目 录
摘要……………………………………………………………………………………………3 1前言…………………………………………………………………………………………4 2工艺流程设计原则、范围和依据…………………………………………………………4 3车间布置设计………………………………………………………………………………7 4工艺流程、相关特性及其工艺路线的选择………………………………………………12 5主要构筑物的设计计算……………………………………………………………………22 结论 附录主要设备一览表…………………………………………………………………45 致谢……………………………………………………………………………………………46 主要参考文献…………………………………………………………………………………46
a-淀粉酶发酵车间工厂设计
摘 要
本设计为年产20,000t 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2万吨α-淀粉酶发酵工厂，共有12个150m发酵罐，发酵周期为84小时，总提取率为85%。
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关键词：α-淀粉酶；工厂设计；发酵；发酵罐
Plant Design of Twenty thousand t/a α-Amylase
Abstract
This project is designed by a factory which produces 20,000t 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、using、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 20,000t α-Amylase a year,it contains 12 fermentor of 150m3, The fermentation time is 84 hours,The recovery of liquid enzyme is 85%.
Keywords:α-Amylase; Plant design; Ferment; Fermentor
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1 前言
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，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20,000t 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。
由于本次课程设计的复杂性，加上本人水平所限，不当之处，诚请导师批评指正。
2 工艺流程设计原则、范围和依据
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2.1 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]。
2.2 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：
⑴ 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。 ⑵ 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。
⑶ 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。
⑷ 确保安全生产，以保证人身和设备的安全。
⑸ 生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产和高产。
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2.3 工艺流程的设计范围
2万t/a α-淀粉酶发酵车间。
2.4 工艺流程的设计依据
⑴ 设计任务书（可行性研究报告）；
⑵ 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； ⑶ 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]。
3 车间布置设计
3.1 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]。
3.2 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。
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（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。
3.3 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。
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（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。
3.4 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：
a. 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。
b. 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
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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。 c. 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。
d. 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。
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（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。
e．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。 f．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。
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g. 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。
3.5 车间布置设计的内容
车间布置设计的内容一般为： a. 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。
b. 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。 c. 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。
d. 车间布置设计说明
说明车间设备布置的特点和优点。 e. 车间布置设计的图纸 （1）发酵车间平面布置图 （2）带控制点的工艺流程图
3.6 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
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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]。
4 工艺流程、相关特性及其工艺路线的选择
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4.1 菌种
有实用价值的α-淀粉酶生产菌列于下表4.1。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4.1 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
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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菌株而尚未实用。又将生产菌的DNA转入枯草杆菌Marburg株，得到酶活性较高的转化株SP-38，又将SP-38DNA转入Marburg使酶活性有了进一步提高。
Kazumasa报道枯草杆菌6160经NTG诱变，得到抗D-丝氨酸高产突变株C100和抗苄青霉素突变株A2，它们的α-淀粉酶产量分别是母株的5倍与6倍，将这些菌株的DNA转化到含有各种调节基因的同一菌株所衍生的受体菌株中，在各种基因的协同作用下，就可得到高产转化体，其中由C108DNA转入TM23得到的转化体630T2，再用NTG处理，得到超产株T2N26，其α-淀粉酶产量是母株的1500-2000倍。
