【正文】 、代謝能力強等特點，因此目前一般都是以微生物作為生產(chǎn)酶的酶源。微生物發(fā)酵法產(chǎn)酶的方式主要包括固體發(fā)酵法和液體發(fā)酵法。固體厚層通氣發(fā)酵法與液體深層通氣發(fā)酵法相比各有其利弊。固體發(fā)酵法易受雜菌污染，因此所產(chǎn)酶的純度較差，固態(tài)原料利用率較低，又因固體發(fā)酵的條件控制不易均勻，所產(chǎn)酶的質(zhì)量難以穩(wěn)定，生產(chǎn)勞動強度大，占用場地也多。不過固體發(fā)酵具有設(shè)備簡單、投資少、鋼材用量少等優(yōu)點[17]。液體深層通氣發(fā)酵法需要一定的設(shè)備和技術(shù)條件，動力消耗也較大，但該法的液態(tài)培養(yǎng)基的流動性大，對工藝條件如溫度、溶氧、pH和營養(yǎng)成分等控制較容易，有利于自動控制，同時在密閉的發(fā)酵罐內(nèi)進行純種發(fā)酵，因而產(chǎn)酶純度高，質(zhì)量也較穩(wěn)定，此外該方法還具有機械化程度高、勞動強度小、設(shè)備利用率高等優(yōu)點[1]。所以基于多方面的考慮，本工藝采用液體深層通氣發(fā)酵法。 生產(chǎn)工藝流程的設(shè)計熱處理 空氣進口粗過濾器空氣壓縮機貯氣罐一次冷卻器旋風(fēng)分離器絲網(wǎng)分離器加熱器二次冷卻器總過濾器分過濾器試管斜面菌種孢子斜面孢子懸浮液種子罐發(fā)酵罐補料罐鹽析壓濾干燥粉碎混粉成品硫酸銨硫酸銨廢液填充料原料連續(xù)滅菌 工藝流程簡述 生產(chǎn)菌種國內(nèi)外生產(chǎn)α淀粉酶所采用的菌種主要有細菌和霉菌兩大類，典型的有芽孢桿菌和米曲霉。芽孢桿菌主要用于液體深層通風(fēng)培養(yǎng)法大規(guī)模地生產(chǎn)α淀粉酶，我國常采用枯草桿菌BF7658生產(chǎn)α淀粉酶，細菌呈短桿狀，革蘭氏陽性菌，兩端鈍圓，單獨或成鏈狀，在肉汁表面可生成菌膜，用馬鈴薯瓊脂或淀粉瓊脂試管斜面培養(yǎng)基，在37℃的恒溫箱中培養(yǎng)24～28h，此時，培養(yǎng)基上菌落呈乳白色，表面光滑濕潤，略有光澤，無皺紋，有黏稠性，用碘液試之細菌周圍呈透明圓。菌種置于4℃的冰箱中保存使用，每兩個月移種一次。 培養(yǎng)基淀粉蛋白胨培養(yǎng)基：可溶性淀粉2%，蛋白胨1%，NaCl %，瓊脂2%，～。馬鈴薯瓊脂培養(yǎng)：200g去皮馬鈴薯，加水煮沸1h，過濾定量到1000mL，加MgSO4 5mg、瓊脂20g，～。種子培養(yǎng)基和發(fā)酵培養(yǎng)基：見表21[3]。表21 種子和發(fā)酵培養(yǎng)基配方 單位：%培養(yǎng)基成份種子罐發(fā)酵罐基料補料總量豆餅粉4玉米粉3Na2HPO4(NH4)2SO4CaCl2NH4Cl豆油α淀粉酶10～15萬單位100萬單位100萬單位pH自然自然自然 無菌空氣制備好氧微生物的生長繁殖和產(chǎn)酶是需要氧氣的。液體深層通風(fēng)發(fā)酵過程中微生物生長所需要的氧氣是由通入的無菌空氣溶入液體的溶氧所提供的。一般地，發(fā)酵生產(chǎn)對空氣無菌度的要求是103/罐，即1000罐發(fā)酵所用的無菌空氣中只允許通過一個雜菌為準(zhǔn)[14]。發(fā)酵過程空氣過濾除菌一般采用二級過濾器過濾，從各個空氣壓縮機排出的空氣經(jīng)降溫除濕后先經(jīng)一個總過濾器進行預(yù)過濾，然后進入發(fā)酵車間，通入各個種子罐和發(fā)酵罐前還要進行第二級即分過濾器過濾。本工藝選擇最常用、較保險的兩級冷卻、分離、加熱除菌的無菌空氣制備流程。105Pa以上，溫度在120～150℃，先冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟瘸ビ秃退缓笤偌訜?。