年產(chǎn)1000噸色氨酸發(fā)酵工廠的畢業(yè)設計
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安徽工程大學機電學院畢業(yè)設計（論文） 第1章 緒論 色氨酸的分子式為:C11H12N2O2分子量為214.21,含氮13.72%,僅一氨基氮6.86%。色氨酸有三種光學異構(gòu)體,L-色氨酸呈絹絲光澤、六角片狀自色晶體,無臭,有甜味,水中溶解度1.14 g/l(25℃),溶于稀酸或稀堿,在堿液中較穩(wěn)定,強酸中分解,微溶于乙醇,不溶于氯仿、乙醚。 色氨酸具有重要的生理作用。它是人體和動物生命活動中必需的氨基酸之一，對人和動物的生長發(fā)育和新陳代謝起著重要的作用。被稱為第二必需氨基酸。廣泛應用于醫(yī)藥、食品和飼料等方面。在生物體內(nèi)從L-色氨酸出發(fā)可合成4 一羥基色胺等激素以及色素、生物堿、輔酶、植物激素等生理活性物質(zhì)?？深A防和治療糙皮病。同時具有消除精神緊張、改善睡眠效果等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比較缺乏的氨基酸。用它強化食品和傲飼料添加劑對提高植物蛋白質(zhì)的利用率具有重要的作用。它是繼蛋氨酸和賴氨酸之后的第三大飼料添加氨基酸。 1.1 設計項目概述 （1）設計課題：年產(chǎn)1000t色氨酸工廠初步設計 （2）廠址：皖南地區(qū) （3）重點車間：提取車間 （4）重點設備：發(fā)酵罐 （5）需要完成的設計圖紙：全廠工藝流程圖、全廠平面布置圖、重點車間平面布置圖，重點車間側(cè)視圖。 1.2 設計依據(jù) （1）學校下達的畢業(yè)設計任務書和相關可行性報告，以及可靠的設計資料； （2）我國現(xiàn)行的有關設計和安裝設計的規(guī)范與標準； （3）其他氨基酸的發(fā)酵工藝及色氨酸的特性發(fā)酵。 1.3 設計范圍 （1）廠址選擇及全廠概況介紹（地貌、資源、建設規(guī)模、人員）； （2）產(chǎn)品的生產(chǎn)方案、生產(chǎn)流程、及技術條件的制定； （3）重點車間詳細工藝設計、工藝論證、設備選型及計算； （4）全廠物料、能量衡算； （5）車間布置和說明； （6）重點設備的選型和計算； （7）對生產(chǎn)、環(huán)境保護提出可行方案。 1.4工廠設計原則[7] （1）設計工作要圍繞現(xiàn)代化建設這個中心，為這個中心服務。首先要做到精心設計，投資省，技術新，質(zhì)量好，收效快，回收期短，使設計工作符合社會主義經(jīng)濟建設的總原則。設計的安全性和可靠性是工程項目設計工作的第一要務，是設計人員進行生物工程項目設計的根本出發(fā)點和落腳點。 （2）設計工作必須認真進行調(diào)查研究。需大量查閱文獻，搜集設計的技術基礎資料并進行分析，從實際出發(fā)。 （3）要解放思想，突出創(chuàng)新，力求設計在技術上具有現(xiàn)實性和先進性，在經(jīng)濟上具有合理性，環(huán)境保護上有可行性。 （4）設計必須結(jié)合實際，因地制宜，工廠設計要體現(xiàn)其通用性和獨特性相結(jié)合的原則。 （5）設計需遵守國家的相關規(guī)定，要明確設計進度。 1.5 工廠組成 工廠的組成一般包括以下內(nèi)容： （1） 生產(chǎn)車間：糖化、發(fā)酵等車間； （2） 輔助車間; （3） 動力車間； （4） 行政部門； （5） 綠化區(qū)域； （6） 道路等運輸設施和各類地上、地下工程管網(wǎng)； （7）三廢治理。 1.6 產(chǎn)品生產(chǎn)方案及建設規(guī)模 （1）生產(chǎn)方案：以淀粉為原料，經(jīng)糖化生產(chǎn)可發(fā)酵性糖，然后利用色氨酸高產(chǎn)菌，在適宜的生產(chǎn)條件下進行生產(chǎn)發(fā)酵，生產(chǎn)L-色氨酸。并通過后續(xù)工作，使產(chǎn)品達到國家規(guī)定。 （2）建設規(guī)模：年產(chǎn)1000噸，生產(chǎn)天數(shù)300天，連續(xù)生產(chǎn)。 