不同生态环境下分离的微生物，它的α-淀粉酶性质与其生长环境相适应，从温泉分离的一株耐热解淀粉假单孢杆菌（Pseud. thermoamylolyticus），它的α-淀粉酶最适作用温度65-80℃。在55℃培养的嗜热脂肪芽孢杆菌和凝结芽孢杆菌，所产的α-淀粉酶在90℃下几乎不失活。分别在35℃与55℃下培养凝结芽孢杆菌，所产α-淀粉酶的热稳定性不同，在90℃处理一小时，35℃培养的失活92%而55℃培养者失活只6%。但是在55℃与43℃下培养嗜热脂肪芽孢杆菌，其α-淀粉酶的各种理化性质几乎无明显区别。此外，地衣芽孢杆菌虽在30℃培养，它的α-淀粉酶最适温度80-85℃，耐热性很强。
耐盐性的α-淀粉酶生产菌嗜盐微球菌（Micrococcus halophilus）需在加有6-18%NaCl或1-3M食盐的培养基中培养。在低温（25℃）、低pH下培养黑曲霉，可以生产耐酸性α-淀粉酶。而嗜碱性假单孢杆菌，Pseud. alcalophila AJ3300与枯草杆菌No.135在其培养基中需添加1%Na2CO3（pH10），所产α-淀粉酶最适pH为10[9]。
4.2 生产概要
霉菌的α-淀粉酶大多采用固体曲法生产；细菌α-淀粉酶则以液体深层发酵为主。 固体培养法以麸皮为主要原料，酌量添加米糠或豆饼的碱水浸出液，以补充氮源。在相对湿度90%以上，芽孢杆菌用37℃，曲霉用32-35℃培养36-48小时后，立即在40℃下烘干或风干，即成工业生产用的粗酶。
液体培养常以麸皮、玉米粉、豆饼粉、米糠、玉米浆等为原料，并适当补充硫酸铵，氯化铵、磷酸铵等无机氮源，此外还需添加少量镁盐、磷酸盐、钙盐等。固形物浓度一般为5-6%，高者达15%。为了降低培养液粘度，淀粉原料可用α-淀粉酶液化，氮源可用豆饼碱水浸出液代替。以霉菌为生产菌时，宜采用微酸性，而细菌宜在中性至微碱性培养，培养温度霉菌32℃，细菌37℃，通气搅拌培养时间24-48小时。当酶活达到高
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峰时结束发酵，离心或以硅藻土作助滤剂去菌体及不溶物。在 Ca2+
存在下低温真空浓缩后，加入防腐剂（松油、麝香草酚、苯甲酸钠等）、稳定剂（5-15%食盐和钙盐、锌盐或山梨醇等）以及缓冲剂后就成为成品。为了提高它的耐热性，也可在成品中添加少量硼酸盐。这种液体的细菌α-淀粉酶呈暗褐色、带有臭味，在室温下可放置数月而不失活。
为了制备高活性的α-淀粉酶，并使贮运方便，可用硫酸铵盐析或溶剂沉淀制成粉状酶制剂。在有Ca2+存在下将浓缩发酵液调节pH到6左右，加入40%左右硫酸铵静置沉淀，倾去大部上清夜后，加入硅藻土为助滤剂，收集沉淀于40℃以下风干，为了加速干燥、减少失活，酶泥中可拌入大量硫酸钠，磨粉后加入淀粉、乳糖、CaCl2等作稳定填充剂后即成为成品。麸曲可以用水抽提后进行盐析。为了减少色素的溶出，麸曲必须先行风干。抽提液中如色素较多，可用CaCl2和Na2HPO4形成不溶性沉淀而吸附除去。溶剂（酒精、丙酮等）沉淀时，为减少酶的变性，宜在低温下（15℃左右）操作，在有CaCl2、乳糖、糊精等存在下，加入冷却的溶剂至最终浓度70%，收集沉淀用无水酒精脱水，40℃以下烘干。
有些菌株产生一定比例的蛋白酶，这样不但妨碍使用效果，还会引起α-淀粉酶在贮藏过程中失活。培养基中添加柠檬酸盐可抑制某些菌株产生蛋白酶，枯草杆菌发酵液中伴生的蛋白酶也可借助加热50-65℃处理而清除。此外细菌α-淀粉酶尚可利用底物淀粉吸附，而同蛋白酶分开。为了提高淀粉的吸附效果，淀粉可经膨胀处理。淀粉吸附法的主要步骤如下：调节酶液的pH到6.0，加18%（W/V）硫酸铵搅匀，并以玉米淀粉与硅藻土5：1的混合物分散在18%硫酸铵溶液中，倒于漏斗上形成底层，再将上述酶液通过滤层，α-淀粉酶就被淀粉吸附，而蛋白酶则留于液内。吸附α-淀粉酶的淀粉层用15%硫酸铵液洗涤后，用含0.001M CaCl2的0.04M磷酸缓冲液洗脱，经DuoliteA-2树脂脱色，再用40%硫酸铵盐析或60%丙酮沉淀，这样可以制备纯度极高的产品。
4.3 影响α-淀粉酶生产的因素
1. 固体培养
以麸皮为主要原料产酶时，添加少量豆饼或豆饼的碱水浸出液等有机氮源对产酶有益。原料洒水以1：1.2为宜。枯草杆菌要求洒水率比霉菌稍高。固体培养时，培养基的碳氮比对产酶的影响不如液体培养时明显，培养枯草杆菌时，培养基的初pH以杀菌后6.3-6.4为宜。如果适当添加米糠，保持初pH6.0-6.5可使产酶稳定。
生产α-淀粉酶的最适温度范围比较小，在整个培养过程中，品温不能有7-8℃之
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差。最适温度为37℃ 枯草杆菌，品温达45℃时，产酶就降低。
2. 液体深层培养
①碳源的诱导及阻遏：微生物生产的α-淀粉酶可以说是半组成酶，因为大多数工业生产的淀粉酶菌种，例如淀粉液化芽孢杆菌、枯草杆菌168、地衣形芽孢杆菌以及米曲霉等，即使培养基中不含淀粉或不具有α-1，4键的多糖或低聚糖，仍然可以生成α-淀粉酶，但是它们的产量也可受到淀粉或其他α-1，4麦芽寡糖的诱导而增加。
福本指出，在液体静止培养下各种碳源对淀粉液化芽孢杆菌的效果依次是：可溶性淀粉﹥麦芽糖﹥甘露醇﹥阿拉伯糖﹥葡萄糖﹥蔗糖﹥乳糖﹥半乳糖﹥木糖。对枯草杆菌BF7658研究，得到类似结果（表4.2）。豆饼浸出液为氮源时，淀粉液化芽孢杆菌的最佳碳源依次是乳糖、半乳糖、淀粉、麦芽糖。用在葡萄糖与氨构成的合成培养基中，乳糖仍最适合于α-淀粉酶的生成，而葡萄糖只适合于细胞的呼吸，麦芽糖与淀粉则适合于菌体生长，糊精则完全无效，但琥珀酸、延胡索酸几乎与可溶性淀粉一样有效；葡萄糖、果糖、蔗糖等在高浓度时抑制α-淀粉酶的生成。
表4.2 枯草杆菌BF7658对各种碳源的利用
碳源 可溶性淀粉（C.P. 糊精（实验试剂） 蔗糖（C.P.） 麦芽糖（C.P.） 乳糖（C.P.） 半乳糖（C.P.） 葡萄糖（C.P.） 木糖（C.P.）
终pH 7.5 7.5 7.0 7.5 7.0 7.0 7.0 7.0
酶活性（单位/毫
升） 41 38 11 44 21 19 14 12
初糖浓（%） 3.88 4.16 3.82 3.75 3.65 3.52 3.56 4.13
残糖（%） 1.56 2.31 1.26 0.91 1.37 1.14 0.97 4.0
糖利用率（%） 59.8 44.5 67.0 75.7 62.4 67.6 72.8 3.2
注：培养基组成：柠檬酸钠0.04M、（NH4）2HPO4 0.12M、CaCl2 0.001M、KCl 0.15M、MgSO4 0.02M、酵母膏0.3%，加入各种糖类，pH6.5,121℃灭菌后接种。在35℃摇瓶培养24小时。
Sekiguchi就枯草杆菌168所作的试验，指出各种碳源对α-淀粉酶合成的速度的影响依次为：乳酸盐﹥谷氨酸盐﹥麦芽糖﹥甘油﹥葡萄糖。
容易利用的碳源，例如葡萄糖、果糖、蔗糖等只能促进细胞的呼吸与生长，而不利
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于α-淀粉酶生产，代谢愈快的糖对α-淀粉酶生产的抑制愈严重，但是一些作为能源利用性很差的糖类，像糖原、乳糖、半乳糖、棉子糖等却能促进α-淀粉酶的合成，乳糖对芽孢杆菌NRRLB3881生产碱性淀粉酶却不适合。
麦芽糖与淀粉、糖原一样对米曲霉生产α-淀粉酶有促进作用。麦芽四糖对嗜热脂肪芽孢杆菌、地衣形芽孢杆菌，异麦芽糖对米曲霉，麦芽糖对嗜碱芽孢杆菌碱性α-淀粉酶生产的诱导作用最强。
碳源种类与α-淀粉酶及胞内核糖核酸的形成有着密切关系。当核糖与淀粉共存时，α-淀粉酶的产量比单独用淀粉时高1倍。
葡萄糖等易利用碳源，在浓度高时，妨碍α-淀粉酶的生成，这是一种分解代谢物阻遏。它在α-淀粉酶的生物合成上起着一种调节作用。Schaeffer（1969）认为枯草杆菌的α-淀粉酶生产受到分解代谢物阻遏的控制。Mers等（1972）报道地衣芽孢杆菌α-淀粉酶的生产可受到葡萄糖或其它低分子量可代谢糖的抑制，但是Coleman报道，淀粉液化芽孢杆菌生长培养物中添加葡萄糖，并不引起对淀粉酶合成的分解代谢物阻遏。Meyrath等报道，葡萄糖等易利用的糖，在浓度高时，对米曲霉α-淀粉酶的阻遏作用只发生在生长的早期，糖浓度高时。
为了提高α-淀粉酶的产量，避免分解代谢物的阻遏，除选育抗分解代谢的变异菌株外，就是采用代谢缓慢的碳源，例如乳糖、乳清。但大多数工厂使用淀粉为碳源，这不仅可避免分解代谢物阻遏，还具有诱导作用。为了降低培养基的粘度，杀菌时往往添加α-淀粉酶液化，在液化过程中生成的葡萄糖，仍有造成阻遏的可能，因此将碳源采取流加法加入，是促进产酶的好办法。
②氮源：福本以淀粉为碳源，培养液化淀粉芽孢杆菌时，白蛋白、酪蛋白、大豆饼碱水抽提液、聚蛋白胨为较优氮源。玉米浆与其他蛋白质并用时也是良好氮源。以酪蛋白的酸或碱水解物作氮源时，产酶不及酪蛋白本身。各种氨基酸与酪蛋白的酶水解物有利于α-淀粉酶的生成，谷氨酸促进黑曲霉α-淀粉酶的生成。
Walter用乳糖为碳源，看出菌体生长与产酶活性无一致关系。
氮源是细胞合成α-淀粉酶的原料，向淀粉液化芽孢杆菌洗涤细胞同时添加碳源与氨基酸时，一些氨基酸比氨的效果好，一些氨基酸则逊于氨，另一些氨基酸则起抑制作用，混合氨基酸的效果比单一氨基酸好，天冬酰氨对生产α-淀粉酶有效，而甘氨酸有抑制。甘氨酸的抑制作用能用丙氨酸、蛋氨酸与谷氨酸解除。
酪蛋白、豆饼的热、碱水抽出物是工业上最优良的氮源。酒糟废液是黑曲霉
