【文章內(nèi)容簡介】 （ 2） 皂素對醫(yī)藥的作用 甾體激素類 藥物是世界上僅次于抗生素類的第二大類藥物，具有很強地抗感染、抗過敏、抗病毒和抗休克的藥理作用，在國內(nèi)外臨床醫(yī)藥上廣為應(yīng)用，是治療風(fēng)濕病、心血管病、搶救危重病癥等的重要用藥。另外，甾體激素類藥物在調(diào)節(jié)人體機(jī)能，防病抗衰老、調(diào)節(jié)腦神經(jīng)、減肥、補鈣保健等方面以及日用化學(xué)工業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。甾體激素藥物經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，目前已形成種類繁多、臨床應(yīng)用廣泛和需要旺盛的一大類甾體藥物。生產(chǎn)甾體激素類藥物必須以皂素或甾醇作基礎(chǔ)原料。自甾體激素藥物發(fā)明以來，一般都是用植物皂素生產(chǎn)甾體激素類藥物，故植物皂素有 “激素 之母 ”之稱。植物皂素主要有三大類，即薯蕷皂素、劍麻皂素、番麻皂素，其中薯蕷皂素是生產(chǎn)甾體激素藥物最理想的基礎(chǔ)原料，世界上三分之二以上的甾體激素藥物是以薯蕷皂素作基礎(chǔ)原料生產(chǎn)的，所以薯蕷皂素在甾體激素藥物生產(chǎn)中具有十分重要的地位。 （ 3） 皂素需求現(xiàn)狀 從國際甾體激素藥物產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，國外 1980 年產(chǎn)量約 噸，銷售 15 億美元，占醫(yī)藥產(chǎn)品銷售額的 %； 1990 年產(chǎn)量增至 105 噸，銷售 108 億美元，年均遞增 %； 2020 年銷售額達(dá)到 200 億美元，約占世界醫(yī)藥銷售額的 6%，藥物品種達(dá) 292 種之多。隨著甾體激素藥物 年產(chǎn) 100 噸黃姜皂素工廠設(shè)計（重點酒精回收車間） 3 的開發(fā)應(yīng)用，國內(nèi)外市場對皂素的需求也不斷增長，近幾年來，國際市場皂素的需求量每年以6—7%的速度遞增。但受資源的限制，皂素成為國際市場緊俏產(chǎn)品，價格不斷攀升，供求矛盾十分突出。八十年代末，皂素價格 25 萬元 /噸，九十年代后期，皂素噸價格 40—45 萬元， 2020年底皂素價格高達(dá) 53 萬元 /噸 。 皂素國內(nèi)年需求量在 1500— 2020 噸，國際年需求量在 3000～3500 噸，而我國實際年產(chǎn)量為 600～ 800 噸，每年需要大量的外匯進(jìn)口皂素。 隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，黃姜種植與加工業(yè)得到了迅猛發(fā)展 ，并已成為部分地區(qū)推動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)民脫貧致富的主導(dǎo)項目。以陜西省白河縣為例， 2020 年全縣黃姜基地面積達(dá) ，占耕地面積的 23％，全縣 100％的鄉(xiāng)鎮(zhèn)、 86％的村、 78％的人口參與種植，鮮姜產(chǎn)量 7 萬余噸，農(nóng)民人均種姜收入占人平純收入的三分之一 。 由于皂素國際國內(nèi)兩個市場一路看好，黃姜產(chǎn)業(yè)系列開發(fā)潛力大， 建立規(guī)范化的現(xiàn)代化加工生產(chǎn)企業(yè)具有重要的現(xiàn)實意義。 （ 4） 我國黃姜發(fā)展動態(tài) ① 基礎(chǔ)研究已取得的進(jìn)展。 我國從 50 年代末開始了 對黃姜的研究，并取得了一些進(jìn)展：掌握了黃姜的生物學(xué)特性和有效成份的含量；對黃姜種質(zhì)進(jìn)行了摸底：位于我國武當(dāng)山至秦嶺南麓一帶的黃姜皂甙含量最高；但是，對黃姜還缺乏系統(tǒng)深入的研究，主要表現(xiàn)在提高黃姜皂素含量的配套技術(shù)研究還處于起步階段。 ② 黃姜開發(fā)已形成產(chǎn)業(yè)鏈。 