年产两千吨海藻糖工艺设计

山东轻工业学院2012届本科毕业设计

本科毕业设计(论文)

题目 年产2000吨海藻糖工艺设计

学院名称 食品与生物工程学院

专业班级 生物工程08级1班 学生姓名

艾 亮 亮

导师姓名 王 腾 飞

2012年 5月 30日

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年产2000吨海藻糖工艺设计

作 者 姓 名 艾 亮 亮 专 业 生 物 工 程 指导教师姓名 王 腾 飞 专业技术职务 讲 师

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目 录

摘 要 .............................................. 1

第一章 绪论 .................................... 3

1.1 前言 ................................................. 3 1.1.1 开发背景 ........................................... 4 1.1.2海藻糖的功能特性 .................................... 4 1.1.3海藻糖的生产方法 .................................... 5 1.1.4 国内外海藻糖的发展现状 ............................. 6 1.1.5 海藻糖的发展前景 ................................... 7 1.2 设计原则 ............................................. 7 1.2.1设计总则 ........................................... 7 1.2.2机器设备布置的原则 .................................. 8 1.2.3 工艺流程设计原则 ................................... 8 1.3海藻糖生产的设计概述 .................................. 8 1.3.1设计依据 ........................................... 8 1.3.2设计内容 ........................................... 8 1.3.3设计规模 ........................................... 9

第二章 海藻糖的质量标准 ........................ 9

2.1海藻糖的理化指标...................................... 9 2.2海藻糖的卫生指标..................................... 10

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第三章 厂址选择 ............................... 10

3.1厂址选择的重要性..................................... 10 3.2厂址选择的原则 ...................................... 10

第四章 工厂的总平面布置 ....................... 14

4.1工厂组成 ............................................ 14 4.2车间布置原则 ........................................ 14 4.3工厂总平面布置 ...................................... 15 4.4车间建设标准 ........................................ 15

第五章 工艺流程 ............................... 16

5.1海藻糖生产工艺流程 ................................... 16 5.2微生物的培养 ........................................ 16 5.3配置麦芽糖溶液车间 ................................... 17 5.4转化车间 ............................................ 17 5.5提取车间 ............................................ 17 5.6包装、标志、贮存及运输 ............................... 18

第六章 海藻糖生产工艺计算与设备 ................ 19

6.1配制麦芽糖溶液车间 ................................... 19 6.2转化车间计算 ........................................ 19 6.3过滤、脱色及脱盐车间 ................................. 21 6.4分离、 浓缩车间 ...................................... 22 6.5 结晶，分离 .......................................... 22

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6.6 干燥及包装 .......................................... 23

第七章 辅助部门及公用系统 ..................... 25

7.1工厂运输 ............................................ 25 7.1.1厂外运输 .......................................... 25 7.1.2厂内运输 .......................................... 25 7.1.3车间运输 .......................................... 25 7.2机修车间 ............................................ 25 7.3给排水、供电、供汽 ................................... 25 7.3.1给水系统 .......................................... 25 7.3.2排水系统 .......................................... 25 7.3.3供电系统 .......................................... 26 7.3.4供汽系统 .......................................... 26 7.4化验室及仓库 ........................................ 26 7.4.1化验室 ............................................ 26 7.4.2仓库 .............................................. 26 7.5全厂人员安排 ........................................ 26

参考文献 ....................................... 28 致 谢 ......................................... 29

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摘 要

海藻糖（1-a-D-葡萄糖吡喃糖， a-D-吡喃葡萄糖苷）是由2 个葡萄糖分子通过 α,α→1 ，1 键结合而成的非还原性双糖，广泛分布于植物、昆虫、真菌、酵母和细菌中。海藻糖是一类在干旱、低温、热击或脱水等逆境环境下具有独特抗逆保护作用的二糖

日本科学家在1995年发现了能够以麦芽糖为底物生成海藻糖的海藻糖合成酶。海藻糖合成酶转化反应不需要消耗高能物质，不需要磷酸盐共存；而且该酶的特异性较强。只作用于麦芽糖生成海藻糖，麦芽糖对海藻糖的转化率约为70％-80％；原料可由淀粉通过酶转化生产，也可以直接使用价格便宜的麦芽糖糖浆，原料成本可大为降低；由麦芽糖转化成海藻糖仅需一步反应，工艺简单，易于调控。是一种适宜工业化生产海藻糖的方法。

近年来，随着海藻糖的优良特性的不断发现，海藻糖在生物医药、化妆品、食品等各种领域日益展现出诱人的应用前景，引发了人们对海藻糖的生产技术和应用技术开发的热潮。

关键词：麦芽糖 海藻糖 海藻糖合酶

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ABSTRACT

Trehalose (1-a-D-glucopyranosyl a-D-glucopyranoside) is a disaccharide with an a,a-1,1 glycosidic linkage and is widely distributed in plants, insects, fungi, yeast, and bacteria. Trehalose is a kind of disaccharide with a unique protective effect of resistance to drought, low temperature, thermal shock or dehydration stress condition. Japanese scientists discovered trehalose synthase which is capable of producing trehalose with maltose as substrate in 1995.Trehalose synthase reaction does not require consumption of energy, no phosphate coexistent and the enzyme specificity is strong. It only works on maltose formation of trehalose, and maltose on trehalose conversion rate is approximately 70%-80%. raw material from starch by the enzyme into production, or can directly use the cheap price of maltose syrup. Therefore, raw material costs can be greatly reduced and maltose into trehalose by only one step reaction is simple and easy to control. It is a suitable method for industrialized production of trehalose.