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NRRL330α-淀粉酶生产的一种最好氮源，以5%玉米粉加7ºBrix酒糟水，α-淀粉酶产量最高。
硝酸钠、硫酸铵、氯化铵、硝酸铵、醋酸铵及尿素等无机氮均可在不同程度上增加α-淀粉酶的产量，但大多喜用硝酸钠。黑曲霉NRRL330以8%的甘薯为碳源，并添加0.3%NaNO3时，α-淀粉酶活性可增加10倍。用Minoda培养基（淀粉2%、麸皮4%、（NH4）
2
SO4 0.2%、KH2PO4 0.1%、CaCO3 2.0%）培养黑曲霉时，其耐酸性α-淀粉酶较用其他培
养基时高2倍。若再添加NaNO3，则酶活性可增加3倍。NH4NO3与NH4Cl对黄曲霉生产α-淀粉酶的效果比有机氮好，NH4NO3亦是米曲霉的最佳氮源。培养液pH应保持在最适pH范围。用米曲霉生产淀粉酶时，以硫酸铵为氮源，若同时添加醋酸钠，则其浓度虽高达1.6%，发酵液的pH仍能维持在最适状态。
③碳氮比：黑曲霉NRRL330生物合成α-淀粉酶与糖化酶时，碳氮比与产酶量之间并无一定规律。且培养液的终pH也同碳氮比无关。
以玉米与豆饼为碳氮源时，两者比例改变，对于枯草杆菌BF7658与TUD127生物合成α-淀粉酶有明显影响，总固形物13-14%以上，玉米与豆饼之比以8：5-9：5为宜。
④无机盐：α-淀粉酶活性的表现需要Ca2+，但在工业原料本身所含有的Ca2+已能够满足生长与产酶的需要，一般不需另外补加。发酵中途补加CaCl2稍稍有利于枯草杆菌TUD产酶及残糖分的降低。添加柠檬酸盐可抑制枯草杆菌BS1968产生蛋白酶而不妨碍α-淀粉酶的生产。
磷酸盐无论对细菌和霉菌的α-淀粉酶的生产都很重要。在以甘薯粉8%，硝酸钠0.3%构成的培养基中，培养黑曲霉NRRL330，添加K2HPO4，α-淀粉酶活性比对照高3倍
表4.3 磷酸盐对α-淀粉酶生产的影响
磷酸盐（%）
对照 K2HPO4 0.2 KH2PO4 0.2
最终pH 4.25 5.45 4.60
α-淀粉酶活性a
30 90 75
注：碘反应消失所需时间以（分）表示。
福本指出，添加超过菌体生长需要的磷酸盐，能显著增加枯草杆菌和地衣形芽孢杆菌α-淀粉酶的产量。
磷酸盐的浓度与细胞内α-淀粉酶浓度有关，在低磷培养基中生长的米曲霉，α-淀粉酶几乎全存于细胞内，增加培养基中磷酸盐含量，可延长菌体生长期而促进α-淀
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粉酶的生产。Meyrath用米曲霉生产α-淀粉酶时，培养基中磷盐浓度高达M/2。山田培养黑曲霉ATCC 15475，生产α-淀粉酶，磷酸盐浓度达4.6-4.7%。高浓度的磷酸盐，其作用是造成一个高渗压的环境，这与添加1% NaCl或2% Na2SO4（或K2SO4）之所以能提高霉菌α-淀粉酶的产量，道理相同。
金属微量元素例如Mn2+、Zn2+、Fe2+、Na+有刺激产酶的作用，但工业原料中这些元素并不缺乏。米曲霉的合成培养基中，加入混合微量元素，可促进菌丝体生长，而降低α-淀粉酶的产量，培养基中缺少Cu2+时有利于α-淀粉酶的生成。
⑤生长期与α-淀粉酶的生产：α-淀粉酶的产生与芽孢的形成无直接关系。发酵过程中一些菌株的α-淀粉酶活性在菌体生长达最大值时最高，而另一些菌种（枯草杆菌与嗜热脂肪芽孢杆菌）在对数生长期最高。有一些菌株，对分解代谢物阻遏很敏感，在可利用糖未耗尽和达到生长静止期之前，不会大量形成α-淀粉酶。在工业上，用粗原料生产时，α-淀粉酶在静止期内大量形成，酶的活性随菌体自溶而增加。枯草杆菌BF-7658α-淀粉酶的活性，在对数死亡期最高。
⑥温度对产酶的影响：枯草杆菌一般在35-37℃下培养为合适。芽孢杆菌生产α-淀粉酶的最适温度范围很小，在35℃与37.5℃下静止培养淀粉液化芽孢杆菌时，α-淀粉酶的产量有明显的差别，35℃下培养的远比37.5℃为好。但是在摇瓶培养下，两种培养温度对最终产酶活性无明显区别。
液体深层培养与固体培养对温度的敏感性不同。液体培养时，一旦温度升到40℃以上，对产酶就不利。
BF7658静止培养时，37℃的α-淀粉酶到达高峰时间比35℃的要短24小时，而用30℃培养则酶活性仅为前者的一半。
霉菌液体深层培养生产α-淀粉酶的最适温度较低，一般在30℃左右。降低后期培养温度，有利于黑曲霉耐酸性α-淀粉酶的生产。
⑦pH对产酶的影响：福本报道，用淀粉、乳酸铵、磷酸盐培养基培养淀粉液化芽孢杆菌时，最适pH范围在6.8-7.2，而用洗涤细胞作试验时，其最适 pH在6.2-6.5，pH超过7.0时，α-淀粉酶生产量明显降低。枯草杆菌BF7658以豆饼麸皮培养基发酵时，最适pH5.5-6.5，超出此范围，酶活甚低。枯草杆菌TUD 127以玉米豆饼粉为原料，最适pH范围很宽，为5.5-8.0，以6-7.5最佳。(一般是在酸性的环境下)
用米曲霉生产α-淀粉酶时，培养基原始pH以中性为佳。但最适pH也因培养基组成与浓度而异，碳源浓度高时，采用微碱性更佳。培养基pH愈低，黑曲霉生产的α-- 17 -
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淀粉酶抗酸性愈强。山田等指出黑曲霉生产耐酸性α-淀粉酶的最适pH为4.0，若使培养初期pH为4.0，后期将pH升至5.5，并将温度由28℃降到20℃，可得到最高产量。黑曲霉NRRL337固体培养时，耐酸性α-淀粉酶在较低的温度（25℃）和酸性环境下形成，摇瓶培养时，最适pH4.0。耐酸性α-淀粉酶的出现迟于非耐酸性α-淀粉酶和糖化酶。当培养基中添加CaCO3时，则大量生成非耐酸性α-淀粉酶，但降低培养基pH并不是黑曲霉NRRL330生产耐酸性α-淀粉酶所必需的（表4.4）。
培养过程的pH也可借培养基成分来调节。Meyrath认为用米曲霉生产α-淀粉酶时，如以醋酸铵作氮源，可使培养过程中的pH升高或保持中性，硝酸盐与蛋白质也有类似作用。醋酸盐、柠檬酸盐、葡萄糖酸盐等有机酸的盐类，具有调节pH的功用，其用量视所用的碳氮源而异，在5-15克/升范围
表4.4 初pH对黑曲霉NRRL330生产耐酸性α-淀粉酶的影响
α-淀粉酶活性[对碘反应消失所需时间（分）]
pH
总活性
2.0 2.5 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 7.0
32 12.7 8 7.5 8.5 9.5 7.5 9.5 9.5
耐酸性（pH2.5，40℃10分
钟处理） 35 14 9.5 9 9.5 10.5 9 10.5 11
注：培养基：玉米粉 6%、NaNO3 0.3%、MgSO4 0.05%。
内。例如初pH为6.8，氮源是1.6%硫酸铵，由于同时添加了醋酸钠（或钾），在培养过程中随着菌体生长，pH逐渐上升，到静止期、自溶期以后能将pH保持8.3。培养基的pH也可以通过补充养料来调节，枯草杆菌BF7658在产酶期间，多次补加培养基能将pH保持在6.3-6.6，而促进产酶。
⑧其他因素：影响α-淀粉酶产量的其它因素还很多，例如深层培养中的通风量、搅拌强度、接种量、种龄等。
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工业上生产α-淀粉酶的微生物都是好气性菌。用深层培养时，在一定培养基中，酶的生成量主要被通风搅拌所左右。很早就发现，用500毫升三角瓶装不同量培养基，摇瓶培养淀粉液化芽孢杆菌，当装液量为200毫升时，它的α-淀粉酶生成量只为40毫升时的五分之一。使用玉米、豆饼培养基（总固形物11-12%），摇瓶培养BF7658和TUD127的结果同样表明，通风量能够影响α-淀粉酶的合成。用500升发酵罐试验，在搅拌185转/分下培养枯草杆菌BF7658，当通风量由1：0.53降到1：0.34时，α-淀粉酶活性降低1/2。培养时降低前期通风量，则促进米曲霉生长而减少产酶。枯草杆菌在对数期末，降低通风量，却可促进α-淀粉酶生产。CO2对细胞增殖与产酶有影响，当通入的空气含CO28%时，枯草杆菌α-淀粉酶活性可增加3倍。
在固体培养时，气体的交换情况是差的，但α-淀粉酶的产量并不低。
芽孢杆菌以使用对数生长期的种子最合适，接种量为发酵液量0.2-1%，对产酶物有影响。
培养基的灭菌对产酶有影响。Meyrath的发现，糖与其他成分合并灭菌，由于生成焦糖，有利于霉菌α-淀粉酶生产。焦糖具有螯合微量重金属元素的作用，能除去有碍于产酶的微量金属,特别是铜离子。向培养基添加焦糖（0.2%）可使α-淀粉酶增产6-10%。
培养基中添加植酸钙、赤霉素、单宁酸、乙醇、聚丙烯酸 Carbopol以及Tween 80、TritonX-100和SDS等等表面活性剂对产酶具有促进作用。用乳糖为碳源时，酶的产量比用淀粉的高1倍，而拟内孢霉的培养基中添加麻油等油脂，可提高产酶活性。
4.4 固体培养法
固体培养法的培养基以麸皮、米糠等为主要原料，加入其他必要的营养成分，制成固体或半固体的麸曲，经过灭菌冷却后，接种产酶微生物菌株，在一定条件下进行发酵，以获得所需的酶。固体培养法的优点是设备简单，操作方便，麸曲中酶的浓度较高，特别适用于各种霉菌中的培养和发酵产酶。其缺点是劳动强度较大，原料利用率较低，生产周期较长。
（1）固体培养枯草杆菌JD32生产α-淀粉酶
菌种移植在豆饼3%、麸皮5%、蛋白胨0.25%、琼脂2%（pH7.1）斜面，35℃培养48小时，再接种入种子培养基（豆饼粉1%、酵母膏、蛋白胨各0.4%、NaCl 0.05%，pH7.1-7.2），35℃摇瓶培养一定时间后，用发酵罐扩大培养，然后按接种量0.5%接种入固体培养基（麸皮70、小米糠20、木薯粉10，烧碱0.5克混合物，加水使含水量60%左右，常压汽蒸1小时，冷却到38-40℃），在厚层通风制曲箱内通风保持品温38-41℃下，培养20小时
