2022年产吨色氨酸的工厂设计方案.docx

《2022年产吨色氨酸的工厂设计方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年产吨色氨酸的工厂设计方案.docx（48页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、发酵工程课程设计报告书题 年产 2000 吨色氨酸的工厂设计目分工支配： 生物工程 102 班第一组专业：生物工程指导老师 ：金大勇完 成 日 期 ：2021.06.203 / 41分组支配 ：第一组 1009082046-47 摘要、前言、工艺论证）其次组1009082050-55 物料衡算、热量衡算、水平稳运算）第三组 1009082040-45 设备选型及运算）第四组 1009082048-49CAD 绘图）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

2、酵法最具进展前途；随着色氨酸的需求量日益增加，打算设计一个年产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，采纳深层发酵的方式，采纳过滤、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ABSTRACTTryptophan is one of eight kinds of essential amino acids in human and animal life activity, It is useful for growth of

3、people and animal. There are many methods to product tryptophan, and among them the microbial fermentation is the most promising.With the increasing demand of tryptophan , we decided to design an annual output of 2000 tons of tryptophan factory. We design the product with Escherichiacoli strains, us

4、ing microbial fermentation , the method of deep fermentation, filtration, three-efficient concentration, cooling crystallization, centrifugal and drying, and eventually get 99% degrees of purity of tryptophan. The design perform the material balance based on the technological processes, and select t

5、he main production equipment.Keywords:tryptophan,fermentation,process,selectionof equipment,目录摘要ABSTRACT前言.11 工艺论证. 21.1无菌空气系统 .21.2淀粉的液化和糖.3II / 411.3 发酵工艺 .41.4 提取工艺 .51.5 总工艺流程图 .62 物料衡算72.1 生产过程的总物料衡算 72.2 制糖工序物料衡算 82.3 连续灭菌和发酵工艺物料衡算92.4 提取工序物料衡算 113 热量衡算 133.1 液化工序热量衡算 133.2 糖化工序热量衡算 143.3 连续灭菌

6、和发酵工序热量衡算 153.4 浓缩结晶过程热量衡算 173.5 干燥过程热量衡算 183.6 生产过程耗用蒸汽汇总表 194 水平稳 20.4.1糖化工序用水量.204.2连续灭菌用水量.204.3发酵工序用水量.204.4 提取工序用水量.204.5用水量汇总表.215 设备运算与选型 .225.1 糖化罐215.2 发酵罐 .225.3 种子罐 .275.4 无菌空气制备 .305.5 三效浓缩罐 .315.6 结晶罐336. 参考文献 30III / 41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 1014 g25），溶于稀酸或稀碱

7、，在碱液中较稳固，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，被称为其次必需氨基酸，在 生物体内，从 L- 色氨酸动身可以合成 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，同时具有排除精神紧急、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

8、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纳发酵方法生产色氨酸，赢创德固赛就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-色氨酸讨论的不断深化，这种方法已经处于主导位置；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；1.1 无菌空气系统1. 工艺论证42 / 41微生物在繁衍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育液，在相宜的条件下，它们会大量繁

9、殖，消耗大量的养分物质，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，甚至造成发酵完全失败等严峻事故；为保证纯种培育，必需将空气中的微生物除去或杀死；此外仍要求肯定的相对湿度和具有肯定的温度；供应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应；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，故必需有肯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

10、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，有时称之为肯定过滤；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 湿度转变，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、分别、加热的空气除菌流程空气冷 却粗 过压 缩冷却器冷却分别器冷却空气过滤加热器分离注：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

11、）；其次级冷却：可使空气析出较小的雾粒 通常冷却到 20 25 ）；第一次分别：分别直径较大，浓度较大的雾粒直径在 10 um 以上）； 其次次分别：分别直径较小的雾粒 直径在 5 um 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，特别适用潮湿的地区，其他地区可依据当地的情形，对流程中的设备作适当的增减；能充分地分别油水，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、两次分别、适当加热；2 次冷却：可以削减油膜污染对传热的影响，能提高传热系数，节省冷却用水2 次分别：可使油、水、雾分别得比较完全；适当加热：可使除水后的空气相对湿度由100%降到

12、 50% 60%；c .第一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、介质除菌有很大帮忙；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，而所采纳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需将淀粉分解成葡萄糖；目前采纳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 20 r/min，加入工

13、艺水和淀粉原料到淀粉浓度为 25%，升温到50-55 ，调剂 pH 保持在 6.0-6.5 之间，加入耐高温的 -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护柱中，预热到90-95 后，将淀粉乳泵入喷射器，调剂物料与蒸汽的压力，保持平稳；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，引入维护罐；维护过程的温始终要掌握在95-98 之间，连续时间为 30 分钟，最终淀粉乳的碘反应呈棕红色，且能快速扩散；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%的硫酸调剂来 pH 至 4.2-4.5，再加

