年产8万吨_α-淀粉酶生产车间的设计（已处理）

年产8万吨_α-淀粉酶生产车间的设计（已处理） 年产8万吨_α-淀粉酶生产车间的设计 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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 设备的选型和计算,还对工艺指标、 安全问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 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?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,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 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ,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(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 淀粉酶类型 切开之键 主要生成物 细 菌 枯草杆菌 Bacillus subtilis α-、糖化型 α-1,4 G1,G2,G3,D 淀粉液化芽孢杆菌 B.amyloliqefaciens α-、液化型 α-1,4 G1,G2,D 巨大芽孢杆菌 B.megaterium β- α-1,4 G2,D Pseudomonas stutzeri β- α-1,4 G4,D 产气气杆菌 Aerobacter aerogens 异淀粉酶 α-1,4 G6,D α-1,6 直链糊精 软化芽孢杆菌 B.mecerans 环状 α-1,4 CD 霉 菌 德氏根霉 Rhizopus delemar 糖化,α- α-1,4 α-1,6 G1 黑曲霉 Aspergillus niger 糖化, α-葡萄糖苷酶 α-1,4 α-1,6 G1,寡糖 酵 母 拟内孢霉 Endomy copsis fibuliger 卵孢霉 α- α-1,4 G1,寡糖 糖化 α- α-1,4 α-1,6 G1,寡糖 α- α-1,4 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。 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 酶来源 淀粉分解限度% 主要水解产物 碘反应消失点分解限度% 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 枯草杆菌(液化型) 35 糊精、麦芽糖(30%),葡萄糖(6%) 13 - - 65-80 4.8-10.6 5.4-6.0 + + 枯草杆菌(糖化型) 70 葡萄糖41%,麦芽糖58%,麦芽三糖,糊精 25 + + 55-70 4.0-9.0 4.8-5.2 - - 枯草杆菌(耐热型) 35 糊精,麦芽糖,葡萄糖 13 - - 75-90 5.0 4.9-5.2 + + 米曲霉 48 麦芽糖(50%) 16 - + 55-70 4.7-9.5 4.9-5.2 + - 黑曲霉 48 麦芽糖(50%) 16 - + 55-70 4.7-9.5 4.9-5.2 + - 黑曲霉(耐酸性) 48 麦芽糖(50%) 16 - + 55-70 1.8-6.5 4.0 + - 根霉 48 麦芽糖(50%) 16 - + 50-60 5.4-7.0 3.6 - - 拟内孢霉 96 葡萄糖(96%) 50 + + 35-50 6.0-7.5 5.4 + + 卵孢霉 37 糊精、麦芽糖 14 - - 