色氨酸生产分析.docx
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色氨酸生产分析
3工程分析
3.1项目概况
3.1.1项目名称、建设性质与建设地点
项目名称：
山东鲁抗医药股份有限公司年产2000吨色氨酸项目。
建设性质：
新建。
建设地点：
山东省邹城市太平镇以西约4km，济邹公路以南约400m，白衣堂村北方向约500m，邹城工业园以南约250m。
3.1.2项目组成与主要经济技术指标
工程中主要包括有生产装置以及储运设施，具体组成见表3.1-1，主要经济技术指标见表3.1-2。
表3.1-1工程项目组成一览表
项目名称
主要组成
备注
主体工程
1
发酵车间1座，地上三层（局部夹层）钢筋混凝土框架结构，建筑，内置各级发酵设备
用于色氨酸发酵液的生产
2
提炼一车间，为地上二层钢筋混凝土框架结构建筑，内置色氨酸发酵液离交设备
用于色氨酸发酵液的分离提纯。
年制备成品色氨酸2000t
3
提炼二车间，为地上三层钢筋混凝土框架结构建筑，内置色氨酸高单位离交液一次浓缩、脱色、二次浓缩、结晶、离心以及成品色氨酸混合、筛分、包装设备
公用工程
1
供水：
现阶段厂内自备2口取水井，单井供水量为50m3/h。
待园市内政供水设施配套后，项目用水水源依托市政供水。
厂内设置2×1500m3储水池
2
办公系统：
城内设置办公室、控制室、值班室采、职工食堂宿，厂内不设置职工宿舍
3
循环水冷系统：
由二台10NG-500中温方形组合逆流型钢结构冷却组成，循环水量1100m3/h
4
供电：
厂区西侧设有110/10kv变电所一座；本工程两路10kV电源引自该变电站；其供电能力满足本工程用电负荷的供电要求。
5
供热：
生产用热由厂址以北约500m的里彦热电供应；厂内取暖用热采用提炼车间
（二）的蒸汽
6
空压机房：
单层钢筋混凝土框架结构，内置空压机房、配电室
7
制冷系统：
配YK150型离心式冷水机组3台，YS546型螺杆式冷水机组1台，额定冷冻水（7℃/12℃）流量总计500m3/h，
，额定冷却水（32℃/37℃）流440m3/h
续表3.1-1
环保工程
1
废水：
全厂废水收集至厂内污水处理系统处理后，排入城市污水管网。
厂内污水处理系统采用“UASB＋A/O生物反应池＋二沉池”的处理工艺，处理规模为1500m3/d
2
废气：
提炼二车间沸腾干燥过程中产生的粉尘，经单机除尘机组除尘过滤后经过25m高的烟囱排入大气；发酵车间排放的废气含水蒸汽、空气和少量的二氧化碳，经旋风分离器分离后经过25m高的排气筒排放；
3
固废：
发酵残渣、脱色残渣委托处理；污泥外运综合处理；生活垃圾由当地环卫部门处理
储运工程
1
成品仓库一座，占地600m2，存放产品
2
原料仓库一座，占地1300m2，存放固体原料以及液糖
2
共设12个原料储罐
3
各种原料均由厂家直接送到本厂；产品由本厂车辆运输销售
表3.1-2拟建工程主要经济技术指标一览表
序号
项目
单位
数量
一
项目总投资
万元
23319.69
二
年均利润总额
万元
4501.98
三
产品消耗指标
1
产品能耗成
t蒸汽/t产品
4.95
2
产品水耗
m3/t产品
263.4
四
厂区占地面积
m2
93800
五
绿化面积
m2
6873
六
全厂定员
人
164
七
年运行天数
天
300
八
班制
—
三班
九
年运行时数
h
7200
3.1.3生产规模与产品方案
本项目生产规模与产品方案具体见表3.1-3。
表3.1-3生产规模与产品方案一览表
