【正文】 高流分 驅(qū)氨 發(fā)酵菌種與培養(yǎng)基原料微生物的生長(zhǎng)、產(chǎn)物的形成以及產(chǎn)量都與培養(yǎng)基的組成和配比是否恰當(dāng)有密切的關(guān)系；而工藝條件的選擇，對(duì)產(chǎn)品的收率和產(chǎn)品的質(zhì)量有著決定性的作用，本設(shè)計(jì)所選的工藝條件是經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐證明的，能保證生產(chǎn)的切實(shí)可行性。 培養(yǎng)基的原料培養(yǎng)基的主要碳源是葡萄糖[14]。（2）發(fā)酵培養(yǎng)基的原料（g/L)：葡萄糖： g/L；輔料：玉米漿（CSL）： g/L、尿素： g/L、KH2PO4： g/L、（NH4)2SO4： g/L、K2HPO4?3H2O： g/L、維生素H：50 、維生素B1?HCl：1 mg，pH：～。 發(fā)酵過程的控制（1） 發(fā)酵周期的優(yōu)化：菌種先在斜面上培養(yǎng)再接種到搖瓶中后，在30℃、120 r/min條件下培養(yǎng)18個(gè)小時(shí)，然后接種到一級(jí)及二級(jí)種子罐中，在pH ：～、30℃及供氧條件下，培養(yǎng)7～10個(gè)小時(shí)，～108 個(gè)/ml，以達(dá)到發(fā)酵用菌的標(biāo)準(zhǔn)[15]。（2）淀粉質(zhì)原料的糖化：本設(shè)計(jì)中用雙酶化來(lái)糖化，即用淀粉酶和糖化酶將淀粉糖化。在液化后加入糖化酶，～，在24小時(shí)內(nèi)完成糖化。（3）輔料分批添加：因玉米漿可以為菌體提供生長(zhǎng)所需的氮源和維生素等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，不過玉米漿的濃度過高時(shí)會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)。硫酸銨會(huì)影響前期菌體的生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵周期的延長(zhǎng)。經(jīng)過上述的改進(jìn)，%左右。用發(fā)酵條件來(lái)控制發(fā)酵過程中各種生化反應(yīng)的方向和速度，以達(dá)到高產(chǎn)的目的。可以將發(fā)酵前期的溫度控制在30℃，以利于菌體的生長(zhǎng)，后期溫度控制在32℃，以利于產(chǎn)生和積累L精氨酸。（3）接種量：可以按10%的接種量接種，這樣就可以減少菌體的生長(zhǎng)期，以減少生產(chǎn)周期。（5）泡沫的控制：在發(fā)酵生產(chǎn)L精氨酸的過程中會(huì)有泡沫產(chǎn)生，因大量泡沫的產(chǎn)生會(huì)影響生產(chǎn)效率，通常情況都會(huì)對(duì)此進(jìn)行處理。 L精氨酸的生物合成部分的方程式+ 葡萄糖理論上的轉(zhuǎn)化率為：=%； 糖酸轉(zhuǎn)化率為：用1 %的L精氨酸，則， 。全部通入后，浸泡48小時(shí)，排去酸液，用潔凈水沖洗至出水呈中性，沖洗流速為1020 m/h；然后，用約2倍樹脂體積的25% NaOH溶液，按上面進(jìn)HCl溶液的方法通入和浸泡。樹脂預(yù)處理后就可以給樹脂塔中輸入發(fā)酵液進(jìn)行吸附提取。提取率是67%。樹脂投入運(yùn)行后四次進(jìn)行樹脂再生。（3） 兩種樹脂吸附過程的比較提取L精氨酸時(shí)采用DR1樹脂比弱酸性陽(yáng)離子樹脂具有更多益處，在樹脂的預(yù)處理方面:DR1樹脂可以不需要HCl溶液和NaOH溶液處理，既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)。在樹脂的再生方面：雖然兩種樹脂的再生方法相同，但DR1樹脂比弱酸性陽(yáng)離子樹脂用的時(shí)間長(zhǎng)。 