14、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 15-20 min 升温至 85 ，灭酶 5-10 min.1.2.4 过滤：由于糖化过程中的条件比较温顺，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纳大肠杆菌深层发酵的方式1.3.1 工艺流程斜面培育 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 培育基成份原料a : 斜面培育基 g/l）牛肉膏 3g,蛋白胨 10g,Nacl 10g,琼脂 1520g,PH7.47.6 b : 麸曲培育基麸

15、曲：水 = 1：1c: 种子培育基 NH 42SO4 50,淀粉糖 50，玉M 浆 4ml，豆饼水解液 2ml，MgSO47H2O4, KH 2PO4 0.1 ,， FeSO47H2O 0.01， MnSO4.H2O 0.01， PH 7.07.2d : 发酵培育基 淀粉糖 50 ，玉M浆 22ml ，NH 42SO4 40 ， Phe 0.15 ，Tyr 0.15，MgSO47H2O 0.4，MnSO4H2O 0.01，FeSO47H2O 0.01， VB 1 100g1.3.3 工艺条件：制备孢子悬液：在1000 ml三角瓶内装入麸皮 40 g和水 40 ml，混匀， 121 灭菌 30

16、min；然后接种，再放入 30 培菌室内进行培育 3-4 d，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 、10 min；罐溫冷却至 37.5接入孢子悬浮液；培育条件：风量0.3 m3/m3min搅拌转速 200r/min温度37.5罐压0.03 MPa移种条件：培育时间为 18 h； pH下降到 2.0以下，产酸 50 g/l ；镜检菌丝，保证生长良好，无孢子、无杂菌发酵罐：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10 min，待料液温度至 37.5接入种子，接

17、种量 4%；培育条件：风量0.18 m3/搅拌转速 80-90 r/min培育温度 37.5 罐压0.07 MPa放罐条件：发酵后期进行两次产酸测定，假如相近或有下降趋势即可；且仍原糖基本耗完或者不再消耗仍原糖；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 g/l）：80 提取收率 %）： 85精制纯度 %）： 99每吨成品消耗淀粉量 ： = 1000 1.08 0.57= 615.6kg2）1 t 纯淀粉实际产 100%的色氨酸的量： 1000 108% 15% 85% = 137.7 kg3）1t工业淀粉 含

18、量86%的玉M 淀粉）产 100%色氨酸的量： 137.7 86%=118.422 kg3）淀粉单耗：1 t 100%的色氨酸消耗工业淀粉的量 1000 118.422 = 8.444 t1 t 100%的色氨酸理论上消耗纯淀粉的量1000615.6= 1.62t4）总收率：137.7 615.6= 22.37%5）淀粉利用率：1.62 8.444 = 19.19%6）生产过程总缺失： 100% - 19.19% = 80.81%7）原料及中间品运算：日淀粉用量 ： 8.444日糖化液量 ： 55.736.6 = 55.73 t/d86% 108% = 51.76 t/d折合为 24%的糖液

19、51.7624% = 215.67t/d日发酵液量 ： 纯色氨酸量 51.76 15% = 7.76 t/d折算为 80 g/l的发酵液 7.768% = 97 m3提取色氨酸的量 ：7.766.60.4% = 290m32.1.3 总物料衡算结果总物料衡算结果 年产10000吨色氨酸）母液m ）343.94290表1 总物料衡算结果原料工程生产淀粉质原料1 t 100%色氨酸玉M 淀粉）t/d工业原料8.44455.73糖液24%）t）32.68215.67色氨酸99%）t）1.016.67色氨酸100%）t）1.006.6发酵液m3）14.7097排出含 0.4%色氨酸废2.2 制糖工序的

20、物料衡算2.2.1 淀粉浆量及加水量：淀粉加水比例 1:2.5， 1 t1000 kg）工业淀粉产生淀浆量1000 1 2.5） = 3500kg，加水量 3500 1000 = 2500kg2.2.2 粉浆干物质浓度：100086%3500100%=24.57%2.2.3 液化酶量：使用液体 淀粉酶 3500 0.25% = 8.75 kg2.2.4 CaCl2量：3500 0.25% = 8.75 kg2.2.5 糖化酶量：用液体糖化酶 3500 0.25% = 8.75 kg2.2.6 糖化液产量1000 86% 108% 24% = 3870 kg24%糖液的相对密度为 1.09387