50-70 6.0-10.3 5.6 + + 胰脏(人) 40 麦芽糖 14 - - 50-70 4.8-11 6.9 + + 唾液(人) 40 麦芽糖 14 - - 50-70 4.8-11 6.9 + + 麦芽 40 麦芽糖 13 - - 50-70 4.8-8.0 5.3 + + 绿豆芽 70 葡萄糖、麦芽糖 20 - - 50-70 5.0-8.3 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,通常淀粉酶与蛋白酶、脂肪酶组成复合制剂使用。通常淀粉酶或复合制剂都是制成片剂,以口服方式给药。 2.4 α-淀粉酶的氨基酸组成 α-淀粉酶是由511个氨基酸组成的单个多肽链。机体中胰腺含量最多,由腺泡细胞合成后通过胰管分泌入小肠,唾液腺也可分泌大量淀粉酶入口腔开始消化多糖化合物,此外还可见于卵巢、肺、睾丸、横纹肌和脂肪组织中。 唾液、猪胰、米曲霉(1954)、枯草杆菌(1956、1959)、嗜热芽孢杆菌(1961)以及黑曲霉(1969)、谷芽(1967)的α-淀粉酶的氨基酸组成不同(见表2.3)。其中天冬氨酸和谷氨酸含量较多,含硫氨基酸含量特别低。枯草杆菌液化型α-淀粉酶缺乏胱氨酸与半胱氨酸,因此它不含-SH键与二硫键。酶蛋白的肽链是靠氢键、疏水键与其他键折叠成为紧密的结构。 α-淀粉酶的分子量约50,000左右。枯草杆菌液化型α-淀粉酶结晶的分子量为96,900,用葡聚糖凝胶过滤,可得到分子量约为50,000和约为100,000的两个成分。分子量50,000的成分是α-淀粉酶的单聚体,在有锌存在下,二个单体交连而成含一原子锌的二聚体,EDTA可使二聚体解离为单体。嗜热脂肪芽孢杆菌α-淀粉酶的某些菌株,它的α-淀粉酶分子量只有15,000,但另一些菌株的分子量也有50,000左右。嗜热脂肪芽孢杆菌所产α-淀粉酶,用DEAE纤维素可分成两个分子量稍有不同的同工酶,α-淀粉酶?分子量为46,000,α-淀粉酶?为 43,000。枯草杆菌与脂肪嗜热芽孢杆菌α-淀粉酶之间结构相似。 霉菌α-淀粉酶的一个特征是含有碳水化物。米曲霉他卡淀粉酶中含3%糖类,主要是甘露糖、葡萄糖、N-乙酰氨基葡萄糖、半乳糖、木糖、阿拉伯糖,其分子比是1:1:2:1.6:0.8:0.5,N-乙酰氨基葡萄糖与酶蛋白中的天冬酰胺相结合。由于糖类残基的不同使α-淀粉酶具有不同的性状。动物α-淀粉酶中也含糖,糖对酶的稳定性是有影响的。 组氨酸及氨基是α-淀粉酶表现其活性所必需的。 枯草杆菌糖化型α-淀粉酶只含一个半胱氨酸,其SH基以掩蔽状态存在。天然的酶不受PCMB(对氯汞苯甲酸)的抑制,米曲霉α-淀粉酶中含几个胱氨酸分子,尚有一个掩蔽的半胱氨酸残基。酶蛋白中缺乏暴露SH基或二硫键,也许这是一些α-淀粉酶耐热、耐碱性的原因。酪氨酸对米曲霉与枯草杆菌的α-淀粉酶活性甚为重要,它的酚基中的OH与酶稳定性有关[4]。 表2.3 几种α-淀粉酶的氨基酸组成(每100克蛋白质中克数) 氨基酸 枯草杆菌 脂肪嗜热芽孢杆菌 米曲霉 黑曲霉 麦芽 唾液 猪胰 液化型MW 48875 糖化型MW 41000 MW 15600 MW 51500 耐酸性 非耐酸性 MW 4800 MW 50000 MW 45000 天冬氨酸 15.09 19.15 9.30 16.53 13.4 15.3 15.7 19.3 14.5 苏氨酸 6.36 6.12 6.20 10.86 6.8 8.2 4.2 4.5 3.9 丝氨酸 6.24 8.57 4.24 6.48 5.6 6.8 3.4 7.8 4.1 谷氨酸 13.46 11.64 20.36 6.95 7.6 8.1 9.9 9.6 10.5 脯氨酸 4.14 2.58 16.27 4.18 3.2 4.8 4.5 3.6 3.6 甘氨酸 5.64 4.90 4.24 6.59 4.8 5.5 7.0 6.82 6.7 丙氨酸 6.02 