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生物工程毕业设计

毕业设计

设计题目：

年产300吨L-缬氨酸工厂工艺设计

Absdract

Thedesignismainlycarried300tonsofL-valineplantdesign.

AfterthestatusofdomesticproductionofL-valinewereanalyzed,intendstoinvest

L-valineproductionplantinYichangThreeGorgesEconomicArea.FirstProductionL-valineoptimizeddesign,usingmaterialsbatchfermentationmethodsaddedtoimprovetheyieldofL-valine,andthenbasedontheyieldandproductionprocessdevelopedbytheworkshopandmaterialbalancethemainproductionequipmentselection.Madeapreliminarydesign.

Thewholedesignfullyconsiderthecurrenteconomicsituationandfuturedevelopmentneeds,selectthedevicestartingfromtheenergypointofview.Productionprocessestomaximizethemechanizationandautomationlevels,whileseekingadvancedtechnology,reliablequality,reasonablelayout,specification.

Keywords:

L-valineBrevibacteriumflavummaterialbalanceheatbalance

equipmentdesignandselection

摘要

本设计主要是进行年产300吨L-缬氨酸工厂设计。

在对L-缬氨酸国内外生产现状作了分析后，拟在宜昌市三峡经济区投资L-缬氨酸生产工厂。

首先对L-缬氨酸的生产工艺作了优化设计，采用辅料分批添加发酵的方法，提高L-缬氨酸的产量，然后依据拟定的产量与工艺流程对生产车间进行了物料衡算与主要生产设备的选型。

作了一个初步的设计方案。

整个设计充分考虑了目前的经济状况和今后发展的需要，从节能的角度出发选择设备。

生产流程尽量提高机械化、自动化水平，同时力求技术上先进，质量上可靠，布局上合理、规范。

关键词：

L-缬氨酸黄色短杆菌物料衡算热量衡算设备设计和选型

1前言

1.1L-缬氨酸的性质

缬氨酸分子式：

缬氨酸（英文名：

Valine）为白色结晶或结晶性粉末，在水中溶解，在乙醇中几乎不溶。

是一种营养增补剂，是必需氨基酸之一。

无色至白色片状晶体或白色结晶性粉末。

无臭，味微甜而后苦。

本品在水中溶解，在乙醇中几乎不溶。

比旋度取本品，精密称定，加6mol/L盐酸溶液溶解并释稀成每1ml中含80mg的溶液，依法测定（附录ⅥE），比旋度为＋26.5°至＋29.0°。

1.2立题的背景与意义

鉴于国内外对此产品需求量增大，市场供应也相当紧张，且价格不断上扬。

因此，开发缬氨酸，市场前景好，其经济效益和社会效益更为显著。

本设计即是针对我国缬氨酸发展现状，对缬氨酸的生产进行了更为优化的设计，设计了年产300吨缬氨酸的生产工厂，在工艺分析的基础上，进行了物料衡算、设备选型，提取工艺并对生产工厂进行了合理的布局。

同时，设计过程中，也注意环境保护，及时有效的处理生产过程中产生的三废问题。

1.3设计拟定的工作内容

本设计拟定的工作内容包括工厂设计的基本内容，解决工厂设计所需要解决的主要问题，如厂址的选择，产品方案，生产工艺的论证，车间平面设计，全厂平面设计，物料与能量的衡算等，此外还包括设备选型，公用系统，三废处理等。

1.4厂址的选择

宜昌市高新技术开发区符合L-缬氨酸工厂的建厂要求，所以本设计的工厂建立在宜昌市高新技术开发区。

设计占10000平方米。

1.5产品方案

到目前为止，国家在氨基酸生产行业还缺失行业标准，这也是制约我国氨基酸健康发展的一大因素。

本设计的产品方案参照国外标准、日本氨基酸生产企业味之素的企业标准和中国药典里的标准。

对于药用L-缬氨酸中国药典里的标准是性状：

白色结晶或结晶性粉末，成品中L-缬氨酸的含量≥98.5%,透光率≥98%，pH5.5—7.0,比旋光率（20℃）+26.9º-27.9º，蛋白质检测：

取1克样品溶解于10ml水当中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀。

本设计按药典的标准生产药用级的L-缬氨酸。

1.6班产量的确定

依据：

年产300吨L-缬氨酸

按年生产天数300天算，则日生产量为300/300=1吨/天。

实行三班制，班产量为1/3=0.33吨/班，见下表1-1

表1-1产品方案及班产量

产品名称

年产量/吨

日产量/吨

班产量/吨

L-缬氨酸

300

1

0.33

2工艺流程及论证

2.1L-缬氨酸的生产方法

缬氨酸制备：

由于缬氨酸具有旋光性，而生物所能利用的只有左旋（L）型，恰好微生物发酵法所得的全部为L型，因此利用微生物发酵法生产缬氨酸是最重要的方法。

微生物发酵法的原理是发酵法是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理，选育出各种营养缺陷型及氨基酸结构类似代谢调节中的反馈抑制与阻遏，达到过量合成L-氨基酸的目，工艺过程简单，产量高，是目前国际是生产L-缬氨酸的主要方法。