21、0 1.09 = 3551 L2.2.7 脱色用活性炭用量：为糖液 0.15%3870 0.15% = 5.8 kg2.2.8 滤渣产量 含水 80%的废活性炭）：5.81 - 80%）= 29 kg2.2.9 生产过程进入蒸汽和洗水量：3870 + 29 3500 8.75 + 8.75 + 8.75 + 5.8） = 366.95 kg2.2.10 衡算结果 :依据总物料衡算，日投入淀粉 55.73 t，物料衡算汇总表如下进入系统离开系统物料比例日投料量物料比例日产料量表2制糖工序物料衡算汇总表工程工程Kg）Kg ）Kg）1000 kg淀粉，得到 24%的糖液 3870 kg；发酵初始糖浓

22、度为 170 g/l,其数量为3870 24% 17% 配料：按放罐发酵液体积运算546417%/13.3%）=6984 L133 g/l为终糖浓度）玉M浆6984M 糠6984无机盐69840.2% = 21.0 kg0.75%= 52.4 kg配料用水：配料时培育基中含糖量不低于19%，向24%的糖液中加水量灭菌过程中加入蒸汽量及补水量：5792 3870 1018.5 14.0 21.0 52.4 = 816.1kg2.3.2 接种量：6984 1%W/V ）= 69.84 L69.841.06 = 74 kg2.3.3 发酵过程中 pH 调剂用 HNO 3，为发酵液体积的 1.5%69

23、84 1.5% = 104.8 kg2.3.4 加消泡剂的数量为发酵液的 0.05%6984 0.05% = 3.5 kg消泡剂的相对密度为 0.83.50.8 = 4.375 L2.3.5 发酵过程从排风带走的水分进风 25 ，相对湿度 = 70%，水蒸气分压 18 mmHg1 mmHg=133.322 Pa）， 排风 32 ，相对湿度 = 100%，水蒸气分压 27 mmHg ；进罐空气的压力为 1.5 大气压表压） 1 大气压=1.01325 105 Pa），排风 0.5 大气压就带走的水量： 6984 0.181000 60401.1570.01 = 34.9kg式中 1.157 为

24、32 时干空气密度 Kg/m3） 假设过程分析、放罐残留及其他缺失 30 kg2.3.6 发酵终止时的数量579274 104.83.5 34.930 = 5909.4 kg2.3.7 衡算结果汇总年产2000吨色氨酸日投工业原料 55.73 t，连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总表如下：进入系统物料比例离开系统物料比例工程t/d工程t/d过程分析、表3 连续灭菌和发酵工序物料衡算汇总表kg）分别前 100%的色氨酸的量： 69848%=558.72 kg2分别后色氨酸的量：100%色氨酸的量： 558.7285% = 474.9 kg99%色氨酸的量： 474.999% = 479.7 kg2

25、.4.3 脱色加入活性炭 5%） ：479.75% = 24.0 kg2.4.4 废湿活性炭的量 含水 75%）：24.01 75%） = 96 kg2.4.5 浓缩时蒸发水量 浓缩后浓度为 40%）：就558.72 40% = 1396.8 L，蒸发水量 5909.4 1396.8 1.16 = 4289 kg2.4.6 离子交换除去离子数量 达 96%）49.196% = 47.14kg2.4.7 母液数量 母液含色氨酸 4 g/l）558.72474.9）0.4% = 20955 kg2.4.8 色氨酸分别水洗量：479.720% = 95.94 kg2.4.9 色氨酸提取回收加水量：2

26、0955479.79647.1442895909.424.0 95.94 = 19837.5 kg2.4.10 物料衡算结果：进入系统离开系统物料比例物料比例依据以上运算，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工程t/d工程t/dKg）Kg）发酵液5909.4329.3299%色氨酸479.726.73活性炭241.34母液209551167.78分别洗水量95.945.35湿炭965.35回收加水量19837.51105.51离子47.142.63蒸发水4289239.02累计25866.841441.51256866.84144

27、1.513.1 液化工序热量衡算3 热量衡算3.1.1 一次液化加热蒸汽耗量 / I- 式中：G 淀粉浆量 kg/h）c淀粉比热容 kg/kg .K ） t1 浆料初温 20 + 273 = 293 K）t2液化温度 加热蒸汽凝聚水的焓，在 368 K时为398 kJ/kg1）淀粉浆量 G： 依据物料衡算，日投入淀粉 55.73 t，连续液化 55.73 /24 =2.32 t/h，加水比为 1：2.5淀粉浆量为 23203.5 =8120 kg/h 86% 100% =24.57%3） 粉浆比热容 可按下式运算： = 0 x/10水0 +式中： x粉浆干物质含量水水的比热容， 4.18 kJ

