年产300吨纤维素酶工厂的初步设计摘要纤维素是年产量巨大的可再生性资源，地球上每年光合作用生成的上亿吨生物质中，纤维素占了近一半。
目前，自然界中纤维素只有一小部分得到了利用，绝大多数纤维素不仅被白白浪费，而且还会造成环境污染。
利用这一年产量巨大的可再生性资源将其转化为人类急需的能源、食物和化工原料，对于人类社会的可持续性发展具有非常重要的意义。
本设计采用目前认为是最好的产纤维素酶的菌种里氏木霉作为发酵菌种，液体深层发酵过程中采用变温发酵的方法分别控制菌种的生长和产酶，提取过程中采用超滤、层析等，提高产品的收率。
最后采用喷雾干燥做成固态的酶制剂。
本设计的主要内容有：工厂总平面布置、全厂工艺流程设计、工艺计算、设备的计算与选型、成本核算；另外，完成设计图纸8张，有工厂总平面布置图、工艺流程图（3张）、发酵罐设计图、种子罐设计图、发酵车间设备布置图（平面图和立面图）。
根据全厂工艺设计和计算结果可以看出，该设计能够达到工业生产的要求。
关键词：纤维素酶；液体深层发酵；里氏木霉目录1 绪论11.1纤维素酶简介11.2纤维素酶的研究状况 11.2.1国外研究概况 (2)1.2.2国内研究概况 (3)1.3 纤维素酶的应用 41.3.1 纤维素酶在果实和蔬菜加工上的应用 (4)1.3.2 纤维素酶在酱油酿造上的应用 (4)1.3.3 纤维素酶在酒精发酵中的应用 (5)1.3.4纤维素酶在饲料上的应用 (5)1.3.5在麻棉混纺织物后整理中的应用 (6)1.3.6其它 (6)1.4纤维素酶的发展前景 61.5纤维素酶的生产61.5.1固体发酵生产纤维素酶 (6)1.5.2液体深层发酵生产纤维素酶 (7)1.5.3固定化酶和细胞 (9)1.6目前国内的有关情况 91.6.1国内的需求情况 (9)1.6.2主要技术指标 (9)1.6.3国内几大生产厂家 (10)1.7本设计的目的和内容 101.7.1本设计的目的 (10)1.7.2本设计的主要内容 (10)2 全厂工艺流程及论证122.1无菌空气工艺论证122.1.1无菌空气制备系统工段工艺论证 (12)2.2发酵工段工艺论证132.2.1发酵工艺流程 (13)2.2.2菌种选取 (13)2.2.3培养基 (14)2.2.4生产方法 (14)2.2.5发酵过程的控制 (14)2.3后提取工段工艺论证 152.3.1后提取工艺流程 (15)2.3.2提取方法论证 (15)3 纤维素酶的工艺计算183.1物料衡算183.1.1工艺指标 (18)3.1.2发酵工段的物料衡算 (18)3.1.3提取工段的物料衡算 (19)3.2热量衡算203.2.1蒸气消耗计算 (20)3.3水平衡计算223.3.1种子罐冷却水 (22)3.3.2发酵罐冷却水 (22)3.4无菌空气衡算223.4.1发酵罐通风量的计算 (22)3.4.2种子培养基等其他无菌空气耗量 (22)3.4.3发酵车间高峰无菌空气消耗量： (22)3.4.4发酵车间年用气量： (22)4 纤维素酶发酵工段的设备选型与计算244.1发酵罐设备选型与计算244.1.1发酵罐的选型 (24)4.1.2生产能力、数量和容积的确定 (24)4.1.3发酵罐基本尺寸确定 (24)4.1.4冷却面积的计算 (25)4.1.5蛇管设计 (27)4.1.6壁厚计算 (29)4.1.7搅拌器计算 (29)4.1.8搅拌轴功率计算 (30)4.1.9接管设计 (32)4.1.10传动装置设计 (33)4.1.11发酵罐支座选择 (33)4.2种子罐的设备选型与计算334.2.1种子罐的选型 (33)4.2.2种子罐容积和数量确定 (33)4.2.3主要尺寸确定 (34)4.2.4冷却面积的计算 (34)4.2.5设备材料选择 (35)4.2.6壁厚计算 (35)4.2.7种子罐内部结构的工艺计算 (36)4.2.8支座选型 (38)4.3空气过滤器设备选型与计算384.3.1种子罐分过滤器 (38)4.3.2发酵罐分过滤器 (39)4.4无菌空气制备工艺设备选型与计算404.4.1工艺流程 (40)4.4.2空气状态的确定 (41)4.4.4储罐 (41)4.4.5一级冷却装置 (42)4.4.6旋风分离器 (47)4.4.7二级冷却器 (48)4.4.8丝网除雾器 (50)4.4.9加热器 (50)4.4.10总过滤器 (52)4.5提取工段设备计算及选型534.5.1提取工段工艺流程 (53)4.5.2提取工段设备选型 (53)5 全厂布置的说明 555.1工厂总平面布置555.1.1总平面布置依据 (55)5.1.2.布置原则： (55)5.1.3布置说明 (55)5.1.4车间布置设计 (56)5.1.5设计遵循的原则： (56)5.1.6本设计的车间布置说明 (58)6 经济核算606.1投资估算606.1.1设备投资 (60)6.1.2土建投资 (60)6.1.3全厂总投资 (61)6.2成本计算616.2.1主要成本计算 (61)6.2.2煤耗 (61)6.2.3水、电耗 (61)6.2.4折旧费及其他费用 (62)6.2.5全厂人员安排 (62)6.2.6全厂每年销售成本 (62)6.2.6全年净收入 (63)7 结论64参考文献65附录68英语翻译76英文原文76中文译文841 绪论1.1纤维素酶简介纤维素作为植物光合作用的主要多糖类产物,是地球上最为丰富的可再生性天然资源。
据估计,地球纤维素每年通过光合作用的更新量约为4. 0×1010吨,Liitzen 等在1983 年推算出纤维素的合成速率相当于全人类每人每天70 千克,这一惊人的结果足以显示其对整个人类的价值所在。
然而,目前约80 %未被开发利用,具有极为诱人的前景。
对纤维素的深入研究和利用必将是解决当前世界许多国家普遍面临的粮食,饲料和能源短缺及环境污染等问题的一条有效途径,并已成为21 世纪各国共同关注的一项重大课题。
植物纤维素的高聚合度、毛细管结构、木质素和半纤维素所形成的保护层及其超分子结构中具有高结晶度(crystallinity index) 的结晶区存有大量氢键(包括分子链内、链间及分子链与表面分子之间形成的氢键) 是造成纤维素难以被利用的根本原因。
从高效和环保的角度出发,纤维素被彻底分解而无污染的一条有效途径便是利用纤维素酶(cellulase) 的水解作用。
可是,当前纤维素酶的高昂费用是其难以在工业上被推广应用的主要因素。
过去的一些研表明,对含纤维素物质进行一定的前处理(方法主要有球磨法,汽爆法,γ射线照射法,酸碱法和氧化法等) ,但仅是在较低的程度上提高了纤维素酶的水解效率。
一些高产菌株的获得,在目前条件下也难以大幅度降低纤维素酶的成本。
还需要在这方面开展更广泛而深入地研究。
纤维素酶(cellulase)是利用产纤维素酶的菌株经过固体发酵或液体深层发酵提取精制而成的液体状酶制剂。
纤维素酶由三种功能不同但又互补的酶组成,能水解天然纤维素成为葡萄糖分子。
