第五组1009082056-59<整理总结）
摘要
色氨酸是人和动物生命活动中八种必需氨基酸之一,对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用。
色氨酸的生产方法有多种,其中以微生物直接发酵法最具发展前途。
随着色氨酸的需求量日益增加，决定设计一个年产2000吨色氨酸的工厂。
本设计以大肠杆菌为生产菌株，利用微生物直接发酵法制备色氨酸，采用深层发酵的方式，采用过滤、三效浓缩、冷却结晶、离心烘干的方法，最终获得99%的色氨酸。
本设计对工艺流程进行了物料衡算，并对主要生产设备进行了选型。
关键词：
色氨酸，发酵法，工艺，设备选型
ABSTRACT
Tryptophanisoneofeightkindsofessentialaminoacidsinhumanandanimallifeactivity,Itisusefulforgrowthofpeopleandanimal.Therearemanymethodstoproducttryptophan,andamongthemthemicrobialfermentationisthemostpromising.
Withtheincreasingdemandoftryptophan,wedecidedtodesignanannualoutputof2000tonsoftryptophanfactory.WedesigntheproductwithEscherichiacolistrains,usingmicrobialfermentation,themethodofdeepfermentation,filtration,three-efficientconcentration,coolingcrystallization,centrifugalanddrying,andeventuallyget99%degreesofpurityoftryptophan.Thedesignperformthematerialbalancebasedonthetechnologicalprocesses,andselectthemainproductionequipment.
Keywords:
tryptophan,fermentation,process,selectionofequipment,
摘要……………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………Ⅱ
前言…………………………………………………………………..1
1工艺论证………………………………………………………….2
1.1无菌空气系统………………………...………………………………………2
1.2淀粉的液化和糖……………………………………………………………...3
1.3发酵工艺………………………………………………………………..…….4
1.4提取工艺……………………………………………………………………...5
1.5总工艺流程图………………………………………………………………….6
2物料衡算..........................................................................................7
2.1生产过程的总物料衡算……………………………………………………...7
2.2制糖工序物料衡算……………………………………………………………8
2.3连续灭菌和发酵工艺物料衡算........................................................................9
2.4提取工序物料衡算……………………………………………………………11
3热量衡算…………………………………………………………..13
3.1液化工序热量衡算……………………………………………………………13
3.2糖化工序热量衡算……………………………………………………………14
3.3连续灭菌和发酵工序热量衡算………………………………………………15
3.4浓缩结晶过程热量衡算………………………………………………………17
3.5干燥过程热量衡算……………………………………………………………18
3.6生产过程耗用蒸汽汇总表……………………………………………………19
4水平衡……………………………………………………………...20
4.1糖化工序用水量……………………………………………………………….20
4.2连续灭菌用水量……………………………………………………………….20
4.3发酵工序用水量……………………………………………………………….20
4.4提取工序用水量……………………………………………………………….20
4.5用水量汇总表……………………………………….………………………….21
5设备计算与选型…………………………………………………...22
5.1糖化罐.................................................................................................................21
5.2发酵罐………………………………………………………………………….22
5.3种子罐………………………………………………………………………….27
5.4无菌空气制备………………………………………………………………….30
5.5三效浓缩罐……………………………………………………………………….31
5.6结晶罐……………………………………………………………………............33
6.参考文献……………………………………………………………30
前言
L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,为白色或略带黄色叶片状结晶或粉末，在水中溶解度1014g<25℃），溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。