2.2发酵菌种与培养基原料

2.2.1发酵菌种与发酵周期

本设计以黄色短杆菌为发酵菌种，其发酵周期为80小时，加上发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间，生产周期按96小时计，也就是四天为一个生产周期。

2.2.2种子培养和发酵培养基

种子培养和发酵培养基以葡萄糖为主要碳源。

一、二级种子培养基（g/L）：

葡萄糖30.0,辅料：

玉米浆（CSL）20.0、

5.0、尿素1.0、

0.5、

1.5、

0.4、维生素H25

、pH5.5～7.0。

发酵培养基（g/L）：

葡萄糖125.0,辅料：

玉米浆（CSL）10.0、尿素1.0、

1.5、

30.0、

0.5、维生素H50

、维生素B1▪HCl1mg、pH7.0～7.2。

2.3工艺流程

2.4工艺流程论证

本设计的产品的标准为成品含量≥98.5%，透光率≥98.0%，对下游的提取过程要求较高，具体过程如下：

2.4.1发酵的控制

将斜面培养的菌种接种到摇瓶当中，在30℃，120r/min的条件下培养18个小时，然后接入一级和二级种子罐,在30℃，pH5.5～7.0，供氧的条件下，培养7～10个小时，使活菌浓度达到1.08～1.09×108个/ml，以满足发酵用菌。

种子扩大培养的培养基与发酵培养基基本相同，以缩短种子对新环境的适应时间，减少延滞期时间，缩短发酵周期。

发酵的控制：

L-缬氨酸的发酵条件的控制包括温度、pH、菌龄及接种量、通风及搅拌、氧的传递、泡沫等。

用发酵条件来控制发酵过程中各种生化反应的方向和速度，以达到高产的目的。

黄色短杆菌适合的生长温度在30～35℃，但菌体生长与产酸时的主要酶不同，因酶的活力所温度影响，所以最佳生长温度与最佳产酸温度有差别，在发酵前期温度控制在30℃，以利于菌体的生产，后期控制在32℃，利于L-缬氨酸的产生积累。

pH也是影响酶的主要因素之一，黄色短杆菌的生长pH在7.0，发酵过程控制在此pH值。

接种量：

按照10%的接种量接种，以缩短菌体的生长期，缩短生产周期。

溶氧：

因为L-缬氨酸发酵是好氧发酵，溶氧是发酵必需的，溶氧不足就会抑制菌体的生长和产酸量，所以发酵液中的溶氧应控制≥15%饱和氧浓度，通风比为0.2wm。

泡沫的控制：

发酵上消除泡沫的方法有两种，一是机械消泡，二是化学消泡剂消泡，常见的消泡剂有植物油（豆油、花生油等）、矿物油（石蜡油）、合成消泡（泡敌）。

辅料分批添加：

通过在发酵过程中补加一定量的玉米浆可有效解决以上问题，因此12h后每8h按发酵液体积补加0.3％玉米浆，硫酸铵直接用于发酵罐结果影响前期菌体的生长，延长发酵周期。

因此，发酵罐上采取低初始浓度，后续补加的方法：

12h后每6h按发酵液体积补加0.3％的硫酸铵更有利于发酵产酸。

发酵终了时，发酵液中L-缬氨酸含量在5.5%左右。

L-缬氨酸的生物合成部方程式为：

C6H12O6+HN3+O2→C2H11NO2+CO2+H2O

葡萄糖的理论转化率为：

（3×117.5）÷（3×180）=65%

发酵液中含L-缬氨酸5.5%,以1L发酵液计算，则糖酸转化率为：

（1000×5.5%）÷125=44%

2.4.2提取工艺

陶滤:

发酵结束后，发酵液当中包含了大量的菌体，通过陶滤可以将大量菌体与发酵液分开，高压通量加低压通量稳定在5m3/h,L-缬氨酸存在于陶滤后的上清液当中，浓菌将再用水洗，浓菌浆体积为发酵液放罐体积的20%，浓缩了5倍，得到浓菌浆7-8m3。