序号
项目
单位
数量
一
生产规模
t/a
2000
二
产品方案
—
1
色氨酸
2000
三
包装规格
kg/袋
20.0
3.1.4产品质量指标
公司目前主要产品方案见表3.1-4。
表3.1-4产品质量指标一览表
产品名称
分子式
外观性状
熔点
（ºC）
沸点
（ºC）
产品含量
（%）
产品含水（%）
杂质
（%）
色氨酸
C11H12N2O2
白色或微黄色结晶或结晶性粉末，无臭，味微苦
289
—
≥98
≤1
≤1
3.1.5主要原辅材料消耗及其理化性质
拟建工程生产所用主要原辅材料消耗及其理化性质具体见表3.1-5。
表3.1-5主要原辅材料消耗及其理化性质一览表
序号
原料名称
年用量
（t）
沸点
（℃）
分子量
比重（g/ml）
溶解性
性状
1
16%
氨水
13800
—
85
0.936
氨的水溶液，能溶于水、乙醇、醚
无色透明液体，有强烈的刺激性臭味
2
醋酸
1440
117.9
60
1.05
溶于水、醚、甘油
无色透明液体，有强烈的刺激性酸臭
3
31%
盐酸
8709
-84.9
36.5
1.16
极易溶解于水，也易溶解于乙醇
无色有刺激性液体含有杂质时呈微黄色
4
40%
氢氧化纳
6060
1390
40
1.40
易溶于水、乙醇、甘油，不溶于丙酮
无色、无道透明液体，有强烈腐蚀性
3.1.6物料存放情况
本项目全厂物料的存放情以及储罐情况具体见表3.1-6，表3.1-7。
表3.1-6主要物料储存情况一览表
序号
原料名称
最大储存量（t）
贮存方式
原料来源
1
16%氨水
288
立式拱顶储罐
当地供应
2
31%盐酸
120
立式拱顶储罐
当地供应
3
40%氢氧化钠
120
立式拱顶储罐
当地供应
4
醋酸
24
立式拱顶储罐
当地供应
5
活性炭
32
室内储存
当地供应
6
65%液糖
886
立式拱顶储罐
当地供应
表3.1-7储罐一览表
序号
储存物质
储罐容积
规格尺寸
储罐数量
材质
1
16%氨水
60m3
Φ3000×8400
2
聚丙烯
140m3
Φ4000×11000
2
聚丙烯
2
31%盐酸
60m3
Φ3000×8400
2
聚丙烯
3
40%氢氧化钠
60m3
Φ2800×9000
1
碳钢内衬玻璃钢
4
醋酸
30m3
Φ3000×400
1
聚丙烯
5
65%液糖
60m3
Φ3900×5000
3
碳钢内衬玻璃钢
3.1.7主要配套设备
本工程主要设备具体见表3.1-8。
表3.1-8本工程主要配套设备一览表
序号
设备名称
规格型号
数量（台）
1、发酵车间
1.1
一级种子罐
DN800X2700
4
1.2
二级种子罐
DN1800X5600
4
1.3
种子罐旋风分滤器
DN1000X21000
4
1.4
发酵罐
DN3600X11500
8
1.5
发酵液代放罐
DN3400X5200
2
1.6
发酵罐旋风分滤器
DN1400X21000
8
1.7
发酵糖消毒罐
DN3400X5600
8
1.8
种子糖消毒罐
DN1400X2000
2
1.9
种子氨水计量罐
DN1400X2000
2
1.10
无菌氨水储罐
DN3000X7000
2
1.11
消沫剂消毒罐
DN1400X2000
1
1.12
消料罐
DN4000X5600
2
1.13
热水罐
DN1400X3200
1
1.14
热水泵
2
1.15
液糖储罐
DN3900X5000
3
1.16
液糖输送泵
Q=50m3/hH=50m
2
1.17
氨水储罐
DN4000X11000
3