微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。
它是人体和动物生命活动中必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用，被称为第二必需氨基酸，在生物体内，从L-色氨酸出发可以合成5-羟基色胺的激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质，可以预防和治疗糙皮病，同时具有消除精神紧张、改善睡眠等功效。
另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，用他强化食品和做饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作业，它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。
目前世界L-色氨酸的年产约为10000多吨，市场增长率超过10%，作为饲料添加剂使用的色氨酸有数百吨，中国主要是高价格限制了她的应用。
世界上主要生产厂家是日本的昭和电工、协和发酵和三井化学公司采用发酵方法生产色氨酸，赢创德固赛则兼有发酵法和合成法生产色氨酸。
L-色氨酸的最早生产是靠化学合成法和蛋白质水解法，随着对微生物法生产L-色氨酸研究的不断深入，这种方法已经处于主导地位。
微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。
目前微生物直接发酵法成为色氨酸工业化生产的主流方式。
1．工艺论证
1.1无菌空气系统
微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。
空气中含有各式各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，以及产生各种代谢产物，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。
为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。
此外还要求一定的相对湿度和具有一定的温度。
供给发酵用的无菌空气因需克服过滤介质的阻力、发酵液的静压力和管道阻力，所以常用空气压缩机加压后供给。
过滤除菌是目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。
生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法：
一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为介质过滤或相对过滤或深层过滤。
这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料<烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。
但常用介质过滤法。
此外，空气经过压缩和在管道输送及经过滤器时的压力和温度的变化，会引起空气相对湿度改变，一旦发生凝露析水，就会使过滤介质<如棉花）吸湿，使过滤介质除菌效率大为降低。
因此，应把压缩空气中可能析出的水，在接近过滤介质之前除去。
空气过滤除菌流程：
图1选用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
注：
①第一级冷却：
可使大部分水、油结成较大雾粒<通常冷却到30～35℃）；
第二级冷却：
可使空气析出较小的雾粒<通常冷却到20～25℃）；
②第一次分离：
分离直径较大，浓度较大的雾粒<直径在10um以上）；
第二次分离：
分离直径较小的雾粒<直径在5um以下）；
其优点：
a.比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。
能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。
b.特点：
两次冷却、两次分离、适当加热。
2次冷却：
可以减少油膜污染对传热的影响，能提高传热系数，节约冷却用水
2次分离：
可使油、水、雾分离得比较完全。
适当加热：
可使除水后的空气相对湿度由100%降到50%～60%。
c.首先将进入空气压缩机的空气粗滤。
滤去尘灰等固体微粒，这对空气压缩机正常运行、介质除菌有很大帮助。
d.为防止往复压缩机产生脉动，在流程中需要设置一个或数个贮气罐。
e.无菌过滤，空气除菌系统一般常用两台总过滤器<便于交叉使用）和分过滤器<每个发酵罐一台）相结合的二级过滤装置，以确保空气的“无菌”。
1.2淀粉的液化和糖化：
色氨酸发酵过程中用的是葡萄糖，而所采用的发酵菌种没有分解淀粉的功能，所以在
微生物发酵之前必须将淀粉分解成葡萄糖。
目前采用的是喷射液化法和双酶法葡萄糖生产工艺。
工艺流程包括调浆、液化、糖化和过滤。
1.2.1调浆：
搅拌速度为10–20r/min，加入工艺水和淀粉原料到淀粉浓度为25%，升温到50-55℃，调节pH保持在6.0-6.5之间，加入耐高温的α-淀粉酶，用量为10U/（g淀粉）。
1.2.2液化：
通入蒸汽到喷射器和维持柱中，预热到90-95℃后，将淀粉乳泵入喷射器，调节物料与蒸汽的压力，保持平衡。
保持出口的温度在100-105℃之间，液化的淀粉乳由喷射器下方卸出，引入维持罐。
维持过程的温始终要控制在95-98℃之间，持续时间为30分钟，最终淀粉乳的碘反应呈棕红色，且能迅速扩散。
1.2.3糖化：
淀粉乳经糖化后，通过螺旋版换热器降温，降至60-62℃，然后进入糖化罐，用10%的硫酸调节来pH至4.2-4.5，再加入糖化酶，其用量为100U/（g淀粉）。
糖化时间约为24-48小时，终点前DE值达到最高，提前15-20min升温至85℃，灭酶5-10min.
