剩余部分需扎口保存。（3）本品在贮存中要避免雨淋和曝晒，禁止与有毒有害物质混运混存。1.6碱性蛋白酶的主要应用1.6.1在洗涤剂中的应用日常生活中遇到的污垢，特别是衣服上的污垢组成是十分复杂的，一般来说，主要有尘土的微粒、人体分泌的皮脂和汗液、食物的汁液和残余物等，有机污垢是以蛋白质与纤维结合的方式存在的。用于洗涤这些污物的洗涤剂是由表面活性剂、纯
8、碱、水玻璃(硅酸盐)、三磷酸盐等配制而成，洗涤时水溶液显示出较高的碱性 pH一般在 9-11之间，在这种条件下，碱性蛋白酶正好可以发挥其催化活性，催化污物中的蛋白质水解，使复杂的蛋白质分解成结构简单、相对分子量较小的水溶性肤，或者进一步分解为氨基酸。这样，原来粘在衣物上的其它污物也可以一起被洗下来。在整个洗涤过程中，碱性蛋白酶可反复起分解蛋白质的作用，只是酶活越来越低。1.6.2在皮革中的应用我国皮革工业资源丰富，发展十分迅速，猪、羊皮产量居世界之首。猪、牛、羊皮制革时，首先要除去皮上的毛，然后才能进一步加工蹂制成革。过去脱毛工艺沿用石灰、硫化钠浸渍，不仅时间长，工序多，而且劳动强度大，污染严
9、重。采用蛋白酶脱毛是利用酶分解毛、表皮同真皮层连接处的蛋白质，从而使毛同皮的联结松开而脱毛。目前，我国的皮革制品不仅满足了国内市场的需求，还大量出口创汇。另外，在猪皮加工的包酶阶段，因皮液系统 pH值约在10士 0.5之间，故常用碱性蛋白酶进行局部处理年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 2 页1.6.3在饲料添加剂中的应用猪、禽等单胃动物消化道的内源酶系不全;幼龄畜禽缺乏淀粉酶、糖化酶和蛋白酶：处于疾病的畜禽，其内源酶(如淀粉酶、蛋白酶等)急剧下降。动物饲料是以淀粉、蛋白质等大分子化合物作为营养源，不同动物消化道中的酶系不同，数量也很有限，再加上饲料在消化道中停留的时间一般都很短，饲料往往未
10、被充分消化就随粪便排出体外，造成部分浪费。据研究，不少动物对饲料的消化吸收率仅 20%左右。在饲料中添加酶制剂就可以与动物内源酶发挥协同作用，将难消化吸收的蛋白质、淀粉等大分子化合物降解为氨基酸、肤、脉、单糖、寡糖等小分子物质，从而提高饲料的消化率和利用率，并提高畜禽及鱼类的生产性能，同时可以减少畜禽排泄物中氮、磷的排泄量，保护水体和土壤免受污染。饲用酶制剂多为复合酶，由非内源消化酶和内源消化酶两大类组成。非内源消化酶包括木聚糖酶、p-葡聚糖酶、纤维素酶、果胶酶、甘露聚糖酶等，内源消化酶包括蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。其中蛋白酶是主要成分，可将饲料中的蛋白质分解多肽及游离氨基酸，从而提高饲料的利
11、用率。1.6.4在纺织行业的应用在纺织工业中应用碱性蛋白酶可一定程度的取代强碱等有毒有害物质，为减少污染、保护生态环境提供经济有效的方法。特别是在羊毛减量加工和丝绸精炼脱胶等方面具有广泛应用，使用碱性蛋白酶可以解决羊毛仿羊绒物质的生硬、粗糙等问题，并能改善和提高丝绸与棉、麻、毛等纤维混纺产品的手感和风格，增加羊毛产品的附加值。1.6.7在玉米深加工中的应用玉米黄粉是玉米湿法淀粉厂的副产品，其中含有 40%-60%的蛋白质，这些蛋白质大部分是醇溶蛋白、谷蛋白和球蛋白。玉米醇蛋白具有大区域的 a-螺旋结构，N-末端有很强的疏水性，是高憎水蛋白，因此只能溶于异丙酮和乙醇中，不溶于水。谷蛋白只溶于碱水
12、溶液。因此与其它商业化蛋白源相比，玉米蛋白的疏水性使得其食品功能特性极差。要想使蛋白质具有理想的食品功能，就必须使其成为水溶解状态或处于较好的悬浮状态。为了提高玉米蛋白的水溶性以年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 3 页制备一些特殊产品，用碱性蛋白酶修饰玉米蛋白使其成为可溶性肤的研究成为热点。王梅谷等对碱性蛋白酶水解玉米蛋白的反应动力学进行了研究，探索了酶法修饰玉米蛋白的可行性，在适宜的反应体系中，可大幅度提高酶促玉米蛋白的溶解量。为玉米黄粉的食品工业应用和饲料营养的特殊要求提供可靠的依据。玉米鼓质白质具有独特的氨基酸组成，使它成为多种生理活性功能肤的良好天然来源。1.7碱性蛋白酶的发展前景
