乳糖酶生产线设计终稿

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1、南京工业大学 生物与制药工程学院 发酵设备及工厂设计发酵设备及工厂设计课程设计课程设计 设计项目名称 200t/a乳糖酶生产线设计 专 业 班 级 生工类 0902 双号组 指 导 教 师 洪厚胜 张庆文 2 0 1 3 年 1 月 目目 录录 第一章第一章 项目总论项目总论1 1.1 乳糖酶的来源及其特性1 1.2 乳糖酶的基础研究1 1.3 乳糖酶的应用2 1.3.1 在乳产品中的应用.2 1.3.2 在医药领域的应用.2 1.3.3 乳糖酶基因在基因工程中的应用.3 1.4 中国乳糖酶市场分析4 1.4.1 -半乳糖苷酶的市场情况 4 1.4.2 酶制剂生产厂家的产销情况.4 1.4.3

2、 国内市场需求预测.5 1.4.4 本产品更新的特点.5 1.5 生产乳糖酶的一般方法5 1.5.1 利用胞外酶.5 1.5.2 利用胞内酶.6 1.6 乳糖酶生产的局限性和该项目乳糖酶的优点6 1.6.1 生产局限性.6 1.6.2 该项目乳糖酶的优点.6 1.6.3 项目综合评价结论.7 1.7 -半乳糖苷酶的生产工艺.7 1.7.1 生产工艺流程图.7 1.7.2 项目技术路线图.8 1.8 工厂组成8 1.8.1 生产车间.8 1.8.2 辅助车间.8 1.8.3 动力车间.8 1.8.4 行管部门.8 I 1.9 厂址选择与建设条件8 1.9.1 厂址选择.8 1.9.2 建设条件.

3、9 第二章第二章 生产工艺生产工艺11 2.1 乳糖酶生产工艺11 2.1.1 原料.12 2.1.2 蒸汽喷射液化.12 2.1.3 过滤.12 2.1.4 连续灭菌.12 2.2 发酵车间12 2.2.1 菌种处理工段.12 2.2.2 发酵罐发酵.13 2.3 分离车间14 2.3.1 过滤.14 2.3.2 陶瓷膜微滤.15 2.3.3 超滤浓缩.15 2.3.4 喷雾干燥.15 2.3.5 脱色.15 2.4 包装车间15 2.4.1 包装及保藏.15 第三章第三章 乳糖酶发酵工段工艺核算乳糖酶发酵工段工艺核算16 3.1 概况16 3.2 原料粉碎工段16 3.3 调浆工段16 3

4、.4 液化工段17 3.5 过滤工段17 3.6 液化糖贮罐17 3.7 连消工段17 II 3.8 发酵工段18 3.8.1 种子罐.18 3.8.2 发酵罐.18 3.8.3 发酵液离心过滤.18 3.8.4 空气系统.19 3.9 水平衡计算20 3.9.1 工艺用水（河水）.20 3.9.2 灭菌冷却用水.21 3.9.3 发酵过程中冷却用水.21 3.9.4 空压机耗水量.21 3.9.5 空气冷却用水量.22 3.10 蒸汽消耗量22 3.10.1 30 m3单罐发酵原料配料消耗蒸汽量22 3.10.2 喷射液化消耗蒸汽量(7 h 完成)23 3.10.3 种子罐消毒.23 3.1

5、0.4 连消阶段消耗蒸汽量.23 3.10.5 发酵罐空消蒸汽消耗量.23 第四章第四章 生物反应器的设计生物反应器的设计24 4.1 反应器的论证24 4.2 反应器的设计25 4.2.1 发酵罐.25 4.2.2 种子罐.30 4.3 主要设备选型34 第五章第五章 核算核算36 5.1 概述36 5.2 基础数据36 5.2.1 生产规模和方案.36 5.2.2 实施进度.36 III 5.2.3 费用统计.36 第六章第六章 财务评价财务评价39 6.1 内部收益率（IRR）的计算.39 6.2 主要经济指标39 6.3 不确定性分析39 6.3.1 盈亏平衡分析.39 附表：项目工程

6、设计协作时间表附表：项目工程设计协作时间表41 0 第一章第一章 项目总论项目总论 1.1 乳糖酶的来源及其特性乳糖酶的来源及其特性 乳糖酶是一种酶，它是酵母 Kluyveromyces lactis 的 lac4 基因作为一种乳糖 酶的代号，这个基因是由 3078 bp 核苷酸组成并编码一种 1025 氨基酸形成的一 种以特殊空间排列和物理形状的长链氨基酸组成的复合蛋白，和其它的酶相差 不大。它是一种白色粉末，无味道，无气味，溶解时是一种浅棕色的液体。该 酶是通过一种从酵母菌菌种发酵制备。乳糖酶特定水解半乳糖苷的键将乳糖转 变成葡萄糖和半乳糖。 乳糖酶又称 半乳糖苷酶，是哺乳动物乳汁中一种重

