年产吨海藻糖工艺设计毕业设计.docx
《年产吨海藻糖工艺设计毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《年产吨海藻糖工艺设计毕业设计.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
年产吨海藻糖工艺设计毕业设计
本科毕业设计（论文）
题目年产2000吨海藻糖工艺设计
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
ABSTRACT
Trehalose（1-a-D-glucopyranosyla-D-glucopyranoside）isadisaccharidewithana,a-1,1glycosidiclinkageandiswidelydistributedinplants,insects,fungi,yeast,andbacteria.Trehaloseisakindofdisaccharidewithauniqueprotectiveeffectofresistancetodrought,lowtemperature,thermalshockordehydrationstresscondition.
Japanesescientistsdiscoveredtrehalosesynthasewhichiscapableofproducingtrehalosewithmaltoseassubstratein1995.Trehalosesynthasereactiondoesnotrequireconsumptionofenergy,nophosphatecoexistentandtheenzymespecificityisstrong.Itonlyworksonmaltoseformationoftrehalose,andmaltoseontrehaloseconversionrateisapproximately70%-80%.rawmaterialfromstarchbytheenzymeintoproduction,orcandirectlyusethecheappriceofmaltosesyrup.Therefore,rawmaterialcostscanbegreatlyreducedandmaltoseintotrehalosebyonlyonestepreactionissimpleandeasytocontrol.Itisasuitablemethodforindustrializedproductionoftrehalose.
Recentyears,withtheconstantdiscoveryoftheexcellentcharacteristicsoftrehalose,trehaloseinbiologicalmedicine,cosmetics,foodandotherfieldsareincreasinglyshowinganattractiveapplicationforeground,whichleadstoadevelopmentboomoftrehaloseproductiontechnologyandapplicationtechnology.
Keywords:
Maltose;trehalose;trehalosesynthase
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
Figure1.1Moleculestructureoftrehalose
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（Mushroomsugar），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
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。
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。
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VanderHave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。
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；
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/T2848-2007。
理化要求：
如下表
海藻糖的基本性质
Table1.1Basicpropertyoftrehalose
名称性质
a.熔点
C12H22O11·2H2O97℃C12H22O11251.5℃
b.熔解热
C12H22O11·2H2O57.8KJ/molC12H22O1153.4KJ/mol
c.甜度
相当于蔗糖的45％
d.吸湿性
C12H22O11·2H2ORH≥90%，C12H22O11RH≥30％有吸湿性
e.消化性