通常第一級冷卻到30～35℃，第二級冷卻到20～25℃。除水后，空氣的相對濕度仍是飽和的，可用加熱的辦法把空氣的相對濕度降到50%～60%，一般加熱到30～35℃，以保證過濾器的正常運行，同時不增加發(fā)酵罐的熱負荷[4]。 菌種培養(yǎng)擴大培養(yǎng)：將試管斜面的菌種接到馬鈴薯三角瓶斜面培養(yǎng)基上，在37℃恒溫箱中培養(yǎng)72h左右，然后置4℃冰箱中貯存待用。接種時加入350mL的無菌水，制成孢子懸浮液，接入種子罐中。種子培養(yǎng)：種子培養(yǎng)基在120℃蒸汽的條件下滅菌30min，接入種子后，在37℃、攪拌速度300r/min、通氣量1:。此時鏡檢細菌密集，菌體粗壯整齊?！富顬?～10U/mL時，結(jié)束培養(yǎng)，作為種子待用。在種子培養(yǎng)過程中，調(diào)節(jié)硫酸銨的用量對種子活力有著較重要的影響，國為NH4+對酶有抑制和激活作用。 發(fā)酵罐發(fā)酵發(fā)酵培養(yǎng)基在120℃蒸汽的條件下滅菌50min。接入種子后，在37℃、～、攪拌速度200r/min、通氣量0～12h為1:，12h后為1:(～)條件下培養(yǎng)40～48h，此時鏡檢菌體80%形成空泡，酶活幾乎不再上升，結(jié)束發(fā)酵。在發(fā)酵開始12h后開始補料，每小時都需要補加一次料，分30次左右在發(fā)酵結(jié)束前6～8h補完。這樣可避免原料中淀粉降解生成的糖過量堆積而引起分解代謝阻遏，有利于酶的透導(dǎo)，有利于pH控制，延長產(chǎn)酶期，提高產(chǎn)量。也有從發(fā)酵前期就開始補料的。目前補料與基礎(chǔ)料體積之比為1:3，補料中玉米粉和豆餅粉總濃度約30%[1]。 發(fā)酵液預(yù)處理因為α淀粉酶是胞外酶，不用破碎細胞，發(fā)酵完畢，直接在發(fā)酵液中加入2%%Na2HPO4進行絮凝作用，并加熱至50～55℃維持30min進行熱處理，以破壞產(chǎn)生的蛋白酶，促使膠體凝集而易于過濾，降溫至35℃后送下一道工序。 α淀粉酶鹽析過程鹽析是利用不同物質(zhì)在高濃度的鹽溶液中溶解度有不同程度的降低來進行的。溶液中加入大量的鹽，使原溶解的物質(zhì)析出沉淀的過程。鹽析作用的主要原因是由于大量鹽的溶入，使高分子物質(zhì)去水化，從而降低了溶解度。硫酸銨是鹽析最常用的鹽，它具有鹽析效應(yīng)強、飽和溶液的濃度大，而且溶解度受溫度影響很小。它一般不會引起蛋白質(zhì)明顯變性[9]。在熱處理后冷卻到35℃的發(fā)酵液中加入硅藻土（助濾劑）過濾，將洗滌水和濾液合并，于45℃真空濃縮數(shù)倍，加硫酸銨液40%進行鹽析，鹽析時蛋白質(zhì)沉淀析出需一段時間，所以要靜置10h，然后送入板框壓濾機進行壓濾，取濾餅進行烘干即得成品。 濕酶干燥在α淀粉酶提取過程中，可以將濾液直接進行噴霧干燥制成酶粉，收率可達90%，但是這樣做成品含雜質(zhì)多且有臭味，蒸汽耗量大并容易吸濕，而且排出的廢氣含有氣味，影響城市的環(huán)境衛(wèi)生。本工藝采用在40℃對壓濾后的濾餅進行鼓風(fēng)干燥，然后磨粉即得成品，整個工藝的收率為70%。3 工藝計算 物料衡算 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(1) 枯草芽孢桿菌BF7658生產(chǎn)α淀粉酶采用玉米粉、豆餅粉為源料。根據(jù)國家食品添加劑α淀粉酶生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)GB82752009，生產(chǎn)工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如表31。