Recent years, with the constant discovery of the excellent characteristics of trehalose, trehalose in biological medicine, cosmetics, food and other fields are increasingly showing an attractive application foreground, which leads to a development boom of trehalose production technology and application technology. Key words: Maltose; trehalose; trehalose synthase

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第一章 绪论

1.1 前言

“海藻糖”这个术语源于一种沙漠甘露-虫茧蜜，它是由法国化学家Berthelot发现的(Nwaka & Holzer,1998)。 海藻糖是由两个葡萄糖分子以α,α-1,1-糖苷键构成的非还原性糖。其分子式为 C12H22O11·2H2O ，相对分子量为 378.33，无水海藻糖的分子结构如图1.1所示。

(a) 海藻糖分子的Harworh式

(b) 海藻糖分子的构象式 图1.1 海藻糖的分子结构

Figure1.1 Molecule structure of trehalose

我们通常所说的海藻糖为α,α-型海藻糖，化学名称为α-D-吡喃葡萄糖基α-D-吡喃葡萄糖苷(α-D-glycopyranosyl-α-D-glycopyranoside)，也被称作蘑菇糖(Mushroom sugar)，其实它还有两种同分异构体(isomers)，即α,β-型海藻糖(新海藻糖，Neo-Trehalose)和β,β-型海藻糖(异海藻糖，Iso-Trehalose)，只是后两种在自然界很少见[5,6]。目前研究较多的是天然存在的α,α-型海藻糖，它是天然双糖中最稳定的糖类，只被具有特异性的海藻糖酶所分解

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1.1.1 开发背景

海藻糖最初是Wiggers从黑麦的麦角中首次分离出来，后来发现广泛存在于细菌、真菌、藻类及无脊椎动物体内。海藻糖是一种安全的天然糖类，无毒无害，对人体无副作用，具有优质甜味、非着色性、耐酸、耐热、低吸湿性等特性，它还具有其他双糖所没有的独特的生物学特性。当生物细胞处于饥饿、干燥、高温、高渗透压等恶劣环境时，胞内海藻糖含量迅速上升，对多种大分子具有保护作用，从而维持生物体生命特性，外源性的海藻糖同样随生物和生物大分子有良好的非特异性保护作用，因此在科学界素有“生命之糖”的美誉。随着其独特的生物学性质及功能的发现，海藻糖逐渐成为国际上的研究热点。

1.1.2海藻糖的功能特性

1.抗脱水保护功能

海藻糖对逆境（高温、冷冻、干燥、高渗等）具有高抗性，许多含丰富海藻糖的动植物完全干燥失水后仍然维持活性，一旦遇水立刻复活。

关于海藻糖的防脱水机理有以下三种假说：一种以Crowe等人为代表提出的“水替代”假说，他们认为当生物大分子失去维持其结构和功能特性的结构水膜时，海藻糖能在生物分子的失水部位以氢键形式联接，形成一层保护膜以代替失去的结构水膜。另一种为“玻璃态”假说，认为通过海藻糖玻璃化转变的趋势，导致无定形连续相的形成，在结构上与玻璃态的冰相似，在这种结构中分子运动和分子变性反应非常微弱。第三种是“优先排阻”假说。以上假说均是从分子角度考察海藻糖的作用机理，基本上都是与生物分子形成“分子复合物。

2.抗辐射功能

海藻糖可保护细胞DNA不被放射性物质损伤。据报道，当存在10mmol海藻糖时，DNA可忍受4倍剂量的β，γ-射线，糖含量越高，保护作用越强。其机理为：射线引起的DNA断裂反应主要是由周围水分子解离产生的羟基自由基引发的，而海藻糖可有效的清除。

3.提高植物的抗寒、抗盐功能

经海藻糖处理的绿豆幼苗质膜上Mg2+、K+-ATPase的活性显著提高。用0.1%的海藻糖溶液浸水稻种，经2℃和6℃低温处理后，水稻幼苗细胞电解质渗透率显著降低，而淀粉酶活性及幼苗可溶性糖含量则提高，对寒害的修复能力也提高。而且处理温度愈低，海藻糖的相对效应就愈显著。用海藻糖预处理的小麦幼苗在NaCl溶液中生长，其细胞电解质渗透率和游离脯氨酸的含量均显著降低，而叶绿素的含量、根系活力、干物质的积累和生长速度则提高。这是因为海藻糖能在作物遭受低温、盐害而脱水时，维持了细胞膜结构的稳定性，从而提高了作物的抗逆能力。

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4.其他功能

海藻糖还具有抗冷冻保护功能、防止淀粉老化、防止蛋白质变性、防蛀牙、稳定组织细胞结构与保鲜效果、稳定物料中超氧化物歧化酶等诸多功能。

1.1.3海藻糖的生产方法

海藻糖的生产方法目前主要有微生物抽提法、微生物发酵法、酶转化法以及基因工程法几种。

1.微生物抽提法

该方法是以乳酸菌、酵母、霉菌及其他一些含海藻糖的菌体为原料，通过干燥、改变渗透压等方法进行处理，然后经过乙醇等有机溶剂抽提、精制，从而得到较高纯度的海藻糖晶体。最初是由欧美等国从面包酵母中抽提获得。后期随着工艺的不断改进，已较为成熟，成为生产海藻糖的重要方法，但是由于提取资源有限，成本高，很大程度上制约着海藻糖大规模工业化生产。

