目 录
摘要................................................................................................................................ 1 前言................................................................................................................................ 3
1.1选题背景........................................................................................................... 3 1.2课题来源........................................................................................................... 3 1.3设计目的和意义............................................................................................... 3 1.4前景分析........................................................................................................... 4 2碱性蛋白酶的基本性质和生产工艺的选择............................................................. 4
2.1碱性蛋白酶的基本性质................................................................................... 5 2.2 培养基主要成分和生产方法.......................................................................... 6 2.3生产工艺的选择............................................................................................... 6 2.4分离纯化流程................................................................................................... 7 3初始设计条件与基本物性数据................................................................................. 9
3.1 初始设计条件.................................................................................................. 9 3.2 工艺参数与基本物性数据的选取.................................................................. 9 4生产工艺的物料衡算................................................................................................. 9 5热量衡算................................................................................................................... 10 6设备设计计算与选型............................................................................................... 11
6.1发酵罐设计..................................................................................................... 11 6.2种子罐............................................................................................................. 17 6.3空气分过滤器................................................................................................. 19 6.4连续操作设备的设计选型............................................................................. 21 致谢.............................................................................................................................. 28 参考文献...................................................................................................................... 28
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年产1000T碱性蛋白酶生产车间设计
摘要：碱性蛋白酶是一类非常重要的工业用酶，如何在工厂进行有效的生产尤为重要。本论文就主要介绍了用液态发酵法生产碱性蛋白酶，并采用双水相萃取进行提纯，冷冻干燥法将产品进行干燥的工艺流程；并通过物料衡算、热量衡算、设备选型、等几个步骤初步设计了年产1000T碱性蛋白酶的车间项目；分析了传统工艺所存在的不足和问题；另外也谈到了碱性蛋白酶产业的发展前景以及研究的目的和意义；并且最终设计出带控制点的工艺流程图，设备布置图，发酵罐装配图。
关键词：碱性蛋白酶；液态发酵；双水相萃取；冷冻干燥；生产车间
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Design annual output of 1000T alkaline
protease workshop