3 物料衡算 L精氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo) 表31 L精氨酸發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模噸/年150生產(chǎn)方法黃色短桿菌發(fā)酵，DR1樹脂交換法提取年生產(chǎn)天數(shù)天/年300產(chǎn)品日產(chǎn)量噸/天產(chǎn)品質(zhì)量[11]純度%≥99倒灌率%發(fā)酵周期h80發(fā)酵初糖Kg/m3125淀粉糖轉(zhuǎn)化率%98糖酸轉(zhuǎn)化率%44L精氨酸提取率%% 發(fā)酵車間的物料衡算 發(fā)酵車間的物料衡算先計(jì)算生產(chǎn)1000 kg純度為≥99%的藥用級(jí)L精氨酸用的原輔材料及其他物料量[19]。(12544%%%) ≈19(m3)其中 125：發(fā)酵培養(yǎng)基的初糖濃度（kg/m)44%：糖酸的轉(zhuǎn)化率 %：%的倒灌率的發(fā)酵成功率 %：提取L精氨酸的收率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1： 以純糖算： 式中 125：發(fā)酵液初糖含量（kg/m3）（3）一二級(jí)種子液量： 二級(jí)種子液量 V2液量 ：一級(jí)種子液量V1液量 ： V1液量=10% V2液量==（4）一二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2 ：式中 30：一二級(jí)種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000 kg L精氨酸需水解糖總量G為： （6）耗用淀粉原料量： 理論上，100 kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111 kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為： G淀粉=(86%98%111%) ≈(Kg)式中 86%：淀粉原料含純淀粉量 98%：淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）生產(chǎn)1000 kg藥用級(jí)L精氨酸各種輔料的耗用量：一級(jí)種子液量：190 L，二級(jí)種子液量：1900 L，發(fā)酵培養(yǎng)基液量：19000 L則按照種子培養(yǎng)基與發(fā)酵培養(yǎng)基的各輔料配方計(jì)算各輔料用量為：：因?yàn)椴捎昧骷庸に嚕跏紳舛葹?0 g/L,發(fā)酵周期為80小時(shí)，12 h 后每8 h ％的玉米漿,共加8次，則玉米漿用量為：b. ：可采用流加工藝， g/L，12 h 后每6 h ％的，共加11次，則的用量為：：：：：：?HCl的用量為： 發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果列表由上述生產(chǎn)1000 kg L精氨酸（≥99%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得150噸/年L精氨酸發(fā)酵車間的物料衡算結(jié)果。 發(fā)酵罐的設(shè)計(jì) (1)發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定 年產(chǎn)150噸L精氨酸，全年的生產(chǎn)天數(shù)為300天，則每天產(chǎn)150/300=，需要發(fā)酵液的體積為： 發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ=70%；則每天總共有發(fā)酵罐的體積為V0： 發(fā)酵周期為80小時(shí)，生產(chǎn)周期為96小時(shí)，即四天。 取公稱體積20 m3發(fā)酵罐4個(gè),其中一個(gè)留作備用。(2)主要尺寸的計(jì)算公稱容積，是指罐的圓柱部分和底封頭容積之和[21]。則罐的全容積是指罐的圓柱部分和兩封頭容積之和。