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左右出曲风干。
麸曲用1%食盐水3-4倍浸泡3小时后过滤，调节滤液pH5.5-6，加10℃酒精使终浓度为70%沉淀酶，沉淀经离心，浓酒精洗涤脱水后，25℃下风干粉碎即为成品。
（2）固体培养米曲霉生产他卡淀粉酶
我国现用的菌种属于米曲霉群的曲霉602与2120，经鉴定认为不产生黄曲霉素，制法如下：
500毫升三角瓶，装麸皮5、玉米粉1混合物30克，加水1：1及盐酸三滴，拌均后，120℃灭菌30分钟，冷却后接种斜面菌种（菌种培养于麦芽汁或曲汁斜面）置32-34℃下培养三天，每24小时扣瓶一次以防结块，待菌丝体大量生长及孢子转为黄绿色，即可作为种子用于制备种曲。种曲培养基配料同上，原料蒸热后冷却到30℃，接种种子0.5-1%，拌均后盛于曲盘，摊厚1厘米左右，盘上盖以湿布，置30℃曲房培养。盖布应每隔8-12小时用水浸湿，以防培养基干结而影响菌体繁殖，每隔24小时扣盘一次，经三天后，种曲成熟，布满黄绿色孢子。
厚层通风制曲：原料是麸皮、谷壳100：5，混合，加75-80%稀盐酸（浓度0.1%），拌均后，常压汽蒸1小时，扬凉后接入种曲0.5%，置曲箱中保持前期品温30℃左右，每2小时通风20分钟，当品温升到36℃以上，则连续通风，保持品温在36-40℃间，约28小时左右，品温开始下降，乃通冷风使品温降至20℃左右后出箱，麸曲用水或稀食盐水浸出后，用酒精或C.P硫酸铵盐析，酶泥滤出后低温烘干，粉碎后加乳糖为填料作为成品。 4.5 液体深层培养法
液体深层培养法是采用液体培养基，置于生物反应器中，经过灭菌、冷却后，接种产酶细胞，在一定条件下，进行发酵，生产得到所需的酶。液体深层培养法不仅适合于微生物细胞发酵生产也可用于植物细胞和动物细胞的培养。液体深层培养法的机械化程度较高，技术管理较严格，酶的产率较高，质量较稳定，产品回收率较高，是目前酶发酵生产的主要方式。
（1）液体深层培养枯草杆菌BF7658生产α-淀粉酶，具体工艺流程祥见6.1.1枯草杆菌发酵工艺流程示意图。
5主要构筑物的设计计算
5.1 α-淀粉酶工厂生产车间的物料衡算
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5.1.1 枯草杆菌发酵工艺流程示意图
枯草杆菌发酵采用液体深层发酵、沉淀法提取的工艺，其工艺流程如下图5.1所示：
BF 7658孢子斜面 热处理 粗滤 盐析 孢子悬浮液 无菌空气 压滤 喷雾干燥 种子罐 干燥 粉碎 发酵罐 混粉 补料罐 填充剂 包装 图5.1 工艺流程图
5.1.2 工艺技术指标及基础数据
⑴主要技术指标如下所示： 指标名称 生产规模 生产方法 年生产天数 发酵周期 产品日产量 罐发酵单位 发酵罐装料
系数
表5.1 α-淀粉酶发酵工艺技术指标
单 位 指 标 数 指标名称 单 位 指 标 数
20000（α-3 t/a 发酵初糖 150 Kg/ m淀粉酶）
u/ml
深层发酵，沉淀法提取 产品规格
25000
d/a 300 提取总收率 % 85 h 84 倒罐率 % 1.0
麦芽糖化转
t/d 66.67 % 95
化率 淀粉糖化转
u/ml 5000 % 95
化率
%
85
接种量
%
10
⑵二级种子培养基（%）：麦芽糊精 4.0（含麦芽80%，水解糖25g/l）；玉米浆1.0 ；(NH4)SO4 0.3 ；Na2HPO4：0.2；消泡剂0.2。
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⑶发酵培养基（%）：玉米淀粉 20(含淀粉80%，水解糖150g/l)；豆饼粉 6.5；玉米浆1.0；(NH4)SO4 0.5；Na2HPO4 0.3；消泡剂0.4。
（4）补料液：（%）玉米淀粉 25；豆饼粉 7.0；消泡剂 0.3 5.1.3 α-淀粉酶发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg规格为25000 u/ml的α-淀粉酶需耗用的原辅材料及其他物料量。
⑴放罐成熟发酵液量
V0=1000kg×25000 u/g÷(5000u/ml×85%×99%)=5.94（m3） 式中 85%——提取总收率
99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率
⑵放罐发酵成熟液V0分为以下三部分： 底料：V1=5.94×80%=4.752（m3） 种液量：V2=5.94×8%=0.4752（m3） 补料量：V3=5.94×12%=0.7128（m3）
（3）发酵液底料配置需水解糖量：G1=150×V1=150×4.752= 712.8 (kg) 种子培养液配置需水解糖量：G2=25×V2=25×0.4752= 11.88 (kg) 补料液配置需水解糖量：G3=150×V3=150×0.7128= 106.92(kg) （4）耗用玉米淀粉原料量
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用玉米淀粉量为： G底料淀粉= 712.8÷(80%×95%×111%)= 844.95 (kg) G补料淀粉= 106.92÷(80%×95%×111%)= 126.74 (kg) G淀粉=844.95+126.74=971.69
式中 80%——玉米淀粉原料含纯淀粉量
95%——淀粉糖化转化率 （5）豆饼粉耗用量
G豆饼粉=844.95÷20%×6.5%+126.74÷25%×7%=310.096(kg) （6）麦芽糊精耗用量
理论上，100㎏麦芽转化为140㎏葡萄糖，故理论上耗用淀粉量为： G麦芽=11.88÷(80%×95%×140%)=11.17(kg) 式中 80%——麦芽糊精原料含纯麦芽量
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95%——麦芽糖化转化率 （7）玉米浆耗用量
G玉米浆=844.95÷20%×1.0%+11.17÷4.0%×1.0%=46.105(kg) （8）(NH4)2SO4耗用量
844.95÷20%×0.5%+11.17÷4.0%×0.3%=21.96（kg） （9）Na2HPO4耗用量
844.95÷20%×0.3%+11.17÷4.0%×0.2%=13.23（kg） （10）CaCO3耗用量
844.95÷20%×1.6%=67.596（kg） （11）消泡剂耗用量
844.95÷20%×0.4%+11.17÷4.0%×0.2%+126.74÷25%×0.3%=18.98(kg) 5.1. 2万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表
由上述生产1000 kgα-淀粉酶（规格为25000 u/g）的物料衡算结果，可求得2万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如下表所示。
表5.2 6万t/aα-淀粉酶工厂发酵车间的物料衡算表
物料名称 发酵液 m
种液量 m
玉米淀粉 kg
豆饼粉 kg
玉米浆 kg
麦芽糊精 kg
33
生产1t α-淀粉酶（5000u/ml）
物料量 5.94
6万t/a α-淀粉酶生产
的物料量 1.19×105
每日物料量 397
0.4752 9.504×103 31.68 6.47×104 2.07×104 3073.6
971.69 1.94×10
7
310.096 6.20×10
6
46.105 9.221×105
11.17 2.234×105 745
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a-淀粉酶发酵车间工厂设计 (NH4)2SO4 kg
Na2HPO4 kg
CaCO₃ kg
消泡剂 kg
21.96 4.392×105 1464
13.23 2.646×105 882
67.596 1.35×106 45004
18.98 3.796×105 1265.3
5.2 生产车间的热量衡算
5.2.1 糊化用水耗热量Q1
根据物料衡算的结果，糊化锅加水量为：
G1=（971.69+310.096）×4=5127.144（kg）
式中，971.69为生产1000kgα-淀粉酶所需要的玉米淀粉量，310.096为糊化锅加入的豆饼粉量。
自来水平均温度取 t1=20℃ ，而糖化配料用水温度t2=50℃，故耗热量为 Q1=G1 CW(t2－t1)= 5127.144×4.18×（50-20）=6.43×105（kJ） 5.2.2 米醪煮沸耗热量Q2
Q2 Q2Q2Q21.糊化锅内米醪由初温t0加热至100℃耗热Q2
Q2GC(100to)
米醪米醪⑴计算米醪的比热容C根据经验公式 C0.01[(100w)C4.18w]进行
0米醪谷物计算。
式中W为含水百分率，豆饼粉为6，玉米淀粉为13；C0为绝对谷物比热容，C0 =1.55kJ/(kg·k)
C豆饼粉=0.01[(100-6) ×1.55+4.18×6]=1.71[kg/( kg·k)] C玉米淀粉=0.01[(100-13) ×1.55+4.18×13]=1.89[kg /(kg·k)]
- 24 -
a-淀粉酶发酵车间工厂设计
⑵米醪的初温t0, G米醪为6625.85，设原料的初温为20℃，而热水为50℃，则