1.18
氨水输送泵
2
1.19
发酵配料罐
DN2800X5000
1
1.20
发酵配料泵
Q=100m3/hH=32m
2
1.21
二种罐配料罐
DN1800X4000
1
1.22
二种罐配料管道过滤器
1
1.23
二种罐配料泵
Q=15m3/hH=30m
2
1.24
蒸汽分汽缸
DN1600X5000
1
续表3.1-8
2、提炼一车间
2.1
循环罐
DN4600X6500V=120m3
4
2.2
循环泵
4
2.3
热水罐
DN3000X4000V=30m3
1
2.4
热水泵
2
2.5
滤液储罐
DN3000X8400V=60m3
3
2.6
滤液泵
3
2.7
自动除渣碟片式离心机
15m3/h
4
2.8
树脂罐
DN2000X12000V=35m3
8
2.9
氨水储罐
DN3000X8400V=60m3
2
2.10
氨水泵
2
2.11
盐酸储罐
DN3000X8400V=60m3
2
2.12
盐酸泵
2
2.13
稀盐酸配制罐
DN3000X8400V=60m3
3
2.14
稀盐酸泵
3
2.15
酸尾气收集罐
DN1000X3000V=5m3
1
2.16
解析剂配置罐
DN3000X8400V=60m3
2
2.17
解析剂泵
2
2.18
解析高单位储罐
DN3000X8400V=60m3
4
2.19
解析高单位泵
4
2.20
解析低单位储罐
DN2800X6400V=40m3
4
2.21
解析低单位泵
4
2.22
解析头罐
DN2000X3200V=10m3
1
2.23
解析头泵
1
2.24
菌渣罐
DN3200X6000V=50m3
2
2.25
菌渣泵
2
2.26
液碱罐
DN2800X9000V=60m3
1
2.27
液碱泵
1
2.28
液碱配制罐
DN3000X8400V=60m3
1
2.29
稀液碱泵
2
2.30
一次馏出液接收罐
DN3000X8400V=60m3
2
2.31
馏出液泵
2
2.32
母液罐
DN3000X8400V=60m3
3
2.33
母液泵
2
2.34
排污泵
2
2.35
去离子水储罐
DN3000X8400V=60m3
3
2.36
去离子水泵
2
2.37
蒸汽分配缸
1
2.38
电动葫芦
Q=1tH=15m
1
续表3.1-8
3、提炼二车间
3.1
一次薄膜蒸发器
F=20m2
4
3.2
一次薄膜蒸发器
F=20m2
8
3.3
解析高单位储罐
DN3200X6000V=50m3
3
3.4
一次浓缩液接收罐
DN2800X4000V=25m3
4
3.5
一次浓缩液泵
2
3.6
一次馏出液接收罐
DN2800X3200V=20m3
2
3.7
一次馏出液泵
2
3.8
二次浓缩液接收罐
DN2000X3800V=12m3
8
3.9
二次馏出液接收罐
DN3000X4000V=30m3
4
3.10
二次馏出液泵
2
3.11
蒸汽凝水罐
DN3000X4000V=30m3
2
3.12
热水泵
2
3.13
洗膜水储罐
DN3000X4000V=30m3
1
3.14
洗膜水泵
2
3.15
脱色罐
DN3600X4200V=50m3
2
3.16
脱色泵
2
3.17
脱色液储罐
DN3000X5000V=50m3
4
3.18
醋酸储罐
DN3000X4000V=30m3
1
3.19
醋酸泵
1
3.20
醋酸计量罐
DN1200X1800V=2m3
1
3.21
醋酸泵
2
3.22
板式过滤器机
6
3.23
过滤器清洗罐