28、/kg.K = 1.5524.57/100 + 4.184）蒸汽用量：D1 = 8120 3.5395-20） /2738 - 611 = 673.80 kg/h以上两次合计，平均量 918.71+ 673.80= 1592.51kg/h每日用量 1.593 24 = 38.23t/d3.1.3 液化液冷却用水量使用板式换热，将物料有 145降至 60，使用二次水，冷却水进口温度20， 出口温度 50，需冷却水量 W）W = 8120 + 918.71） 3.53 145 - 60） / = 21627kg/h 即519.0t/d3.2 糖化工序热量衡算由前面物料衡算知，日产 24%糖液 21

29、5.67 t，相对密度为 1.09g/l，就糖液体积： V = 215.67/1.09 = 197.86 m3 糖化操作周期为 30 h,其中糖化时间24 h，糖化罐 100m3，装料 80 m3，需糖化罐 197.86/803.2.1 糖化后加热灭酶用蒸汽量：在100 时= 419 kJ/kg30/24 = 3.1个 ，取 4 个罐D灭 = 8120 3.53100-60） /2738-419）=494kg/h要求在 20 min内使糖化液有 60 升至 100 就：蒸汽高峰量： 49460/20 =1482kg/h=1.482t/h3.2.2 冷却使用板式换热：糖化液有 灭酶后） 95 降

30、至 40 ，用二次水冷却，冷却水进口温度 20 ，出口45 ，平均用水量：W =8120 + 918.71 +494）3.533.2.3 每日糖化罐同时运转：3.67725/30 =3.06 罐每日投放）料罐次： 197.86/16 =12.37罐次95-40）/45-20 ）4.18） =17711kg/h3.2.4 要求在 2 h把80 m3糖液冷却至 40 ，高峰用水量：17711/8120 + 918.71 +494） 80000 1.09/2 = 81005.3kg/h每日冷却水量： 2 81.01 12.37= 2004.19 t/d3.3 连续灭菌和发酵工序热量衡算3.3.1 培

31、育液连续灭菌用蒸汽量：3发酵罐 200 m ，装料系数 0.7，每罐产纯色氨酸的量： 230 0.7 8% 85% =10.95 t年产2000 t色氨酸，日产6.6 t发酵操作时间 40 h其中发酵时间 30 h），需发酵罐台数 6.6/10.95 40/24 =1.005台，取 2台每日投放）料罐次： 6.6/10.95=0.60罐日运转： 1.005 30/40 =0.75罐每罐初始体积 161m3 ,糖浓度 170 g/l,灭菌前培育基含糖 20%，其数量： 161 17%/20% =137 t灭菌加热过程中用 0.4 MPA 表压蒸汽 I =2743 kJ/kg， 使用板式换热器将物

32、料由 20 升至 45 ，每罐灭菌时间为 1 h，输料流量 137/1 =137 t/h消毒灭菌用蒸汽量：D = 137000 3.97120-75）/2743-120 4.18）=10920 kg/h=262.08t/d注： 3.97 糖化液的比热容 kJ/kg.K ）每日蒸汽用量： 262.08 1 4=1048.32 t/d平均量： 1048.32 /24 =43.68 t/h3.3.2 培育液冷却水用量：120 热料通过与生料热交换降至 80 ，再用水冷却至 35 ，冷却水由 20 升至45 ，运算冷却水用量：W = 137000 3.97 80-35） / ，用0.2 Mpa表压由

33、20 升至 127 ，其蒸汽量为：34300+6000）0.5127-20） /加热蒸汽密度 kg/m3）,0.2 Mpa表压下为 1.6223.3.3.3 灭菌过程的热缺失 ：辐射与对流联合给热系数 ，罐外壁温度 70 =33.9 + 0.1970-20）=43.4 kJ/m2.h.K ）200m3发酵罐发酵表面积为 157.1 m2 ，耗用蒸 i汽量D损 = 157.143.470-20） /2718-127 4.18）=156 kg3.3.3.4 灭菌过程蒸汽渗漏 ：去总蒸汽消耗量的 5%，空罐灭菌整齐消耗量为 986+324.4+156）/1-0.05） =1544 kg/h每空罐灭菌 1 h，用蒸汽量： 15441 =1544 kg/罐每日用蒸汽量： 1544 4 =6176 kg/d3.3.4 发酵过程产生的热量及冷却水量通过冷却水带走的热量进行运算；在最热的季节，发酵放热高峰期，测定冷却水量及进出口温度，然后即可算出最大发酵热 Q最大 =4.18冷却水用量 kg/h） t出-t进） /发酵液总体积以200 m3发酵罐，装液量 161m3,使用新奇水，冷却水进口温度15 ，出口温度20 ，冷却水用量 W = Q 最大 161/20-15）