1.7 生產(chǎn)方法及產(chǎn)品規(guī)格 （1）生產(chǎn)方法：L-色氨酸的生產(chǎn)最早主要是依靠化學合成法和蛋白質(zhì)水解法制造。隨對微生物法生產(chǎn)色氨酸的研究的不斷發(fā)展，人們開始利用微生物法發(fā)酵生產(chǎn)色氨酸。現(xiàn)已走向?qū)嵱貌⑶姨幱谥鲗У匚?。微生物法大體可分為微生物發(fā)酵法和酶促轉(zhuǎn)化法。近年來還出現(xiàn)了直接發(fā)酵法和化學合成法，直接發(fā)酵法和轉(zhuǎn)化法相結(jié)合生產(chǎn)色氨酸的研究。另外，基因工程、酶的固定化和高密度培養(yǎng)等技術在微生物育種和酶工業(yè)上的應用極大地推動了直接發(fā)酵法和酶法生產(chǎn)色氨酸的工業(yè)化進程[15]。 本設計采用微生物直接發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸，因為這種工藝簡單，適合大規(guī)模生產(chǎn)。且成本較低，易實現(xiàn)經(jīng)濟最大利益化。 （2）產(chǎn)品規(guī)格：食品級色氨酸，純度95%，白色或淡黃色粉末，易溶于水。水中溶解度1.l4g(25℃)， 溶于稀酸或稀堿，在堿液中較穩(wěn)定，強酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。 1.8 公用工程 （1）供熱：由電熱廠供給蒸汽，自備鍋爐； （2）供電：由發(fā)電廠供給，自備發(fā)電機； （3）供水：由自來水廠供給及本廠附近水渠供給； （4）壓縮空氣及制冷：由本廠動力車間制備。 廠址選擇總原則： （1） 盡可能利用當?shù)赜辛Φ臈l件，不免或克服不利的條件。 （2） 盡可能利用當?shù)氐娜肆?、物力、財力、自然資源，和保護環(huán)境。 （3） 盡可能是企業(yè)接近原料、能源產(chǎn)地和產(chǎn)品消費地。 （4）經(jīng)濟效益好，能加快國名經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。 根據(jù)實際情況并結(jié)合選址原則，我們暫定廠址為皖南地區(qū)。因為我們此次項目中色氨酸生產(chǎn)主要原料為玉米，玉米是皖南地區(qū)省重要的旱糧作物，年種植面積近5.3萬hm2 萬，在糧食作物中列于水稻、大豆、番薯和小麥之后，居第5位，年總產(chǎn)量在20萬t以上，位列水稻、番薯、大豆之后，居第4位。皖南地區(qū)是典型的南方玉米種植區(qū)，適播期長，種植類型多，種植模式多樣，種植效益高，完全不同于北方玉米的單一模式。且隨著近些年的客觀發(fā)展需求，皖南地區(qū)玉米種植面積不斷增加，皖南交通發(fā)達，便于運輸。 1.9 全廠定員及勞動保護 （1）全廠定員：根據(jù)色氨酸生產(chǎn)特點，糖化、發(fā)酵、提取車間，一般按照每天3個班次來安排工人上班，即每人每天上8個小時班，實行4班3倒制；包裝車間可以視情況而定，可安排1或2個班一天；機修車間一般是日班，中夜班給安排2個人；電房要3班都要有人；行政人員全安排在白班。 （2）勞動保護：發(fā)酵車間需佩戴耳塞、安全帽；提取要佩戴防護眼鏡和耳塞；糖化車間要有防暑降溫設備、空調(diào)間和防塵口罩；倒粉處要有防壓皮鞋和防塵口罩；壓力設備要定期檢查，規(guī)范操作。要盡可能避免生產(chǎn)事故的發(fā)生。 1.10 三廢處理 a.廢水：色氨酸生產(chǎn)主要的污染是高濃度廢水，在建設項目中本公司將采用先進的噴漿造粒技術將高濃度廢水制成有機無機復合肥，即可以解決環(huán)保問題，又可以增加項目的經(jīng)濟效益，還可以減輕污水處理廠的污水處理壓力。 b.廢氣：主要來源于發(fā)酵罐產(chǎn)生CO2氣體，采用蒸汽集氣包殺滅活菌體，然后排入大氣中。由提取車間產(chǎn)生的氯化氫氣體逸出，采用設備加蓋和酸霧吸收，車間安裝風機。 c.廢渣：制糖濾渣可制磚；發(fā)酵液除菌后所得濕菌體烘干后可作飼料出售。 