(GC+GC)20+GC501w玉米淀粉玉米淀粉麦芽糊精麦芽糊精t76.6（℃）
0GC米醪米醪⑶把上述结果代入式中，得：Q6625.853.61(10076.6)5.60105(kJ)
22.煮沸过程蒸汽带出的热量Q2
设该过程用时为30min，蒸发量为每小时5%，则蒸发水分量为： G蒸发= G米醪×5%×30/60=165.65（kJ）
故 Q2= G蒸发I=165.65×2257.2=3.74×105(kJ) 式中，I 为100℃下水的汽化潜热（kJ/kg）。
3.热损失Q2
米醪升温和煮沸过程的热损失约为前两次的耗热量的15%，即：
15%(Q2Q2) Q2Q2）4.由上述结果得：（已知Q2Q2Q2
5.3 生产车间的水平衡计算
用水量的估算
以一个发酵车间为例进行计算（每班实际满负荷运转按120 h计算） （1）清洗发酵罐用水量W1
假若清洗一个发酵罐要用水0.1t，一个发酵车间有12个发酵罐。故用水量W1＝1.2t/班
（2）发酵培养液用水量W2
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设发酵罐用水量为发酵罐的总装系数，故用水量W2 = 85% ×150 m3×1Kg/ m3×12=1.53t/班 （3）制冷系统用水量W3
用水量W3＝5.47t/h（参照设备厂家提供的数据）。故用水量W3=5.47×84=459.48t （4）清洗地坪用水量W4
每日清洗两次生产区，用水量约为810t/班 （5）锅炉用水量W5
锅炉生产能力为1.0t/h，再加上锅炉自用水和蒸汽损失的20%，所以用水量
W5＝1.0×（1+20%）×84=100.8t/班 （6）生活用水量W6
最大班人数为60人(30人白天，30人晚上)。根据经验数据，每人平均生活用水70kg/h。
生活最大用水量60×70kg/h=4200kg/h 每班按84h计算W6＝35.28t/班 （7）消防用水量W7
因为此项用水较少，可忽略不计，若发生火警时，可将生产用水或生活用水调节使用。设值为3.25 t/班 故：生产期间总用水量W W=W1＋W2＋W3＋W4＋W5＋W6＋W7
=1.2+1.53+459.48+810＋100.8＋35.28＋3.25 =1411.54 t/班
单位时间发酵车间的总用水量：W全= 1411.54 t /（3×24）=19.60t/h。 考虑到在一天生产过程中用水的峰期需求，在此基础上以增加20%计，则这个发酵车间的单位时间的供水能力应达到：19.60×1.2＝ 23.52 t/h。
全年用水量：23.52×24×300＝1.693×105t
5.4 无菌空气用量的计算
5.4.1 枯草杆菌发酵中无菌空气平衡示意图5.2
空气 → 压缩 → 过滤除菌————————————————————
↙ ∣ ↓ ∣ ↓ ↙ ∣ 灭菌培养基 ∣ 灭菌消泡剂
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↙ ↓ ↙ ↘ ↓ ↙
种子罐 → 发酵罐 → 送提取
图5.2 无菌空气平衡示意图
5.4.2 发酵工艺技术指标及基础数据
2万t/aα-淀粉酶工厂发酵工艺技术指标及物料平衡计算结果详见本章第一节。根据第一节两表给出的基础数据及物料衡算结果，列出与空气消耗有关的基本数据有：
生产1 tα-淀粉酶的发酵液量为：5.94 m3； 种液量为：0.4752 m3； 发酵时间为：48h；
发酵周期（含清洗、灭菌等）：84 h； 发酵罐公称容积：150 m3（12个）； 发酵罐装料系数：85%。
5.4.3 发酵过程无菌空气用量计算
发酵车间无菌空气消耗量主要用于枯草杆菌发酵过程通风供气，其次为种子培养的通气以及培养基压料输送也需要压缩空气。此外，因设备和管件等的消毒吹干以及其他损耗构成无菌空气的耗用量。
1.单罐发酵无菌空气耗用量
表5.3 枯草杆菌发酵常用的搅拌转速与通气量
指标名称 发酵罐容量（m） 搅拌转速r/min 通气速率（vvm）
3
指标数
20 50 100 150 200 250 500
130 0.25-0.28
110 0.20-0.25
100 0.15-0.18
95 0.12-0.15
90 0.10-0.12
85 0.07-0.10
80 0.05-0.07
根据表可知，150 m3规模的通气搅拌发酵罐的通气速率为0.12-0.15 vvm,取最高值0.15vvm进行计算[11]。
⑴单罐发酵过程用气量（常压空气）
V=150×85%×0.15×60=1147.5 (m3/h)
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⑵单罐年用气量
Va=V×48×100=5.08×106（m3）
式中60—每年单罐发酵批次 48—发酵时间
2.种子培养等其他无菌空气耗量
二级种培养是在种子罐中进行的，可根据接种量、通气速率、培养时间等进行计算。但通常的设计习惯，是把种子培养用气、培养基压送及管路损失等算作一次，一般取这些无菌空气消耗量之和约等于发酵过程空气耗量的25%。
故这项无菌空气耗量为：
V′=25%V=25%×1147.5 =286.875（m3/h） 每罐每年用气量为：Va′= V′×12×100
=286.875×12×100 =3.44×105 (m3/a)
3.发酵车间高峰无菌空气消耗量
Vmax= 12(V+V′)=12×(1147.5+286.875)=17212.5 (m3/h) 4.发酵车间无菌空气年耗量 Vt=12（Va+ Va′）
=12×(5.508×106+3.44×105 )=7.022×107（m3/a）
5.4.4 发酵车间无菌空气单耗 根据设计，实际α-淀粉酶年产量为：
G=59400（t/a）
故发酵车间无菌空气单耗为：
Vo= Vt/G=7.022×107/59400=1182.15 (m3/t) 5.4.5 2万t/aα-淀粉酶工厂无菌空气用量衡算表
根据上述计算结果，可得出2万t/aα-淀粉酶工厂无菌空气用量衡算表，如下所示：
表5.4 发酵车间无菌空气衡算表
发酵罐公称容积（m3） 500
单罐通气量 （m/h） 1147.5
3
种子培养耗气量 （m3/h） 286.875
高峰空气耗
量 （m3/h） 17212.5
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年空气耗量 （m3） 7.022×107
空气单耗 （m3/t） 1182.15
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注：发酵罐装料系数85%，发酵周期84,年生产天数300d,实际生产能力59400t/a，公称容积150 m3，全容积为170m3。
5.5 α-淀粉酶生产设备的选型计算（设备的容量、数量、主要的外形尺寸）
5.5.1 设备选型的依据 物料计算是设备选型的依据，选择设备时要注意四点： （1）根据每一品种单位时间(h或min)产量的物料平衡情况和设备生产能力来确定所需设备的台数。
（2）几个生产中的关键设备，除按实际生产能力所需台数的设备外，还应考虑备用设备。
（3）后道工序的生产能力要略大于前道，不至于生产能力不够，导致物料积压。 （4）选择设备应考虑下列原则：
a. 满足工艺要求，保证产品的质量和产量。 b. 应选用较先进，机械化程度较高的设备。
c. 充分利用原料，能耗少，效率高，体积小，能一机多用。 d. 应符合卫生要求，故而多应用不锈钢材料。
e. 有合理的自动控制系统,控制温度、压力和真空度，时间、速度、流量等工艺参数。
5.5.2 设备选型的计算 1.发酵罐 ⑴发酵罐的选型
评价发酵罐技术性能的主要尺寸是体积溶氧系数Kla;评价经济性能的依据是溶氧效率g。当然实践性要考虑，该种发酵罐已实践过的最大容积，放大性能，是否适合某种发酵液的液体特性等。当前，我国α-淀粉酶发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐。选用这种发酵罐的原因主要是：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。现以此类发酵灌为例进行设计选型。
⑵生产能力、数量和容积的确定
①发酵罐容积的确定：随着科学技术的发展，生产发酵罐的专业厂家越来越多，现有发酵罐容量系列如5，10，20，50，60，75，100，120，150m3 等等。究竟选择多大容量的好呢？一般来说单罐容量越大，经济性能越好，但风险也越大，要求技术管理水平也越高。现以150 m3罐为例。
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②生产能力的计算：现每天产1t规格为25000 u/g的α-淀粉酶，枯草杆菌发酵周期为84h (包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间) ，生产1 tα-淀粉酶需糖液5.94m3；生产20000则需糖液体积为5.94×20000=1.188×105（m3）
每天工作300天，每天需糖液体积为V糖：
V糖=1.188×105/300=396（m3）
设发酵罐的填充系数=85%；则每天需要发酵罐的总容积为V0。
V0 =V糖/=396/0.85=465.88（m3）
现选用公称容积为1500 m3 六弯叶机械搅拌通风发酵罐，其全容积为170 m3 。 ③发酵罐个数的确定：已知公称容积为150 m3的发酵罐，总容积为170 m3， N0=465.88/150 =3.105;取N0=4（个）