機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，由于L精氨酸發(fā)酵過程有中間補(bǔ)料操作，對(duì)混合要求較高，因此采用六彎葉渦輪攪拌器。攪拌器直徑：Di= 葉寬：B=弧長(zhǎng)：底距： 盤徑：葉距：Y=D=(m)葉弦長(zhǎng)：L===(m)彎葉板厚：δ=14(mm) 相鄰攪拌葉輪間距：S=2Di=(m) 取兩檔攪拌，轉(zhuǎn)速可以50立方米罐的現(xiàn)有數(shù)據(jù)比例求得，已有數(shù)據(jù)：攪拌直徑D1： m，轉(zhuǎn)速N1：110 r/min，以P0/V為基準(zhǔn)求得： L精氨酸的發(fā)酵液為低濃度醪液，可視為牛頓液體，依據(jù)化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)用修正的邁凱爾公式求得。s/m2 攪拌器直徑：D= m 攪拌器轉(zhuǎn)速：N=135/60=(r/s)I計(jì)算Re: 可見把L精氨酸發(fā)酵液視為牛頓液體是正確的，為湍流，則攪拌功率準(zhǔn)數(shù)Np=。III通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg : 式中 P0:不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率（kW） N:軸轉(zhuǎn)速，N=135 r/min D:攪拌器直徑（cm），D3=106=105 Q:通風(fēng)量（ml/min），~，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)小，為安全。 冷卻裝置設(shè)計(jì)20 m3發(fā)酵罐的體積比較大，比表面積小，夾套蛇管等形成的冷卻面積[15]已無(wú)法滿足生產(chǎn)要求，于是使用內(nèi)置的列管裝置，以水作冷卻介質(zhì)。h)設(shè)計(jì)發(fā)酵罐裝料系數(shù)：取70%換熱器傳熱系數(shù)K取經(jīng)驗(yàn)值：K=500 kJ/(m3℃)發(fā)酵罐裝料液體積： （1）最高熱負(fù)荷下的耗水量： 式中：Q總：每1 m179。平均溫差△t： △t= 32℃→32℃ 20℃→27℃ 代入 △t==8℃換熱面積：==24(m2)（3）冷卻管總截面積： kg/s，取冷卻水在豎直蛇管中流速1 m/s，根據(jù)流體力學(xué)方程式，冷卻管總截面積S總為： 式中，w：冷卻水體積流量，w=10 m179。 現(xiàn)取豎蛇管圈端部u型彎管曲徑為250 mm，則兩直管距離為500 mm，兩端彎管總長(zhǎng)度l0: （5）冷卻管總長(zhǎng)度L計(jì)算：根據(jù)II的計(jì)算結(jié)果可知，冷卻管總的熱交換面積F=24 m2，以無(wú)縫鋼管Ф27，需要的總長(zhǎng)度為： 每米長(zhǎng)冷卻面積為：F0=1=(m2) 需要的總長(zhǎng)度：L=F/F0=(m)冷卻管在發(fā)酵罐內(nèi)占用的體積為：V==（m3）（6）每組管長(zhǎng)l0和管組高度： 另需連接管8m：l實(shí)際=L+8=（m） 可排豎直列管的高度，設(shè)為靜液面高度，下部不伸入封頭。則： 。則一圈管長(zhǎng)為： 每組管子圈數(shù)： L實(shí)=58+48=342(m)＞(m) 管間距：==(m)， m，則可計(jì)算出與攪拌器的距離為： 則在允許范圍內(nèi)（不小于200 mm）。能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要，設(shè)計(jì)符合需要。（2）接管直徑的確定：按排料管計(jì)算： m3， h之內(nèi)排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1 m/s；則排料管截面積為F物:管徑：取無(wú)縫管Ф108x4 mm，認(rèn)為合適。