【正文】 代入上式得：S總=10(㎡) 進水總管直徑：（4）冷卻管組數(shù)和管徑：設(shè)管徑為d0，組數(shù)為n，則冷卻管的總表面積S總： 根據(jù)本罐情況，取n=8，求管徑，由上式得： 查國家標準：鍋爐、熱交換器用不銹鋼無縫鋼管（GB1329691），選取Ф27，d內(nèi)= mm，d平均= mm。醪液在發(fā)酵最旺盛時，1 h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積：Q總=6000=105 KJCp:冷卻水的比熱容， KJ/()T2:冷卻水終溫，27℃T1:冷卻水初溫，20℃ 將各值代入上式得： （2）冷卻管冷卻面積的計算：按發(fā)酵生成熱量的高峰、一年中最熱的半個月的氣溫下，冷卻水可能達到最高溫度的惡劣條件下，設(shè)計冷卻面積。h設(shè)計參數(shù)：L精氨酸發(fā)酵產(chǎn)熱：6000 kJ/(m3；則Q=106=106（ml/min） 代入上式： IV 電動機的功率：采用三角帶傳動η1=；滾動軸承η2=；滑動軸承η3=；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得: 查手冊選取電機30 kw一臺。II由Np可以算出不通氣時發(fā)酵罐攪拌軸功率P0： 因為攪拌軸有兩檔攪拌葉，所以攪拌軸總功率P為2P0=（kw)。設(shè)計參數(shù)：醪液密度：ρ=1050 kg/m3 醪液粘度：μ=103 N六彎葉渦輪式攪拌器已標準化，稱為標準型攪拌器；攪動液體的循環(huán)量大，攪拌功率消耗也大，根據(jù)攪拌器型式及主要參數(shù)HG/T21231991標準，知20 m3發(fā)酵罐采用666彎葉式攪拌葉，攪拌器：六彎葉渦輪攪拌器，Di:di:L:B=20:15:5:4，攪拌器直徑：Di=D/3。公稱容積按20 m3， m3來算，取高徑比為H:D=2，高徑比小有利于發(fā)酵罐的溶氧，封頭與圓柱罐體的焊接處的直邊高度不納入體積，則： 根據(jù)圓柱體體積與橢圓的體積計算公式有： 解方程得： 直徑計算出來后，應將其值圓整到接近的公稱直徑系數(shù)，查吳思方的《生物工程工廠設(shè)計概論》2007年版[23]，附表25（281）通用式發(fā)酵罐系列尺寸表， m， H=2D=2＝(m)查閱文獻[13]， m時，標準橢圓封頭的曲面高度H為D/4， m， m，則總深度為： 封頭容積 ： V封圓柱部分容積： V筒兩者之和為全容積： ,則設(shè)計的發(fā)酵罐其尺寸符合要求，能夠滿足生產(chǎn)工藝的需要。上封頭因無法裝液，一般不計入容積。實際產(chǎn)量驗算： 富裕量： 能夠滿足生產(chǎn)需要。發(fā)酵罐個數(shù)的確定：現(xiàn)選取公稱體積為20 m3的發(fā)酵罐， m3。具體計算結(jié)果如下表：表32 150噸/年L精氨酸發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果物料名稱生產(chǎn)1000 kg（1噸）L精氨酸（純度≥99%）的物料用量生產(chǎn)150噸L精氨酸(純度≥99%）的物料用量一二級種子發(fā)酵液（m3）發(fā)酵液（m3）192850水解糖總量（kg）105淀粉(kg)105玉米漿(kg)104尿素(kg)3150(kg)1890(kg)4425(kg)104(kg)120維生素H(kg)150維生素B1?HCl(g)4 設(shè)備選型與設(shè)計 發(fā)酵罐的選型與設(shè)計 發(fā)酵罐的選型當前，我國谷氨酸發(fā)酵占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍是機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐[20]，即大家常說的通用罐，L精氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)是好氧發(fā)酵，需要提供足夠的溶氧才能保證發(fā)酵的正常進行，因此選用機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐，選用這種發(fā)酵罐的原因主要有：歷史悠久，資料齊全，在比擬放大方面積累了較豐富的成功經(jīng)驗，成功率高。