8万t/a α-淀粉酶生产车间的设计
摘 要：本设计为年产80,000t α-淀粉酶的工厂设计，其通过枯草杆菌液体深层发酵、沉淀法提取达到分离纯化出菌体中α-淀粉酶的目的。本设计分别对α-淀粉酶的性质、用途、工艺流程及生产原理都做了相关的阐述，并对有关的物料和热量也作了相应的衡算，以及对标准设备的选型和计算，还对工艺指标、安全问题和环境保护都做了详细的阐述。通过设计得出结论：年产8万吨α-淀粉酶发酵工厂，共有18个500m3发酵罐，每月均放罐180罐，发酵周期为72小时，总提取率为82%，理论α-淀粉酶产量为27.8吨/罐，实际α-淀粉酶产量为31.03吨/罐。每月应投入生产总成本为3993万元，根据目前市场价格，年利润为6195.1万元。
关键词：α-淀粉酶；工厂设计；效益分析；发酵；发酵罐
Plant Design of Sixty thousand t/a α-Amylase
Abstract:This project is designed by a factory which produces 60,000t α-Amylase a year.It achieves the aim of filtration and purification of the α-Amylase by using the deep ferment of hay bacillus and settling method.The design not only respectively illustrate the quality,use,technological process and production principle but also make a materials and heat balance,the type selection and calculation of the standard equipment,further more,illustrate the technic index,the problem of security and the environmental protection detailedly.conclusion made through the design:fermentation factory of 60,000t α-Amylase a year,it contains 35 fermentor of 500m3,The monthly discharge of liquid enzyme is 175 fermentors,The fermentation time is 120 hours,The recovery of liquid enzyme is 80%,The theoretic output is 27.8t per fermentor, while the virtual output is 31.03t per fermentor.It should monthly take the total product cost as 39.93 million yuan,the annual return is 61.951 million yuan, according to the current market price.
Keywords:α-Amylase; Plant design; Profit analysis; Ferment; Fermentor 1 前言
毕业设计是普通高校本科教育的最后一个环节，也是最重要的一个环节，是理论知识和实际应用相结合的重要措施。本设计为年产60,000t α-淀粉酶的工厂设计，其通过枯草杆菌液体深层发酵、沉淀法提取达到分离纯化出菌体中α-淀粉酶的目的。
所有的生物体在一定的条件下都能产生多种多样的酶。因此，人们可以采用适宜的菌种，在人工控制条件的生物反应器中生产各种所需的酶。酶的生产方法主要有提取分离法、生物合成法和化学合成法等。生物合成法是在人工控制条件的生物反应器中，通过微生物细胞的生命活动合成所需的酶的方法，是当今应用最广泛的方法。
淀粉酶是水解淀粉酶和糖原酶类的统称，广泛存在于动植物和微生物中。淀粉酶(amylase)一般作用于可溶性淀粉、直链淀粉、糖元等，根据作用方式可分为α-淀粉酶与β-淀粉酶。α-淀粉酶(α-amylase) 又称为液化型淀粉酶，它作用于淀粉时，随机地从淀粉分子内部切开α-1，4糖苷键，使淀粉水解生成糊精和一些还原糖，所生成的产物均为α-型，故称为α-淀粉酶。α-淀粉酶广泛分布于动物（唾液、胰脏等）、植物（麦芽、山萮菜）及微生物。此酶既作用于直链淀粉，亦作用于支链淀粉，无差别地切断α-1，4链。因此，其特征是引起底物溶液粘度的急剧下降和碘反应的消失。最终产物在分解直链淀粉时以麦芽糖为主，此外，