排料時(shí)間復(fù)核：物料流量Q= m3/s，流速v=1 m/s，管道截面積： 在相同流速下，流過物料因管徑與原來(lái)計(jì)算結(jié)果相同，所以所用時(shí)間相同。L精氨酸發(fā)酵是在pH ，對(duì)罐體不會(huì)有太大腐蝕，所以罐體和封頭都使用A3鋼為材料，以降低費(fèi)用，封頭設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，因D500 mm，所以采用雙面縫焊接的方式與罐體連接。（2）封頭壁厚計(jì)算：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的厚度計(jì)算公式如下： 式中，P= Mpa，D=230 cm，[σ]=127 Mpa，C1= cm，C2= cm，C3= cm C=C1+C2+C3= cm。（3）人孔、檔板、視鏡和支座選擇： 人孔的設(shè)置是為了安裝、拆卸、清洗和檢修設(shè)備內(nèi)部的裝置。G） HG215221995。 為增強(qiáng)發(fā)酵醪液湍動(dòng)和溶氧傳質(zhì)，通常設(shè)4到6塊檔板，本設(shè)計(jì)取4塊，按全檔板的要求設(shè)計(jì)，則應(yīng)該滿足： 式中： n:檔板的數(shù)目 b:檔板的寬度，mm D:發(fā)酵罐的直徑，mm則有： 檔板自罐底至設(shè)計(jì)的液面高度為止，與罐壁的空隙為D/8≈ m。本次設(shè)計(jì)只設(shè)置了2視鏡，直徑為DN80，開在頂封頭上，位于前后軸線離中心軸750 mm處，標(biāo)記為視鏡Ⅱ DN80 HGJ5018617。 由于設(shè)備的總重比較大，所以選用裙式支座。種子罐也采用通風(fēng)攪拌型的發(fā)酵罐，體積較發(fā)酵罐的小，在5 m3以內(nèi)，所以種子罐冷卻方式一般采用夾套冷卻。 主要尺寸的確定 (1)種子罐徑高的確定： H:D=2:1，則種子罐總?cè)莘e量V39。查吳思方的《生物工程工廠設(shè)計(jì)概論》2007年版，附表15，得D= m時(shí)，曲面高度為：h1=275 mm，直邊高度h2=25 mm，則封頭高H封為： H封 =h1+h2=275+25=300（mm）=（m）罐體總高為：H罐=2H封 +H=2+=（m）。單封頭的容積為H封為： 不計(jì)上封頭容積，即有效容積V有效 為： V有效= V封+V筒=+=（m3） V總=2V封+V筒=2+=（m3） m3大，可滿足設(shè)計(jì)要求。(3)冷卻面積的計(jì)算 因?yàn)榉N子罐的體積比較小，按通用式發(fā)酵罐系列設(shè)計(jì)需要，5 m3以內(nèi)的采用夾套冷卻方式。hh靜止液體浸沒筒體高度 ：液深 ： 該設(shè)計(jì)夾套S夾＞F，可滿足工藝要求。壁厚與封頭厚度的計(jì)算： 式中 D:設(shè)備的公稱直徑，110 cm m:外壓容器的穩(wěn)定系數(shù)，與設(shè)備的起始橢圓度有關(guān)，在我國(guó)，m=3 P:設(shè)計(jì)壓力，與水壓有關(guān)，P= MPa E:金屬材料的彈性模量，對(duì)A3鋼E=2105 MPa C:壁厚附加量，C=C1+C2+C3=++0= L:筒體長(zhǎng)度，L=220 cm將數(shù)值代入公式： 壁厚取10 mm。封頭的厚度δ封，查吳思方《生物工程工廠設(shè)計(jì)概論》附錄表求得。，取δ封=10 mm，質(zhì)量G下封=116 kg。 外套封頭壁厚δ套封：查表20取δ套封=10 mm，質(zhì)量G=116 kg(5)接管設(shè)計(jì) 進(jìn)風(fēng)管與進(jìn)料管是同一支管，為公用管。按排料管計(jì)算：= m3， h之內(nèi)排空，則物料體積流量：發(fā)酵醪流速取v=1 m/s；則排料管截面積為F物:管徑： mm，認(rèn)為合適。排料時(shí)間復(fù)核：物料流量Q= m3/s，流速v=1 m/s，管道截面積： 在相同流速下，流過物料因管徑與原來(lái)計(jì)算結(jié)果相同，所以可以滿足要求。2 m3發(fā)酵罐總重估算：