1TPM酵母中海藻糖提取纯化工艺设计生物工程设备与分离技术课程设计.doc

吉林工程技术师范学院食品工程学院课 程 设 计 课程名称：生物工程设备与分离技术 班 级：生物工程10411TPM酵母中海藻糖提取纯化工艺设计 目 录目 录I第一章 项目总论1 1.1 海藻糖概述1 1.1.1 海藻糖的性质1 1.1.2 海藻糖的生理功能1 1.1.3 海藻糖的应用前景2 1.2 海藻糖的生产工艺2 1.2.1 酵母中海藻糖的提取纯化工艺3第二章 技术方案5 2.1 产品方案5 2.2生产工艺流程设计5 2.3生产工艺过程说明6 2.3.1 乙醇提取6 2.3.2 冷却离心6 2.3.3 浓缩6 2.3.4 活性炭脱色脱蛋白6 2.3.5 离子交换6 2.3.6 浓缩结晶7 2.3.7 过滤干燥7 2.4 物料衡算7 2.4.1 技术参数7 2.4.2 计算7第三章 设备选型9 3.1 热回流提取罐9 3.2 离心机9 3.3 浓缩罐9 3.4 离子交换设备9 3.5 干燥机9第四章 防污措施11 4.1 车间环境卫生11 4.2 废水处理11 4.3 废渣处理11第五章 结语12参考文献13 第一章 项目总论1.1 海藻糖概述1.1.1 海藻糖的性质 海藻糖叉名茧蜜糖，蘑菇糖，漏芦糖或蕈糖，是在动物、植物、微生物中广泛分布的一种低聚糖。它是由两分子的吡哺葡萄糖单体以a，a-1，1糖苷键连接而成，其化学式为aD-吡喃葡萄糖基一aD一吡喃葡萄糖苷，分子式为C12H22O11·H2O相对分子量为37833。其结构式如图1.1 图1.1 海藻糖是白色晶体，带有两分子结晶水，当加热到130"C时，海藻糖失去结品水，变成无水晶体。海藻糖溶于水、冰醋酸和热乙醇中。其水溶液性质稳定，无色无嗅，口感咯带甜昧，它不会焦化。它对热、酸都十分稳定，是天然双糖中最稳定的糖质。由于不具有还原性，即使与氧基酸、蛋白质等混合加热也不会产生美拉德反麻引起的着色反应。海藻糖几乎不被一般的酶分解，只被具有特异性的海藻糖酶水解。1.1.2 海藻糖的生理功能海藻糖不仅具有优良的理化性质，它还具有优于其他双糖的独特的生物学功能内源性的海藻糖可以有效地保护生物免受外界恶劣条件的侵害，外源性的海藻糖同样对生物体具有保护作用，这种保护作用是非特异性的。内源性海藻糖，不仅可以作为生物体内的能量储备，也可以保护体内细胞免受外界恶劣条件的侵害，主要表现在当生物细胞处于营养饥饿、高温干燥缺氧或冷冻等各种胁迫环境时，生物细胞内开始积累海藻糖，并利用其特殊的生物学特性，对生物细胞进行保护。科学研究表明，海藻糖是生物体应对环境压力的一种应激代谢产物，很多物种对外界恶劣环境所表现出的抗逆耐受力，与机体胞内海藻糖的变化有着直接的关系。外源性的海藻糖同样也可以保护细胞和生命大分子对蛋白质变性具有保护作用和保水作用。外加海藻糖能在许多生物处于异常条件下，如冷冻、低温或常温干燥时，有效地保护生物膜、蛋白质等的结构，维持生物体其本来的结构、性状和功能，海藻糖这种非特异性保护功能促使科技工作者争先进行对海藻糖的研究与开发。海藻糖保护生物分子的机制有三种：水替代、玻璃态转换及优先排阻假说。这三种作用机制并不是相互排斥的，而是它们对海藻糖的稳定作用机制的解释都有贡献。目前对海藻糖这种特殊的保护机-制是一个研究热点。1.1.3 海藻糖的应用前景 随着海藻糖生产的不断发展，生产成本的不断降低，海藻糖的各种性能逐步被人们所认识，其应用领域也越来越广。