1
还有麦芽三糖及少量葡萄糖。另一方面在分解支链淀粉时，除麦芽糖、葡萄糖外，还生成分支部分具有α-1，6键的α-极限糊精。一般分解限度以葡萄糖为准是35-50％，但在细菌的淀粉酶中，亦有呈现高达70％分解限度的（最终游离出葡萄糖）。
淀粉酶最早实现了工业生产并且迄今为止是用途最广、产量最大的一个酶制剂品种。特别是六十年代以来，由于酶法生产葡萄糖，以及用葡萄糖生产异构糖浆的大规模工业化，淀粉酶的需要量越来越大，几乎占整个酶制剂总产量的50%以上。在淀粉类食品的加工中a-淀粉酶得到了广泛的应用，现在国内外葡萄糖的生产绝大多数是采用淀粉酶水解的方法。酶法生产葡萄糖是以淀粉为原料，先经a-淀粉酶液化成糊精，再利用糖化酶生成葡萄糖。淀粉酶也在生活中广泛应用，用于餐厅洗碗机的洗涤剂，去除难溶的淀粉残迹等。此外还广泛应用于纺织品的褪浆，其中细菌淀粉酶能忍受100～110℃的高温操作条件。由于α-淀粉酶应用广泛，产量日益增加，本设计主要是进行年产60,000t α-淀粉酶的工厂设计。
本设计分别对α-淀粉酶的性质、应用、工艺流程及生产原理都做了相关的阐述，并对有关的物料和热量也作了相应的衡算，以及对标准设备的选型和计算，还对工艺指标、安全问题、环境保护及经济效益都做了详细的阐述。本设计以理论设计为依据，以实际生产为参考，在设计过程中综合了相关领域人员的意见，筛选出最佳设计方案，力求接近实际，切合实际。
由于本次毕业设计的复杂性，加上本人水平所限，不当之处，诚请导师批评指正。 2 绪论
2.1 淀粉酶的发展历程
淀粉酶是水解淀粉酶和糖原酶类的统称，广泛存在于动植物和微生物中。它最早实现了工业生产并且迄今为止是用途最广、产量最大的一个酶制剂品种。特别是六十年代以来，由于酶法生产葡萄糖，以及用葡萄糖生产异构糖浆的大规模工业化，淀粉酶的需要量越来越大，几乎占整个酶制剂总产量的50%以上。
早在数千年前，人类就已利用淀粉酶的作用，从事酿酒、制饴糖等。诗经上记载：“若作酒醴，尔惟曲蘖。”曲是长霉的谷子，蘖是发芽的谷粒，二者都含有淀粉酶。就是说酿酒和甜酒，得用曲子和谷芽才能发酵。埃及人在公元前六千年即已用麦芽酿造啤酒。但是将酶提取出来使用，是十九世纪才开始的。1833年佩恩（Payen）和帕索兹（Persoz）从麦芽的水抽提物中用乙醇沉淀得到一种可使淀粉水解生成可溶性糖的物质，称之为淀粉酶(diastase)，并指出了它的热不稳定性，初步触及了酶的一些本质问题[1]。1896年日本人高峰让吉用麸皮培养米曲霉，用水提取再以酒精沉淀，得到淀粉酶为消化剂。此后，运用广泛的学识在美国成立高峰制药厂(Takamine Laboratory)，从事微生物酶的生产与研究。1920年前后，法国人Boidin和Effront等又先后发现枯草杆菌可以分泌耐热而且活性更强的α-淀粉酶，于1926年在德国设厂生产，为微生物酶的工业生产奠定了基础。
淀粉酶的作用方式是在五十年代阐明了淀粉的分子结构以后才逐渐搞清的。淀粉是由葡萄糖通过α-1，4糖苷键构成的直链淀粉和α-1，6位有分支的支链淀粉组成的。粮食淀粉中，直链淀粉约占20-30%，而糯性谷物的淀粉，几乎全部为支链淀粉。豆类（豌豆等）淀粉则大部分为直链淀粉。
直链淀粉约含100-6，000个葡萄糖单位，支链淀粉平均含6，000个以上的葡萄糖单位，最高可达300万。1970年Gunja-Smith提出的支链淀粉的树枝状结构模式，它是由A、B、C三种链所构成。A是外链，通过α-1，6键同B链相接，B链又经α-1，6键同C链相连接，C链是主链，它的一端为非还原性末端，A链、B链均无还原性末端，因此支链淀粉的还原力甚小。
按照水解淀粉方式的不同，主要的淀粉酶可分为四大类：（1）α-淀粉酶：它以糖原或淀粉为底物，从分子内部切开α-1，4糖苷键而使底物水解；（2）β-淀粉酶：从底物非还原性末端顺次水解每相隔一个的α-1，4糖苷键，切下的是麦芽糖单位；（3）葡萄糖淀粉酶：从底物非还原性末端顺次水解α-1，4糖苷键和分支的α-1，6键，生成葡萄糖；（4）解支酶或异淀粉酶：只水解糖原或支链淀粉分枝点α-1，6糖苷键，切下整个侧枝。