6.21 4.77 6.80 4.7 6.0 6.6 4.43 6.9 缬氨酸 5.55 4.65 8.53 6.69 5.6 5.7 5.4 6.89 7.8 蛋氨酸 1.26 1.96 2.66 2.20 1.9 2.4 1.4 2.4 2.1 异亮氨酸 3.97 6.12 6.05 5.20 5.5 6.0 6.7 5.80 11.5 亮氨酸 6.42 6.18 7.22 8.30 7.9 7.5 7.9 5.77 酪氨酸 8.31 6.37 2.96 9.55 9.7 10.1 6.0 5.51 5.3 苯丙氨酸 5.85 4.39 6.40 4.25 3.5 4.1 6.2 7.20 10.1 组氨酸 3.80 3.19 4.33 2.02 1.7 2.0 5.0 3.24 3.9 赖氨酸 7.30 4.63 5.22 5.94 2.2 5.1 5.2 6.33 4.9 精氨酸 6.78 5.64 3.36 2.72 3.1 3.4 5.8 8.75 5.8 色氨酸 6.19 4.76 / 3.97 3.9 3.9 / 7.2 6.7 胱氨酸 0 0.34 3.42 1.6 1.0 0.7 0.4 4.4 2.3 注:MW 为分子量 3 工艺流程设计原则、范围和依据 3.1 概述 工艺流程设计和车间布置设计是工艺设计的两个主要内容,是决定工厂的 工艺计算、车间组成、生产设备及其布置的关键步骤。 生产工艺流程设计的主要任务包括两个方面:其一是确定由原料到成品的 各个生产过程及顺序,即 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 生产过程中物料和能量发生的变化及流向,应用了 哪些生物反应或化工过程及设备。其二是绘制工艺流程图。 在发酵生产过程中,原料往往不是直接变成产品,而是通过一系列的半成 品或中间产品再变成成品,同时还有副产品和废液、废渣等生成,“三废”必须严 格治理。 因为工艺流程设计最关键的是设计,与其他专业设计息息相关,所以需要由浅入深,分阶段进行。同时必须经过反复推敲,精心安排和计算,不断修改和完善,才能完成设计任务。 生产工艺流程的设计往往经历三个阶段,即:生产工艺流程示意图?生产工艺流程草图?生产工艺流程图。 具体地说,生产方法和生产规模确定后就可以开展设计生产工艺流程示意图。工艺流程示意图作出后,就可以进行物料衡算和能量衡算以及部分设备计算和选型。待设备设计全部完成后,再修改、充实工艺流程草图,根据流程草图和设备设计进行车间布置设计。根据车间布置图再来修改工艺流程草图,最后得出生产工艺流程图。 当然上面介绍的示意图?草图?流程图的设计程序并非一成不变,还需要根据设计项目的难度、技术的成熟程度、设计人员水平及实践经验等多方面因素决定[5]。 3.2 工艺流程的设计原则 进行工艺流程设计,必须考虑以下几项原则: ? 保证产品质量符合国家标准,外销产品还必须满足销售地区的质量需求。 ? 尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率,提高劳动生产率,降低水、电、汽及其他能量消耗,降低生产成本,使工厂建成后能迅速投产,在短期内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。 ? 尽量减少三废的排放量,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。 ? 确保安全生产,以保证人身和设备的安全。 ? 生产过程尽量采用机械化和自动化,实现稳产和高产。 3.3 工艺流程的设计范围 6万t/a α-淀粉酶工厂生产车间。 3.4 工艺流程的设计依据 ? 设计任务书(可行性研究报告); ? 项目工程师或项目总负责人下达的设计工作提纲和总工程师作出的技术决定; ? 