d.噪聲：由污水處理站鼓風機產(chǎn)生的噪聲最高，采用防噪聲隔音措施，并包括出風口消聲器，進、出風口的軟接頭及機器的減震器等，其它工藝設備均采用相同的隔音，消聲，減震措施。 1.11 技術經(jīng)濟指標 本次設計的工程項目固定資產(chǎn)投資7000萬，流動資金1500萬，場地20000平方米（約30畝）由于該項目建設是工廠初步建設、設備的選購和安裝調(diào)試，預計全部建設18個月即可完成。有關經(jīng)濟指標可見下表： 表1-11 L-色氨酸生產(chǎn)相關指標一覽表 項目名稱 項目參數(shù) 項目名稱 項目參數(shù) 生產(chǎn)規(guī)模（t/a） 1000 設備總花費（元） 4000萬 生產(chǎn)天數(shù)（d/a） 300 工程造價（元） 2000萬 產(chǎn)品日產(chǎn)量（t/d） 3.34 環(huán)保費用（元） 300萬 生產(chǎn)成本（元/kg） 100 員工工資（元） 400萬 市場價（元/kg） 300 能源消耗（元） 300萬 征地面積（畝） 30 開發(fā)標準（元/畝） 100000 第2章 色氨酸生產(chǎn)工藝 2.1生產(chǎn)方法摘要： 生產(chǎn)色氨酸的方法很多。主要有天然物質(zhì)提取法、化學合成及光學拆分組合法、發(fā)酵法、酶法等等，目前主要采用發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸。發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸。 其優(yōu)點是可利用廉價的葡萄糖原料直接生產(chǎn)產(chǎn)品。制糖可采用美國高效噴射液化技術和復合酶糖化技術。提高淀粉糖的轉(zhuǎn)化率和 67 值。降低生產(chǎn)成本。色氨酸生產(chǎn)菌特性專一。提純后產(chǎn)品質(zhì)量好。成本低。易于大規(guī)模生產(chǎn)。 選擇具有國際先進水平高產(chǎn)酸、高轉(zhuǎn)化率大腸菌種生產(chǎn)色氨酸。不但附加值更高。而且能夠發(fā)揮氨基酸發(fā)酵企業(yè)自身的優(yōu)勢。 改變氨基酸發(fā)酵企業(yè)產(chǎn)品單一，利潤較薄的狀況。[8] 2.2發(fā)酵法生產(chǎn)L-色氨酸生產(chǎn)工藝特點： 色氨酸以玉米淀粉為原料。經(jīng)液化、糖化制得高質(zhì)量糖液。既而經(jīng)大腸桿菌發(fā)酵、膜過濾、脫色、離交、濃縮、結(jié)晶、離心干燥、包裝得到色氨酸產(chǎn)品。生產(chǎn)可采用國外具有世界領先水平高產(chǎn)酸、高轉(zhuǎn)化率菌種、 成熟的先進技術。 使色氨酸生產(chǎn)工藝達到更高水平。 2.3 L-發(fā)酵法色氨酸生產(chǎn)工藝關鍵過程： 2.3.1 發(fā)酵原料： 根據(jù)本地條件。結(jié)合公司實際情況。選用合適的碳源和氮源。采用淀粉糖作為主要的碳源。酵母抽提物作為底料的氮源。同時輔以適量的無機鹽和其他微量元素。 2.3.2 發(fā)酵工藝流程： 斜面→搖瓶種子→一級種子罐→主罐 從搖瓶到一級罐最佳接種量為1%左右，從一級種子罐到主罐最佳接種量為10%左右。根據(jù)一級罐和主罐的體積接種量可適當調(diào)整。 2.3.3發(fā)酵工藝條件及控制[1] L-色氨酸生產(chǎn)菌是一種大腸桿菌，具有較好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和分裂不穩(wěn)定性 發(fā)酵過程中菌種的質(zhì)粒穩(wěn)定性對發(fā)酵水平高低有嚴重影響，維持發(fā)酵高產(chǎn)酸就要保證發(fā)酵過程菌種質(zhì)粒穩(wěn)定，在培養(yǎng)過程可以通過調(diào)節(jié)適當罐壓、培養(yǎng)溫度、溶氧控制水平、底料中酵母抽提物添加量等方面進行控制保證發(fā)酵過程中不發(fā)生質(zhì)粒丟失現(xiàn)象。 