海藻糖的优良品质和性能使他在食品、保健品、医药、化妆品、农业等方面有着广泛的用途。在食品方面主要利用海藻糖具有的非还原性、保湿性、耐冻性、耐干燥性以及良好的味，可以用来防止因干燥或冷冻引起的变性，或和其他甜味剂混合使用作为食品的甜味剂降低产生龋齿的副作用，还可作为一些调料、食品的品质改良剂和调味剂。保健品方面主要采用海藻糖做冻干保护剂，它可以大大提高菌的冻干存活率，能使冻干制品在常温下长时间保存，大幅度延氏其保持期。另外，海藻糖可改善骨质疏松症。 医药方面应用主要是作为试剂和诊断药的稳定剂如可用于移植器官的贮存，激素、生物制剂、抗生素、维生素、酶以及各种易失活物质的稳定剂，也可用于牙膏、内服药、糖衣片等作为甜味剂、品质改良剂和稳定剂，它有降血糖、保肝等作用，还可制成衍生物用丁抗癌剂、抗肿瘤剂中。 化妆品方面主要是应用海藻糖的衍生物，海藻糖本身具有的保湿性已被确认为新的化妆品原料，用于皮肤化妆品中，可抑制皮肤的干燥，也可用于口腔清凉剂、口腔芳香剂等。 在农业领域，通过生物T程技术完全有可能将海藻糖的转基因植物培育成抗旱转基因植物。1.2 海藻糖的生产工艺 无论是酶转化法还是微生物抽提法生产海藻糖在我国均处于起步阶段。相对而言，以酵母为原料生产海藻糖的技术在国内较为成熟。中国科学院已经开发出了培养海藻糖高产酵母菌并从中提取精制海藻糖的专利。大连理工大学、无锡轻工业大学、华东理工大学等高校也对从酵母生产海藻糖的工艺进行了研究，并取得了很多成果。但是目前从活性干酵母中抽提海藻糖的工艺仍存在工艺复杂，成本较高等缺点，限制了海藻糖的大规模工业生产。而酶法生产海藻糖在我国仍处于理论研究阶段。因此工业化生产海藻糖在我国仍然是一个空缺，如何简化工艺降低成本，建立成熟的海藻糖工业化生产工艺成为目前人们研究的重点。1.2.1 酵母中海藻糖的提取纯化工艺1.提取工艺乙醇(水)提取法：在乙醇（水）的共同作用下使酵母细胞破碎，海藻糖从破碎的细胞的中释放出来，同时高温和乙醇能够抑制从液泡中释放出来能将海藻糖水解为葡萄糖的海藻糖酶。 微波辅助法：以水作为提取溶剂，将酵母配制成一定浓度悬液，先经微波破壁处理一段时间后，使细胞内存在的海藻糖酶变性失活，破坏酵母细胞的结构，再进行水浴搅拌提取一段时间，从而促进酵母细胞内海藻糖快速溶出，增加海藻糖得率的一种破壁提取方法2. 纯化工艺（1）脱蛋白 热变性法脱蛋白：热变性法脱除蛋白是利用蛋白质在高温下变性，溶解度降低的原理，对海藻糖提取液进行加热，低温冷却后离心，从而脱除海藻糖提取液中蛋白质。 碱金属除蛋白：碱金属除蛋白的方法是加入一定量10(质量分数)的ZnSO4一溶液，再滴加饱和的Ba(OH)2溶液，凋节pH为8，离心屙收集上清液；重金属除蛋白的方法是直接向溶液中加入适量的醋酸钳，离心后收集上清液。活性炭脱蛋白：吸附作用是吸附过程中由吸附剂表面与被吸附物质分r之间的范德华力引起。这种吸附作用的选择性很人，在高温F吸附最反而降低，吸附过程中能量变动较小，因而容易解吸。活性炭颗粒的大小对吸附能力有影响。一般来说，活性炭颗粒越小，过滤而秘越大，所以粉末状的活性炭的总面积最大，吸附效果最佳。（2）采用离子交换树脂对海藻糖提取液进行处理除去溶液中的杂质盐类及色素。经活性炭处理过后的海藻糖提取液中含有大量的的盐类及少量色，为了达到较好的脱色效果需要采用离子交换。（3）结晶 冷却结晶：冷却的过程基本上不去除溶剂，而使溶液冷却降温，成为过饱和溶液。