若引进新原料品种,新技术和新设备时,必须在技术上有切实把握并且依据了正式的试验研究报告和设计鉴定书,经设计院领导核准后方可作为设计依据[6]。 4 车间布置设计 4.1 车间布置设计的目的和重要性 车间布置设计的目的是对厂房的配置和设备的排列作出合理的安排,并决定车间、工段的长度、宽度、高度和建筑构型式,以及各车间之间与工段之间的相互联系。 车间布置设计是工艺设计中的重要组成部分,它关系着整个车间的命运。即使有了先进的生产工艺流程及正确的设备选型和设计,而没有合理的车间布置相配合,生产也难以正常、顺利地进行,将会影响整个生产管理。诸如:对设备的操作和维修带来的困难;造成人流、货流的紊乱;使车间动力介质造成不正当的损失;增加输送物料的能耗;增加建筑和安装费用;对于发酵工厂,还容易引起成品、半成品的污染损失等。它的牵涉面大,影响到整个车间甚至于几个车间。因此,车间布置设计是一项涉及面广,复杂而细致、重要的设计内容。它不仅要求工艺 设计人员要了解生产操作、设备维修和具有一定的安装知识,而且要具备一定的土建、电力、自控仪表、安全、卫生等其他专业的基本知识。在布置时要做到深思熟虑、仔细推敲,提出不同 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 进行比较,以取得一个最佳方案。 车间布置设计是以工艺为主导,并在其他专业,如总图、土建、设备、安装、电力、暖风、外管等密切配合下完成的。因此在进行车间布置设计时,要集中各个方面的意见,最后由工艺人员汇总完成[7]。 4.2 车间布置设计的依据 车间布置设计必须在充分调查的基础上,掌握必要的资料作为设计的依据或供参考。这些资料包括: (1)生产工艺流程图。 (2)物料衡算数据及物料性质,包括原料、半成品、成品、副产品的数量及性质;三废的数量及处理方法。 (3)设备资料,包括设备外形尺寸、重量、支撑形式、保温情况及其操作条件,设备一览表等。 (4)公用系统耗用量,供排水、供电、供热、冷冻、压缩空气、外管资料等。 (5)土建资料和劳动安全、防火、防爆资料。 (6)车间组织及定员资料。 (7)厂区总平面布置,包括本车间与其他生产车间、辅助车间、生活设施的相互联系,厂内人流物流的情况与数量。 (8)有关布置方面的一些规范资料。 4.3 发酵工厂主要车间组成 根据α-淀粉酶生产的工艺要求,结合实际生产情况,需要以下建筑或构建 物。 (1)发酵车间 发酵车间是枯草杆菌的发酵场地和α-淀粉酶的生产区。原料经杀毒灭菌等初步加工以后,配制成培养基,为优良菌种提供营养和能量,菌种经种子罐,发酵罐,产出α-淀粉酶,过滤,沉淀,干燥,最终得成品。发酵产酶是生产最重要的环节,占地面积13255.2m2。 (2)提炼车间 紧邻发酵车间,对α-淀粉酶进行精加工、提纯。占地面积5342.4m2。 (3)原料仓库 建于发酵车间内,储存各种原、辅材料,并提供必要的储存条件。收购的原料如不能及时进行加工生产,就放置于此,且可保证生产持续进行,面积1221.4m2。根据实际生产情况和原料销售市场的情况,决定原、辅材料购进量的多寡,这样可以随材料市场价格和生产需要,随时调整储量,节约了原料费用和运输成本,节省开支。 (4)种子扩大培养区 位于发酵车间内,便于管道输送。为枯草杆菌的大量繁殖提供条件,有利于下一步发酵的良好进行,面积1309.0m2。 (5)动力设施 围绕生产车间,包括锅炉房、空压站、蓄水池、动力室、变配电室等,为生产车间的发酵生产提供蒸汽、压力、水、电力等,通过管路,线路等直通车间,总占地面积3662m2。 (6)包装车间 紧邻提炼车间,设有包装材料库、成品仓库、 检验室等,包装完毕后直接入库。面积约3915.3m2。 (7)化验室 位于生产办公区内的第二、三层,用于进行原料和产品的质量检验,总面积709.3m2。 (8)更衣室、卫生间 位于进入各个车间的必经之地,分左右男女更衣室,不同工段的工人可以分别从不同更衣室进入不同的车间,避免交叉污染,更衣室、卫生间总面积依各车间实际情况而定。 (9)机修车间 紧邻生产区,用于对现有的生产设备维修及定期维护,占地面积1047.9m2。 (10)污水站 建于厂区西北角,用于对工业污水及生活污水的集中净化处理,占地面积1067.5m2。 4.4 车间布置设计的原则 一个优良的车间布置设计应该是,技术先进、经济合理、节省投资、操作维修方便、设备排列简洁、紧凑、整齐、美观。要达到这样的要求,在进行具体的车间布置设计时,必须从工艺、操作、安全、维修、施工、经济、美观及扩建上考虑。为使车间布置设计能符合上述提出的基本要求,设计时应遵循以下原则: 1. 车间布置应符合生产工艺的要求 车间设备布置必须按流程的流向顺序依次进行设备的排列,以保持物料顺畅地向前输送,按顺序进行加工处理,保证水平方向和垂直方向的连续性。不使物料和产品有交叉和往复的运动。尽可能利用工艺位差,对于有压差的设备,应充分利用高位差布置,以节省动力设备及费用。 一般来说,凡计量设备、高位槽等布置在最高层,主要设备如啤酒厂糖化锅、煮沸锅,布置在中层,贮槽、发酵罐等布置在底层。这样既可利用位差进出物 料,又可减少楼面的荷重,降低造价。 2. 车间布置应符合生产操作的要求 (1)每一个设备都要考虑一定地位,包括设备本身所占地位,设备附属装置所占地位,操作地位,设备检修拆卸地位以及设备与设备、设备与建筑物间的安全距离等。 (2)设备布置应考虑为操作工人能管理多台设备或多种设备创造条件。凡属相同的几套设备或同类型的设备或操作性质相似的有关设备,应尽可能集中布置,使之彼此靠近,以便统一管理,集中操作,方便维修及部件的互换。 (3)设备布置不宜过挤或过松,应尽量对称紧凑,排列整齐,充分利用空间。设备间距离充分考虑工厂操作的要求和交通的便利。车间内要留有堆放原料、成品及排出物和包装材料的空地(能堆放一批或一天的量)以及必要的运输通道。具有运动机械的设备,还要考虑设备安全防护装置的地位。 (4)要考虑相同设备或相似设备互换使用的可能性和方便性。这样可充分发挥设备的潜在力量。 (5)设备的自动测量仪表要集中控制,阀们控制尽量集中,便于工人操作。 3. 车间布置应符合设备安装、检修的要求 (1)根据设备大小及结构,考虑设备安装、检修及拆卸所需要的空间和面积。 (2)满足设备能顺利进出车间的要求。经常搬动的设备应在设备附近设置大门或安装孔,大门宽度比最大设备宽0.5m,当设备运入厂房后,很少再需整体搬出时,则可设置安装洞,即在外墙留顶留洞口,待设备运入后,再行砌封。 (3)通过楼层的设备,楼面上要设置吊装孔。吊装孔可设计为有盖板或无盖 板两种。如无盖板,在孔周围应设可拆的栏杆。一般比较固定的设备,也可在楼层外墙上设置安装洞,设备可在室外吊上,由安装洞口运入。另外,发酵工厂设备通过楼层安装者为数较多。例如酒精厂蒸馏塔,味精厂、柠檬酸厂、酶制剂厂、酒精厂的发酵罐,酒精厂糖化设备,酒母设备等,都是一半在楼下,一半在楼上。凡属此种类型设备安装时,也可直接从设备本身在楼层上的安装孔中吊上,这样安装是比较方便的。 (4)必须考虑设备的检修和拆卸以及运送物料所需要的起重运输设备。起重运输设备的形式可根据使用要求决定。如果不涉及永久起重运输装置时,也应该考虑有安装临时起重运输设备的场地及预埋吊钩,以便悬挂起重葫芦。当厂房内设有永久性起重运输设备时,要考虑物料的起吊和运输设备本身的高度,设备的起吊运输高度,应大于运输途中最高设备的高度。 4. 车间布置应符合厂房建筑的要求 (1)凡是笨重设备或运转时会产生很大振动的设备,如压缩机、粉碎机、大型通风机、离心机等,应该尽可能布置在厂房的底层,以减少厂房楼面的荷载和振动。 (2)有剧烈振动的设备,其操作台和基础不得与建筑物的柱、墙连在一起,以免影响到建筑物的安全。 (3)设备布置时,要避开建筑的柱子及主梁。如设备吊装在柱子或梁上,其荷重及吊装方式需事先告知土建专业人员,并与其协商。 (4)厂房内所有操作台须统一考虑,避免平台支柱零乱重复,影响车间美观、生产操作及检修。 (5)设备不应该布置在建筑物的沉降缝或伸缩缝处。 (6)在厂房的大门或楼梯旁布置设备时,要求不影响开门和行人出入。 (7)在不严重影响工艺流程顺序的原则下,将较高设备尽量集中布置,这样可以简化厂房体形,节约厂房体积,另外还可利用建筑上的有利条件,如利用天窗的空间安装较高设备。 5.车间布置应符合节约建筑投资的要求 (1)凡是可以露天或半露布置的设备,例如发酵厂、啤酒厂的发酵罐,无菌空气设备,贮槽等。可根据使用和操作的特点,与设备设计配合采取露天或半露天布置,减少建筑面积,节约厂房建筑费。 (2)厂房非高层化是近代工厂的设计特点。啤酒厂现代糖化楼设计采用低层建筑,具有设计容易,施工和安装设备简单,建筑费用较低,动力消耗少,操作维修方便等优点。除非在场地特别紧张的地方,不得已才用高层建筑。一般以采用低层建筑为好。 (3)工艺管道应集中布置,要尽可能地缩短设备间管线,供汽、供无菌空气、供电的设备位置应尽量靠近负荷中心,使管线最短,热损量少,减少管线投资和节约能耗。 (4)尽量采用一般的土建结构,非必要时,尽可能少用或不用特殊的土建结构。 (5)设备的操作面尽可能与通道安排在同一侧。 6.车间布置应符合安全、卫生和防腐蚀的要求 (1)发酵工厂车间卫生是正常生产的首要环节。因此,在车间布置设计时,必须考虑到车间卫生条件,特别是种子培养,发酵车间要建在上风区,远离污染源。车间内通风、排废水、废气要安排布置,防止杂菌污染和交叉污染。 (2)要为工人操作创造良好的安全卫生条件。设备布置时尽可能做到工人背光操作,高大设备避免靠窗布置,以免影响采光。对运转时噪声大或粉尘多、有毒气、腐蚀气体的设备,应考虑采取隔断(离)、加强通风除尘等措施,以保证操作人员健康。 (3)易燃易爆车间要考虑方便工人疏散和防火灭火措施。 (4)凡产生腐蚀性介质的设备,其基础、设备周围地面、墙、柱都要采取防护措施。 7. 车间布置应符合生产发展的要求 根据生产发展的需要与可能,考虑留有增加产量、增添设备的余地,在设计中应尽可能采用使原有建筑物变动量少,不妨碍生产正常进行,且施工的工作量少的方案。 4.5 车间布置设计的内容 车间布置设计的内容一般为: 1. 厂房的整体布置和轮廓设计 (1)厂房边墙的轮廓、车间建筑的轮廓、跨度、柱距、楼层层高。 (2)门、窗、楼梯位置。 (3)吊装孔、预留孔、地坑等位置尺寸。 (4)标高。 2. 设备的排列和布置 (1)设备外形的几何轮廓。 (2)设备的定位尺寸,设备离墙纵横间距,定出设备中心位置。一般定位标准是以建筑物中心作为定位基准线的。 (3)操作台位置及标高。 3. 车间附属工程设计 车间附属工程设计是指分布在车间总体建筑内的非生产性或非直接工艺生产性用房。包括: (1)辅助生产房间的配置。如变配电室、空压站、锅炉房、机修车间等。 (2)工艺辅助房间的配置。如检验室、化验室等。 (3)生活用房配置。如设在车间内的办公室、会议室、更衣室、卫生间(厕所、浴室)等。 4. 车间布置设计说明 说明车间设备布置的特点和优点。 5. 车间布置设计的图纸 (1)工厂总平面布置图 (2)主要设备构 筑图(包括正立面图和侧立面图)。 (3)带控制点的工艺流程图 (4)主要车间层面布置图 4.6 车间布置设计的步骤和方法 车间布置设计一般先从平面布置着手。车间布置图的设计可分为两个阶段进行:布置草图和布置图。 在布置之前,工艺设计人员需对工艺流程,所有设备的尺寸,结构及其要求,厂房内各个组成和其他有关资料透彻了解,并要有清晰的立体概念。同时,必须对建筑知识有一定程度的熟悉,要多与建筑设计人员和其他非工艺设计人员取得密切联系,完善布置设计的构思,然后再开始布置草图设计。 1. 车间布置草图 (1)工艺人员根据生产流程,生产性质,各专业的要求,车间在总平面图上的位置,初步划分生产、辅助生产和生活设施的分隔及位置,初步选定厂房柱距、跨度及车间面积。 (2)用坐标纸按厂房建筑设计的要求,绘制厂房建筑平面轮廓草图。