2.微生物发酵法

该方法是以酵母、诺卡氏菌属、微球菌属等微生物经过诱变、细胞融合或基因重组选育出高产海藻糖的菌株，在高浓度或高渗基质上发酵培养，再从发酵液中提取精制而成。日本首先从发酵液中提取海藻糖，提取率可达到88.6%，同时纯度达到99.5%。国内杭州商学院在研究开发深层灰树花中提取海藻糖也已获得突破性进展。缺点是转化率低，发酵液成分复杂，海藻糖提取、精制困难。

3.酶转化法

酶转化法制取海藻糖的途径有多种，根据作用底物不同主要分为三种，分别为以葡萄糖为底物、以麦芽糖为底物和以淀粉为底物。

（1）以葡萄糖为底物

利用专一性很强的葡萄糖磷酸化酶和海藻糖磷酸化酶，经两步作用将两个葡萄糖分子转化为海藻糖。但在整个反应过程中需要消耗高能物质UDP或GDP，所以很难实现大规模工业化生产。

（2）以麦芽糖为底物

利用麦芽糖磷酸化酶、海藻糖磷酸酶共同作用麦芽糖或海藻糖合成酶单独作用于麦芽糖生成海藻糖。其中海藻糖合成酶在催化过程中不需要消耗高能物质，并且不需要磷酸且转化率高达70%~80%，这为海藻糖的大规模生产提供了有利条件。

（3）以淀粉为底物

1995年日本林原生化研究所报道了他们发现的两种新酶低聚麦芽糖基海藻糖合成酶(MTSase)和低聚麦芽糖基海藻糖水解酶(MTHase)共同作用，可以由淀粉直接通过酶法生成海藻糖，在支链淀粉酶的协同作用下，海藻糖转化率高达85%。该方法的发现使每公斤海藻糖由数万日元降至数百元。

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4 基因工程法

用“工程微生物”或构建具有抗逆性的转基因植物生产海藻糖，不仅可以提高质量还可以降低成本。荷兰的Mogen和Vander Have公司已经开发出了提高甜菜和马铃薯等作物中海藻糖产量的技术，并获得了专利。随着基因重组技术的发展，该方法一定会越来越广泛应用于工业生产。

1.1.4 国内外海藻糖的发展现状

海藻糖广泛存在于自然界中许多生物体内，人们日常生活中食用的蘑菇类、海藻类、豆类、虾、面包、啤酒及酵母发酵食品中也都有含量较高的海藻糖。海藻糖具有非还原性、优质甜味、低致龋性、保湿性、低热值性等特性，可用于食品工业、分子生物学、医学、农业、化妆品工业等领域。在食品安全问题日益受到关注，AA级绿色食品禁用任何化学合成食品添加剂的今天，海藻糖作为一种安全的天然食品添加剂，成为各国科学家研究的热点，并得到肯定和推荐。2000年10月，美国食品和药物管理局（FDA）授予海藻糖GRAS（公认安全），并批准进入美国食品领域；2000年11月，联合国粮农组织和世界卫生组织(FAO/WHO）食品添加剂联合专家委员会（JECFA）确认对海藻糖的每日允许摄入量（ADI）不需限制；2001年9月25日，欧盟批准海藻糖作为新型食品或食品添加剂进入其市场。海藻糖由此成为热门的新兴产品，其应用范围十分广阔。

目前，全球范围内进行海藻糖应用技术研究的有数百家企业和科研机构。随着海藻糖工业化规模生产的实现和研究的不断深入，海藻糖已广泛应用在欧洲、美国、日本、东南亚等三十多个国家和地区的近万种商品中。

在日本及我国台湾的超级市场中，已经有家庭用的海藻糖出售，主要用于家庭肉类、果蔬、米饭、米糕、点心保鲜。英国糖业集团（BritishSugar）作为欧盟二十多个国家的海藻糖独家代理，正在极力推荐在各种食品中使用海藻糖。日本是应用海藻糖最为普遍的国家，年消费量高达2万吨以上，其中以点心类食品中应用最多。自海藻糖在日本国内上市以来，就以其低甜度、味道爽淡、非着色性等特性，在以日式点心为主的点心市场迅速普及，取代了20％—30％的砂糖、糖稀。海藻糖除用于食品保鲜外，在新型饮料、水产、冷冻食品领域等也都得到了广泛应用。

日本和泰国在大米中加入2％海藻糖进行保鲜，我国台湾2001年也开始采用此项技术，取得了较好的社会效益和经济效益，使大米的保质期从数个月延长到五年以上，减少了大米数千万吨的变质损失。

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1.1.5 海藻糖的发展前景

20世纪90年代后，随着海藻糖的生物学特性引起了人们的密切关注，国内许多科研单位，如中科院微生物研究所，江南大学，江苏省微生物研究所以及广西科学院等也进行了研究。近年来，我国科研人员终于也取得了用生物工程酶法转化淀粉生产海藻糖的技术成果，使我国成为继日本之后又一个用酶法转化淀粉实现工业化生产海藻糖的国家。

海藻糖是一种天然糖类，也是一种有着许多重要功能的新型糖。海藻糖在食品、医药、化妆品等领域都具有极为广泛的用途。目前国际市场对海藻糖的需求量很大，估计年需求量达10万吨以上，而目前国际上海藻糖的生产能力不到5万吨。国内过去所用的海藻糖基本都是从日本进口，用酶法生产海藻糖产品代替进口产品必将有很大的市场空间。由于国内现有的功能性糖生产设备和工艺可改造用于海藻糖的生产，因此，加快对海藻糖工业化生产的核心技术研究和应用开发，必将推动我国功能性糖行业产品的结构调整和质量提升，同时也给我国食品工业及相关行业新产品的开发带来新的机遇。