L-缬氨酸收率98%。

强酸性阳离子交换吸附洗脱:

L-缬氨酸是中性氨基酸，选用强酸性阳离子交换树脂吸附洗脱。

可采用D155树脂，上柱液pH5.5～7.0，中性氨基酸不被吸附，随过流液除去。

用2mol/L氨水洗脱，高流分含L-缬氨酸1.5%～2.5%，透光率30%～50%，收率96%。

驱氨:

洗脱液当中含有大量的氨，可以用三效降膜浓缩器进行驱氨，进料量在7m3/h,经三效浓缩即可完成驱氨任务，收率在92%～95%。

脱色，除杂:

经弱酸性阳树脂交换后的L-缬氨酸液显淡黄色，透光率只有30%～50%，还达不到L-缬氨酸透光率≥98%的要求，所以还要进一步的脱色和除杂，为了节约投资，选用活性碳、和强酸性阳离子交换树脂结合方法，驱氨后调pH9.5～10.0，用活性碳767在40℃下脱色，透光率可达90%以上，再经强碱性阳离子交换树脂711[OH-]进一步的脱色除杂，L-缬氨酸不挂柱，这一步可除去全部的阴离子和一些可溶性蛋白质杂质，L-缬氨酸的收率可达98%。

超滤:

要生产L-缬氨酸，采用超滤除热源蛋白质等大分子杂质。

蛋白质检测：

取1克样品溶解于10ml水当中，加20%三氯醋酸溶液5滴，不得生成沉淀，所以必需严格控制蛋白质的含量，超滤是控制蛋白质的必需步骤。

收率98%。

单效减压浓缩结晶:

经过已上的提取步骤后，要得到纯品，还必需经过浓缩结晶工序。

减压浓缩：

在强制内循环浓缩锅内，加热面积20m2，初定容4m3，温度小于50℃，浓缩终容在1.5～2m3，L-缬氨酸终浓度45%～50%，时间3小时。

浓缩液输入结晶锅，温度控制在46～50℃，进行结晶，，结晶过程中不断地补料使结晶过饱和析出，并不断析出。

2.4.3整个提取过程收率

整个提取过程收率为：

陶率98%×弱酸性阳离子交换96%×驱氨92%×脱色除杂98%×超滤98%×减压浓缩90%×结晶83%=62%

3发酵车间物料衡算

3.1L-缬氨酸发酵工艺技术指标

指标名称

单位

指标数

生产规模

吨/年

300

生产方法

黄色短杆菌发酵，离子交换法提取

年生产天数

天/年

300

产品日产量

吨/天

0.33

产品质量

纯度%

≥99

倒灌率

%

0.5

发酵周期

h

80

发酵初糖

Kg/m3

125

淀粉糖转化率

%

98

糖酸转化率

%

65

L-缬氨酸提取率

%

44

3.2发酵车间物料衡算

首先计算生产1000kg纯度为≥99%的药用级L-缬氨酸需耗用的原辅材料及其他物料量。

（1）发酵液量V1

V1=1000÷（125×44%×99.5%×65%）≈28（m3）

式中125——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）

44%——糖酸转化率

99.5%——除去倒灌率0.5%后的发酵成功率

65%——L-缬氨酸提取收率

（2）发酵液配制需水解糖量G1

以纯糖算，G1=V1×125=3504（Kg）

式中125—发酵液初糖含量（kg/m3）

（3）一二级种子液量

二级种子液量V2液量V2液量=10%V1=2.8（m3）

一级种子液量V1液量V1液量=10%V2液量0.28

（4）一二级种子培养液所需水解糖量G2

G2=30（V1液量+V2液量）=92.4（Kg）

式中30为一二级种液含糖量（kg/m3）

（5）生产1000kgL-缬氨酸需水解糖总量G为：

G=G1+G2=3596.4（Kg）

（6）耗用淀粉原料量

理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，

故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：

G淀粉=3596.4÷（86%×98%×111%）≈3364.5（Kg）

式中86%——淀粉原料含纯淀粉量

98%——淀粉糖转化率

发酵车间的物料衡算结果列表

由上述生产1000kgL-缬氨酸（≥99%纯度）的物料衡算结果，可求得300吨/年L-缬氨酸发酵车间的物料衡算结果。

具体计算结果如下表：

表3-2300吨/年L-缬氨酸发酵车间物料衡算结果

物料名称

生产1000kg（1吨）L-缬氨酸（纯度≥99%）的物料用量

生产300吨L-缬氨酸（纯度≥99%）的物料用量

一二级种子发酵液（m3）

3.19

957

发酵液（m3）

29

8700

水解糖总量（kg）

3596.4

1.08×106

淀粉（kg）

3364.5

1.01×105

4发酵车间设备选型

4.1发酵罐的选型

当前，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐，即大家常说的通用罐，L-缬氨酸的发酵生产是好氧发酵，需要提供足够的溶氧才能保证发酵的正常进行，因此选用机械涡轮搅拌通风发酵罐，选用这种发酵罐的原因主要有：