注意做到厂房建筑尺寸既经济又实惠。 (3)把所有车间设备按图纸比例用硬纸(或方格纸、塑料片)剪成设备外形轮廓的俯视图模型,然后将其放在画有建筑平面轮廓草图的坐标纸上,按工艺流程顺序和布置原则,进行合理的安排和调整。要特别注意先布置和布置好流程中的主体设备,再逐一计算每个设备必须的辅助场地和空间,以及其他设备所需的场地和空间。并要用立体概念试排几个可行方案。然后征求协同配套专业的意见,从各方面比较优缺点,经集思广益后,确定一个较理想的方案。根据讨论意见作必要的调整、修改后,提交建筑人员设计建筑图。 对于技改项目、简单工程和实践经验丰富的设计人员,也可不用坐标纸和设备纸样,而直接将厂房平面初估尺寸按一定比例绘于草图上,然后将所有设备按同样比例,根据设备布置的原则和注意点绘在图纸上。并至少要考虑二、三个布置方案供分析讨论优选。 2. 车间布置图 工艺设计人员在取得建筑设计图后,即可在布置草图的基础上绘制正式的车间平面布置图。 正式的车间布置图,按照设计阶段的不同,可分为初步设计阶段的车间布置图和施工图阶段的车间布置图。它们在表达的内容及深度上有所不同。 从工作程序上讲,一般为:车间布置草图?车间布置图(初步设计阶段)? 车间布置图(施工图阶段)[8]。 5 工艺流程、相关特性及其工艺路线的选择 5.1 菌种 有实用价值的α-淀粉酶生产菌列于下表5.1。芽孢杆菌所产α-淀粉酶分为液化型与糖化型二种。目前只有液化型酶有用,由于活性高,发酵周期短,酶的耐热性高,尤其是枯草杆菌为大多数工厂所采用。地衣芽孢杆菌的酶耐热性比枯草杆菌高,但产量较低。芽孢杆菌易于退化和遭受噬菌体感染而降低产酶能力。 表5.1 有实用价值的α-淀粉酶生产菌 菌种 枯草杆菌(B.subtilis) 地衣形芽孢杆菌(B.licheniformis) 嗜热脂肪芽孢杆菌(B.stearothermophilus) 淀粉液化芽孢杆菌(B.amyloliquefaciens) 凝聚芽孢杆菌(B.coagulans) 马铃薯杆菌(B.mesentericus) 淀粉糖化芽孢杆菌(B.amylosaccharogenicus) 嗜碱芽孢杆菌(B.Alkalophilic spp.) B.caldlyticus B.ohbensis 米曲霉(A.oryzae) 黑曲霉(A.niger) 金黄曲霉(A.aureus) 链霉菌(Streptomyces griseus, St.diastiticus) 丙酮丁醇梭状芽孢杆菌(Clostridium acetobutylicum) 拟内孢霉(Endomycopsis fibuliger) 由于不断的选育改良,现在工业生产上用的菌种产生α-淀粉酶的能力已是原始菌株的数倍乃至数十倍,例如淀粉液化芽孢杆菌ATCC23844的α-淀粉酶活性,每毫升已达456,000单位。地衣芽孢杆菌ATCC9789,用γ射线,NTG,紫外线单独或交叉处理7次后,其耐热性α-淀粉酶活性增加25倍,结合培养条件的改进而用于工业生产。紫外线处理肉桂色曲霉,耐酸性α-淀粉酶活性提高了6倍。我国生产菌株枯草杆菌BF7658-209,是由野生型菌株,经物理和化学方法交叉处理得到的变异株,其产酶活性比母株高5.0%。此外用X射线也曾得到高产突变株。 连续使用同一诱变剂时,由于发生平顶效应(plateau effect),诱变效果会随着处理次数而降低。此时必须更换诱变手段。在使用紫外线、γ射线、快中子等为诱变剂处理米曲霉时,高剂量不一定有利于高产变株的生成。近年来,利用转化法改良菌株,在枯草杆菌α-淀粉酶的生产菌上已取得可喜进展,例如将α-淀粉酶活性高而耐热性差的枯草杆菌纳豆株(B.subtilis Natto)的DNA转入耐热性强而酶活性低的枯草杆菌Marburg株中,结果引起了后者遗传性状的改变,其α-淀粉酶活性提高了14倍,蛋白酶活性提高了5倍,这个杂交种所产酶也具有亲株性能。但由于酶活性还不及生产