1.2 设计原则 1.2.1设计总则

1．须认真的调查研究，尽可能采用可靠又实用的新技术、新工艺和新设备，做到精心设计，投资省、技术新、质量好、效益高、资金回收期短、利于环保，以达到预期的较高综合效益。

2．优质、高产与低消耗同步重视，既要保证良好的产出，又要尽可能做到节能水电，并通过三者的协调考虑达到效益的最优化

3．设计必须结合实际，因地制宜，体现设计的通用性和独特性相结合的原则。

4．平衡质量、规模、效益和发展的关系，提高建厂效益，为下一步发展留有一定的余地。

5．充分考虑设备安置地点的空间与平面特征，力求节约占地面积。 6．应考虑到微生物发酵的独特要求，注意环境卫生和工厂车间中的对卫生、无菌、防火的要求。

7．提高整套设备的自动化水平，使现代化仪表控制贯穿始终，以降低工人的劳动强度、改善工人的工作环境。

8．在保证方便实用的前提下，设备安置与所处环境的搭配力求和谐、美观，合理控制温度、噪音、原料堆放，满足消费者和工作人员的生理要求，以提高企

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业的人文环境，增强软实力。

1.2.2机器设备布置的原则

1．尽可能保持生产过程的连续性，使在制品处于加工检验或运输状态，减少中断与停顿、这就要求各生产环节能布置得流程通畅、紧密衔接，各生产环节的加工能力应该匹配。

2．工件加工中的运送路线要短，尽可能地减少在制品运送次数与运送量，工人操作的行走路线要短，提高工作效率。

3．车间内要留出足够的通道面积，通道要直，尽可能少转弯，物流通道与人行走道最好分开。

4．充分保证生产用面积，提高利用率，不需要的工具等物品清理出现场。 5．设备布置要保证安全，要便于工人操作和布置工作地。

1.2.3 工艺流程设计原则

1．设计应当保证技术上的先进和经济上的合理可行，具体包括基建投资、产品成本、消耗定额和劳动生产率等方面的内容，应选择物料损耗小、循环量少，能量消耗少和回收利用好的生产方法。

2．所选择的生产方法和工艺流程应当成熟可靠。应坚持一切经过试验的原则，不允许把未经试验验证的生产厂当作设计。另外，对生产工艺流程的改革也应采取积极而又慎重的态度，不能有侥幸心理。

3．结合当地具体的环境以及人文情况进行设计，符合国家标准。

1.3海藻糖生产的设计概述 1.3.1设计依据

1.年产2000吨海藻糖项目设计合同书； 2.建设厂家提供的项目基础资料；

1.3.2设计内容

1. 海藻糖的生产工艺流程图； 2. 海藻糖生产车间的设备布置图；

3. 海藻糖转化设备的选型计算、设备装配图；

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4.生产所用的公用设施及动力设施； 5.水、电、热厂区布置。

1.3.3设计规模

年产2000吨海藻糖生产车间，转化车间实现计算机自动控制。

1.3.4产品的质量要求

海藻糖的质量要求依照国家标准QB/T 2848-2007。 理化要求：如下表

海藻糖的基本性质

Table 1.1 Basic property of trehalose

名称 性质 a.熔点 b.熔解热 c.甜度 d.吸湿性 e.消化性 f.溶解度 g.旋光度 h.pH稳定性 温度（℃）

C12H22O11·2H2O 97℃ C12H22O11 251.5℃ C12H22O11·2H2O 57.8KJ/mol C12H22O11 53.4KJ/mol 相当于蔗糖的45％

C12H22O11·2H2O RH≥90%，C12H22O11 RH≥30％ 有吸湿性 在体内可经海藻糖酶分解消化吸收 (100g水中海藻糖的重量g) 178（20℃，1％水溶液） ＞99％（pH3.5~10，100℃，24h） 10

20

30

40

50

60

70

80

90

溶解度（g/100g） 55.3 66.9 86.3 109.1 140.1 184.1 251.4 365.9 603 饱和浓度（％）

35.6 40.8 46.3 52.2

58.3

64.8

71.5

78.5

85.8

第二章 海藻糖的质量标准

我国于2007年5月发布了中华人们共和国轻工业行业标准《海藻糖》（QB/T2848-2007）,对海藻糖的理化指标和卫生指标规定如表2-1和表2-2。

2.1海藻糖的理化指标

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表2-1 海藻糖理化指标

项目 无水海藻糖 优级 含量（以干基计）/％ pH 灼烧残渣/％ 干燥失重/％ 色度 浊度 ≥99 5.0~6.7 ≤0.02 ≤1.0 ≤0.1 0.05 ≤0.02 ≤1.0 优级 ≥99 5.0~6.7 ≤0.05 ≤1.5 ≤0.1 0.05 结晶海藻糖 一级 ≥98

2.2海藻糖的卫生指标

表2-2 海藻糖卫生指标

项目 无水海藻糖 优级 铅（Pb）/（mg/kg） 砷（As）/（mg/kg） 菌落总数/（个/g） 大肠菌群/（MPN/100g） 霉菌和酵母菌/（个/g） 致病菌（系指肠道致病菌和致病性球菌） ≤0.1 ≤0.1 ≤100 阴性 100 结晶海藻糖 优级 ≤0.1 ≤0.1 ≤100 阴性 100 不应检出 一级 ≤0.5 ≤0.5 ≤300 ≤30 100 第三章 厂址选择

3.1厂址选择的重要性

厂址选择是基本建设前期的重要一环，这不仅关系到建厂过程中是否可以减少投资费用，按期完成工厂设计中的各项指标，而且对投产后的长期生产、技术管理、发展远景都有很大的影响。

