【正文】 發(fā)酵工程課程 設(shè)計(jì) 報(bào)告書 題 目 年產(chǎn) 2020 噸色氨酸的工廠設(shè)計(jì) 分工安排： 生物工程 102 班第一組 專 業(yè) ： 生物工程 指導(dǎo)教師 ： 金大勇 完成日期 ： 分組安排 ： 第一組 100908204647（摘要、前言、工藝論證） 第二組 100908205055（物料衡算、熱量衡算、水平衡計(jì)算） 第三組 100908204045（設(shè)備選型及計(jì)算） 第 四組 100908204849（ CAD 繪圖） 第五組 100908205659（整理總結(jié)） 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) I 摘 要 色氨酸是人和動(dòng)物生命活動(dòng)中八種必需氨基酸之一 ,對(duì)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝起著重要作用。色氨酸的生產(chǎn)方法有多種 ,其中以 微生物直接 發(fā)酵法最具發(fā)展前途。 隨著 色氨酸 的需求量日益增加，決定設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn) 2020 噸 色氨 酸的工廠。本設(shè)計(jì)以 大腸桿菌 為生產(chǎn)菌株 ， 利用 微生物直接 發(fā)酵法制備 色氨酸 ，采用深層發(fā)酵的方式 ， 采用過濾、三效濃縮、冷卻結(jié)晶、離心烘干的方法，最終獲得 99%的色氨酸。本設(shè)計(jì) 對(duì)工藝流程進(jìn)行了 物料衡 算 ，并對(duì) 主要生產(chǎn)設(shè)備 進(jìn)行了 選型 。 關(guān)鍵詞 ： 色氨酸 ，發(fā)酵法 ， 工藝，設(shè)備選型 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) II ABSTRACT Tryptophan is one of eight kinds of essential amino acids in human and animal life activity, It is useful for growth of 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 2020 tons of tryptophan factory. We design the product with Escherichia coli strains, using microbial fermentation , the method of deep fermentation, filtration, threeefficient 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 the main production equipment. Key words: tryptophan, fermentation, process, selection of equipment, 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) III 目 錄 摘 要 …………………………………………………………… Ⅰ ABSTRACT …………………………………………………………… Ⅱ 前言 ………………………………………………………………… ..1 1 工藝論證 ………………………………………………………… .2 無菌空氣系統(tǒng) ……………………… ...……………………………………… 2 淀粉的液化和糖 …………………………………………………………… ...3 發(fā)酵工藝 ……………………………………………………………… ..…… .4 提取工藝 ………… ………………………………………………………… ...5 總工藝流程圖 ………………………………………………………………… .6 2 物料衡算 ..........................................................................................7 生產(chǎn)過程的總物料衡算 …………………………………………………… ...7 制糖工序物料衡算 …………………………………………………………… 8 連續(xù)滅菌和發(fā) 酵工藝物料衡算 ........................................................................9 提取工序物料衡算 …………………………………………………………… 11 3 熱量衡算 ………………………………………………………… ..13 液化工序熱量衡算 …………………………………………………………… 13 糖化工序熱量衡算 …………………………………………………………… 14 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算 …………… ………………………………… 15 濃縮結(jié)晶過程熱量衡算 ……………………………………………………… 17 干燥過程熱量衡算 …………………………………………………………… 18 生產(chǎn)過程耗用蒸汽匯總表 …………………………………………………… 19 4 水平衡 ……………………………………………………………... 20 糖化工序用水量 ……………………………………………………………… .20 連續(xù)滅菌用水量 ……………………………………………………………… .20 發(fā)酵工序 用水量 ……………………………………………………………… .20 提取工序用水量 ………………………………………………………………. 20 用水量匯總表 ……………………………………… .…………………………. 21 5 設(shè)備計(jì)算與選型 ………………………………………………… ...22 糖化罐 .................................................................................................................21 發(fā)酵罐 ………………………………………………………………………… .22 種子罐 ………………………………………………………………………… .27 無菌空氣制備 ………………………………………………………………… .30 三效濃縮罐 ……………………………………………………………………… .31 結(jié)晶 罐 …………………………………………………………………… ............33 6. 