此外，还有一些与工业有关的淀粉酶是环式糊精生成酶（这种酶使6或7个葡萄糖构成环式糊精），G4、G6生成酶（这类酶从淀粉非还原性末端切下4或6个葡萄糖分子构成的寡糖），还有α-葡萄糖苷酶
2
（α-glucosy idase）可将游离葡萄糖转移至其他葡萄糖基的α-1，6位上，生成种种含α-1，6键的寡糖，如潘糖与麦芽糖等。其中α-葡萄糖苷酶（α-glucosy idase）又称葡萄糖转移酶（α-glucosy transferase）,以前曾叫麦芽糖酶（malfase）。
工业生产的微生物淀粉酶制剂类型见表2.1。
表2.1 各种微生物所产生淀粉酶的类型
菌 种
枯草杆菌 (Bacillus subtilis) 淀粉液化芽孢杆
菌 (B.amyloliqefacie
ns)
细 菌
巨大芽孢杆菌 (B.megaterium) Pseudomonas stutzeri
产气气杆菌 (Aerobacter aerogens)
软化芽孢杆菌 (B.mecerans) 德氏根霉 (Rhizopus
霉 菌
delemar) 黑曲霉 (Aspergillus niger) 拟内孢霉
酵 母
(Endomy copsis
fibuliger) 卵孢霉
2.2 α-淀粉酶的性质
α-1，4葡聚糖-4-葡聚糖水解酶（α-1，4-glucan-4-glucanohydrolase)
α-淀粉酶作用于淀粉时，可从分子内部切开α-1，4键而生成糊精和还原糖。产物的末端葡萄糖残基C1碳原子为α-构型，故称α-淀粉酶。至今已有不少微生物的α-淀粉酶被高度纯化。
我国对α-淀粉酶的生产与应用做过不少研究。例如枯草杆菌BF7658α-淀粉酶，广泛应用于食品、酿造、制药、纺织以至石油开采等许多方面。此外，也少量生产用作消化剂的米曲霉他卡淀粉酶[2]。
几种来源不同的α-淀粉酶的性质见表2.2。
2.2.1 pH对酶活性的影响 一般α-淀粉酶在pH5.5-8稳定,pH4以下易失活，酶活性的最适pH5-6。哺乳动物的α-淀粉酶能被氯离子激活，在氯离子存在下最适pH7.0。高等植物的α-淀粉酶在pH3.6失活，但在霉菌中，黑曲霉α-淀粉酶耐酸性较强。黑曲霉NRRL330α-淀粉酶的最适PH为4.0。在pH2.5，40℃处理30分钟尚不失活。然而在pH7.0时，55℃处理15分钟，活性几乎全部丧失。黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐
糖化， α-葡萄糖苷酶
α- 糖化 α- α- 糖化，α-
β- β- 异淀粉酶
α-1，4 α-1，4 α-1，4 α-1，6
环状
α-1，4 α-1，4 α-1，6 α-1，4 α-1，6 α-1，4 α-1，4 α-1，6 α-1，4
G2，D G4，D G6，D 直链糊精 CD
α-、液化型
α-1，4
G1，G2，D
淀粉酶类型 α-、糖化型
切开之键 α-1，4
主要生成物 G1，G2，G3，D
G1
G1，寡糖 G1，寡糖 G1，寡糖 G2，寡糖
注：G1，G2表示葡萄糖聚合度；D表示糊精；CD表示环式糊精。
3
酸性的，而米曲霉则相反，其α-淀粉酶经过pH7，55℃处理15分钟，几乎无损失，而在pH2.5处理则完全失活。曲霉的α-淀粉酶可分为耐酸性和非耐酸性二种，黑曲霉生产的α-淀粉酶主要是耐酸性的，而米曲霉所生产的α-淀粉酶以非耐酸性的为主[3]。
表2.2 各种α-淀粉酶的性质 碘反
淀粉
酶来源
分解限度%
糊精、麦
枯草杆菌（液化型）
35
芽糖（30%），葡萄糖（6%） 葡萄糖
枯草杆菌（糖化型） 枯草杆菌（耐热型） 米曲霉 黑曲霉 黑曲霉（耐酸性） 根霉 拟内孢霉 卵孢霉 胰脏（人） 唾液（人）
48 96 37 40 40 48 48 48 35 70
41%，麦芽糖58%，麦芽三糖，糊精 糊精，麦芽糖，葡萄糖 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 麦芽糖（50%） 葡萄糖（96%） 糊精、麦芽糖 麦芽糖 麦芽糖
16 16
- -
+ +
55-70 55-70
4.7-9.5 4.7-9.5
4.9-5.2 4.9-5.2
+ +
- -
13
-
-
75-90
5.0
4.9-5.2
+
+
25
+
+
55-70
4.0-9.0
4.8-5.2
-
-
13
-
-
65-80
4.8-10.6
5.4-6.0
+
+
主要水解产物
应消失点分解限度%
麦芽糖分解力
酚基麦芽糖分解作用
耐热性℃（15分钟处理）
PH稳定性（30℃24hr）
适宜PH
Ca++的保护作用