此法适于溶解度随温度的降低而显著下降的物系。冷却法一般可分为自然冷却，间壁冷却或直接解除冷却。此方法的优点在于设备要求不高、耗能小、缺点是生产效率低。 蒸发法：蒸发法是除去一部分溶剂的结晶法，它使溶液在加压、减压下加热蒸发而浓缩以达到过饱和。此法主要适用于溶解度随温度变化不大的物系或具有逆溶解度的物质。蒸发法结品消耗的热能最多，加热面的结垢问题也会使操作遇到困难。真空冷却法：蒸发法是使溶剂在真空下闪蒸而绝热冷却，实质上是冷却及去除一部分溶剂的浓缩两种效应来产生过饱和度。此法适用于溶解系数中等的物质。这种方法所用的主体设备比较简单，操作稳定。 盐析法：向物系中加入某些物质，来降低溶质在溶剂中的溶解度。可在不纯的混合水溶液中加入适当溶剂(如甲醇、乙醇、异丙醇、丙酮)以制取纯的物质。值得注意是，所加物质要能溶解于原溶液的溶剂中，但又不溶解被结晶的物质，而且在有必要时溶剂与稀释剂的混合物易于分离。第二章 技术方案2.1 产品方案1.提取方案我们选用乙醇法分离提取，微波处理法时间比较久，而且处理后得到的海藻糖得率和乙醇法相差不大，微波处理法适合实验室来提取，而且经济方面也不划算，对于工厂生产适合用乙醇提取，提取率达5.548%。2.纯化方案（1）研究表明采用碱金属(重金属)除蛋白会造成环境的污染且成本很高，热变性除蛋白温度控制对于大型生产不方便，而且耗能多，活性炭是一种强力高效而且廉价的吸附剂和脱色剂。它可以对海藻糖提取液进行脱色脱蛋白的同步处理。活性炭是利用木炭、各种果壳和优质煤等作为原料通过物理和化学方法对原料进行破碎、过筛、催化剂活化、漂洗、烘干和筛选等一系列工序加下制造而成，它的污染危害要小的多，它可以有选择地吸附气相、液相中的各种杂质，以达到脱色精制，去污提纯的目的。因此我们选用活性炭进行脱色，脱色率达82.99%。 （2）通过树脂的静态筛选， 为了达到完全脱除阴阳离子的目的, 提高精制效果, 采用混合床。D001大孔强酸性阳离子树脂与D201大孔强碱性阴离子树脂分别组成混合床。脱色率达90.09%。离子交换脱盐率98.18%。 （3）结晶选用向溶液中加入乙醇来结晶，海藻糖极易溶于水，但它在水中的溶解度随温度变化不敏感冈此冷却法不适用。蒸发结晶也不适用于海藻糖，囚为过高的煮糖温度有可能会发生褐变反应，产生的焦糖色素不仅影响外观，还可能阻滞结晶，影响纯度。同时作为绝人多数生物药晶和食品成分的保护剂，过多的杂质显然也不允许，因此加入盐类的盐析也是不行的。反应结晶显然也不适用。海藻糖虽然极易溶于水但在乙醇中的溶解度很小，因此可以采用加入乙醇使海藻糖析出的结晶方法。一般海藻糖提取液中的海藻糖浓度较低，因此可用减压蒸馏的方法浓缩，再加入乙醇用盐析法结晶。2.2生产工艺流程设计生产工艺流程图如下 酵母乙醇提取上清液 浓缩冷却及离心 结晶 浓缩活性炭脱蛋白阴阳离子交换 成品过滤及干燥2.3生产工艺过程说明2.3.1 乙醇提取 取干酵母加入体积分数40%乙醇溶液，其料液比为1:7，在80恒温水浴中, 回流10min,提取海藻糖。2.3.2 冷却离心 提取液先冷却至室温，再离心分离，在3000r/min下离心分离15min，使固液分离，倾出上清液。2.3.3 浓缩 将所得到的纯海藻糖溶液通入到浓缩罐中，对其进行加热蒸发处理，除去其中的水分，浓缩海藻糖，得到粗产品海藻糖。2.3.4 活性炭脱色脱蛋白将海藻糖提取液的调节PH调为4.0,加入活性炭混合均匀，活性炭用量为1g/L,在80水浴中反应40min,期间不断地搅拌，蛋白脱除率达82.88% 。