3.2厂址选择的原则

厂址选择一般包括地点和场地选择这两个概念。地址选择既是对所建厂在某地区内的方位（即地理坐标）及其所处的自然环境状况，进行勘查调查、对比分

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车间的外观美，能给常年在车间内工作的人员以美好印象，获得愉悦的心情，装置布置的外观美表现在以下几个方面：

1、设备排列整齐，成条成块；

2、塔群高低排列协调，人孔尽可能排齐，并都朝向检修道路侧； 3、框架、管廊主柱对齐纵横成行； 4、建筑物轴线对齐，立面高矮适当； 5、管道横平竖直，避免不必要的偏置歪斜； 6、检修道路与工厂系统对齐成环形通道； 7、与相邻装置布置格局协调。

第五章 工艺流程

5.1海藻糖生产工艺流程

菌种培养→细胞破碎→海藻糖合成酶提取 活性炭 ↓ ↓ 麦芽糖（配料罐）→生物转化（转化罐）→过滤(板框过滤机) →脱色→炭渣 ↑ ↓ 脱盐 ↓ 麦芽糖← 分离 ↓ 结晶 ↓ 干燥 ↓ 包装 5.2微生物的培养

①出发菌株 本实验采用带有氨苄抗性的大肠杆菌。 ②种子培养基

葡萄糖 20~40g/L KH2PO4 1g/L 蛋白胨 5g/L MgSO4 0.5g/L

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酵母膏 1 g/L CaCO3 5g/L Na2HPO4 0.6g/L

③培养温度：27℃。种龄：24h。摇床转速：200r/min。装液量：每500ml三角瓶装100ml培养基。灭菌：115℃，30min。 ④发酵培养基 同种子培养基

⑤发酵培养条件 接种量：1％。温度：27℃。pH：7.0。发酵周期：40h。酶活力：发酵液：菌体胞内＝35：65（总酶活力0.75U/ml）

5.3配置麦芽糖溶液车间

在配料罐中麦芽糖加水配制成浓度大约为30%麦芽糖溶液，然后适当加入酸碱调节ph=7.0左右。

5.4转化车间

(1) 转化

将配置好的麦芽糖溶液导入转化罐转化，将转化温度保持在35℃，pH保持在7.0左右。搅拌反应48h。终止转化，然后升温至80℃，保持10min，使酶灭活。然后将转化液送入提取工序。 (2)仪表控制

对于转化过程中有关重要的参数如pH、温度、压力、流量等进行仪表控制,各参数的控制均采用在位表与远传数显表相互参照，其中pH电极控制碱液的流加。

5.5提取车间

1、过滤

采用板框式过滤，除去醪液中的大颗粒杂质，以方便后续程序的进行。 2.脱色

过滤醪液中含有色素等杂质，它们都具有较大的比表面积和表面能，较易被吸附剂(特别是多孔性固体吸附剂)所吸附。色素在转化液过滤时，可以穿透过滤介质，被菌体残渣带走的仅是一少部分，本工艺采用粉末状流活性炭脱色。活性炭对色素具有很强的吸附作用。活性碳用量为2%，进行板框过滤。 3.脱盐

过滤醪液有很多多两性电解质，在酸性条件下带有正电荷，在碱性条件下带有负电荷。本工艺采用离子交换柱法脱盐（H+型和OH-型树脂），四根不锈钢离子交换柱串联。然后得到麦芽糖糖浆。 4.分离

在传统的分离方法生产时，海藻糖的产率不是很高，而用模拟移动床则能达到较高的分离效率。模拟移动床是一种利用吸附原理进行液体分离操作的传质设

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备。在色谱分离中对不同组分进行分离，主要是利用各种组分在色谱柱中的迁移速率不同来完成的。假设A和B两种组分的分离，A和B对固体的吸附力是不同的（其中B比A对固体的吸附力要强，因而B在色谱柱中的迁移速率比A小），这就存在一个合适的速度（介于A、B两种组分迁移速率之间）让固体与溶剂作反向运动，从而使得A向上游移动、B向下游移动，从而完成了A与B的分离它是以逆流连续操作方式，通过变换固定床吸咐设备的物料进出口位置，产生相当于吸附剂连续向下移动，而物料连续向上移动的效果。这种设备的生产能力和分离效率比固定吸附床高，又可避免移动床吸附剂磨损、碎片或粉尘堵塞设备或管道以及固体颗粒缝间的沟流。转化醪液经过滤脱色再经模拟移动床分离，海藻糖浓度可达到50% 。 5.浓缩

浓缩是将离交液进行减压蒸发，浓缩罐压力为-0.08～-0.095MPa,考虑到蒸汽的利用效率，浓缩设备可选用三效浓缩设备。浓缩过程中往往会形成大量泡沫上浮，造成跑料，此时要打开进气阀门(或进料阀门)，做一、二次破真空操作，即可稳定。浓缩过程中要经常检测浓缩液的浓度，防止浓缩过头，海藻糖在浓缩罐内结晶,要注意经常向浓缩锅中补料,防止蒸汽换热器发生干烧现象,造成换热管堵塞 6.结晶

浓缩结束后，浓缩液在结晶罐中进行结晶，结晶浓度大于50%，然后进行离心分离。

离心分离：结晶结束后，用离心机将晶体和母液分离,分离过程中用去离子水清洗掉晶体表面的杂质,冲洗水一起回收，本工艺采用用连续离心分离设备。

本工段是将结晶工段离心分离得到的重结晶湿晶体在流化干燥床中干燥，干燥温度小于80℃，离心分离湿结晶含水大约10%，干燥至含水小于1%，该机由振动电机驱动，以某一固定频率、沿一定方向做周期振动，粒状海藻糖颗粒在机内呈流化状态，与热风充分接触，完成传质传热的过程，达到干燥的目的。