（1）發(fā)酵液的量V1：1. V1=1000247。所以，本設(shè)計采用DR1樹脂提取L精氨酸。在提取率方面：DR1樹脂的提取率遠高于弱酸性陽離子樹脂。提取率是97%。（2） DR1樹脂吸附過程先用去離子水將樹脂浸泡24 h，濾水后裝入樹脂塔中，使發(fā)酵液以2 m/h的流速通過樹脂層進行吸附提取[12]。樹脂投入運行后三次需對樹脂進行再生。排去堿液，用潔凈水沖洗至出水呈中性，沖洗流速同上[11]。 提取過程的控制（1） 弱酸性陽離子樹脂吸附過程樹脂裝入樹脂塔后，用潔凈水反洗樹脂層，展開率為5070%，直至出水清晰、無氣味、無細碎樹脂為止；再用約2倍樹脂體積的45% HCl溶液，以2 m/h的流速通過樹脂層。用于消除發(fā)酵過程中泡沫的方法主要有兩種，一是用機械法除泡；二是使用化學消泡劑除泡，常見的消泡劑有植物油（豆油、花生油等）、礦物油（石蠟油）、合成消泡（泡敵）等。（4）溶氧：因發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸屬于好氧發(fā)酵，則溶氧是生產(chǎn)過程中所必需的，若溶氧不足，菌體的生長及產(chǎn)酸量就會受到抑制，而把發(fā)酵液中的溶氧[18]控制為≥15%飽和氧濃度、 wm時就會有利于L精氨酸的生產(chǎn)。（2）pH：酶的主要影響因素之一。（1）溫度適合黃色短桿菌生長的溫度[17]是30～35℃，但適合菌體生長和主要產(chǎn)酸酶的溫度不同，因為溫度對酶活力的影響比較大，所以菌體的最適生長溫度和最佳產(chǎn)酸溫度具有一定的差別。 發(fā)酵條件的控制L精氨酸的發(fā)酵條件的控制[16]包括溫度、pH、菌齡及接種量、通風及攪拌、氧的傳遞、泡沫等。要解決上述問題可以采取低初始濃度并補加的方法，即在發(fā)酵12 h 后，每隔6 h ％的硫酸銨。采用邊發(fā)酵邊補加的方法可解決上述問題，因此，在發(fā)酵12 h 后需要每隔8 h ％的玉米漿。酶解法得到的糖液具有顏色淺、無苦味、純凈、質(zhì)量高等優(yōu)點。先在淀粉乳中加入α淀粉酶，～、在93℃～97℃下進行液化，再把溫度升至100℃進行滅菌。要縮短發(fā)酵周期，就得減少種子對新環(huán)境的適應時間，可采用的方法是讓發(fā)酵培養(yǎng)和種子擴大培養(yǎng)的培養(yǎng)基大致相同。 工藝流程的論證本設(shè)計中產(chǎn)品的標準為：成品含純度≥%，透光率≥%，因此，對下游的提取過程有較高的要求。（1）一、二級種子的培養(yǎng)基原料（g/L)：葡萄糖： g/L；輔料：玉米漿（CSL）： g/L、（NH4)2SO4： g/L、尿素： g/L、KH2PO4： g/L、K2HPO4?3H2O： g/L、MgSO4?7H2O: g/L、維生素H：25 、pH：～。 發(fā)酵菌種和發(fā)酵周期 本設(shè)計的發(fā)酵菌種是黃色短桿菌，它的發(fā)酵周期是80個小時，再加上發(fā)酵罐的清洗、滅菌和物料進出等輔助操作時間，生產(chǎn)周期是96個小時計算，即一個生產(chǎn)周期是四天。