1.2.4过滤：
由于糖化过程中的条件比较温和，所以脂肪、蛋白质基本没发生变化，可以用板框压滤机配上12-16涤纶过滤布加以过滤。
1.3发酵工艺
色氨酸发酵采用大肠杆菌深层发酵的方式
1.3.1工艺流程
斜面培养→三角瓶麸曲→孢子悬浮液→种子罐→发酵罐→升温絮凝蛋白→发酵液贮罐
1.3.2培养基成份原料
a:
斜面培养基b:
麸曲培养基麸曲：
水=1：
1
c:
种子培养基（NH4>2SO450,淀粉糖50，玉M浆4ml，豆饼水解液2ml，MgSO4·7H2O4,KH2PO40.1,，FeSO4·7H2O0.01，MnSO4.H2O0.01，PH7.0~7.2
d:
发酵培养基淀粉糖50，玉M浆22ml，（NH4>2SO440，Phe0.15，Tyr0.15，MgSO4·7H2O0.4，MnSO4·H2O0.01，FeSO4·7H2O0.01，VB1100µg
1.3.3工艺条件：
①制备孢子悬液：
在1000ml三角瓶内装入麸皮40g和水40ml，混匀，121℃灭菌30min。
然后接种，再放入30℃培菌室内进行培养3-4d，前2天每天混匀2次，孢子完全成熟时就不用混匀。
使用前用无菌水将麸曲中的孢子洗去，倒入接种瓶，接入种子罐。
②种子罐：
灭菌条件121℃、10min。
罐溫冷却至37.5℃接入孢子悬浮液。
培养条件：
风量0.3m3/（m3·min>
搅拌转速200r/min
温度37.5℃
罐压0.03MPa
移种条件：
培养时间为18h；pH下降到2.0以下，产酸50g/l；镜检菌丝，保证生长良好，无孢子、无杂菌
③发酵罐：
先投料，再间接用蒸汽加热，等罐溫升至80-90℃后，改用3路直接蒸汽，85℃保持10min，待料液温度至37.5℃接入种子，接种量4%。
培养条件：
风量0.18m3/
搅拌转速80-90r/min
培养温度37.5℃
罐压0.07MPa
放罐条件：
发酵后期进行两次产酸测定，如果相近或有下降趋势即可；且还原糖基本耗完<小于0.5g/l>或者不再消耗还原糖。
1.3.4生产技术指标：
糖化过程中淀粉糖转化率<%）：
108
发酵周期：
45
发酵糖酸转化率<%）：
12-15
发酵液产酸量80
提取收率<%）：
85
精制纯度<%）：
99
每吨成品消耗淀粉量<吨）：
8.444
生产工作制度：
全年按300天工作日计算，连续生产
1.4提取工艺[5]
工业上通常采用三效浓缩的方法来提取色氨酸。
三效浓缩是通过蒸发过程中二次蒸汽的利用减少蒸汽的消耗和减少二次蒸汽量，相应地节约大量的冷却水，从而提高了蒸发装置的经济效益。
1.5总工艺流程图
2物料衡算
2.1生产过程中的总物料衡算
2.1.1生产能力：
年产2000吨色氨酸，精制纯度为99%，
年产总的色氨酸量2000×99%=1980t
日产100%色氨酸量1980÷300=6.6t
日产99%色氨酸量6.67t
2.1.2总物料衡算（以淀粉为原料>：
<1）1t纯淀粉理论上产100%的色氨酸的量：
1000×108%×（204/360>=1000×1.08×0.57=615.6kg
<2）1t纯淀粉实际产100%的色氨酸的量：
1000×108%×15%×85%=137.7kg
<3）1t工业淀粉<含量86%的玉M淀粉）产100%色氨酸的量：
137.7×86%=118.422kg
<3）淀粉单耗：
1t100%的色氨酸消耗工业淀粉的量1000÷118.422=8.444t
1t100%的色氨酸理论上消耗纯淀粉的量1000÷615.6=1.62t
<4）总收率：
137.7÷615.6=22.37%
<5）淀粉利用率：
1.62÷8.444=19.19%
<6）生产过程总损失：
100%-19.19%=80.81%
<7）原料及中间品计算：
日淀粉用量：
8.444×6.6=55.73t/d
日糖化液量：
55.73×86%×108%=51.76t/d
折合为24%的糖液51.76÷24%=215.67t/d
日发酵液量：
纯色氨酸量51.76×15%=7.76t/d
折算为80g/l的发酵液7.76÷8%=97m3
提取色氨酸的量<纯色氨酸的量）：
7.76×85%=6.60t/d
色氨酸废母液量（以排出之废母液含色氨酸4g/l计算>：
（7.76－6.6>÷0.4%=290m3
2.1.3总物料衡算结果
总物料衡算结果<年产10000吨色氨酸）
表1总物料衡算结果
原料
淀粉质原料<玉M淀粉）
工程
生产1t100%色氨酸
t/d
工业原料
8.444
55.73
糖液<24%）32.68
215.67
色氨酸<99%）1.01
6.67
色氨酸<100%）1.00
6.6
发酵液14.70
97
排出含0.4%色氨酸废母液43.94
290
2.2制糖工序的物料衡算
2.2.1淀粉浆量及加水量：
淀粉加水比例1:
2.5，1t<1000kg）工业淀粉产生淀浆量1000×<1＋2.5）=3500kg，加水量3500–1000=2500kg
2.2.2粉浆干物质浓度：
1000×86%÷3500×100%=24.57%
2.2.3液化酶量：
使用液体α—淀粉酶3500×0.25%=8.75kg
2.2.4CaCl2量：
3500×0.25%=8.75kg
2.2.5糖化酶量：
用液体糖化酶3500×0.25%=8.75kg
2.2.6糖化液产量
1000×86%×108%÷24%=3870kg
24%糖液的相对密度为1.09
3870÷1.09=3551L
2.2.7脱色用活性炭用量：
为糖液0.15%
3870×0.15%=5.8kg
2.2.8滤渣产量<含水80%的废活性炭）：
5.8÷（1-80%）=29kg
2.2.9生产过程进入蒸汽和洗水量：
3870+29－3500－<8.75+8.75+8.75+5.8）=366.95kg
2.2.10衡算结果:
根据总物料衡算，日投入淀粉55.73t，物料衡算汇总表如下
表2制糖工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
工程
物料比例日投料量工程
物料比例日产料量工业原料
1000
55730
糖化液
3870
215675.1
配料水
2500
139325
滤渣
29
1616.17
液化酶
8.75
487.64
CaCl2
8.75
487.64
糖化酶
8.75
487.64
活性炭
5.8
323.234
洗水和蒸汽
366.95
20450.12
累计
3899
217291.27
累计
3899
217291.27
2.3连续灭菌和发酵工序的物料衡算
2.3.1发酵培养及数量：
（1>1000kg淀粉，得到24%的糖液3870kg。
发酵初始糖浓度为170g/l,其数量为
3870×24%÷17%5464×1.06=5792kg
（2>配料：
按放罐发酵液体积计算
5464×<17%/13.3%）=6984L<133g/l为终糖浓度）
玉M浆6984×0.2%M糠6984×0.3%（W/V>=21.0kg
无机盐6984×0.75%=52.4kg
配料用水：
配料时培养基中含糖量不低于19%，向24%的糖液中加水量
<3870×24%）/19%-3870=1018.5kg
（3>灭菌过程中加入蒸汽量及补水量：
5792－3870－1018.5－14.0－21.0－52.4=816.1kg
2.3.2接种量：
6984×1%69.84×1.06=74kg
2.3.3发酵过程中pH调节用HNO3，为发酵液体积的1.5%
6984×1.5%=104.8kg
2.3.4加消泡剂的数量为发酵液的0.05%
6984×0.05%=3.5kg
消泡剂的相对密度为0.8
3.5÷0.8=4.375L
2.3.5发酵过程从排风带走的水分
进风25℃，相对湿度σ=70%，水蒸气分压18mmHg<1mmHg=133.322Pa），排风32℃，相对湿度σ=100%，水蒸气分压27mmHg。
进罐空气的压力为1.5大气压<表压）<1大气压=1.01325
105Pa），排风0.5大气压<表压）。
出进空气的湿含量差：
通风量为0.18m3/（m3.min>
则带走的水量：
6984×0.18÷1000×60×40×1.157×0.01=34.9kg
式中1.157为32℃时干空气密度假设过程分析、放罐残留及其他损失30kg
2.3.6发酵终止时的数量
5792＋74＋104.8＋3.5－34.9－30=5909.4kg
2.3.7衡算结果汇总
年产2000吨色氨酸日投工业原料55.73t，连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总表如下：
表3连续灭菌和发酵工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
工程
物料比例t/d
工程
物料比例t/d
24%糖液
3870
215.67
发酵液
5909.4
329.32
玉M浆
14.0
0.78
空气带走水分
34.9
1.945
M糠
21.0
1.17
无机盐
52.4
2.92
过程分析、放罐残留及其他损失
30
1.67
配料水
1018.5
56.76
灭菌过程进蒸汽及水
816.1
45.48
种量
74
4.124
HNO3
104.8
5.84
消泡剂
3.5
0.195
累计
5974.3
332.94
5974.3
332.94
2.4色氨酸提取的物料衡算
2.4.1发酵液数量：
6984L，5909.4kg
2.4.2色氨酸产量：
（1
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