我國對黃姜資源開發(fā)利用始于 50 年代，經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，我國甾體激素制藥產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，大中型激素制藥廠達(dá) 100 多家，已利用薯蕷皂甙配基合成了 100 多種藥物，年產(chǎn)值超過 60 億元，占醫(yī)藥工業(yè)總產(chǎn)值的 4% ，成為我國醫(yī)藥工業(yè)體系中的重要組成部分。從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)看，我國已能生產(chǎn)皮質(zhì)激素、性激素和蛋白同化激素三大藥物。 ③ 皂素加工企業(yè)方興未艾。 從黃姜中提取的皂素，是甾體激素類藥物的前體。近年由于皂素價格一路飚升，皂素項目近年有猛增的趨勢，全國現(xiàn)有皂素生產(chǎn)企業(yè) 150 多家，年生產(chǎn)能力近 1500 噸。但總體來講黃姜開發(fā)利用水平仍處于初加工階段，皂素生產(chǎn)存在以下問題：一是技術(shù)沒有大的突破，皂素生產(chǎn)一直延用自然發(fā)酵、稀鹽酸水解、溶劑汽油提取的生產(chǎn)工藝；二是皂素品質(zhì)較低，皂素成品仍以結(jié)晶 體為主，精粉和液體狀皂素目前國內(nèi)尚未見；三是低水平重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重 。 原材料 、動力供應(yīng)、交通運輸條件 新技術(shù)的采用等主要建設(shè)條件 在陜西南部和靠近湖北省地區(qū) ，黃姜有著大面積的種植，黃姜資源是非常豐富的，只要有需求，黃姜的種植將會不斷的擴(kuò)大，將會促進(jìn)一方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 本廠采用本地電網(wǎng)供電，可以避免為建設(shè)動力設(shè)備 而增加的額外投資，而且西部水電資源豐富，可以確保生產(chǎn)的連續(xù)性。擬建成的廠區(qū)位于咸陽經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，交通十分方便，因此能大大減少產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品競爭力。廠區(qū)建在地下水位－ 20 米的 地面上，水源供應(yīng)以本 地自來 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 4 水為主，地下水為分輔的綜合供水方式，以確保本廠用水的需要。 本設(shè)計采用酶解法制取皂素，并把分離出的淀粉轉(zhuǎn)化為糖再制得酒精的工藝，經(jīng)初試，結(jié)果合理，環(huán)境污染小，資源得到了合理的利用，經(jīng)濟(jì)上 也是可行的。 總之，本設(shè)計無論從原材料、動力供應(yīng)，還是從交通運輸?shù)确矫婵紤]，擬建廠址所在地都比較合適。再者，從廠址所在地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、自然條件的利用都符合我國的國情和西部大開發(fā)這一主題。 環(huán)境保護(hù) 擬建工廠 在整個生產(chǎn)工藝中，通過采取細(xì)胞破壁，復(fù)合酶解、分離纖維等連續(xù)工藝，使黃姜中有機(jī)物的 80%集中于酒 精醪液中，制取酒精后，廢醪液經(jīng)濃縮和處理，清潔化利用、處理，不進(jìn)污水處理系統(tǒng) ，因此大大減輕了污水處理的負(fù)荷。 企業(yè)組織 管理 勞動定員和人員編制 擬建廠有廠部領(lǐng)導(dǎo)及其下屬的科室和車間組成，技術(shù)人員主要從離校畢業(yè)生和相關(guān) 企業(yè)的有工作經(jīng)驗人員中招聘，勞動工人從本地區(qū)招收。普通工人的技能由本廠技工帶領(lǐng)培訓(xùn)。企業(yè)內(nèi)部按照有利于發(fā)展生產(chǎn)，有利于充分利用人力資源、術(shù) 、裝備、 資金，有利于宏觀調(diào)控微觀搞活，有利于調(diào)動各個方面的積極性，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益的原則，在劃小核算單位的基礎(chǔ)上下放權(quán)利，實行分級分權(quán) 管理。 