2 工藝流程及工藝流程論證 發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸發(fā)酵法[13]是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通過對菌株的誘變等處理，選育出各種營養(yǎng)缺陷型及氨基酸結(jié)構(gòu)類似物抗性變異株，以解除代謝調(diào)節(jié)中的反饋抑制與阻遏，達到過量合成L氨基酸的目，工藝過程簡單，產(chǎn)量高，是目前國際上生產(chǎn)L精氨酸的主要方法。福州能子生物科技有限公司在2012年研究了精氨酸專用樹脂DR1 離交提取精氨酸工藝[12]，并應用于生產(chǎn)，高流份透光率達70%以上，離交收率97%以上，相較于常用提取方法提煉總收率提高10%以上。對以上幾種樹脂材料綜合比較發(fā)現(xiàn)，D001大孔離子交換樹脂和羧酸型陽離子交換纖維的吸附速率較快，但對L精氨酸的平衡吸附量，D001大孔離子交換樹脂較大，羧酸型陽離子交換纖維較小。（3） 羧酸型陽離子交換纖維羧酸型陽離子交換纖維[11]是一種纖維狀的離子交換和吸附材料，與傳統(tǒng)的離子交換樹脂相比羧酸型陽離子交換纖維有更大的有效比表面積，傳質(zhì)距離短，因而吸附與解吸速度快。這種樹脂網(wǎng)孔度不隨溶脹而變化，在有機溶液中仍具有很好的交換吸附性能。（2）D001大孔離子交換樹脂D001大孔離子交換樹脂[11]是磺酸基聚苯乙烯系大孔型強酸性陽離子交換樹脂。具有交換容量高、交換速度快、機械強度好等特點。（1）732離子交換樹脂732離子交換樹脂[10]是在交聯(lián)為7％的苯乙烯?二乙烯共聚體上帶有磺(SO3H)的陽離子交換樹脂，是一種磺酸化苯乙烯系凝膠型強酸性陽離子交換樹脂。 L精氨酸吸附洗脫過程常用樹脂及材料在L精氨酸的提取過程中，對L精氨酸的吸附率占整個提取收率的主要部分。（5）超濾因經(jīng)過脫色除雜后的L精氨酸液中還含有熱源蛋白質(zhì)等大分子雜質(zhì)，可以采用超濾法將其除去。（3）驅(qū)氨因洗脫液中含有大量的氨，可以用三效降膜濃縮器進行驅(qū)氨，經(jīng)三效濃縮即可完成驅(qū)氨任務。 L精氨酸的提取流程發(fā)酵液吸附洗脫 陶濾 驅(qū)氨 → → → 濃縮結(jié)晶L精氨酸 ↓脫色，除雜超濾 ← ← ← （1）陶濾發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液當中包含了大量的菌體，通過陶濾可以將大量菌體與發(fā)酵液分開，L精氨酸存在于陶濾后的上清液當中。在幾種氨基酸的生產(chǎn)方面中，化學合成法過程復雜費用高，酶法的底物選擇多樣性，蛋白質(zhì)水解法收率低，污染環(huán)境等都不適應現(xiàn)代L精氨酸的生產(chǎn)要求，而發(fā)酵法[4]生產(chǎn)L精氨酸，工藝過程簡單，產(chǎn)量高，是目前國際上生產(chǎn)L精氨酸的主要方法。（3）蛋白質(zhì)水解法以毛發(fā)、血粉及廢蠶絲等蛋白質(zhì)為原料，通過酸、堿或酶水解成多種氨基酸混合物，經(jīng)分離純化獲得各種氨基酸。它是先合成容易合成的精氨酸對應的醛類，再合成所需的精氨酸。（1）化學合成法用有機合成和化學工程相結(jié)合的技術(shù)生產(chǎn)或制備氨基酸的方法。 L精氨酸的生物合成途徑及生產(chǎn)方法L精氨酸的生物合成途徑[5]：從谷氨酸經(jīng)鳥氨酸、瓜氨酸生物合成L精氨酸，由八個酶催化的反應組成。L1，但國內(nèi)的高產(chǎn)菌種不穩(wěn)定，未能用于工業(yè)化，目前，國內(nèi)的發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸的產(chǎn)酸水平是30 g/L，與國外的先進水平還有很大的差距。L1，江南大學生物工程學院利用鈍齒棒桿菌生產(chǎn), g國內(nèi)對L精氨酸的研究還是主要集中在對發(fā)酵菌種的傳統(tǒng)選育方面[4]，但對下游提取工藝的研究比較少，還屬于起步階段，因此國內(nèi)的發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸的水平還是較低，目前，L精氨酸的生產(chǎn)主要從毛發(fā)中提取。