共需要的发酵罐数N1= （465.88×84）/(150×24) =10.87，取N1=12（个）,其中一个留做备用。
每天应有4个发酵罐出料。每年工作300天， 实际产量验算：170×0.85×4×300/5.94=29191.92（t/a）； 富裕量（29191.92-20000）/20000=45.9%，能满足产量要求。 ⑶主要尺寸的计算 (现按公称容积150 m的发酵罐举例计算)
3
V全＝V筒 + 2V封
封头折边忽略不计，以方便计算。
则有V全＝0.785D2 × 1.9D + (πD3×2)/24 = 170 H=1.9D；解方程得： 1.49D3 + 0.26D3 = 170 3 170 D 4.6m
1.75
取D＝4.6m ,H=8.74m
圆柱部分容积 V1＝0.785×4.62 × 8.74＝ 145（m3） 上、下封头体积 V2＝V3＝πD3/24＝π×4.63/24＝12.5（m3 ） 总体积： V全＝V1+ V2+ V3＝145+12.5+12.5＝550（m3 ） 取发酵罐的填充系数=75%，实际装液量为： 170×75%＝144.5（m3）
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⑷冷却面积的计算： 本设计采用经验值计算法
查资料知α-淀粉酶发酵罐的冷却面积取1 m2 / m3 ；
由上知填充系数=85%，则每一个150 m3的发酵罐换热面积： A= 170×85%×1=144.5（m2）
⑸搅拌器设计
该搅拌器的各部分尺寸与罐径D有一定比例关系，现将主要尺寸列出： 搅拌器叶径Di＝D/3＝4.6/3＝1.53（m） 叶宽B＝0.2d＝0.2×1.53=0.306（m） 弧长l＝0.375d＝0.375×1.53=0.574（m） 底距C＝D/3＝4.6/3＝1.53（m）
盘径di＝0. 75Di＝0.75×1.53=1.148（m） 叶弦长L＝0.25 Di＝0.25×1.53=0.383（m） 叶距Y＝D＝4.6（m） 弯叶板厚δ＝14（mm）
采用两档搅拌，搅拌转速110r/min。 ⑹搅拌轴功率的计算 本设计采用经验值计算法
查资料知通常α-淀粉酶发酵按1kw / m3发酵液；对于公称容积为150 m3的发酵罐，装液量为144.5m3则应选取功率大于或等于144.5kw的电机。
⑺设备结构的工艺设计
设备结构的工艺设计，将设备的主要辅助装置的工艺要求交代清楚，供制造加工和采购时取得资料依据。
①空气分布器：本罐使用单管通风，风管直径计算见⑽接管设计。 ②挡板：本罐因有扶梯和竖式冷却蛇管，故不设挡板。
③密封方式：本罐拟采用双面机械密封方式，处理轴与罐的动静问题。
④冷却管布置：随着发酵罐容量的增加，比表面积变小，夹套形成的冷却面积已无法满足生产要求，于是使用管式冷却装置。蛇管因易沉淀污垢且不易清洗而不采用；列管式冷却装置虽然冷却效果好，但耗水量过多；因此广泛使用的是竖直蛇管冷却装置。
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ⅰ. 求最高热负荷下的耗水量W
Wcttp21式中 Q——每1 m3醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：
总Q总Q总＝4.18×25000×144.5＝1.51×107kJ/h
c——冷却水的比热容，4.18KJ/(kg·K) pt——冷却水终温，t=27℃ 22t——冷却水初温，t=20℃ 11将各值代入上式 W ＝ 143kg/s
4.18 27 20
冷却水体积流量为0.143m3/s，取冷却水在竖直蛇管中流速为1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总S总为截面积为：
S总=W/v=0.143/1=0.143(m2 )
式中 W——冷却水体积流量，W= 0.143 m3/s
v——冷却水流速，v=1m/s
d进水总管直径总S总0.7850.1430.427m
0.785取Dg300×8；
ⅱ. 冷却管组数和管径：设冷却管总表面积为S总，管径d0，组数为n，则：S总＝n•0.785d02
取n=12，
d0S总n•0.7850.1430.123m120.785
查表：选φ159×3.5无缝管，d内＝151mm， d内>d0，认为可满足要求，d平均＝155mm。 现取竖蛇管圈端部U型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度为：
l0＝πD＝3.14×500＝1570mm ⅲ. 冷却管总长度L计算：冷却管总面积F＝144.5m2，无缝钢管φ159×4，每米
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a-淀粉酶发酵车间工厂设计 冷却管面积为F0＝3.14×0.159×1＝0.499m2，则：L=F/F0 = 144.5/0.499=289.58(cm)
冷却管占有体积V＝0.785×0.1592×289.58＝5.75m3 ⅳ. 每组管长L0和管组高度：L0 ＝L/n= 289.58/12=24.132(cm)
另需连接管4.735m，L实＝L + 4.735 ＝289.58+ 4.735=294.315（m） 可排竖直蛇管的高度，设为静液面高度，下部可伸入封头300mm。设发酵罐内附件占有体积为1m3，则占有体积为V管+V附件＝5.75+1＝6.75（m3）
筒体液面高度为：{V总×75% +（V管+V附件）—V3 }/ S 截面 =（144.5+6.75—12.5）/(0.785 ×4.6× 4.6) ＝8.35 (m) 竖直蛇管总高H＝8.35+ 0.3 ＝8.65 （m），取管间距为0.5m。
又两端弯管总长l0＝3.14×0.5=1.570m，两端弯管总高为1m 则一圈管长：L＝2（H + l0 ）＝2×（8.65+ 1.57）＝20.44（m） ⅴ. 每组管子圈数n0
n0=L0/L=24.132/20.44=5.17;取n0=2。
L实＝20.44×2×12+4.735×12=547.38﹥289.58（m）
现取管间隔为2.5D外=2.5×0.159=0.3975（m），竖蛇管与罐壁的最小距离为0.15m，显然与搅拌器的距离在允许范围内（不小于200mm）。
ⅵ. 校核布置后冷却管的实际传热面积：
F实＝πd平均L实＝3.14×0.155×547.38＝266.41m2 而前有F=144.5㎡，F⑻设备材料的选择
本设备选用碳钢制作，以降低设备费用。
实
＞F，可满足要求。
⑼发酵罐壁厚的计算 方法：公式计算或查表法 ①计算法确定发酵罐的壁厚S；
SPD2P- 33 -
C式中 P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，现取P=0.4MPa
a-淀粉酶发酵车间工厂设计 D——发酵罐内径，D=460cm [σ]——A3钢的许用应力，[σ]=127MPa φ——焊缝系数，现取φ=0.7 C——壁厚附加量, C=0.28 cm S0.44600.281.32cm 21270.70.4C＝C1 + C2 + C3 ＝ 0.8 + 2 + 0 ＝2.8mm＝0.28cm 式中 C1——钢板负偏差，现取C1=0.8mm C2——腐蚀裕量，现取C2=2mm C3——加工减薄量，对冷加工C30，热加工封头C3S010%；现取C30 选用14mm厚的A3钢板制作 PDSC②封头壁厚计算（椭圆封头）： 2P式中 P=0.4 Mpa；D=460cm； [σ]=127 MPa
C＝C1 + C2 + C3 ＝ 0.08 + 0.2 + 0.2 ＝0.39cm； φ=0.7 S0.44600.391.43cm
21270.70.4⑽接管设计 ①接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径的大小和有无保温，一般取100-200mm,具体值见表： 5.5 接管长度h （mm） 公称直径Dg ≤15 20-50 70-350 70-500 不保温接管长 80 100 150 保温设备接管长 130 150 200 适用公称压力（MPa） ≤40 ≤16 ≤16 ≤10 ②接管直径的确定：主要根据流体力学方程式计算。
排料管：实装量144.5m3，设2h之内排空，物料体积流量Q＝144.5/(3600×2)＝0.0201m3/s；
发酵醪液流速v＝2m/s，排料管截面积F物＝Q/v＝0.0201/2＝0.011 m2；F物＝
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a-淀粉酶发酵车间工厂设计
0.785d2。 F物0.0110.118md管径 0.7850.785取无缝管133×4，125>118mm，认为适用。
通风管：压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20～25m/s，现通风比0.1～0.18vvm，
常温下为20℃，0.1MPa下的情况，要折算到0.4MPa、30℃状态。风量Q1取大值，
Q1＝144.5×0.18＝26.01m3/min＝0.434m3/s 气态方程式计算：
Qf＝0.434×(0.1/0.35)×(273+30)/(273+20)＝0.128m3/s，取风速v＝50m/s，则风管截面积