表31 α淀粉酶發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a1000生產(chǎn)方法液體深層培養(yǎng)發(fā)酵年生產(chǎn)天數(shù)d/a250產(chǎn)品日產(chǎn)量t/d4產(chǎn)品質(zhì)量酶活力U/g2000產(chǎn)品含水量%≤8倒罐率%1發(fā)酵周期h48生產(chǎn)淀粉酶轉(zhuǎn)化率%51(2) 主要原料質(zhì)量指標(biāo)：玉米粉的淀粉含量為86%，豆餅粉的蛋白質(zhì)含量為44%。(3) 接種量為5%。 原料消耗的計算(1) 生產(chǎn)淀粉酶的總轉(zhuǎn)化率是51%。實際上，整個過程經(jīng)發(fā)酵、提純等工序會損失一部份原料，如表32。表32 原料損失表名稱原因損耗量發(fā)酵巴斯德效應(yīng)%發(fā)酵殘?zhí)?廢糟廢糟帶走%總計%(2) 從發(fā)酵液中提取淀粉酶要經(jīng)過發(fā)酵液熱處理、過濾、濃縮、鹽析和干燥工序，每一過程的收率，如表33表33 各提取工序的收率序號提取工序名稱收率/%1發(fā)酵液熱處理932過濾863濃縮954鹽析995干燥93（3）生產(chǎn)淀粉酶的總轉(zhuǎn)化率為：51%（1－%）=%（4）首先計算生產(chǎn)1000kg淀粉酶需耗用的原輔材料及其他物料量。實際應(yīng)生產(chǎn)的淀粉酶量為：1000247。(93%86%95%99%93%)=進入發(fā)酵罐的干基質(zhì)原料量為：247。%=發(fā)酵液中固形物濃度一般為5%～6%，所以發(fā)酵液的量為：247。6%=種子罐中的發(fā)酵液量為：5%=豆餅粉消耗量為：%+4%=玉米粉消耗量為：%+3%=Na2HPO4消耗量為：%+%=CaCl2消耗量為：%=NH4Cl消耗量為：%+%=豆油消耗量為：%=α淀粉酶的消耗量：應(yīng)用酶活力為2000U/g的α淀粉酶在培養(yǎng)基滅菌時，促使發(fā)酵罐中的淀粉液化，其用量按8U/g原料計算，酶用量為：8247。2000= 鹽析過程硫酸銨消耗量計算發(fā)酵液過濾后，將洗滌水和過濾液合并，進行真空濃縮到濃度為30%。最后所得溶液的量為：經(jīng)真空濃縮后的溶液量為：鹽析時，向溶液中加入硫酸銨，硫酸銨達到40%的飽和度進行鹽析，查硫酸銨飽和度的常用表，要使硫酸銨飽和度從0增加到40%，需添加的硫酸銨的量為243g/L[9]。生產(chǎn)1t淀粉酶所需的硫酸銨量為： 物料衡算表由上述生產(chǎn)1000kg淀粉酶的物料衡算結(jié)果，可求得1000t/a淀粉酶生產(chǎn)發(fā)酵車間的物料平衡計算。具體計算結(jié)果如表34所示。表34 1000t/a淀粉酶生產(chǎn)發(fā)酵車間物料衡算表 單位：kg物料名稱生產(chǎn)1t淀粉酶的物料量1000t/a淀粉酶生產(chǎn)的物料量每日物料量干基質(zhì)原料量10611746發(fā)酵液量107105種子發(fā)酵液量106豆餅粉106104玉米粉106104Na2HPO4411110CaCl297880NH4Cl61420α淀粉酶1850074豆油3670硫酸銨11721064688 熱量衡算 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算(1) 加熱所需的蒸汽量W，可按下式計算：[4] 式中：G—物料流量，kg/h c—物料的比熱容，kJ/(kgK) t1—物料的初始溫度，℃ t2—物料加熱后的溫度，℃I—加熱蒸汽的熱焓，2738kJ/kgλ—加熱蒸汽凝結(jié)水的熱焓，(2) 冷卻用水量M，可招安下式計算：[4] 式中：G—物料流量，kg/h t1—物料的初始溫度，℃ t2—物料加熱后的溫度，℃ c1—物料的比熱容，kJ/(kgK)