这三种酶是内切葡聚糖(Endoglucanase.EG.EC3.2.1.4)、外切纤维素酶(cellobiohydrolase. CBH, EC 3. 2. 1. 91)和β-葡萄糖苷酶(β-Glucanases. GE, EC3.2.1.21)。
木酶属被认为是纤维素酶系最全面,分解天然纤维素活力最高的一类丝状真菌。
纤维素酶对能源危机、食品和饲料紧张及环境污染等问题的解决有积极的作用,纤维素酶的开发利用将会产生很大的经济价值。
纤维素(cellulose )是植物细胞壁的主要成分，约占植物干重的三分之一至二分之一。
世界生产和目前储存的纤维素生物量比任何一种碳水化合物都要多得多，是一种十分巨大的生物质资源，可为人类提供用之不尽的能源。
但是目前这一资源的利用大约不到地球上总贮存量的0.5，仅有一小部分被用于纺织、造纸、建筑、饲料、制药、农肥、燃料等方面，大部分未得到利用而被抛弃或焚烧，不仅造成资源的巨大浪费，而且污染环境，危害很大。
如果能利用纤维素酶将大量的纤维素资源酶解成单糖，再经发酵可生产出化工原料、饲料、燃料、食物和药物等，开辟饲料、发酵工业原料和人类食品的新来源，同时还可以处理废物、减少公害、保护环境。
因此研究纤维素资源的综合利用具有深远的意义，日益引起世界各国的关注和重视。
1.2纤维素酶的研究状况早期就有研究表明,纤维素酶是一类胞外酶,从培养物滤液中就可以很容易得到。
它又属于诱导酶(但在细菌方面以固有酶居多) ,在诱导物存在下,才能大量产生。
纤维素酶的分泌又受分解代谢产物阻遏(catabolite repression) 和反馈抑制(feedback inhibition) 两种作用。
许多不溶性的纤维素、可溶性的纤维衍生物、一些低聚糖类对某些单糖和二糖均可作为纤维素酶的诱导物。
但需要一提的是,纤维二糖、葡萄糖和甘油等低分子可溶性糖在低浓度时有促进作用而较高浓度时便开始抑制。
当然,对于不同微生物来说,同一浓度的同一物质也可能有着不同甚至完全相反的作用。
这方面的研究还甚少。
纤维素酶的分泌与细胞膜的通透性有着密切的关系,这是Reese 和Maguire 得出的结论,他们在绿色木霉QMa6 的培养基中添加一定浓度的油酸钠、亚油酸钠、吐温80 和蔗糖单棕榈酯等表面活性剂,结果都大量增加了纤维素酶产量,且缩短了产酶时间。
在纤维素酶的生产过程中,pH 值和发酵时间是关键。
Mandles等发现,在分批培养物发酵过程中,起初pH 最好是自然下降到3. 0～3. 5 ,再加控制以防止pH 降低,消耗纤维素以后自然上升,这样有利于酶的大量分泌。
连续培养的情况不同,保持较低pH 时,菌生长受到抑制,酶产量减少,而保持pH5. 0 时则可提高酶产量。
纤维素酶的发酵过程中,有分泌高峰期,且高峰期的稳定性因培养基不同而有很大差异。
故准确控制发酵时间是纤维素酶生产的另一个重要参数。
综合上述,这里引发了一个新思路,就是对发酵不同阶段分别进行不同控制(如pH 值、温度、通气量、培养基成分) 可能在很大程度上提高酶产量。
要获得较高酶产量,发酵方法是非常重要的方面,目前生产纤维素酶的国家主要有日本、美国、德国和荷兰。
日本过去多用固体曲生产,后来由于这种方法难于监控,某些组分常常吸附于固体残余物上,增加了提取难度,不利于现代化流水作业,于是不少改为液体深层发酵。
美国一直都是使用这种方法,并在此基础上出现了流加培养法、分批发酵法、连续发酵法、二次发酵法以及细胞循环法等等。
混合微生物发酵法是纤维素酶生产中的又一新途径。
因不同真菌的纤维素酶系在各组分均衡性方面有互补的现象。