淀粉之吸附性
16 - + 55-70 1.8-6.5 4.0 + -
16 50 14 14 14
- + - - -
+ + - - -
50-60 35-50 50-70 50-70 50-70
5.4-7.0 6.0-7.5 6.0-10.3 4.8-11 4.8-11
3.6 5.4 5.6 6.9 6.9
- + + + +
- + + + +
4
麦芽 绿豆芽
40 70
麦芽糖 葡萄糖、麦芽糖
13 20
- -
- -
50-70 50-70
4.8-8.0 5.0-8.3
5.3 5.4
+ +
+ +
注：除唾液、胰脏 α-淀粉酶受Cl-激活外，其余都不需Cl-活化。DE值又称葡萄糖值，系指总糖中含葡萄糖的百分率。
耐酸性α-淀粉酶在pH2.0仍保留原始活性80%以上，但在中性和碱性下极不稳定。例如黑曲霉NRRL337α-淀粉酶的耐酸性部分的最适pH为4.0，在pH2.5-6.5稳定，非耐酸性部分的最适pH6.5，在pH5.5-9.5稳定。
枯草杆菌α-淀粉酶作用的最适pH范围为5-7。嗜碱细菌中存在着最适pH为4.0至11.0的α-淀粉酶。嗜碱性芽孢杆菌NRRLB3881最适pH9.2-10.5，嗜碱性假单孢杆菌α-淀粉酶最适pH为10。
2.2.2 温度对酶活性的影响 纯化的α-淀粉酶在50℃以上容易失活，但在有大量钙离子存在下，酶的热稳定性增加。芽孢杆菌的α-淀粉酶耐热性较强。枯草杆菌α-淀粉酶，在65℃稳定。嗜热脂肪芽孢杆菌（B.stearother mophilus)和凝结芽孢杆菌(B.coagulans)的α-淀粉酶的热稳定性更强，前者经85℃处理20分钟，尚残存酶活70%；后者在Ca2+存在下，90℃时的半衰期长达90分钟。有的嗜热芽孢杆菌的α-淀粉酶在110℃仍能液化淀粉。地衣形芽孢杆菌（B.licheniformis)的α-淀粉酶其热稳定性不依赖Ca2+，可在EDTA存在下测定酶活性，以区别于非耐热性α-淀粉酶。霉菌α-淀粉酶的耐热性较低，黑曲霉耐酸性α-淀粉酶的耐热性比其非耐酸性α-淀粉酶为高，在pH4，55℃加热24小时也不失活。然而拟内孢霉α-淀粉酶在40℃以下也很不稳定。
经过对各种α-淀粉酶粗制剂的水溶液作加热处理，每分钟升温1.5℃，直至80℃，发现各种酶的残留活性是：真菌来源的为1%；谷物来源的为25%；细菌来源的为92%。α-淀粉酶的耐热性还受底物的影响，在高浓度的淀粉浆中，最适温度原为70℃的枯草杆菌α-淀粉酶，以85-90℃时的活性最高。
2.2.3 淀粉的吸附性与酚基α-麦芽糖苷的水解力 枯草杆菌α-淀粉酶（液化型）能被淀粉所吸附。霉菌α-淀粉酶不能被淀粉所吸附，然而可切开酚基麦芽糖苷，而枯草杆菌液化型α-淀粉酶则不能，据此可以区别二者。
2.2.4 钙离子与α-淀粉酶活性的关系 α-淀粉酶是一种金属酶，每分子酶含一克原子Ca2+。 Ca2+使酶分子保持适当的构象，从而维持其最大的活性与稳定性。
嗜热脂肪芽孢杆菌与枯草杆菌α-淀粉酶在热稳定性上之所以不同，是由于高温对Ca2+的亲和力不同。 钙和酶的结合牢固，依次是霉菌>细菌>哺乳动物>植物。Ca2+对麦芽糖α-淀粉酶的保护作用最明显。枯草杆菌糖化型α-淀粉酶（BSA）同Ca2+的结合比液化型α-淀粉酶（BLA）更紧密。向BSA添加Ca2+对活性几乎不发生影响。单用EDTA处理也不能引起失活，只有在低pH（pH3.0）下用EDTA处理才能去除Ca2+，但若添加与EDTA当量的，并将pH恢复至中性，则仍然可恢复它的活性。
除Ca2+外，其他二价碱土金属Sr2+、Ba2+ 、Mg2+等均无Ca2+的α-淀粉酶恢复活性的能力。
枯草杆菌液化型α-淀粉酶（BLA）的耐热性因Na+、Cl-和底物淀粉的存在而提高。NaCl与Ca2+共存时对提高α-淀粉酶的耐热性的作用尤为显著。
添加Ca2+有助于增加酶的热稳定性，但实际上淀粉中所含微量Ca2+已足够酶的充分活化所需。
2.3 α-淀粉酶的应用
α-淀粉酶是催化淀粉水解生成糊精的一种淀粉水解酶，在食品、轻工和医药领域都有重要应用价值。在疾病治疗方面，α-淀粉酶可以治疗消化不良、食欲不振。当人体消化系统缺少淀粉酶或在短时内进食过量淀粉类食物时，往往引起消化不良、食欲不振的症状，服用含有淀粉酶的制剂，就可以达到帮助消化的效果。常用的有α-淀粉酶、麦芽淀粉酶、胰淀粉酶、米曲霉淀粉酶（高峰淀粉酶）等，通常淀粉酶与蛋白
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