目前存在的L精氨酸生產(chǎn)方法有化學合成法、酶法、蛋白質(zhì)水解法及發(fā)酵法，在前三種氨基酸的生產(chǎn)中，存在過程復雜費用高，底物選擇多樣性，收率低，污染環(huán)境等問題，而發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸，工藝過程簡單、產(chǎn)量高、環(huán)保等優(yōu)點，所以國內(nèi)外主要致力于發(fā)酵法生產(chǎn)L精氨酸的研究。日本也有成功的研究，把其作為服裝涂料層的原料，穿起來非常舒服。 L精氨酸在其他方面的應用 據(jù)了解，在國內(nèi)L精氨酸在化妝品行業(yè)的需要量每年可達上百噸，以L精氨酸為原料制得的陽離子表面活性劑具有毒性低和抗菌性能等優(yōu)點，是化妝品和食品的優(yōu)良防腐劑。 美國飼料的標準規(guī)定喂養(yǎng)產(chǎn)蛋雞和小雞的飼料中要添加適量的精氨酸。 L精氨酸在畜牧業(yè)方面的應用L精氨酸是嬰幼兒（幼小動物）及魚類的必需氨基酸[2]，在1999年，日本農(nóng)林水產(chǎn)省就頒布了將L精氨酸作為飼料添加劑用氨基酸的規(guī)定，和谷酰胺一樣，L精氨酸的作用不止限于作為營養(yǎng)補充成分，更主要的是用于提高幼小動物的存活率及飼養(yǎng)對象的生理功能。天冬氨酸和精氨酸是卡爾維斯公司生產(chǎn)的藻酸系列能量飲料中的主要成分。 L精氨酸在保健飲品方面的應用近年來國內(nèi)外在開發(fā)旨在提高運動員爆發(fā)力、耐力和高速反應能力等方面的飲料的廠家甚多，他們多數(shù)是以滋補強壯和補充能量作為主要目的，添加氨基酸已成為一大趨勢。 是天冬氨酸和精氨酸的復合物，可以將大白鼠的游泳時間提高兩倍，并可以保護實驗性急性缺氧家兔的心臟。 是一種保肝藥，對肝細胞的再生有促進作用，對肝中毒和高血氨癥有明顯的治療效果，且對震顫譫妄也有顯著的治療作用。 是谷氨酸和精氨酸的復合物，是白色結(jié)晶性的粉末，無臭，熔點為193～℃（分解）,易溶于水，水溶液的pH為6～7。 是用馬來酸鹽和精氨酸的直接作用制得。方法是: g精氨酸溶在500 mL乙醇中、 g葡萄糖醛酸溶在280 mL乙醇中，再分別過濾，最后混合放冷，放置數(shù)小時后，有復鹽析出，將其過濾，用冷乙醇與乙醚先后洗滌，再真空干燥可得。用途與阿司匹林一樣。（2）pH平衡劑L精氨酸在臨床輸液中可以作為藥物的pH平衡劑，例如：頭孢拉定注射液，其pH很低，～，過去通過加碳酸氫鈉中和其pH，但這種方法易在血管中生成二氧化碳氣泡，會影響血管的通暢，而現(xiàn)在用L精氨酸（堿）作為中和劑的同時又增加了營養(yǎng)，僅憑這一點，國內(nèi)對L精氨酸的需求量就超過300 t/年。（1）營養(yǎng)補充L精氨酸輸液可以改善外科手術(shù)前患者的營養(yǎng)狀態(tài)，保證大型手術(shù)的順利進行；為消化吸收障礙及胃腸道疾病患者供給蛋白質(zhì)營養(yǎng)成分；為骨折、燒傷、創(chuàng)傷、化膿及術(shù)后蛋白質(zhì)的嚴重損失病患補充營養(yǎng)；為慢性疾患及急性傳染病患者提供非經(jīng)口的營養(yǎng)；肝硬化和肝病所致的蛋白質(zhì)生化合成紊亂都可用L精氨酸輸液來糾正；可用于預防和治療抗癌劑、放射線及其他原因引起的白細胞減少癥；可以代替血漿，以節(jié)約用血等七個方面 。 L精氨酸的應用L精氨酸是人體的半必需氨基酸，在藥品、食品、化妝品、飼料等方面都有廣泛用途[1]。（ mg/ml，6 mol/L HCL）；在205 nm處其水溶液有最大吸光度()。L精氨酸鹽酸鹽呈白色結(jié)晶性粉末,苦澀味,無臭,易溶于水,水溶液為堿性