Ff＝Qf /v＝0.128/50＝0.00256m2 Ff＝0.785d2 d气0.002560.057m
0.785因通风管也是排料管，故取两者的大值。取d＝133×4无缝管，可满足工艺要求。 排料时间复核：物料流量Q＝0.0201m3/s，流速v＝2m/s，管道截面积F＝0.785×0.1252＝0.0123m2，在相同流速下，流过物料因管径较原来计算结果大，则相应流速比为0.011/0.0123＝0.89倍，排料时间t＝2×0.89＝1.8h
⑾支座选择 对于75 m3以上的发酵罐，由于设备总重量较大，应选用裙式支座。故本设计选用
裙式支座。
2.种子罐
⑴种子罐的选型 采用机械搅拌通风发酵罐。 ⑵种子罐容积和数量的确定
①种子罐容积的确定：按接种量10%计算，则种子罐容积为 ：
V种＝V总×10％＝170×10％＝17 m3 式中V总——发酵罐总容积（m3）
②种子罐个数的确定：种子罐与发酵罐对应上料。发酵罐平均每天上4罐，需种子罐4个。
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⑶主要尺寸确定 种子罐仍采用几何相似的机械搅拌通风发酵罐。H/D＝2，则种子罐总容量为： V’总＝2V’封 + V’筒＝2×πD3/24 + 0.785D2×2D＝17m3
D＝2.13m，取D＝2.4m，则H＝2D＝4.8m，封头高度H封＝ha +hb＝350+ 25 ＝375mm，
‘‘’罐体总高H2HH237548005550mm 封筒罐单个封头容量V'封=πD3/24 + 0.785D2×2D ＝2.035m3 封头表面积S封＝2.23m2，
圆筒容量，V’筒＝0.785D2×2D ＝21.70m
3
不计上封头容积 V′有效=2.035+21.70=23.735m3
校核种子罐总容积V’总＝2V’封 + V’筒=2×2.035+21.70=25.77 比需要的种子罐容积17m3大，可满足设计要求。 ⑷冷却面积的计算
①发酵产生的总热量：同前发酵罐：
Q总＝4.18×25000×14.45＝1.51×106kJ/h ②夹套传热系数
K＝4.18×(250～350)kJ/(m2•h•℃) 取K＝4.18×330kJ/(m2•h•℃) ③平均温差：发酵温度32℃，水初温20-23℃，取21℃，水终温25℃，则 平均温差△tm＝（11+7）/2＝9℃
Q总
④需冷却面积 F Kt ＝ 4.18 330 9 m ⑤夹套高度（封头以上）
＝ 121.7 m2
πD×h+ S封＝121.7m2 h=15.86m
⑥核算夹套冷却面积：
S夹＝πD×h+ S封 S夹＝121.75m2
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H液≈H夹＝15.86m （封头以上）
夹套高度应不高于动态时的液面高度，因高于液面的传热面积，并没有起多少冷却作用。
综上，传热需要的面积F=121.7m2
该设计夹套能提供的冷却面积为S夹＝121.75m2
S＞F，可满足工艺要求。 夹⑸设备材料选择：A3钢 ⑹壁厚计算
方法：计算法、图算法和查表法
mPL①计算法求种子罐的壁厚： SDC2.6ED式中 D——设备的公称直径，240cm
m——外压容器的稳定系数，与设备的其始椭圆度有关，在我国，m=3 P——设计压力，与水压有关，P=0.4Mpa C——壁厚附加值，C1+C2+C3=0.08+0.1+0=0.18
L——筒体长度，L=480cm
0.430.4480S2405将数值代入公式：2.62102401.94cm取20mm
②种子罐封头的厚度δ封
0.40.18
ⅰ 对于上封头：查表法得δ封＝22mm，质量G＝45.2kg ⅱ 对于下封头：取δ封＝28mm。 ③冷却夹套壁厚δ夹 夹套直径与筒体直径关系为:
D夹＝D内+250＝2650mm
查表法得夹套壁厚δ夹＝9mm，夹套内有导流板。 ④冷却夹套封头壁厚δ′夹
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查表法得夹套封头壁厚δ′夹＝22mm ⑺设备结构的工艺设计 ①挡板
根据全挡板条件， B•Z0.5D式中 B——挡板宽度 B=（0.1～0.12）D＝0.1×2400＝240mm
D——罐径 D=2400mm Z——挡板数： Z0.5 取Z=6块（考虑裕量） ②搅拌器：仍采用涡轮搅拌器
直径Di＝0.3～0.35D，现取Di＝0.35D＝0.35×2400＝840mm＝o.84m 叶片宽度h＝0.2Di＝238mm，弧长r＝0.375Di＝315mm 盘径φ＝0.75Di＝892.5mm，叶弧长l＝0.25Di＝210mm 搅拌器间距Y＝Di＝1190mm，底距b＝Di/3＝280mm
搅拌器转速N2，根据50L罐，470r/min，使用P0/V为基准放大，50L罐N1＝470r/min，
D24000.55 B240D1N2N1D2搅拌器直径Di＝84mm 2/30.84470293.75r/min4.89(m/s)1.7D2NRem
0.84×0.84×4.89 Re. ＝ -3 m 1.3 10
2/3式中 D——搅拌器直径，D=1.2m
N——搅拌器转速，N=1.62（r/s） ρ——密度，ρ=1050㎏/ m3
μ——粘度，μ=1.3×10-3N·s/㎡ 将数代入上式；
视为湍流，依据Np—Rem图表，则搅拌功率准数Np=90kw 取两档搅拌。
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③进风管（进出料管）：该管为物料与通风共用，管底距罐底25-60mm之间，现取30mm向下单管。
ⅰ. 按通风管计算管径：设罐压0.4MPa，发酵温度32℃，风速v＝45m/s，通风比为 0.18vvm，常压下t0＝20℃，0.1MPa，送风量V＝14.45×0.18＝2.601m3/min＝0.043 m3/s
将通风换算成工作状态下求通风管直径，计算如下： 气态方程式计算：
Qf＝0.043×(0.1/0.4)×(273+32)/(273+20)＝0.011m3/s，已知风速v＝45m/s，则风管截面积
Ff＝Qf /v＝0.011/45＝0.00025m3
Ff＝0.785d21，则d1F0.7850.000250.0178m
0.785ⅱ. 按输送物料算管径：2h送完47.475m3物料，物料流量V物＝47.475/（2×3600）＝0.00659 m3/s，管道截面为F，物料流速v＝3.2 m/s，则：
V
物 0.00659 ＝0.002m2 F v 3.2 设管径为d2F0.7850.000630.028m
0.785取d1、d2两者大值，作为进料（气）管，现取管径D＝28mm，查表，取φ58×3无缝管。
④冷却水管：由前知需冷却热量Qmax＝4.18×25000×14.45＝1.51×106 kJ/h，冷却水温变化23℃→27℃，水比热容cw＝1×4.18kJ/(kg•℃) Q1.51106则耗水量为：W90311kg/h0.0251(m/s)
cwt1t24.182723取水流速v=45m/s;则冷却管直径为d0.02510.084m
40.785查表，取焊接管Dg=89mm可满足生产要求；取冷却水管接管长度h=880mm。
⑻支座选择
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选用支撑式支座，将种子罐置于楼板上。 3.空气分过滤器 ⑴种子罐分过滤器
4VD＝①分过滤器过滤层直径的计算： 滤层vs式中V——通过分过滤器的空气（在0.4MPa）流量（m3/s）
0.130510.0111m3/s0.671m3/min 0.429360 4 0. 0111
D 0.034m ＝ ＝ 式中Vs——通过分过滤器的气速，取vs=12m/s代入式中： 滤层 3.14 12 V14.450.18 取D滤层＝40mm ②分过滤器直径计算：
D过滤器＝（1.1-1.3）D滤层 D过滤器＝1.3D滤层＝1.3×40＝52mm 圆整值D过滤器＝60mm ③分过滤器的强度计算：
设计压力P＝0.4×1.25＝0.5MPa，φ＝0.7，[σ]＝127MPa，C＝0.2cm
PD则分过滤器厚度为： SC2P0.5 6
S 2 1270.7 0.5 0.20.22 cm
取S＝4mm
④进出气管：与种子罐进出气管相配合，取φ58×3。
⑤数量：分过滤器一般是与种子罐相配合，现4个种子罐，配4台分过滤器。 ⑥滤层厚度：使用经树脂处理过的滤纸5-6层，夹持在两花板中。花板孔φ8，孔间距14mm，周围不钻孔，开孔率40％左右。
⑦分过滤器高度：圆筒部分h＝（1.1-1.5）D，现取h筒＝1.5×D过滤器＝1.5×60＝90mm；锥体部分h＝（1.5-2.0）D，现取h锥＝1.5D过滤器＝1.5×60＝90mm
⑵发酵罐分过滤器
4Vvs式中V——通过发酵罐分过滤器的空气（在0.4MPa）流量（m3/s） ①分过滤器滤层直径计算：D 滤层＝- 40 -
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V144.50.180.130510.111m3/s6.71m3/min 0.429360式中Vs——通过分过滤器的气速，取vs=12m/s
4 0. 111 则 D ＝ ＝0.109m
滤层 3.14 12 取D滤层＝120mm
②分过滤器直径计算：
D过滤器＝（1.1-1.3）D滤层
现取D过滤器＝1.3D滤层＝1.3×120＝180mm
查表选无缝钢管或钢板卷制。圆整到推荐值D过滤器＝200mm
