强烈推荐年产吨色氨酸的工厂设计发酵工程毕业论文.docx
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强烈推荐年产吨色氨酸的工厂设计发酵工程毕业论文
发酵工程课程设计
报告书
题
目
年产2000吨色氨酸的工厂设计
分工安排：
生物工程102班第一组
专业：
生物工程
指导教师：
金大勇
完成日期：
2013.06.20
分组安排：
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
Tryptophanisoneofeightkindsofessentialaminoacidsinandanimallifeactivity,Itisusefulforgrowthofpeopleandanimal.Therearemanymethodstoproducttryptophan,andamongthemthemicrobialfermentationisthemostpromising.
Withtheincreasingdemandoftryptophan,wedecidedtodesignanannualoutputof2000tonsoftryptophanfactory.WedesigntheproductwithEscherichiacolistrains,usingmicrobialfermentation,themethodofdeepfermentation,filtration,three-efficientconcentration,coolingcrystallization,centrifugalanddrying,andeventuallyget99%degreesofpurityoftryptophan.Thedesignperformthematerialbalancebasedonthetechnologicalprocesses,andselectthemainproductionequipment.
Keywords:
tryptophan,fermentation,process,selectionofequipment,
目录
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：
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℃）；
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10–20rmin，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（gl）牛肉膏3g,蛋白胨10g,Nacl10g,琼脂15～20g,PH7.4～7.6
b:
麸曲培养基麸曲：
水=1：
1
c:
种子培养基（gl）（NH4）2SO450,淀粉糖50，玉米浆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（gl）淀粉糖50，玉米浆22ml，（NH4）2SO440，Phe0.15，Tyr0.15，MgSO4·7H2O0.4，MnSO4·H2O0.01，FeSO4·7H2O0.01，VB1100µg
1.3.3工艺条件：
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。
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200rmin
温度37.5℃
罐压0.03MPa
移种条件：
培养时间为18，待料液温度至37.5℃接入种子，接种量4%。
培养条件：
风量0.18m3（m3·min）
搅拌转速80-90rmin
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0.5gl）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（）
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（Kgm³）
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
项目
物料比例（kg）
td
项目
物料比例（kg）
td
24%糖液
3870
215.67
发酵液
5909.4
329.32
玉米浆
14.0
0.78
空气带走水分
34.9
1.945
米糠
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）分离前100%的色氨酸的量：
6984×8%=558.72kg
（2）分离后色氨酸的量：
100%色氨酸的量：
558.72×85%=474.9kg
99%色氨酸的量：
474.9÷99%=479.7kg
2.4.3脱色加入活性炭（5%）：
479.7×5%=24.0kg
2.4.4废湿活性炭的量（含水75%）：
24.0÷（1－75%）=96kg
2.4.5浓缩时蒸发水量（浓缩后浓度为40%）：
则558.72÷40%=1396.8L，蒸发水量5909.4－1396.8×1.16=4289kg
2.4.6离子交换除去离子数量（达96%）
49.1×96%=47.14kg
2.4.7母液数量（母液含色氨酸4gl）
（558.72－474.9）÷0.4%=20955kg
2.4.8色氨酸分离水洗量：
479.7×20%=95.94kg
2.4.9色氨酸提取回收加水量：
20955＋479.7＋96＋47.14＋4289－5909.4－24.0－95.94=19837.5kg
2.4.10物料衡算结果：
根据以上计算，再乘以55.73t日淀粉数及得出每日之物料量，汇总列如下表。