DN1600X2000V=5m3
4
3.24
清洗泵
2
3.25
结晶罐
DN2600X3600V=20m3
6
3.26
母液贮槽
DN1600X1600V=3m3
2
3.27
母液泵
2
3.28
卧式刮刀离心机
8
3.29
粉碎整粒机（湿粉）
4
3.30
粉碎整粒机（干粉）
2
3.31
二维混粉机
V=5m3500kg/批
1
3.32
沸腾床干燥机
4
3.33
震荡筛
1
3.34
电动葫芦
Q=1tH=5m
2
3.35
电动葫芦
Q=5tH=5m
1
3.2生产工艺分析
本项目主要利用外购液糖（65%）为炭源、氨水（16%）为氮源，经液体发酵生产色氨酸。
整个生产过程大致为：
接种后的培养基经三级发酵得到发酵液，发酵液经树脂柱吸附、解析得到解析液，解析液经一次浓缩、酸化、脱色、过滤得到脱色液，脱色液再经二次浓缩、结晶、离心分离、干燥、总混、筛分、包装得到成品色氨酸。
分子式C11H12N2O2，分子量204.22。
学名β-吲哚基丙氨酸。
是组成蛋白质一种成分。
色氨酸是白色晶体，熔点281～282℃（分解），溶于水、热乙醇。
是重要的营养剂。
医药上用作癞皮病的防治剂。
可由酪朊经碱性水解、精制而成，或由β-吲哚醛和马尿酸合成制得。
1、反应总方程式为：
4C6H12O6+4NH3+O22C11H12O2N2+2CO2+18H2O
葡萄糖色氨酸
2、生产方式及生产周期
拟建项目生产为间歇生产，每一批次生产周期为20~23小时（色氨酸提炼过程），每一批次产量约为0.834t，每天同时生产8个批次，日产量总计约为6.67t/a。
3.2.1发酵工序
采用间歇加糖发酵工艺，以氨水为氮源，发酵温度、溶氧、罐压、风量、pH值等参数实行自控和指示记录，提高产酸率和转化率水平。
发酵采用国内优良的菌种，应用高效的膜滤空气净化装置，确保发酵生产的稳定。
其工艺流程见图3.2-1。
蒸汽
水、液糖、培养基
空气
配料
空压机
N1
消泡剂
氨水、液糖
连续灭菌
菌种
膜滤
G1
S1
一级种子培养
发酵后期补入
灭菌
灭菌
二级种子培养
发酵
G2
去提炼车间
发酵液
图3.2-1发酵生产工艺流程图
发酵所需主要设备为：
一级种子罐、二级种子罐、发酵罐、连消系统、空气系统。
投入的物料为葡萄糖液、无机盐、固体培养基（酵母浸出液、柠檬酸三钠），产出的物料为色氨酸发酵液。
所投入的物料按一定的配方进行消毒，进入一级种子罐、二级种子罐及发酵罐。
一级种子罐接入菌种后，罐压控制在0.05～0.1MPa，温度控制在34～35℃，风量控制在21m3/h（通入无菌空气），pH值控制在6.7～7.0，培养周期为10～12h（进行扩大培养），△OD≥0.4。
接入二级种子罐（进行扩大培养），培养条件及品质标准同二级种子罐（风量除外，为210m3/h）。
培养好的二级种子进入发酵罐，罐压控制在0.05～0.1MPa，温度0～12小时为34～35℃，12小时后每6小时温度升高1度，后期时间为28小时升至38℃，放罐时39～40℃。
发酵周期为34～36小时。
流加糖在4.5%左右开始流加，要保证糖均匀流加到26小时以后逐步下降至2.0%，再根据实际情况适当流加。
达到放罐指标后，放至提取。
发酵过程中补入氨水以控制PH，补入葡萄糖水以控制适宜的溶氧。
发酵完成后，发酵液泵送至提炼一车间内循环罐内暂存。
空气系统设备是由预过滤器、精过滤器所组成。
空气预、精过滤器的作用是除掉空气中尘埃、杂菌，保证提供给一级种子罐、二级种子罐及发酵罐所使用的空气为无菌空气。
3.2.2提炼工序