③分过滤器的壁厚：设计压力P＝0.5Mpa，φ＝0.7，[σ]＝127MPa，C＝0.28cm
PD SC2P
0.5 20 S ＝ 0.28＝0.34(cm)
2 1270.7 0.5
取S＝5mm
④进出气管：与设备通风管一致，取φ133×4无缝罐 ⑤数量：分过滤器与发酵罐相配合，每罐一个，共需12台。
⑥滤层厚度：同种子罐，分过滤器5-6层超细玻璃纤维滤纸，经树脂处理过使用。 ⑦分过滤器高度：比例参数同种子罐
h筒＝1.5D过滤器＝1.5×200＝300mm； h锥＝1.5D过滤器＝1.5×200＝300m
5.6 辅助车间的概况
5.6.1 检验室
用于对抽查产品进行感官评定、理化检测、微生物检测,是保证产品质量必不可少地过程，将检验室建在提炼车间和包装车间内，对产品质量从酶粗品进入到成品仓库进行全过程检测、
控制，需要总面积为356.0m2。 表5.6 检验室常用仪器与设备 编 号 1
设 备 名 称 阿贝折光仪 - 41 -
型 号 数 量 1台 a-淀粉酶发酵车间工厂设计 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15
PH计 浊度计 超净工作台 4孔恒温水浴锅 调温电炉 PB2002电子天平 电子分析天平
烘箱 恒温培养箱 生化培养箱 冰箱 电热蒸汽杀菌锅
微波炉 空调
0.01精度
1/10000
230L 850W 1500W
2台 1台 1台 2台 2台 1台 1台 2台 2台 1台 1台 1台
2台 2台
5.6.2 锅炉房 从工厂卫生的角度考虑，锅炉房应建在对生产车间影响最小的位置，即厂区西北方， 其满足以下要求：
（1）在该地区全年主导风向的下风向。 （2）靠近生产区。
（3）有足够的煤和灰渣堆场。
锅炉房的具体建设方面，采取钢筋混凝土结构，门向外开；其与相临的建筑物的间距应符合防火和卫生标准，其必须在通风、采光、防潮等方面也要满足要求。
5.6.3 变配电室、机修车间 为适应生产扩大的需要，留有适当的变电设施的土建余地。分配电装置和启动控制，设备采取防水汽、防腐蚀措施。
机修车间设在生产区对面，相隔一条小路，与主要生产车间保持了适当的距离，使它既不相互影响，又联系方便。本厂机修车间由机械加工、冷作以及模具锻打等部分组成，作为附属部分，还包括木工车间和五金仓库。 在车间中还需要考虑一个小的机修间，主要作为设备小配件、零星维修使用。
5.6.4 空压站（1）工作介质为高空采集的空气，含湿量随季节变化，无易燃易爆和毒性。
（2）气体经前置过滤器过滤，空气含菌尘数为1000-10000个/ m3。
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（3）空压机在专门的机房安装，对电机无特殊要求。 （4）进口温度为常温。
5.6.5 动力室 用于对主要生产车间提供蒸汽等其它的动力。紧邻主要生产车间，便于管道的输送，方便供能，节省开支。
结 论
课程设计是普通高校本科教育重要的一个环节，是理论知识和实际应用相结合的重要措施。本设计为年产20,000t 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。此次设计历时一个星期，完成了20000t∕a a-淀粉酶厂的物料衡算、热量衡算等计算和相关的图纸任务。本设计参考了许多文献，特别是得到了张良老师的精心指导与督促。
这次设计不仅让我进一步熟悉和巩固了很多化工工艺方面的知识，还初步掌握了许多有关设计方面的知识，同时也让我们明白理论联系实际的重要性，更让我们懂得了独立思考问题、分析问题和解决问题，以及谦虚的求教态度和团结的合作精神等。这些对于我们将来的工作和生活都将有着很大的作用。
由于理论知识与设计经验的不足，本设计对于有些设备的计算与选型等方面没有加以分析，已经计算选型的设备也可能与实际有偏差甚至不符，有些信息与实际情况有些差距，因此本设计用于实际生产时需要进一步的改进。本设计的这些不足之处和错误之处还需要老师多多指点并加以改进。
主要设备一览表
序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 设 备 名 称 发酵罐 种子罐
种子罐分过
滤器 发酵罐分过
滤器 喷淋冷却器 螺旋板换热
器
玉米浆泵 溶液输送泵 空压机 台 数 12 4 4 12 20 20 20 20 23 [15]
材 料 A3钢 A3钢 A3钢 A3钢
2
规 格 与 型 号 公称容积150 m，Ф5000mm 3公称容积17 m，
Ф2400mm
Ф60 mm Ф120mm
3备 注 专业设备 通用设备 F=171.9 m A3钢 I型F=20 m IS-80-50-200 IS-80-50-200 3V=30 m - 43 -
2
A3钢 机体铸铁 机体铸铁 碳钢
a-淀粉酶发酵车间工厂设计 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 合 计 空压机 变压器 变压器 板框过滤器 超滤 烘干机 尾气旋风分
离器 锅炉 玉米浆槽 贮罐 絮凝罐 无机盐罐 消毒浆槽 废液罐 配料槽 种子配料罐 盐水槽
23 46 46 46 46 8 8 1 1 23 23 1 1 1 1 1 1 406
V=80 m 560千伏安 320千伏安 2300 m 3V=5×1.5 m GZФ1200×10000 FG3.5 138或230t Ф2000×1500
3
V=80 m
3
V=50 m
3
V=8 m
3
V=12 m
3
V=280 m
3
V=100 m
3
V=50 m
3
V=12 m
3碳钢 不锈钢 不锈钢 A3钢 不锈钢 不锈钢 1Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti A3钢 A3钢 A3钢 A3钢
（S-T） （S-T） （聚丙烯） 进口设备 （沸腾炉） 非标设备
致 谢
在此设计完成之际，再次对一直悉心教导我们的老师们，特别是耐心指导我们的张良老师，还有帮助过我们的同学表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意。
主要参考文献
[1] 郭 勇编．《酶工程》[M]．科学出版社，2004，1
[2] 邬显章编．《酶的工业生产技术》[M]．吉林科技出版社，1988 [3] 张树政主编．《酶制剂工业》[M]．中国科学出版社，1984，489-509
[4] 易美华主编．《生物资源开发利用》[M]．中国轻工业出版社，2003，230-231 [5] 沈自法,唐孝宣．《发酵工厂工艺设计》[M]．华东理工大学出版社，1994 [6] 乌敦套海镇政府编．《年产2600吨糖化酶生产项目建议书》[M]．2006 [7] 吴思方主编．《发酵工厂工艺设计概论》[M]．中国轻工业出版社，2006，1-3 [8] 李文献等译．《废水生物处理与应用》[M]．中国建筑工业出版社，1989
[9] Doran P M. Bioprocess Engineering Principles. New York: Academic Press,1995 [10] [苏]M.M.科罗博夫等著，程跃芳等译．《发酵生产工艺计算》[M]．中国轻工业出版社，1989
[11] 华南工学院等编．《发酵工程与设备》[M]．中国轻工业出版社，1981
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课程设计成绩评定标准及成绩评定表
学生姓名： 学号： 年级/班： 所属学院(直属系)： 所在专业：
项目 分值 优秀 (100≥x≥90) 良好 (90>x≥80) 中等 (80>x≥70) 及格 (70>x≥60) 评分 不及格(x<60) 学习态度马虎，纪律涣散，工作作风不严谨，不能按设计作息时间作业，不能按期完成任务或完成质量差 技术路线正确，技术路线正论证合理充分，确，论证较合技术水平与实际能力 40 能把文献报道的新技术应用于设计中，引用数据准确，计算正确。 理、较充分，能把文献报道的新技术应用于设计中，引用数据准确，计算正确。 设计说明书写作结构严谨、合论文(计算书、图纸)撰写质量 30 设计说明书写作结构合理，技术路线正确，技术路线基本论证较合理、较充分，能把文献报道的新技术正确，论证较合理、较充分，引用数据较准确，技术路线不正确，论证不合理、不充分，引用数据不准 学习态度认真，学习态度好，工作作风严谨，工作作风认严格遵守教学学习态度 纪律，保证设计30 按进度要求进行，能圆满完成设计任务。 真，遵守教学纪律，能按期圆满完成设计任务。 学习态度尚好，学习态度尚可，遵守教学纪律较好，能按设计能遵守教学纪律，能按期完成作息时间作业，任务，完成的质能较好地按期完成各项工作。 量一般。 应用于设计中，计算基本正确。 确，计算不正引用数据较准确，计算基本正确。 设计说明书写设计说明书写设计说明书写作内容空泛，结构混乱，文字表达不清，错别字较多，达不到规范化要求。图纸不规范。 确。 作结构较合理，作结构基本合层次较分明，文理较通顺，书写较工整或计算机打印成文。图纸较规范。 理，逻辑基本清楚，文字尚通顺，书写较工整，图纸基本规范。 理，逻辑性强，逻辑性较强，层次清晰，语言准确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。 层次分明，语言准确，文字流畅，书写工整或用计算机打印成文。图纸规范。 课程设计成绩
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