表4色氨酸提取工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
项目
物料比例（Kg）
td
项目
物料比例（Kg）
td
发酵液
5909.4
329.32
99%色氨酸
479.7
26.73
活性炭
24
1.34
母液
20955
1167.78
分离洗水量
95.94
5.35
湿炭
96
5.35
回收加水量
19837.5
1105.51
离子
47.14
2.63
蒸发水
4289
239.02
累计
25866.84
1441.51
256866.84
1441.51
3热量衡算
3.1液化工序热量衡算
3.1.1一次液化加热蒸汽耗量（D）：
可按下式计算
D1=Gτ（t2-t1）（I-λ）
式中：
G—淀粉浆量（kg
其中σ：
钢板抗拉强度：
35Kgcm3，n=4（t〈250℃时〉
C——腐蚀粘度，C-C〈10mm时，C=3mm。
可以求得：
S=
+3=5.98mm取6mm
（2）冷却形式：
竖式蛇管冷却，不设挡板
（3）搅拌装置：
浆式搅拌
叶径：
d=0.5D=0.5×4800=2400mm
叶宽：
（（t1－t2）（t1－t3））
=（（37.5－10）－（37.5－20））ln（27.517.5）=22.12℃
发酵罐采取竖式蛇管换热器
根据经验取k=4.18×500KJ（m2•，搅拌直径为1.05m，根据单位体积液体所分配的搅拌轴功率相等
可知
N2=N1
23
式中
N2——放大的搅拌器的转速，rmin
N1——模型搅拌器的转速，N1=110rmin
d1——模型搅拌器的直径，d1=1.05m
d2——放大搅拌器的直径，d=1.7m
则该发酵罐的搅拌速度
N2=110×（1.051.7）23=79.78rmin
5.2.2密封方式：
双面机械密封
5.2.3空气分布器：
该发酵罐使用的单管进风
5.2.4挡板：
因使用的是竖式蛇管冷却，所以不设挡板
5.2.5消泡浆：
圆盘放射式消泡浆
5.2.6冷却管布置：
使用竖式蛇管冷却装置
5.2.7竖式蛇管冷却装置设计：
（1）最高热负荷下的耗水量w=
Q总=1.1×104×161=1.771×106KJ
则
A=n·0.785d2
取n=12
带入上式得：
d=0.035m
查金属材料表选φ=45×3.5无缝钢管，d内=38mm，d平均=41.5mm
设蛇管U型管曲径为300mm，则两直管距离为600mm，则两弯管总长度
l=πD=3.14×600=1884mm
（3）冷却管总长度的计算：
冷却管的总面积为38.31m2，取无缝钢管φ=45x3.5则L=SS0=38.310.13=294.69m
冷却管占有面积
V=0.785×0.0452×294.69=0.468m3
取冷却管组n=12
（4）每组管长l0：
l0=Ln=294.6912=24.56m
5.2.8设备材料的选择：
选用A3碳钢材料，可以降低设备费用
5.2.9发酵罐壁厚的计算：
T=+C1+C2
式中T—圆筒的设计厚度，mm
P—设计压力，p=0.07MPa
Di—圆筒的内直径，Di=5000mm
[σ]—设计温度下的圆筒材料的许应用力，128MPa
—焊缝系数，0.9
C1—钢板的厚度偏差，0.8mm
C2—腐蚀量，1mm
带入上式的
T=
+0.8+1=3.32mm
5.2.10椭圆形封头厚度计算：
Y=
式中Y—圆筒的设计厚度，mm
P—设计压力，0.07Mpa
D—圆筒的内直径，5000mm
[σ]—设计温度下的许应用力，128Mpa
—焊缝系数，0.9
将各数据带入上式可得：
Y=
=1.52mm
5.2.11接管设计：
（1）接管长度设计：
该发酵罐输料管可以选择不带保温层，根据管径可取h=150mm
（2）接管直径的确定：
根据流体力学方程。
以排料管为例，本罐实装161m3，设计1.0（（t1－t2）（t1－t3））
=（（37.5－10）－（37.5－20））ln（27.517.5）=22.12℃
发酵罐采取竖式蛇管换热器
取K=4.18×500kJ（m2.,使用pv为基准放大，50L罐N1=470rmin搅拌直径Di=112mm
N2=N1（D1D2）23
式中
N2——放大的搅拌器的转速，rmin
N1——模型搅拌器的转速，N1=470rmin
D1——模型搅拌器的直径，D1=0.112m
D2——放大搅拌器的直径，D2=0.54m
N2=470×（0.1120.54）23
=165rmin
5.3.9接管设计：
5.3.9.1接管长度设计：
该种子罐输料管可以选择不带保温层，根据管径可取h=80mm
5.3.9.2接管直径的确定：
根据流体力学方程。
以排料管为例，本罐实装7.7m3，设计1.0。
设损失率为10%，空压机效率为90%，
则总通风量Q总=300*1.10.9=366.67m3min。
取Q总=400m3min。
5.4.2.空气系统的设备选型
5.4.2.1.采风塔：
H=30m，D=3m
5.4.2.2.粗过滤器：
介质：
棉花-活性炭，采用双层油漆铁网，外加一层泡沫塑料
5.4.2.3.空压机：
4台（1台备用），低噪音，无油螺杆压缩机，Emeraude-ALE-v型，排气量100m3min，排气压力4Mpa，电机功率350kw
5.4.2.4.空气贮罐：
100m3，外有保温层，H：
D=1.5，D=2.4m，H=3.6m
5.4.2.5.冷却器：
一级冷却选用SL-305列管式换热器，二次水走管路，空气走壳程，二级冷却选用GLL5-60L立式列管换热器，以新鲜水为冷却介质
5.4.2.6.旋风分离器：
选用螺旋顶盖式旋风分离器
5.4.2.7.加热器：
立式列管换热器，3kgfcm2，走管路，空气走壳程
5.4.2.8.总过滤器：
3台YUD-Z-
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