本项目提取过程中采用“离交—浓缩”法。
工艺流程见图3.2-2。
提取所需主要设备为：
离交柱、离心机、薄膜蒸发器、脱色罐、结晶罐、干燥机、混合筛分机。
投入的物料为色氨酸发酵液，产出的物料为成品色氨酸。
1、发酵液树脂吸附
首先来自发酵车间的色氨酸发酵液经化工打料泵打至提炼一车间内的循环罐内，然后搅拌降至室温。
发酵液与上一批次解析前流液、结晶分离母液一同泵入树脂罐内，进行上柱吸附反应，为防止树脂柱母液浓度过高堵塞树脂，上柱吸附过程中进行适量补水控制料液浓度。
通过控制树脂柱末端料液流速，控制整个吸附反应，一般控制树脂柱在4~6小时内达到饱和。
吸附废液通过滤液罐收集，后经滤液泵泵送至自动除渣谍片式离心机进行离心分离（总处理能力15m3/h），分离得到的菌渣外售，废发酵液泵送至厂内污水处理系统进行处理。
2、解析
树脂柱饱和后，首先用5%氢氧化钠溶解洗涤树脂柱，其目的进一步是中和吸附过程中产生H+，调整树脂柱pH至5.1~5.5。
随后用解析剂（1.8%氨水）进行洗脱。
洗脱过程中流出液根据pH值、色氨酸含量的高低分为解析头、高单位和低单位。
解析头为洗脱初期收集到的洗脱液，收集至解析头罐后，回用到下一批次吸附反应中。
低单位为洗脱后期所收集的洗脱液，其中色氨酸含量少，主要为浓度约为1.6~1.7%的氨水，该部低单位洗脱液收集至解析液配置罐中，用做下一批次解析液。
高单位解析液中含有大量的成品色氨酸，收集至高单位解析液储罐中，后分批次泵送至发酵二车间进行蒸发浓缩。
上柱的反应方程式为：
R-COOH+trp+R-COOtrp+H+
羧酸型树脂色氨酸
洗脱方程式为：
R-COOtrp+NH4+R-COONH3+trp+
由于洗脱过程氨过量，因此发生副反应，生产色氨酸氨盐，方程式为：
trp++OH-trp+H2O
trp+NH4OHtrpNH3+H2O
3、树脂再生
解析后树脂，先用去离子水使树脂充分膨胀，然后用5%的稀盐酸洗涤树脂，去除树脂上吸附的NH4+以及无机杂质（主要是铁的化合物），随后用去离子水清洗至中性，用于下一批次反应。
树脂再生废水泵送至厂内污水处理系统进行处理。
整个树脂再生过程约为2h。
4、一次浓缩
来自提炼一车间的高单位解析液，由解析液储罐泵送至二车间内薄膜蒸发器内，进行真空减压蒸发浓缩。
蒸发过程中薄膜蒸发器通过夹套蒸汽维持80℃的工作温度，并由真空泵维持其内部负压状态。
料液和上一批次洗炭水通过薄膜蒸发器上端给料口，喷入蒸发内壁上，随后由蒸发器内刮板迅速将料液涂布在蒸发器上，形成一个蒸发薄膜，扩大蒸发面积，料液中氨和水迅速蒸发。
通过一次浓缩过程可以出去料液中多余的氨和部分水。
由于料液中氨的大量蒸发，洗脱过程中副反应向左侧移动，因此副产的色氨酸氨将重新生成色氨酸，从而提高整个反应产率。
薄膜蒸发器底部接收浓缩液，浓缩液暂存于一次浓缩液接收罐内，用于随后工序。
蒸发器底部蒸汽由真空泵抽至蒸汽凝水罐内，凝水罐内通过夹套冷冻水7℃~12℃将迅速对蒸发汽进行降温冷凝，得到浓度约为2%的氨水。
冷凝液通过密闭管道，泵送至解析液配置罐内，加水配置成浓度1.5%的解析液，后分批次回用于解析工序。
在冷凝液回用配置过程中，整个装置均为密闭容器，不排放氨气。
一次蒸发整个过程约为3h。
5、脱色
浓缩液泵入脱色罐内，进行脱色反应。
脱色前先经过醋酸计量罐泵入适量醋酸，同时开启搅拌，调节溶液pH至色氨酸等电点。
其目的一是降低色氨酸在溶液中的溶解度；二是与溶液中少量氨反应，提高成品色氨酸纯度，反应方程式如下：
trpNH3+Actrp+NH3Ac