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………… 30 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) 1 前言 L色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸 ,為白色或略帶黃色葉片狀結(jié)晶或粉末，在水中 溶解度 1014 g（ 25℃），溶于稀酸或稀堿，在堿液中較穩(wěn)定，強(qiáng)酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人體和動(dòng)物生命活動(dòng)中必需氨基酸之一，對(duì)人和動(dòng)物的生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝起著重要作用，被稱為第二必需氨基酸，在生物體內(nèi)，從 L色氨酸出發(fā)可以合成 5羥基色胺的激素以及色素、生物堿、輔酶、植物激素等生理活性物質(zhì)，可以預(yù)防和治療糙皮病，同時(shí)具有消除精神緊張、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比較缺乏的氨基酸， 用他強(qiáng)化食品和做飼料添加劑對(duì)提高植物蛋白質(zhì)的利用率具有重要的作業(yè)，它是繼蛋氨酸和賴氨酸之后的第三大飼料添加氨基酸。 目前世界 L色氨酸的年產(chǎn)約為 10000 多噸，市場(chǎng)增長(zhǎng)率超過 10%，作為飼料添加劑使用的色氨酸有數(shù)百噸，中國(guó)主要是高價(jià)格限制了她的應(yīng)用。世界上主要生產(chǎn)廠家是日本的昭和電工、協(xié)和發(fā)酵和三井化學(xué)公司采用發(fā)酵方法生產(chǎn)色氨酸，贏創(chuàng)德固賽則兼有發(fā)酵法和合成法生產(chǎn)色氨酸。 L色氨酸的最早生產(chǎn)是靠化學(xué)合成法和蛋白質(zhì)水解法，隨著對(duì)微生物法生產(chǎn) L色氨酸研究的不斷深入，這種方法已經(jīng)處于主導(dǎo)地位。微生物法大體上可 以分為直接發(fā)酵法、微生物轉(zhuǎn)化法和酶法。 目前微生物直接發(fā)酵法成為色氨酸工業(yè)化生產(chǎn)的主流方式。 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) 2 1． 工藝論證 無菌空氣系統(tǒng) 微生物在繁殖和耗氧發(fā)酵過程中都需要氧氣，通常以空氣作為氧源?？諝庵泻懈魇礁鳂拥奈⑸?，這些微生物隨著空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會(huì)大量繁殖，消耗大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，以及產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，干擾甚至破壞預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效價(jià)降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹底失敗等嚴(yán)重事故。為保證純種培養(yǎng)，必須將空氣中的微生物除去或殺死。此外還要求一定的相對(duì)濕 度和具有一定的溫度。供給發(fā)酵用的無菌空氣因需克服過濾介質(zhì)的阻力、發(fā)酵液的靜壓力和管道阻力，所以常用空氣壓縮機(jī)加壓后供給。 過濾除菌是目前生物工業(yè)生產(chǎn)中最常用、適用的空氣除菌方法。生物加工過程中最常用的獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法 ：一類是介質(zhì)間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質(zhì)濾層才能達(dá)到過濾除菌的目的，稱為介質(zhì)過濾或相對(duì)過濾或深層過濾。這類過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機(jī)合成纖維、燒結(jié)材料（燒結(jié)金屬、燒結(jié)陶瓷、燒結(jié)塑料）；而另一類介質(zhì)的孔隙小于細(xì)菌，含細(xì)菌等微生物的空氣通過介質(zhì)，微生物就被截留 于介質(zhì)上而實(shí)現(xiàn)過濾除菌，有時(shí)稱之為絕對(duì)過濾。但常用介質(zhì)過濾法。此外，空氣經(jīng)過壓縮和在管道輸送及經(jīng)過濾器時(shí)的壓力和溫度的變化，會(huì)引起空氣相對(duì)濕度改變，一旦發(fā)生凝露析水，就會(huì)使過濾介質(zhì)（如棉花）吸濕，使過濾介質(zhì)除菌效率大為降低。因此，應(yīng)把壓縮空氣中可能析出的水，在接近過濾介質(zhì)之前除去。 空氣過濾除菌流程： 圖 1 選用兩級(jí)冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程 注： ? 第一級(jí)冷卻：可使大部分水、油結(jié)成較大霧粒（通常冷卻到 30～ 35 ℃ ）； 冷卻器 冷卻水 加熱器 分離器 空氣過濾器 空氣 分離器 冷卻器 冷卻水 壓 縮機(jī) 粗過濾器 南通大學(xué)課程設(shè)計(jì) 3 第二級(jí)冷卻：可使空氣析出較小的霧粒（ 通常冷卻到 20～ 25 ℃ ）； ? 第一次分離：分離直徑較大，濃度較大的霧粒（直徑在 10 um以上）； 第二次分離：分離直徑較小的霧粒（直徑在 5 um以下）； 其優(yōu)點(diǎn)： a. 比較完善的空氣除菌流程，可適應(yīng)各種氣候條件，尤其適用潮濕的地區(qū)，其他地區(qū)可根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r，對(duì)流程中的設(shè)備作適當(dāng)?shù)脑鰷p。能充分地分離油水，使空氣達(dá)到低的相對(duì)濕度下進(jìn)入過濾器，以提高過濾效率。 b. 特點(diǎn)：兩次冷卻、兩次分離、適當(dāng)加熱。 2 次冷卻：可以減少油膜污染對(duì)傳熱的影響，能提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水 2 次分離：可使油、水、 霧分離得比較完全。 適當(dāng)加熱：可使除水后的空氣相對(duì)濕度由 100%降到 50%～ 60%。 c .首先將進(jìn)入空氣壓縮機(jī)的空氣粗濾。濾去塵灰等固體微粒，這對(duì)空氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行、介質(zhì)除菌有很大幫助。 d. 為防止往復(fù)壓縮機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，在流程中需要設(shè)置一個(gè)或數(shù)個(gè)貯氣罐。 e. 無菌過濾，空氣除菌系統(tǒng)一般常用兩臺(tái)總過濾器（便于交叉使用）和分過濾器（每個(gè)發(fā)酵罐一臺(tái)）相結(jié)合的二級(jí)過濾裝置，以確?？諝獾?―無菌 ‖。 淀粉的液化和糖化 ： 色氨酸 發(fā)酵過程中用的是葡萄糖，而所采用的發(fā)酵菌種沒有分解淀粉的功能，所以在 微生物發(fā) 酵之前必須將淀粉分解成葡萄糖。目前采用的是噴射液化法和雙酶法葡萄糖生產(chǎn)工藝。工藝流程 包括調(diào)漿、液化、糖化和過濾。 調(diào)漿 ： 攪拌速度為 10 – 20 r/min，加入工藝水和淀粉原料到淀粉濃度為 25%，升溫到5055 ℃ ，調(diào)節(jié) pH 保持在 之間，加入耐高溫的 α淀粉酶，用量為 10 U/(g 淀粉）。 液化 ： 通入蒸汽到噴射器和維持柱中