7、要的营养成分。可催 化乳糖水解为半乳糖和葡萄糖，多用于乳品工业。哺乳动物的乳糖酶活性随年 龄增长具有典型的生理性降低，所以乳糖酶缺乏是广泛存在的世界性问题。 1889 年，荷兰生物学家 Beijerincek 首次报道了乳糖酶可水解乳糖以来，人们 对于乳糖酶的研究日趋完整。目前，解决乳糖不耐受的最佳方法是用乳糖酶水 解乳糖来生产低乳糖或无乳糖乳制品。而现在商业乳糖酶中乳糖酶的最适温度 在 37 左右或者更高，但是对于乳品加工工业，许多长时间的操作工艺以及贮 存和运输均在低温下进行，低温乳糖酶具有中温乳糖酶无法达到的优越性，所 以近年来成为研究的热点。乳糖酶存在于植物、细菌、真菌、放线菌以及哺乳

8、 动物( 特别是婴儿) 的肠道中。目前只有来源于微生物的乳糖酶有工业应用价 值，利用微生物发酵法制取乳糖酶，具有酶源丰富、产量高、生产成本低、周 期短的特点，而且不受季节、地理位置等因素的影响，但不同微生物来源的乳 糖酶的性质差别较大。 1.2 乳糖酶的基础研究乳糖酶的基础研究 乳糖酶的基本结构及其生物合成对乳糖起水解作用的酶是乳糖酶根皮苷水 解酶( lactase phlorizin hydrolase，LPH) 。LPH 是一种肠上皮细胞微绒毛膜上的 糖蛋白，具有乳糖酶和根皮苷水解酶活性，最适 pH 为 5.56.0。LPH 为一条 多肽链，有乳糖酶和根皮苷水解酶的作用位点，并通过 COO

9、H 末端的一段疏 水氨基酸序列连接在肠牯膜微绒毛膜表面。前乳糖酶原由位于氨基末端的信号 肽域、前导肽域、胞外域、疏水的跨膜锚定区、羧基末段的胞内段组成，在信 号肽引导下进入内质网经过一系列修饰，乳糖酶原进入高尔基体后被糖基化， 1 然后经历细胞内和肠腔的 2 次裂解后形成成熟的乳糖酶。 1.3 乳糖酶的应用乳糖酶的应用 1.3.1 在乳产品中的应用在乳产品中的应用 1.3.1.1 解决结晶问题 由于乳糖结晶在浓缩乳制品或者冷冻制品中往往造成产品的(砂状组织)缺陷， 若在加工中添加 20%30%的乳糖水解酶，不但可以防止结晶现象发生，还可以 增加产品的甜度，减少蔗糖用量。 1.3.1.2 发酵乳

10、制品中的应用 用乳糖水解乳制造酸乳，可以缩短乳凝固时间约 15%20%，且由于乳酸菌 生长快，菌数多，能延长酸乳的货架期，产品黏度也较大，若水解程度较大时， 甜度也增加。因此，在制作水果酸乳时不仅可减少糖的用量，而且水果的风味 也会增强；用乳糖水解乳加工干酪时，可缩短凝乳时间，并使凝块坚实，还可 减少排除乳清时造成的损失，产量可增加 10%。 1.3.1.3 作为替代添加剂 乳清和超滤乳清中的乳糖部分水解可增加产品的甜味，提高糖的溶解度。 不同比例的葡萄糖和半乳糖混合物的甜度相当于蔗糖甜度的 65%80%，溶解度 增加 34 倍，这种糖浆的总固形物含量达 75%，可代替卵蛋白和蔗糖制作面包、

11、饼干和蛋糕等，还可代替加糖浓缩牛乳制作牛乳软糖等，且不会出现纹理、沙 包、乳糖结晶和焦糖等现象。乳糖溶液经乳糖酶水解形成半乳糖和葡萄糖的混 合液，称为半乳糖葡萄糖糖浆。其甜度与等质量分数的蔗糖相近。可代替蔗糖 用于各种点心、饮料、罐头食品及冰淇淋和雪糕的加工，效果很好。 1.3.1.4 低聚半乳糖的生产 低聚半乳糖是以牛乳中的乳糖为原料，经 -半乳糖苷酶催化水解半乳糖苷 键，生成半乳糖和葡萄糖，并通过转半乳糖苷的作用，将水解下来的半乳糖苷 转移到乳糖分子生成的。低聚半乳糖具有较强的耐酸性、耐热性，不会因为在 加工过程中的高温杀菌及人体胃酸所分解而失去其本来应有的特性，而且能有 效地被双歧杆 B