13、蛋白酶是一种重要的工业用酶，占世界酶制剂销售量的 60%以上。上世纪五十年代蛋白酶的主要来源是植物的木瓜蛋白酶，菠萝蛋白酶和动物内脏，而微生物来源的蛋白酶一经研究，因具有培养简便，耗时短，产量丰富等优点，应用尤为广泛，被认为是最重要的酶资源。水解蛋白的最适 PH在碱性范围内的蛋白酶称为碱性蛋白酶。它在工业上具有巨大的应用潜力，如洗涤剂、皮革制造、食品加工、制药以及废物处理等工业中，碱性蛋白酶的使用能显著改善产品品质，大大减少了对环境的污染，节约成本，为传统的行业和生产带来了一场革命。尤其是作为无磷洗衣粉的添加剂使用，已使碱性蛋白酶商业制剂的销售占整个蛋白酶市场的 1/3。由于碱性蛋白酶作用环境
14、的特殊性，要求其在极端的条件下具有较高的蛋白质水解活力。其克服不良环境的能力愈强，应用愈广泛，愈能耐受恶劣的工业条件。2设计任务2.1设计内容包括菌种选育、培养基的设计及灭菌、空气除菌（如为需氧发酵） 、种子的扩大培养、发酵过程中的控制参数和下游加工等，并由此形成一套完整的生产工艺。2.2设计要求按照年产量要求进行工艺设计，不得造成设备浪费，节约人力、物力和能年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 4 页源。进行简单的物料衡算。绘制设计图，要求至少一张工艺流程图和一张主设备结构图，A4 纸。3碱性蛋白酶生产工艺选择3.1生产工艺的选择采用液态深层发酵3.2工艺流程图空气 菌种 培养基 离心分离
15、PEG 盐 预热 冷冻干燥除菌连消 产品无菌空气 二级种子 维持降温发酵液高压匀质机离心分离废液项 PEG水相年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 5 页3.3 工艺流程图说明3.3.1 菌种的制备选择合适的产碱性蛋白酶的菌，经过分离、选育、纯化和鉴定后成为菌种。菌种可用沙土管保存，若有条件可采用液氮超低温保存。3.3.2孢子的制备（1）制备母液斜面孢子将保存在冰箱中的沙土孢子，在无菌超净工作台上接种于以灭菌的斜面培养上于 37培养 9-10天，放入 2-6冰箱中备用。（2）制备子瓶斜面孢子将生长好且在冰箱存放一周以上的母瓶取出，制成菌悬液接种于子瓶斜面上，于 37恒温培养 8-9天，培养好的
16、子斜面侧摇瓶效价合格后保存在 2-6冰箱中备用。3.3.3种子的制备其目的是使孢子发芽、繁殖以获得足够数量的菌丝，并接种到发酵罐中，种子制备可用摇瓶培养后再接入种子罐进行逐级扩大培养。以微孔压差法或打开接种口在火焰保护下接种。接种量视需要而定，在罐内培养过程中需要搅拌和通入无菌空气。控制罐温、罐压，并定时取样做无菌试验，观察菌丝形态，测定种子液中发酵单位和进行生化分析，并观察有无杂菌的情况种子质量合格后移到发酵罐中。年产 3 吨碱性蛋白酶发酵工艺设计第 6 页3.4菌种的改良菌种改良的方法有很多，最常用的方法有诱变育种。诱变育种的原理：是用物理或化学的诱变剂使诱变对象内的遗传物质（DNA）的分
17、子结构发生改变，引起性状变异并通过筛选获得符合要求的变异菌株的一种育种方法。诱变的方法：A:物理方法：射线（紫外线、X 光线、Y 射线，中子线） ，激光 微束，离子束，微波，超声波，热力等。 B:化学诱变 常用方法：浸渍法、涂抹法、 滴液法、注射法、施入法和熏蒸法。化学诱变剂有碱基类似物、烷化剂，移码诱 变剂，硫酸二乙酯（DFS） 、5-溴尿嘧 啶（5BU） 、氮芥（Nm） 。C: 生物方法：空间条件处理诱变，病原微生物诱变，转基因诱变。诱变育种的过程 原种特性考察斜面制备单孢子菌悬液诱变处理稀释涂平板摇瓶初筛挑取单菌落传种斜面挑出高产斜面挑出高产菌株做稳定性试验和菌种特性考察留种保藏传种斜面做活菌计数，统计存活率摇瓶复筛埋制沙土管观察菌株形态复筛，摇瓶次数出发菌株