資金籌措方式 采用部分國家貸款，部分自籌資金和部分銀行貸款分期償還方式，而且籌集資金可以采用職工入股的方式，使職工真正成為企業(yè)的主人，充分調(diào)動職工的積極性。 年產(chǎn) 100 噸黃姜皂素工廠設(shè)計（重點酒精回收車間） 5 第 2 章 工藝說明 全廠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程及企業(yè)組成 全廠的產(chǎn)品結(jié)構(gòu) 本廠的主要產(chǎn)品是皂素，副產(chǎn)品是酒精和有機(jī)肥料。皂素是異螺甾烷的衍生物，化學(xué)名為 ? 5— 異螺旋甾烯－ 3β－醇 ，分子式為： 27 42 3C H O ,分子量為 。薯蕷皂素為白色針狀晶體，其結(jié)構(gòu)如圖 2－ 1。 圖 2－ 1， 薯蕷皂素結(jié)構(gòu) 皂素生產(chǎn)工藝 標(biāo)準(zhǔn) ： 薯蕷皂素執(zhí)行 Q/SXLS011998標(biāo)準(zhǔn)； 酒精執(zhí)行 GB103432020號工業(yè)酒精標(biāo)準(zhǔn)。 （ 1） 傳統(tǒng) 工藝 ① 直接酸水解法 傳統(tǒng)的提取薯蕷皂甙元的方法為直接酸水解法．即先用硫酸或鹽酸水解黃姜根莖，水解物用水洗滌至中性．然后干燥至 含水 3～ 5%，再用溶劑汽油提取。此法費時很多，收率低，且使用汽油，易發(fā)生危險。 ② 預(yù)發(fā)酵法 一般認(rèn)為預(yù)發(fā)酵法可以提高薯蕷皂甙元的收率。預(yù)發(fā)酵法有自然發(fā)酵法、酶解法、微生物發(fā)酵法。王元蘭報道用蒸餾水浸泡藥材干粉，置于 39℃的恒溫箱中發(fā)酵。并篩選出最佳提取條件，即：發(fā)酵 48h、水解 4h、抽提物 pH=回流速度 25min／次，可獲得最佳提取率。但自然發(fā)酵法影響因素較多，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。李國富采用黃姜根莖浸泡后帶水磨碎，先用淀粉酶水解淀粉，使淀粉與皂素分開，再結(jié)合酸水解，石油醚 提取。此法改善了水解條件，縮短了生產(chǎn)周期，皂素收率比直接酸水解法提高 35％以上，同時可分離出纖維素和淀粉，開展綜合利用。張彩霞報道用纖維素酶預(yù)處理藥材的提取工藝，其方法是先將藥材飲片用水浸泡，硫酸調(diào)，加入一定量纖維素酶，置于 40℃恒溫水浴 90min，結(jié)果表明在纖維素酶作用下，提高了 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 6 薯蕷皂貳元的收率。另有報道在發(fā)酵過程中加入果膠酶、苦杏仁酶和植物生長激素 苯氧乙酸、吲哚 3乙酸均可提高產(chǎn)率。還有用黑曲霉菌株對盾葉薯蕷發(fā)酵也可提高產(chǎn)率。 ③ 分離法加工薯蕷 植物 本工藝技術(shù)是將薯蕷根莖帶水磨碎，在水中篩分，將各有用成分分開后，分別采用適宜的方法加工利用。實驗方法為：取薯蕷藥材，加水浸泡后，研磨過篩幾次，合并濾液，加 ％的明礬，沉淀 12h，傾去上層清液，加水至原體積，攪勻，沉淀，調(diào) pH 為 ，加液化酶 200單位 /g 干淀粉，攪拌升溫至 90℃，使淀粉液化，降溫至 60℃，調(diào) pH為 ，加糖化酶 200 單位／ g干淀粉，保溫 8h，分出糖液，糖渣用酸水解，汽油提取得薯蕷皂甙元。分出的糖液可以用來生產(chǎn)酵母粉。采用分離法加工薯蕷植物的工藝既利用了淀粉，又提高了薯蕷皂甙 元收率。 ④ CO2 超臨界萃取薯蕷皂甙元的工藝研究 葛發(fā)歡等報道用 CO2 超臨界萃取法從黃山藥中提取薯蕷皂甙元的研究，實驗確定了萃取薯蕷皂甙元的最佳條件：即萃取壓力為 29MPa，溫度 55℃；分離Ⅰ壓力為 10 MPa，溫度 60℃，分離Ⅱ壓力為 ，溫度 45H；分離柱壓力為 18 MPa，溫度為 70℃； CO2 流量為 12kg/kg h；萃取時間 3h；夾帶劑為藥用酒精。 CO2 超臨界從黃山藥中萃取薯蕷皂甙元和傳統(tǒng)方法比較，收率提高 倍，生產(chǎn)周期大大縮短，避免了使用汽油引起易燃 易爆的危險。此法是否適用于盾葉薯蕷有待研究。 （ 2） 綜合利用研究 ① 用于生產(chǎn)葡萄糖 盾葉暮蕷經(jīng)發(fā)酵、中和、過濾后，濾餅干燥后用于提取薯蕷皂素，濾液加入活性炭脫色過濾后，以 2倍柱體積 h1(BV)的流速和 30～ 40℃的溫度進(jìn)行離子交換脫鹽，濃縮結(jié)晶干燥得葡萄糖。 ② 用于生產(chǎn)檸橡酸 黃利群等經(jīng)誘變，篩選得到一株新菌株 HA608，用于盾葉薯蕷水解液發(fā)酵生產(chǎn)檸檬酸。盾葉薯蕷酸水解后得到的渣液經(jīng)過濾、水洗得到酸糖液，經(jīng)氧化鈣中和，濾洗后 即為發(fā)酵用糖液。盾葉薯蕷水解糖液培養(yǎng)基為：糖液 50m1，產(chǎn)酸促進(jìn)劑 2g， ，發(fā)酵溫度 34℃，搖床轉(zhuǎn)速 265r／ min。結(jié)果表明，新菌株 HA608 用于盾葉薯蕷水解糖液發(fā)酵是一株優(yōu)良菌株，搖瓶發(fā)酵 110h，轉(zhuǎn)化率 110％左右。 ③ 用于醋酸潑尼松霉菌發(fā)酵 黃姜粉用水浸泡后的上清液濃縮可以提取盾葉冠心寧。沉淀物黃姜淀粉乳于 100℃蒸煮 1 h，加入適量淀粉酶，調(diào) PH至 6，在 90℃液化 1～ 3h，常壓滅菌 30min，調(diào) PH4～ ，加入適量糖化酶， 60℃保溫 24 h以上，常壓 滅菌 30min。過濾，分出糖液和糖渣。糖渣用于提取薯蕷皂索。糖液脫色精制得純凈葡萄糖液。按葡萄糖 3％的配比，折算用黃姜糖液部分或全部代替葡萄糖，玉米漿 ％，硫酸銨 ％， ～ ，滅菌 30min制備搖瓶培養(yǎng)基。接種黑根霉孢子液％，在 28℃旋轉(zhuǎn)式搖床培養(yǎng) 24h，菌絲量達(dá) 1／ 2以上， ，菌絲形態(tài)正常，不染菌，投沃氏物濃度 1％。在 28℃搖床氧化 48h，出料。結(jié)果說明，黃姜中所含淀粉轉(zhuǎn)化成葡萄 年產(chǎn) 100 噸黃姜皂素工廠設(shè)計（重點酒精回收車間） 7 糖后，可以用于醋酸潑尼松霉菌發(fā)酵。 除以上介紹的綜合利用方法外，盾葉薯蕷淀粉還能用于生產(chǎn) 藥用酵母粉，提取核酸，核苷酸、腺三磷輔酶 A、細(xì)胞色素丙等，盾葉薯蕷含有的纖維素，可以用來生產(chǎn)羧甲綦纖維素。酸水解提取皂素的濾液可以發(fā)酵制酒。 本設(shè)計工藝 （ 1）工藝過程簡述如下： ① 黃姜經(jīng)篩土去雜后，將黃姜加水粉碎至直徑小于 2mm，粉碎后的黃姜漿料進(jìn)入酶解槽，在 45～ 55℃條件下酶解，使皂甙由水溶轉(zhuǎn)化成水不溶的次皂甙，動態(tài)酶解 6小時，然后進(jìn)入壓力釜，加熱加壓，進(jìn)行淀粉糊化，蒸煮后噴醪，加入自行配置的復(fù)合酶進(jìn)行 5小時酶解，經(jīng)噴醪后黃姜細(xì)胞破裂，有效成分充分外露。加 熱和酶解可使其中果膠、半纖維素、部分纖維素、脂類物質(zhì)等成分酶解液化，使淀粉酶解成葡萄糖。 圖 2－ 2 皂素生產(chǎn)工藝流程 ② 固液分離：酶解后的物料通過真空抽濾，將液體與固體分離，固 形 物質(zhì)留在濾層上， 以黃姜 粉碎 復(fù)合酶解 固液分離 纖維皂甙分離 糖液生產(chǎn)酒精 纖 維 皂甙酸解 固液分離 廢 酸液回用 固體提取皂素 固物水洗 PH值中性 皂素成品 廢 醪液 濃縮 漂洗水處理 廢渣 有機(jī)肥原料 酒精成品 處理后 廢水 循環(huán)使用 冷凝水回用 固化水溶皂甙 淀粉糊化細(xì)胞破壁 達(dá)標(biāo)水少量排放 陜西科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 8 備提取皂甙， 液體糖液進(jìn)入糖液槽，黃姜中的泥土沉淀到槽底部。 如此處理 ，分離后的固 形 僅余纖維、木質(zhì)素、皂甙等少量固體物質(zhì)， 為 黃姜總重的 20%左右。 ③ 糖液經(jīng)調(diào)節(jié)溫度和 pH值，用泵送至發(fā)酵罐，加入自行培養(yǎng)的酵 母，發(fā)酵 30～ 50 小時。測定可發(fā)酵糖小于 1％、 酒精 度達(dá)到 35％，無雜菌感染，泵入蒸餾工段，經(jīng)粗餾、醛塔、精塔分離，得到合格酒精。熱廢醪液進(jìn)入四效真空降膜蒸發(fā)器濃縮，二次蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后回用于漿料加熱稀釋，濃縮物與皂素提取廢渣和分離纖維三樣混合， 經(jīng) 發(fā)酵添加不同養(yǎng)分后成為有機(jī)肥使用。 ④ 固液分離后的固形物質(zhì)進(jìn)入振動篩，對 表皮等 纖維進(jìn)行分離， 使 粗纖維物質(zhì)