待浓缩液搅拌1h后，维持脱色罐内搅拌状态，打开脱色罐顶部加料口，人工加入适量活性炭粉。
脱色罐加料口设置在密闭房间内，因此能避免人口加炭工程中扬尘对外环境的影响。
加炭后封闭加料口，并继续常温搅拌4h。
6、过滤
脱色后，料液从脱色罐底部料液出口泵入板式过滤机，加压进行过滤。
滤液直接抽入中间罐内暂存，随后进行二次浓缩。
整个反应在密闭条件下进行。
每批次料液过滤后板式过滤机需要进行清洗，洗炭水收集至过滤器清洗罐内，并回加至一次浓缩。
7、二次浓缩
滤液由中间罐分批次泵送至薄膜蒸发器内，进行真空减压蒸发浓缩。
蒸发过程中薄膜蒸发器通过夹套蒸汽维持80℃的工作温度，并由真空泵维持其内部负压状态。
其工艺过程与一次浓缩相同。
浓缩液收至结晶罐内。
薄膜蒸发器底部接收浓缩液，浓缩液暂存于二次浓缩液接收罐内，用于随后工序；蒸发器顶部蒸汽通过真空泵抽至蒸汽凝水罐内，凝水罐内通过夹套冷缺水32℃~37℃将迅速对蒸发汽进行降温冷凝，得到冷凝，冷凝水直接排入厂内污水处理系统。
采暖期部分二次蒸发蒸汽将用于厂内取暖。
二次蒸发整个过程约为2h。
8、结晶
滤液收集至结晶罐后，封闭结晶罐，开启夹套冷冻水进水阀，通过冷冻水7℃~12℃对结晶罐进行降温。
结晶过程维持5h。
9、离心
结晶后，开启结晶罐底部放量口，将料液泵送至卧式刮刀离心机内，进行离心分离分离后得到母液和湿物料。
离心母液收至母液罐内暂存，后泵送至前端吸附反应，再次进行提纯。
湿润物料收至粉碎整粒机内（湿粉），内进行粉碎，使用物料尺寸均一化，粉碎整粒机内工作时为密闭状态，运行过程中不产生扬尘。
物料粉碎后收至中间罐内用于干燥过程。
9、干燥
物料由中间罐喂入沸腾床干燥机器，进行干燥。
沸腾床干燥机内，物料由上部进料口加入，热风（由电热风炉产生）从底部加入，并穿过多孔分布板与一定的料层厚度的物料接触，物料呈流化、沸腾状态，在气流中上下翻动，互相混合与碰撞，气固之间接触面积大，进行剧烈的传热传质。
干燥后的物料由沸腾床干燥机内下部放出，由聚丙烯塑料桶收集。
干燥尾气经过布袋除尘器处理后，经25m、内径30cm的排气筒排放。
本项目中共设置4台沸腾床干燥机，2用2备，每天运行16h，年运行时间约为4800h。
10、混合筛分、包装
干燥物料由人工送入二维混粉机内。
加料后，混分机封闭进料口，将不同批次生产的成品进行混合，以达到产品质量均一化。
混合后，打开混分底部放料口，混合产品直接落入震荡筛内进行筛分。
物料筛分过程是在独立的密闭车间内进行，整个过程全自动控制，产生的粉尘不会对外环境产影响，在车间内自然沉降至地面，随后由职工定期进行清理。
筛分过程中筛分径合格产品，直接落入筛分机后端包装机内，包装入库；筛分径不合格产品则留在筛分机滤网上，定期由员工收集，回送至混合机内，再次进行混合、筛分。
发酵液、水
S2、W1
N2
吸附废液
碟片离心机
树脂柱吸附
W2
5%液碱
树脂碱洗
16%氨水母液
水
解析液
1.8%氨水
解析液储罐
G3
解析
低单位解析液
依次加入水、5%盐酸、水
回用至
树脂吸附
G4
解析头
S3
树脂再生
解析后树脂
提炼一车间
回用至
解析液配置
高单位解析液
蒸发气
冷凝液
冷凝
一次浓缩
浓缩液
G5
回用至脱色
依次加入醋酸、活性炭
脱色
二次浓缩
洗炭水
滤液
过滤
S6
混合、筛分
分离母液
结晶、离心
干燥
水洗
滤渣
S4
G6、S5
水
包装
W3
产品
提炼二车间
图3.2-2色氨酸提炼工艺流程
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