5.6包装、标志、贮存及运输

(1)本产品用纸箱做外包装，内包装采用药用塑料瓶，每瓶净重1kg，允许误差±20g。

(2)每批产品出厂前都应附有质量合格证书，内容包括厂名称、批号、生产日期、净重、检验代号等。

(3)运输过程中应注意防潮，贮于阴凉、干净、通风良好的库房内，不宜露天堆放。

(4)在贮藏运输过程中，不得与有色、异味物质混装、混运或一起堆放。

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第六章 海藻糖生产工艺计算与设备

6.1配制麦芽糖溶液车间

本设计是年产2000吨的海藻糖工艺设计，规定每年300个工作日，管理职能科室执行日白班制，每班8小时，生产车间执行日三班制，每班8小时。则日产量为2000÷300＝6.67吨，取整一天7吨。现在海藻糖工厂的转化率为65%左右，提取率为80％。

a.计算配料罐罐个数及容积

日用麦芽糖量：7÷65%÷80%=13.46t/d

麦芽糖浓度为30%，则日需麦芽糖溶液量：13.46÷30%=44.87t/d 日需水量：44.87×70%=31.409t/d

综上所述，配制麦芽糖溶液车间每天用水量为31.409t/d，用汽量为0，麦芽糖用量为13.46t/d。

综上所述，配制30%的麦芽糖溶液，.配料罐选60m31个。 b.用气量计算

为了使麦芽糖充分溶解，制成麦芽糖糖浆，需对配料罐进行加热，温度为60℃。原料初始温度20℃，水的比热容为4.1868 kJ/kg·℃，麦芽糖糖（绝干）的比热容为2.38KJ/kg. ℃。

Cp=4.1868×o.7+2.38×0.3=3.645 KJ/kg. ℃

蒸汽的热效率，取η=95%，汽化潜热I=2725.3 kJ/kg，30%麦芽糖溶液的密度为1.30kg/ m3，升温所需要的蒸汽用量：3.645×60×103 ×0.75×1.30×（60-20）/（2725.3 ×0.95）=3294.4kg＝3.3t 所以，每天用蒸汽量为3.3t c.用水量计算

每天需要冲洗配料车间，每天需水量为2t，每天配料需水量为31.41t，所以，配料车间每天需水量为33.41t。

6.2、转化车间计算

a.计算转化罐个数及容积

（1）全年按300天生产期计，转化液含海藻糖19.5%（65%×30%），提取率80%，日放罐糖液为： 2100/300÷19.5%÷80%=44.87t

30％麦芽糖液的密度为1.3t/m3，糖液体积为： 44.87÷1.3＝34.52m3

转化罐容量60m3，投料系数75%，单罐产量：

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50×75%×1.3×19.5%×80%=7.61t 全年应放罐次数:

2100÷7.61=275.95次/年，取276次/年 每批转化周期48小时计

每支转化罐全年放罐次数为:300×24÷48=150 应设转化罐个数为276÷150=1.84个，取2个 所以，转化罐取50m32个。 (2)接种量的计算

1g干菌体可以生成24g海藻糖，要生成2100t海藻糖，

则需要干菌体的量：2100÷80％÷65％÷24＝168.27t，每天需要0.56t干菌体。 b.用汽量计算

配制了麦芽糖溶液后，打入转化罐并在120℃下进行高温灭菌30min，原料初始温度60℃（经配料罐加热），水的比热容为4.1868 kJ/kg·℃，麦芽糖糖（绝干）的比热容为2.38KJ/kg. ℃。

Cp=4.1868×o.7+2.38×0.3=3.645 KJ/kg. ℃ （1）麦芽糖溶液灭菌升温阶段

蒸汽的热效率，取η=95%，汽化潜热I=2725.3 kJ/kg，30%麦芽糖溶液的密度为1.30kg/ m3，单罐升温所需要的蒸汽用量：3.645×50×103 ×0.75×1.30×（120-60）/（2725.3 ×0.95）=4117.99kg

2个转化罐升温阶段需要的蒸汽量为：4117.99×2=8235.98kg=8.236t 由于麦芽糖溶液是间断性灭菌，每个罐加热升温阶段为1h，则蒸汽的流量为4.12÷1=4.12t/h

（2）麦芽糖溶液灭菌保温阶段：保温阶段需要0.5h，则需要的蒸汽量为: 蒸汽流量×恒流时间=4012×0.5=2.06t 单罐灭菌总蒸汽量为：2.06+4.12=6.18t

单罐年转化次数为150次，则2个转化罐一年灭菌需要的总的蒸汽量为：6.18×2×150=1854t

则每天需要的蒸汽量为：Q1=1854/300=6.18t/d c.用水量计算

（1）灭菌后转化罐冷却用水 转化罐50m3 罐填充系数75% 麦芽糖溶液冷却用水量： 麦芽糖溶液温度：120℃→35℃ 冷却水温度：20℃→30℃ 冷却水用量：G=Q/c(t2-t1) 麦芽糖溶液放出总热量：

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Q=Gpcp（t1‘-t2’） =（50×1000×0.75×1.30 +12.36×1000）×2.38×(120-35) =12362553KJ 冷却用水量为：

G=12362553/【4.1868×(30-20)】=295275kg=295.27t 糖液量：Gp（kg）

糖液比热容：Cp（kJ/kg.℃ ） 糖液温度：t1‘，t2’（℃） 水的比热容：C（kJ/kg.℃） 冷却水温度：t1,t2(℃) 单周期需水量：G×2=590.55t