历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。

4.2发酵罐个数的确定

年产300吨L-缬氨酸,全年的生产天数为300天，则每天产300/300=1吨，需要发酵液的体积为：

28×1=28（m3）

发酵罐的填充系数φ=70%；则每天总共有发酵罐的体积为V0：

发酵周期为80小时，生产周期为96小时，即四天。

发酵罐个数的确定：

现选取公称体积为20m3的发酵罐，总体积为22.6m3

取公称体积20m3发酵罐9个，其中一个留作备用。

实际产量验算：

富裕量

能够满足生产需要。

4.3主要尺寸的计算

公称容积，是指罐的圆柱部分和底封头容积之和。

并圆整为整数：

上封头因无法装液，一般不计入容积。

罐的全容积，是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。

4.3.1罐径与罐体高度

现在按公称容积20m3，全罐的体积为：

22.6m3，取高径比为H：

D=2[11]，高径比小，有利于发酵罐的溶氧，封头与圆柱罐体的焊接处的直边高度不纳入体积，则：

根据圆柱体体积与椭圆的体积计算公式有：

解方程得：

直径计算出来，应将其值圆整到接近的公称直径系数，查吴思方的《生物工程工厂设计概论》2007年版，附表25（281）通用式发酵罐系列尺寸表，则D取2.3

H=2D=2×2.3＝4.6（m）

查阅文献，当公称直径D为2.3m时，标准椭圆封头的曲面高度H为D/4，即0.575m，焊接处的直边高度h为0.04m，

则总深度为：

封头容积：

V封

圆柱部分容积：

V筒

两者之和为全容积

则设计的发酵罐其尺寸符合要求，能够满足生产工艺的需要。

4.3.2搅拌器的设计

机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于L-缬氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此采用六弯叶涡轮搅拌器。

六弯叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大，根据搅拌器型式及主要参数HG/T2123-1991标准，知20m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶，搅拌器：

六弯叶涡轮搅拌器,Di:

di:

L:

B=20:

15:

5:

4，搅拌器直径：

Di=D/3

搅拌器直径：

Di=

叶宽：

B=

弧长=

底距

盘径

叶距Y=D=0.77（m）

叶弦长L=0.25Di=0.25×0.77=0.193（m）弯叶板厚δ=14（mm）

相邻搅拌叶轮间距S=2Di=1.54（m）

取两档搅拌，转速以50立方米罐的现有数据比例求得，已有数据：

搅拌直径D11.05m,转速N1110r/min,以P0/V为基准求得

4.3.3搅拌功率的计算

L-缬氨酸的发酵液为低浓度醪液，可视为牛顿液体，依据化工工艺设计手册用修正的迈凯尔公式求得。

设计参数：

醪液密度ρ=1050kg/m3

醪液粘度μ=1.3×10-3N·s/m2

搅拌器直径D=0.77m

搅拌器转速N=135/60=2.25（r/s）

（1）计算Re

可见把L-缬氨酸发酵液视为牛顿液体是正确的，为湍流，则搅拌功率准数Np=4.7

（2）由Np可以算出不通气时发酵罐搅拌轴功率P0：

因为搅拌轴有两档搅拌叶，所以搅拌轴总功率P为2P0=30.4（kw）

（3）通风时的轴功率Pg

式中P0——不通风时搅拌轴功率（kW）

N——轴转速，N=135r/min

D——搅拌器直径（cm），D3=0.773×106=4.6×105

Q——通风量（ml/min），设通风比为0.11~0.18，取低限，如通风量变大，Pg会小，为安全。

现取0.11；

则Q=15.82×0.11×106=1.74×106（ml/min）

代入上式：

（4）电动机的功率

采用三角带传动η1=0.92；滚动轴承η2=0.99，滑动轴承η3=0.98；端面密封增加功率为1%[7]；代入公式数值得

查手册选取电机30kw一台。

4.3.4冷却装置设计

20m3发酵罐的体积比较大，比表面积小，夹套蛇管等形成的冷却面积已无法满足生产要求，于是使用内置的列管装置，以水作冷却介质。

设计参数：

L-缬氨酸发酵产热4.18×6000kJ/（m3·h）。

设计发酵罐装料系数：

取70%

换热器传热系数K取经验值：

K=4.18×500kJ/（m3·h·℃）

发酵罐装料液体积：

（1）最高热负荷下的耗水量：

式中：

Q总——每1m³醪液在发酵最旺盛时，1h的发热量与醪液总体积的乘积：

Q总=4.18×6000×15.82=4.0×105KJ

Cp——冷却水的比热容，4.18KJ/（Kg.K）

T2——冷却水终温，27℃

T1——冷却水初温，20℃

将各值代入上式，

（2）冷却管冷却面积的计算

按发酵生成热量高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。

平均温差△t

：

△t

=

32℃→32℃

20℃→27℃

125

代入△t

=

=8℃

换热面积：

=

=24㎡

（3）冷却管总截面积

冷却水的流量为3.8kg/s,，取冷却水在竖直蛇管中流速1m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积S总为：

式中，w——冷却水体积流量，w=3.8×10

m³/s

V——冷却水流速，v=1m/s

代入上式，S总=3.8×10

（㎡）

进水总管直径

（4）冷却管组数和管径

设管径为d0，组数为n,则冷却管的总表面积S总

根据本罐情况，取n=8，求管径，由上式得：

查国家标准：

锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管（GB13296-91），选取Ф27×1.2无缝管，d内=24.6mm，d平均=25.8mm。

现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250mm，则两直管距离为500mm，两端弯管总长度l0

（5）冷却管总长度L计算：

根据

的计算结果可知，冷却管总的热交换面积F=24㎡，以无缝钢管Ф27×1.2作为冷却用管，需要的总长度为：

每米长冷却面积为F0=3.14×0.0258×1=0.081（m2）

需要的总长度L=F/F0=296.3（m）

冷却管在发酵罐内占用的体积为：

V=0.785×0.0272×177.8=0.17（m3）

（6）每组管长l0和管组高度

另需连接管8m：

l实际=L+8=304.3（m）

可排竖直列管的高度，设为静液面高度，下部不伸入封头。

设发酵罐内附件占有体积为0.5m³，则：

由此可以算出发酵罐内的液面高度为：

竖式蛇管总高H管=3.59（m），取管间间距为0.5m，又两端弯管总长1.57m，两边弯管总高0.5m，

则可算出直管部分高度H为：

3.59－0.5=3.09m

则一圈管长为：

每组管子圈数:

L实=7.75×5×8+4×8=342（m）＞296.3（m）

管间距为2.5D外=2.5×0.027=0.0675（m），竖直列管与罐壁的最小距离为0.15m，则可计算出与搅拌器的距离为：

在允许范围内（不小于200mm），

核实布置后冷却管的实际传热面积为：

S实=πd×L实=3.14×0.0285×342=27.7（m3）>24（m3）

能满足实际生产的需要，设计符合需要。

4.3.5接管设计

（1）接管的长度h设计：

各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100~200mm。

（2）接管直径的确定：

按排料管计算：

该罐实装醪量15.82m3，设0.5h之内排空，则物料体积流量

发酵醪流速取v=1m/s;则排料管截面积为F物。

取无缝管Ф108x4mm，认为合适。

设计每个发酵罐有一个空气除菌系统，

通风量按溶氧量计算：

压缩空气在0.4MPa下，支管气速为20~25m/s，通风比为0.2wm

20℃，0.1Mpa下，Q=15.82x0.2=3.164m3/min=0.053m3/s

计算到0.4Mpa，32℃状态下，

取风速v=20m/s，则风管截面积Ff为：

Ff=0.785d2气，则气管直径d气为：

因通风管也是排料管，取两者的大值，取Ф108x4mm无缝钢管，则满足工艺。

排料时间复核：

物料流量Q=0.0088m3/s，流速v=1m/s，

管道截面积：

在相同流速下，流过物料因管径与原来计算结果相同，所以所用时间相同。

4.3.6设备材料的选择

考虑压力，温度，腐蚀因素，选择罐体材料和封头材料，封头结构、与罐体连接方式。

L-缬氨酸发酵是在pH7.0中性环境中进行的，对罐体不会有太大腐蚀，所以罐体和封头都使用A3钢为材料，以降低费用，封头设计为标准椭圆封头，因D>500mm，所以采用双面缝焊接的方式与罐体连接。

（1）发酵罐壁厚

计算法确定发酵罐的壁厚S1

式中，P——设计压力，取最高工作压力的1.05倍，P=0.4Mpa

D内——发酵罐内径，D=230cm

[σ]——A3钢的许用应力