12、 菌和乳酸杆 A 菌同时利用，因此低聚半乳糖的生产和应用也相 当广泛，特别是在日本，随着人们越来越注重健康，低聚半乳糖将会有很大市 场。 2 1.3.2 在医药领域的应用在医药领域的应用 乳糖酶可作为助消化类药物，适用于婴儿各种消化不良症，如原发性乳糖 酶缺乏，因胃障碍及缺铁所致的幼儿慢性腹泻、幼儿及新生儿腹泻等，且对新 生儿无毒害作用。用于治疗乳糖不耐受的乳糖酶药物还可与其他抗生素联用， 与杜迪和思密达治疗轮状病毒肠炎能明显有效地缩短病程，疗效确切，治愈率 高。此类药物可调整肠道正常菌群，拮抗轮状病毒，对肠黏膜上皮细胞损伤有 一定治疗效果。很多药物中都含有乳糖酶，如乳糖酶冻干酵母制剂、酵母乳

13、糖 酶肠溶微囊制剂等。医学上乳糖氢呼吸检查被广泛用于诊断乳糖酶缺陷，最常 见的是乳糖不耐受症状的诊断，Oberacher M 等通过 3 个呼吸实验说明这个呼 吸测试对乳糖酶缺陷具有良好的敏感性和特异性，呼吸实验可以简化但时间无 法缩短。研究发现对乳糖的分解能力也可作为一些疾病发生风险的标志，实验 测试者对乳制品食物消化后，双歧杆菌和大便乳酸菌的检测表明某些疾病的发 生风险和乳制品食物的摄入有关。对于乳糖不耐受的治疗，用乳酸杆菌和半乳 糖苷酶治疗乳糖不耐症的病人，通过氢呼吸实验的结果可知，乳酸杆菌和半乳 糖苷酶都强烈提高胃肠道对乳糖的摄入吸收。由此可知益生菌对于乳糖不耐受 治疗持续性较好 1.

14、3.3 乳糖酶基因在基因工程中的应用乳糖酶基因在基因工程中的应用 1.3.3.1 在载体构建中的应用 乳糖酶基因编码的产物水解底物 X-gal，可呈现蓝色，易于检测和观察，在 构建表达载体 LacZ 基因置于启动子下游，通过蓝白斑来筛选阳性重组载体。 1.3.3.2 作为报告基因的应用 乳糖酶是一种常用的报告基因分子，经常与荧光素酶报告基因一起转染细 胞，被用作荧光素酶报告基因检测的内参照，从而消除因为质粒的转染效率不 同而带来的误差。汪国忠等以 -galactosidase 质粒为报告基因，将其与自制氟 碳气体微泡黏附，制备载基因微泡。利用诊断性超声破裂微泡进行体外心肌细 胞基因转染，采用原

15、位染色及酶学定量检测 -galactosidase 表达水平，同时进 行细胞活性检测。其作为报告基因还用于研究启动子的效能和启动子不同位点 突变对表达效能的影响。陈晓月等为检测构建的枯草芽胞杆菌分泌表达载体 pGPST 中启动子和信号肽的活性，将 -半乳糖苷酶基因插入表达载体的多克 3 隆位点，构建含有 -半乳糖苷酶基因的重组质粒 pGPST-lacZ。 1.3.3.3 构建产乳糖酶基因工程菌 利用基因工程技术，可以将活性高的乳糖酶基因导入易于培养、生产繁殖 迅速的微生物体内，从而降低乳糖酶生产成本。 1.4 中国乳糖酶市场分析中国乳糖酶市场分析 1.4.1 -半乳糖苷酶的市场情况半乳糖苷酶的

16、市场情况 随着科学技术的发展和人们对乳糖酶的进一步研究，乳糖酶的应用范围越 来越广，将来乳糖酶的应用就不仅仅局限于解决乳糖不耐受问题，还将在食品、 医药、环保、基因治疗等各个领域发挥重要作用，具有广阔的市场前景。由于 近年来低温乳糖酶的研究成为热点，乳糖酶的生产成本也将大幅降低，乳糖酶 的适应性也将提高。目前，研究人员也正在从我国寒冷地区的土样中对低温乳 糖酶产生菌株进行筛选并且将克隆其基因到大肠埃希菌中表达，随着研究的深 入，低温乳糖酶的工业化生产及其在各个方面的应用将会逐步实现。乳糖酶在 乳品加工中的潜力远在上世纪初即为人们所知，但到 50 年代，人们对乳糖不耐 受症的进一步认识才逐渐被重视。60 年代，由微生物中制取的乳糖酶商品化生 产后，乳糖酶的应用才得以推广，对于乳糖酶的使用也得到了深入广泛的开展。 1.4.1.1 解决乳糖酶缺乏者食用乳制品的问题 乳制品中的乳糖需经位于小肠严密上皮细胞的乳糖酶水解为半乳糖和葡萄 糖后才能被集体吸收利用。集体乳糖酶缺乏可分为 3 类：（1）先天性乳糖酶缺 乏，指出生时乳糖