在体内可经海藻糖酶分解消化吸收
f.溶解度
（100g水中海藻糖的重量g）
g.旋光度
178（20℃，1％水溶液）
h.pH稳定性
＞99％（pH3.5~10，100℃，24h）
温度（℃）
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
表2-1海藻糖理化指标
项目
无水海藻糖
结晶海藻糖
优级
优级
一级
含量（以干基计）/％
≥99
≥99
≥98
pH
5.0~6.7
5.0~6.7
灼烧残渣/％
≤0.02
≤0.02
≤0.05
干燥失重/％
≤1.0
≤1.0
≤1.5
色度
≤0.1
≤0.1
浊度
0.05
0.05
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
结晶海藻糖
优级
优级
一级
铅（Pb）/（mg/kg）
≤0.1
≤0.1
≤0.5
砷（As）/（mg/kg）
≤0.1
≤0.1
≤0.5
菌落总数/（个/g）
≤100
≤100
≤300
大肠菌群/（MPN/100g）
阴性
阴性
≤30
霉菌和酵母菌/（个/g）
100
100
100
致病菌（系指肠道致病菌和致病性球菌）
不应检出
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、对比分析。
场地选择就是对所建厂在某地点处的面积大小、场地外型及其潜藏的技术经济性，进行周密的调查、预测、对比分析，以此作为确定厂址的依据。
选择厂址的一般原则如下。
（1）自然条件
①地理位置
选择厂址时应当了解所选厂址的方位及其与城镇的关系，周围地段的地理状况和在该处建厂的有利和不利条件。
根据发酵工业生产方式及产品销售的特点，厂址应处在城镇郊区。
通常在工厂设计中。
另外，厂址选择应考虑微生物发酵工厂对环境因素的特殊要求，黄酒厂的防火要求，环境卫生的要求，对环境空气含菌要求等。
发酵工厂厂址周围应清洁卫生，厂区应在居民区下风侧，河流上游，远离有毒工厂和有机肥料、化学肥料的生产企业及传染病中心地点。
②地形、地势和地质
现代化的发酵工厂，从原料→糖化→发酵→分离提取→精致→包装，是一条流水作业线。
车间占地面积大的且为矩形者多，因此要求厂址地形及外形整齐为好，最适宜者为矩形（经验的边长比例约2.5:
1.0为宜）。
这样有利于工厂总平面的布置。
地势是用厂址地面的自然坡度和凹凸不平度来描述的。
厂址选择要求地势平坦，自然坡度最好在5/1000以下（指自中心向四周或自一边向林一边的海拔高度差），以利于排泄雨水，厂内交通运输及厂房建筑物坐落基础施工。
厂址的地形与地势的详细描述，是由地图形上的等高线与坐标网等标注的。
地质条件应符合建筑工程要求。
对厂址的地质构造，土壤类型，地耐力等情况进行调查研究，必要时还应钻探。
在长治范围内不应由地下矿藏、流沙、淤泥和古墓。
地面的耐力不能低于120～150kN/m2。
地下水位最高子车间低平高-2.5m以下。
③水文
要有丰富的水源，包括水、深层水（深井水）、水库水（雨水）、江河水（露天水）及泉水（有压水）和城市自来水等。
根据发酵工厂的特点，水质要满足生产工艺要求，包括满足饮用水质标准及酿造用水标准、硬水及软化水等，一般深井水及泉水的水量、水温、水质均较适宜；地表示、水库水、江河水的水量的而水质不高；城市自来水来源方便但价格不便宜。
使用时要注意其合理性和经济性。
厂址附近的洪水水位、流向及淹没情况，都应熟悉。
一般要求厂址的相对标高应该在最高洪水水位的0.5m以上。
④气象
气象资料是工厂总平面布置的重要依据之一，也是厂房设计和排水系统设计的主要依据。
我国规定每隔10～15年举行气象记录普查。
其主要内容包括以下几项：
㈠温湿度，全年平均气温、平均湿度，最热月及最冷月的平均气温、湿度，最高气温与湿度和最低气温与湿度。
㈡降雨量，全年平均降雨量及一次最大降雨两极持续时间。
㈢冬季积雪情况。
㈣冰冻期及地层冰冻厚度。
㈤风玫瑰图及风级表等。
㈥最高、最低气压及全年平均气压等。
㈦全年日照书、各月日照分布情况等。
⑤地震
历年地震情况和影响，应以地震部门鉴定的震级和烈度为准。
厂址的自然条件十分复杂，千差万别。
在厂址选择时，不仅要注意其常年平均数据，还应特别注意周期性异常数据（指最高最低值）。
常言：
基本建设系百年大计。
其意在于启示人们，在厂址选择工作上，必须要有长远观点，不能存权宜之计。
如果置自然条件于不顾或者调查研究不透，就会给工厂长期生产、技术管理及经济效益带来重大损失。
（2）技术经济条件
①原料供应与产品销售
发酵工业产品繁多，原料范围广泛，由农、林、牧、水等天然原料，也有工业产品或副产品。
选择厂址时应对原料的产地、供应、运输、储藏（某些品种需要保鲜）及其规格质量、化学成分等技术经济性状调查分析。
所选的厂址应尽量接近原料产地，异地原料应保证供应方便，减少运输损失，进厂后必须有相应的储藏工艺（储备量、贮仓面积，储仓管理等），以保证正常生产，降低原料成本。
选择厂址时，一般要以产品品种数量同市场预测紧密联系起来为原则。
满足销售对象区域性的风俗习惯与广泛性的更新要求。
把握国内外产品在厂址地区内的销售数量和品种比例等销售动态。
以厂址选择求市场活跃，提高本厂产品声誉与销售比例。
②能源供应
电、热及燃料供
升级会员 