考虑到冷却水可以循环利用按照2%的耗用率计算：G×2×2%=11.81t 则全年需要的冷却水总量：G2= G×2×2%×150=1771.6t （2）清洗转化罐需要水量

每天冲刷体积为50m3的转化罐2个，每个用水2t，则每天转化车间用水量G4=2×2=4t/d

综上所述转化车间全年用水总量为：全年灭菌后冷却用水1771.6t，清洗用自来水1200t。

每天用水量为：2971.6 ÷300＝9.9t/d，循环冷却水5.5t/d，清洗用自来水4t/d。

总的蒸汽用量：6.18×2×150=1854t，则每天蒸汽用量为：6.18 t/d 转化车间设备：转化罐容量50m3，投料系数75%。

6.3、过滤、脱色及脱盐车间

a.所需过滤机的台数

过滤采用板框式过滤机，助滤剂加量按8%计，单台机填装滤渣按0.7吨计，每天拆装过滤机的次数为： x=(44.87+12.36) ÷(1.0÷8%)= 4.6 取5批。单机操作周期按4小时计，需要的过滤机数量为： 5÷(24÷4)=0.83，取过滤机1台。

b、过滤机用水量计算：过滤机1台，每台每天冲刷两次，用水量3t，使用时间1.5h,则用水量 为：G5=3×2×1= 6t/d c、脱色罐的个数：

脱色罐体积按20m3计，填充系数80%，单罐操作时间按4小时计，日操作脱色批数为： (44.87+12.36)÷(20×80%)=3.58 ，取4批。 则需要的脱色罐的数量为：4÷(24÷4)= 0.67 ，取1个。 d、转化醪液升温脱色所需的蒸汽量：

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脱色温度80℃，日需蒸汽量

Q2=(44.87+12.36)×0.91×(80-35)÷(656.3-100)= 4.21t/d 升温时间10小时，每小时用汽量： Q2,= Q2÷10=0.42t/h

综上所述：过滤及脱色车间每天需要的水量为：6t，需要的蒸汽用量为：4.21t 车间设备：板框过滤机 1台，脱色罐体积按20 m3计，填充系数80%，1个。 e.脱盐

本次设计采用离子交换脱盐（H+型和OH-型树脂），四根不锈钢离子交换柱串联，每根5m，总长20m。

6.4、分离、 浓缩车间

a、分离：转化完成后，经过滤脱色工序，转化醪中海藻糖分数为19.5%，麦芽糖的分数为10.5%，需要通过模拟移动床将海藻糖和麦芽糖分离开，分离后海藻的浓度达到50%，由于转化醪液为44.87t/d,而工作量为15t的模拟移动床每天工作时间为20小时，分离一个批次用时10小时，其余4小时用于设备维护: 所需处理的批数：44.87÷15=2.99，取3批。 所需模拟移动床的个数：3/(20÷10)=1.5，取2个。 即选用2个15t的模拟移动床。

b、浓缩：浓缩是将离交液进行减压蒸发，浓缩罐压力为-0.08～-0.095MPa,考虑到蒸汽的利用效率，浓缩设备可选用三效浓缩设备（三效蒸发器）。浓缩过程中往往会形成大量泡沫上浮，造成跑料，此时要打开进气阀门(或进料阀门)，做一、二次破真空操作，即可稳定。浓缩过程中要经常检测浓缩液的浓度，防止浓缩过头、麦芽糖在浓缩罐内结晶,要注意经常向浓缩锅中补料,防止蒸汽换热器发生干烧现象,造成换热管堵塞。

起始浓度按50%计，浓缩达到浓度按90%，日浓缩负荷为： (44.87+12.36)×19.5%×（1÷50%-1÷90%）= 9.92 t 日浓缩时间按16小时计，浓缩设备的工作能力为： 9.92÷16=0.62t/h

蒸发1吨水消耗蒸汽0.3吨计，日消耗蒸汽量: Q3=9.92×0.3=2.98t/d

6.5 结晶，分离

结晶：浓缩结束后，浓缩液到结晶罐中结晶，结晶浓度大于50％，然后进行离心分离。

离心分离：结晶结束后，用离心机将晶体和母液分离，分离过程中用冷水清洗晶体，除去晶体表面杂质，本工艺采用连续连续离心分离设备。

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离心按每天16个小时计，分离能力需要： （44.87+12.36）×30%÷50％÷16＝2.15 t/h

6.6 干燥及包装

a.干燥

本工段是将结晶工段离心分离得到的重结晶湿晶体在流化干燥床中干燥，干燥温度小于80℃，离心分离湿结晶含水大约10%，干燥至含水小于1%，该机由振动电机驱动，以某一固定频率、沿一定方向做周期振动，粒状葡萄糖酸钠在机内呈流化状态，与热风充分接触，完成传质传热的过程，达到干燥的目的。 b.包装，标志，贮存及运输。

(1)本产品用纸箱做外包装，内包装采用药用塑料瓶，每瓶净重1kg，允许误差±20g。

(2)每批产品出厂前都应附有质量合格证书，内容包括厂名称、批号、生产日期、净重、检验代号等。

(3)运输过程中应注意防潮，贮于阴凉、干净、通风良好的库房内，不宜露天堆放。

(4)在贮藏运输过程中，不得与有色、异味物质混装、混运或一起堆放。

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表6-1 海藻糖生产车间各步工艺用水用汽及原料用量一览表