2.3.5 离子交换 树脂选用D001 大孔强酸性阳离子树脂与D201大孔强碱性阴离子树脂分别组成混合床，以体积比 2 1的组成分别装柱，除去各种离子杂质（包括离子型色素），样品流速为2 mL/min，用蒸馏水洗涤交换柱，收集洗脱液。过滤得上清液于420nm处测其光吸收值可计算脱色率。2.3.6 浓缩结晶 浓缩海藻糖液，条件为：温度为 50 ，真空压力为 0.1 MPa，转速为 30 r/min，达到结晶所需的质量分数 30%。加入浓缩样液 3倍体积的无水乙醇，温度保持 30 。 浓缩结晶海藻糖保留率为70.15%。2.3.7 过滤干燥过滤后用少量乙醇冲洗，干燥条件为40，10h。风干后，呈现略带黑黄色的菱柱状海藻糖晶体。2.4 物料衡算2.4.1 技术参数（1）乙醇提取提取率为5.548% ，料液比1:7 （2）活性炭脱蛋白率为82.88% （3）活性炭海藻糖的保留率为82.05%（4）离子交换脱盐率98.18%（5）离子交换海藻糖保留80.05%（6）浓缩结晶海藻糖保留70.15%2.4.2 计算（1） 酵母的乙醇提取，经离心分离海藻糖的提取率为5.548%。 总物料衡算 m待处理的活性干酵母39215kg m1处理后的残渣37039.4kgm2海藻糖的粗产品2175.6kg料液比为1:7每月40%体积分数乙醇用量为274505kg，转化成无水乙醇量为109802kg。(2) 活性炭的脱色脱蛋白海藻糖的保留为82.05%,活性炭用量1g/L活性炭用量2175.6g即2.176kg海藻糖质量 活性炭脱色后海藻糖粗产品m3为1780.7kg(3) 离子交换脱盐脱色海藻糖保留80.05%海藻糖质量离子交换脱盐脱色后海藻糖质量m4为1425.4kg，每天脱色量为47.5kg。由于每脱色100g海藻糖需要的D001树脂为40g,D002树脂20g，则每月树脂用量D001树脂用量712.28kg,D002树脂用量356.14kg。(4) 浓缩结晶乙醇用量为三倍体积的海藻糖提取液的体积，海藻糖的保留70.15%乙醇用量1425.4×3=4276.2kg海藻糖质量 表1 月产1吨海藻糖衡算表序号原料名称规格消耗量（吨）每天每月每年1酵母-1.30739.215470.5812乙醇无水3.8114.081 1368.93活性炭-7.3×10-50.00220.0264树脂D0010.3560.7128.5475树脂D0020.1780.3564.273第三章 设备选型3.1 热回流提取罐（1）热回流提取罐的型号TQ-1（2）热回流台数的确定 加料口直径400mm,排渣口直径600mm，搅拌转速为36r/min,容积为600L,每日需要提取量10384L，每次提取十分钟，提取罐每天工作三个小时就可以完成所需要提取量，为了提高效率我们选用需要两台。3.2 离心机（1） 选用选用SS型三足式离心机，型号为SS-800（2） 离心机的离心能力及台数的确定 SS-800离心机，直径为800mm,高为360mm，其有效容积为96L，最大装料量为140kg。而需要离心的海藻糖量为2175.6kg，则每日离心量为72.52kg，所以每日需要离心的体积约V=70L，此离心机满足每日的生产要求，因此所需离心机台数为一台。