Abstract:The alkaline protease is one of very important industrial enzymes,and how to produce the plant effectively is particularly important.This paper introduces the process that use liquid fermentation on the production of alkaline protease, use two-phase extraction for purification of water, freeze-drying process to dry the product;and through the material balance, heat balance, equipment selection, etc. I preliminary design the annual output of several steps 1000T alkaline protease workshop projects;I analysis of the shortcomings of traditional crafts and problems in the pape;I have also talked about the prospects for the development of alkaline protease, and the purpose and meaning;and ultimately design a process flow diagram with control points, equipment layout diagram, fermentor assemble diagram.
Key words: Alkaline protease;Liquid Aermentation;Aqueous two-phase extraction;
Areeze Drying ;Workshop
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前言
碱性蛋白酶(Alkaline protease)是指在pH值偏碱性范围内水解蛋白质肽键的酶类，1913年Rohm首先将胰蛋白酶作为洗涤浸泡剂使用，1945年瑞士Dr.Jaag等人在地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniAormis)中发现了碱性蛋白酶[1]。碱性蛋白酶可以在碱性条件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、丝绸、医药、食品和生物化学试剂等领域，其最大用途是作为添加剂生产加酶洗涤剂。 1.1选题背景
碱性蛋白酶是一类非常重要的工业用酶，广泛存在于动、植物及微生物中，微生物来源的蛋白酶都是胞外酶，与动、植物来源的碱性蛋白酶相比，除了具有动植物蛋白酶所具有的全部特性外，还具有下游技术处理相对简单、价格低廉、来源广、产量高、菌体易于培养、高产菌株选育简单、快速、适于大规模工业化生产等优点[2]。
碱性蛋白酶主要应用于洗涤行业中， 在制革、食品等其它行业也有广泛应用。目前我国洗涤行业中加酶洗涤剂也占90%以上， 且占有率有上升趋势。我国碱性蛋白酶的研究发展很快。
目前， 国外碱性蛋白酶主要应用于洗涤及皮革等行业中， 99%以上洗涤剂均添加了碱性蛋白酶， 因此市场需求出现了供不应求的现象。相信随着碱性蛋白酶研究的进一步深入， 该现象将会得到有效的缓解。当前国外碱性蛋白酶高产菌株的选育主要用基因工程技术和蛋白质工程手段进行工业微生物菌种的定向选育， 目的性强， 而且酶结构研究也比较深入。Tsuyoshi Nonaka[3]等人研究了枯草杆菌抗氧化性稳定性并期望能应用于洗涤剂行业。Kunamneni Adinarayana[4]等人研究了枯草芽孢杆菌PE - 11的热稳定性。研究表明，该酶在60℃处理了350 min酶仍保持100%活力。极端碱性蛋白酶和高活力碱性蛋白酶工程菌构建成为国外碱性蛋白酶的热点[5]。 1.2课题来源
本课题来源于三峡大学化生学院毕业设计课题组。充分考虑了理论与实践的结合，并且关注了目前国内外碱性蛋白酶产业的发展现状和前景。课题本身也来源于生产实践的需要。 1.3设计目的和意义
碱性蛋白酶可以在碱性条件下保持良好的活力，并催化蛋白水解，可用于制革、丝绸、医药、食品和生物化学试剂等领域，其最大用途是作为添加剂生产加酶洗涤剂。碱性蛋白酶最早在猪的胰脏中发现。1913年，Rohm首先将胰蛋白酶作为洗涤浸泡剂使用。1945年瑞士的Dr.Jaag等发现了微生物碱性蛋白酶，使蛋白酶有可能广泛应用于洗涤剂工业。1963年，诺和诺德公司(现诺维信公司)发现了更适用于洗涤剂的碱性蛋白酶Alcalase，酶制剂被广泛地应用于
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洗涤剂产品中，出现了加酶洗衣粉；随后的20年中，细菌类蛋白酶是唯一被应用于洗涤剂中的商品化酶制剂[6]。
目前我国所用的碱性蛋白酶工业生产菌种为地衣芽抱杆菌2709的突变株。这些菌株所产碱性蛋白酶在pH8-10的范围内活性较好。经过多年传统方法的菌种选育和工艺优化，碱性蛋白酶的单位产量为10000μ/ml发酵液，己很难有大的突破，其发酵单位与国外先进水平相差甚远。近几年，国内学者对2709碱性蛋白酶、嗜麦芽假单胞菌以及嗜热脂肪芽抱杆菌耐热碱性蛋白酶等都做了基因克隆和在大肠杆菌中的表达研究。其中，江南大学的唐雪明构建的整合型工程菌酶活力在实验室水平上最高可达24480μ/ml。但未见这些高产基因工程菌株应用于工业化生产的报道，有关它们的研究仍停留在实验室水平。在国外，如世界著名公司NovoNordisk和Geneneor，碱性蛋白酶生产菌株均为基因工程菌株，据这些公司销售网站报道，其发酵单位产量在25000-30000μ/ml[7]。 1.4前景分析
1.4.1国外生产碱性蛋白酶的发展前景
自20世纪中叶以来，工业用酶制剂市场得到了蓬勃发展。据统计数据表明，1981年工业酶制剂生产量约65，000吨，产值4亿美元；1985年工业酶制剂约生产75，000吨，产值约6亿美元；1998年全世界工业酶制剂销售额高达16亿美元。进入20世纪90年代后，市场对酶制剂的需求进一步增强，以世界上最大的酶制剂生产商丹麦的NovoNordisk公司为例，1993年的酶制剂销售额为9亿美元；1998年产业用酶的销售额为巧18亿美元。从总体来看，世界酶制剂的生产量正以每年8%左右的速度递增，酶制剂的生产品种已由原来的十多个发展为数十个。1994年以来，酶制剂市场量最大的是洗涤剂用酶，第二位是淀粉加工用酶，以后依次为乳制品加工、制酒工业、纤维工业和饮料业等。
酶作为生物催化剂，在许多化学反应中具有不可低估的作用。酶催化剂作为生物进化的高级形式，与一般的化学催化剂相比，它可以在非常温和的条件下高效、专一地催化底物转变为产物。酶工程技术已成为生物工程技术的重要组成部分，无论是基因工程、蛋白质工程、细胞工程和发酵工程都需要酶分子的参与。酶催化的高效性、特异性及产品的高效回收、简单的反应体系等优点使酶工程技术成为现代生物技术的主要支柱之一。 1.4.2我国生产碱性蛋白酶的发展前景
此产品高活力高碱性蛋白酶是从嗜碱芽孢杆菌中筛选的新型碱性蛋白酶菌种产生的，是继传统2709碱性蛋白酶之后又一可工业化生产的碱性蛋白酶品种。国内碱性蛋白酶目前的产品形式主要为粉状和颗粒碱性蛋白酶，有明显的不良气味。诺奥科技开发的碱性蛋白酶为精制酶，发酵活力高，耐碱性强(PH9-11)，无不良气味，可用于酵母水解、制备硫酸软骨素、咸味香精等食品加工行业，填补了国内酶制剂行业在此酶品种上的市场空白。通过对此酶酶学