车间名称 自来水用量t/d 循环水用量t/d 用汽量t/d 原料量t/d 配料车间 转化车间 33.41 4 5.9 2.89 3.3 6.18 4.21 2.98 13.46 活性炭 过滤及脱色车间 6 分离及浓缩车间 干燥及包装车间

表6-2 海藻糖生产车间各步设备选型一览表

设备名称 配料罐 规格型号 60m3， Φ3800×5290，锥底，常压 材质 304 功率 5.5 数量 1 转化罐 50m3， Φ3100×6200，上下椭圆封头 304 55 2 板框过滤机 脱色罐 两个型号一个备用 20m3， φ2040×6120，上下椭圆封头 1:1 锥底 下面斜角为15度 聚苯烯酰胺 304 7.5 2 1 离子交换柱 模拟移动床 贮罐 离心机 流化干燥床 循环水系统 包装机 φ120×500 15t 1:1 平底 304 304 4 2 1 1 1 1

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第七章 辅助部门及公用系统

7.1工厂运输 7.1.1厂外运输

厂外运输由公司统一调配。

7.1.2厂内运输

厂内运输主要是指车间外厂区的各种运输，本项目需增加以下运输工具： ⑴电瓶叉车：1辆 ⑵平板手推车：2辆

7.1.3车间运输

⑴垂直运输：电梯两袈，垂直输送带等； ⑵水平运输：带式输送机、手推车。

7.2机修车间

机修车间的任务是维修保养所有设备，公司已配备相应的维修设备，如砂轮机、电焊机、台虎钳，考虑本车间规模较小等原因，为减少成本，本车间不设专门的机修车间，维修任务有本公司的机修本门完成。

7.3给排水、供电、供汽 7.3.1给水系统

全厂由工业区供水网提供，项目生产全年用水为 万m3，包括生产用水、生活用水、冷却用水、厂区灌溉用水等。其中生产车间用水要符合饮用水要求。

7.3.2排水系统

生产车间内，排水明沟为250×200mm，坡度为2％，车间地坪坡度为1％。 废水经污水处理站后排放：室外排水采用清浊分流，厂区下水管采用混凝土

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管，其管顶预埋深度为0.8m，为防淤塞，设计管道流速为1m/s,管径不少于150mm。有防鼠装置。

7.3.3供电系统

全厂用电为216.8万kW·h，由项目所在工业区35kV变电站10kV高压电源输入。厂区内使用低压绝缘线，车间内供电管线、电器注意防潮、防热。用电包括生产车间各个工艺设备的耗电、机修车间等辅助部门的设备的耗电、厂区内照明用电等。

7.3.4供汽系统

主要用汽部门是生产车间，及办公室冬季取暖用。用汽量为14600吨，由该区热电厂提供。

设计管路蒸汽的流速为30m/s，蒸汽压为0.8MPa，蒸气密度为4.113kg/ m3： 查表得73×4管道在0.88MPa压力时，当流速为28 m/s时，其流量为1.69t/h。阻力为78mmH2O/m，符合要求，所以进车间的蒸汽输送管道可以选用73×4mm的热轧无缝钢管。

7.4化验室及仓库 7.4.1化验室

本设计根据生产需要，在车间专门设置车间化验室，来进行分析原辅料和成品的理化指标，以便于产品质量控制和安全控制。 7.4.2仓库

厂区的仓库在全厂建筑中地位特殊，仓库与生产车间的关系要处理好，务必对仓库的建设予以全面考虑。

7.5全厂人员安排

全年全厂生产天数为330天，管理职能科室执行日白班制，每班8小时；生产车间执行日三班制，每班8小时。

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表7-1 全厂定员及人员构成如下表：

序号

部 门

管理 人员

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

厂部及职能科室

销售部 检测中心 生产车间 其中：生产车间 原料辅库 成品库（含冷库） 制冷空压机车间 机修车间 水处理车间 变配电室 合计

3 2 0 3 0 0 0 0 0 0 8

技术 人员 2 2 2 4 0 0 0 0 0 0 10

人 数

工 人 1 0 0 18 1 1 3 1 3 3 31

小 计 6 4 2 25 1 1 3 1 3 3 49

备 注

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参考文献

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致 谢

时光飞逝，岁月如梭。四年大学即将过去，在这四年的生活中，轻院以它博大的胸怀，良好的学习氛围培育了我，使我在学业与人际交往的学习中获益匪浅。这四年的大学生活将永远刻在我的脑海里，成为最美好的记忆。在此谨以我最诚挚的心意，感谢母校的养育之恩。

在毕业设计完成之际，首先要感谢王腾飞老师。本设计是在王老师的悉心指导和大力支持下完成的，感谢王老师给我这么好的机会，让我通过该设计了解了工程方面的知识，学会了CAD制图，拓展了知识的宽度。感谢王老师的教诲和帮助，他渊博的学识、丰富的教学和科研经验、开阔的思路、敏锐的洞察力以及严谨的治学态度和敬业的道德风范，我会铭记在心，并会使我在今后的工作、学习和生活中受益无穷。

从王老师那里我获得了很多专业资料，他的见多识广也使我大开眼界，在此再次表示感谢。从王老师那里学到的不仅是专业知识，更多的是作风严谨，对工作的认真，无私奉献的精神，对我产生了极大的影响。

再次，也要感谢我的同组同学们，在与他们的探讨中给我提供了无偿的帮助，在和他们的共同学习生活中，也使我融于团队之中，受到了集体的温暖，这将使我在以后的学习、工作中更加重视团队的合作精神。

最后，衷心感谢所有帮助、关心、支持和勉励过我的人！祝他们身心健康，工作顺利，生活幸福！

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