3.3 浓缩罐（1） 浓缩罐的型号为ZN-100（2） 浓缩罐体积及数量的确定 每日所需要浓缩的海藻糖提取液的量为70L，我们选用的ZN-100容量为100L，且选用一台就可以满足要求。3.4 离子交换设备（1）离子交换柱JYRS-12.0T-A（2）根据计算树脂每日的的用量，他的规格工作压力为10Mpa，工作温度15-120，进水浊度为100mg/L，直径1000mm，树脂层高度2000mm，填料量为1500L,我们选择两台就可以。3.5 干燥机（1）干燥机的型号LGJ-A（2）干燥机的干燥能力及台数的确定真空冷冻干燥机，所需要干燥的浓缩后的海藻糖量为1425.4kg，而该真空冷冻干燥机的干燥量为3000kg每次，所以选用一台就可满足要求。月产1吨海藻糖设备一览表序号设备名称型号台数1 热回流提取罐TQ-122离心机SS-80013浓缩罐ZN-10014离子交换柱JYRS-12.0T-A25干燥机LGJ-A1 第四章 防污措施4.1 车间环境卫生生产车间光线充足，通风良好，地面平整、清洁、无积水、无污垢，墙面、门窗应经常清洗。车间入口处设有感应式吸收清洗设备及消毒措施。车间设有防蚊蝇、防虫和防鼠设施，车间门窗严禁随便乱开，以防鼠、蚊蝇、飞鸟等侵入。操作人员在生产前和生产后应立即对所使用的设备和物料管道进行清洗，对清洗不到的设备、部件及设备外部也要及时清洗、消毒，保证设备及工艺管道的卫生。4.2 废水处理 本工艺产生的废水几乎全部来自设备清洗和地面清洁用水，不含油和有毒物质，可以由车间两侧明沟直接排除，经厂污水处理系统处理后，排放到厂外河流中。4.3 废渣处理 原料中杂质可直接排放，但扔掉很可惜，自己发酵处理又要重置很多设备，费资太多，经多方面考虑直接把滤渣卖到饲料厂。 第五章 结语海藻糖是一种安全、可靠的天然糖类，如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都有含量较高的海藻糖。其发展前景十分好。首先，通过这次课设让我对酵母及酵母中海藻糖的性质及功能有了更深入的了解。并对其分离纯化的方法做了简单的研究。海藻糖在酵母中目前最常用的提取方法是乙醇发提取，其纯化方法多采用大孔树脂柱吸附法。其提取纯化方法的研究和设计更有利于发展工业生产。其次，因为有机会做这次课设我才知道了一个工厂的建立需要从哪些方面入手，以什么作为根据，需要综合考虑哪些方面的因素及作用结果，只有所有的方面考虑的够完整，才能为工业生产做好正确的知道。另外，通过这次课程设计让我对WORD文档的使用有了更深的了解，接触了许多从前没有使用过的工具方法等等，并进一步提高了我的使用熟练程度，为以后的使用工作打下良好的基础参考文献1 糖传核,葛文光.从活性干酵母中提取海藻糖的工艺J.无锡轻工大学学报，1998，17（3）:36-402 罗明典微生物生产海藻糖及其应用前景J微生物学通报，199623(4)252254 3 戴玉秀微生物发酵生产海藻糖研究取得进展J微生物学通报，1995，22(1)：634 周青峰海藻糖在食品加工上的应用期刊论文-中国食品工业 1996(2)5 任小青海藻糖的生产与应用研究现状及研发前景J郑州工程学院学报，2001，22(1)：82856 聂凌鸿海藻糖的生物保护作用J生命的化学，2001，21(3)：206-208 7 葛宇，袁勤生海藻糖对生物活性物质的保护作用机理研究进展药物生物技术，2002，9(5)：297 3008 周青峰海藻糖在食品加工上的应用中国食品工业1996(2)：2223