L-色氨酸發(fā)酵液中乙酸濃度高時對L-色氨酸生產(chǎn)菌的生長和產(chǎn)酸均有抑制作用。因此發(fā)酵過程中代謝副產(chǎn)物乙酸的多少對發(fā)酵水平高低有嚴重影響。發(fā)酵過程中可以通過調(diào)節(jié)溶氧控制水平初始葡萄糖濃度，發(fā)酵葡萄糖濃度及控制菌體比生長速率等方面進行控制減少，發(fā)酵液中乙酸的生成。 L-色氨酸發(fā)酵過程中產(chǎn)大量的熱，為了維持發(fā)酵溫度的穩(wěn)定必須采取適當?shù)慕禍卮胧┰诎l(fā)酵罐外部加上冷卻盤管采用冰水降溫，控制發(fā)酵溫度33度左右，L-色氨酸發(fā)酵過程中由于無機鹽的消耗及產(chǎn)酸引起PH變化所以發(fā)酵過程中適當流加氨水或液氨調(diào)節(jié)PH控制最佳PH值在6.9左右。 L-色氨酸發(fā)酵為耗氧發(fā)酵并且產(chǎn)酸過程中用氧量比較大，溶氧的多少直接影響著代謝的方向 進而影響產(chǎn)酸和轉(zhuǎn)化率 溶氧低于20%容易發(fā)生菌體自溶、乙酸產(chǎn)量增加，所以在主發(fā)酵過程中必須控制溶氧大于20%，這要求我們采用先進的通風攪拌裝置設計合理的發(fā)酵罐徑高比增加通氣量提高溶解氧。 L-色氨酸發(fā)酵過程中采用高糖流加技術，使發(fā)酵糖濃度始終處于低濃度從而有效減少殘?zhí)菍Πl(fā)酵產(chǎn)生的抑制作用避免發(fā)酵后期產(chǎn)生乙酸上升的現(xiàn)象保證高產(chǎn)酸及轉(zhuǎn)化率。 此外L-色氨酸發(fā)酵生產(chǎn)可采用先進的培養(yǎng)基連消技術，高精度空氣膜濾技術使發(fā)酵污染程度控制最低水平，確保發(fā)酵產(chǎn)酸水平。對發(fā)酵車間的環(huán)境定期進行消毒提高環(huán)境清潔度。對排污要控制對排污口要用漂白粉處理對空氣過濾系統(tǒng)要定期清理減少染菌機率。 2.3.4精制工藝條件及控制 發(fā)酵液的質(zhì)量高低決定著精制收率與產(chǎn)品質(zhì)量所以發(fā)酵液必須經(jīng)過處理。 首先發(fā)酵結(jié)束后要對發(fā)酵液加熱并調(diào)到合適的PH，采用先進的陶瓷膜或納濾分離技術去除發(fā)酵液中L-色氨酸菌體及部分蛋白質(zhì)大分子色素、雜質(zhì)等此時料液的透光率越高越好以利提高提取收得率和提高L-色氨酸質(zhì)量。[4] 過濾后的發(fā)酵液加熱到適當溫度，經(jīng)過活性炭處理進一步脫色與純化脫色過程中控制活性炭用量，過多，影響收率。過少，又達不到脫色效果。 脫色后的發(fā)酵液要進一步分離純化，主要方法有離交交換法、有機溶液萃取法、乳狀液膜提取法等。其中離子交換法具有工藝簡便、投資少、節(jié)能、污染小的優(yōu)點，適合于工業(yè)應用用離交交換法分離純化L-色氨酸進一步去除物料中雜質(zhì)、色素及其它離子。 分離純化后的發(fā)酵液經(jīng)濃縮結(jié)晶處理。因為L-色氨酸具有熱不穩(wěn)定性，因此濃縮結(jié)晶時要嚴格控制溫度條件防止溫度過高導致L-色氨酸分解。濃縮結(jié)晶后的發(fā)酵液經(jīng)離心分離干燥包裝等工序得到成品L-色氨酸。 第3章 工藝論證 3.1 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铮@些微生物隨著空氣進入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)，以及產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，干擾甚至破壞預定發(fā)酵的正常進行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效價降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹底失敗等嚴重事故。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)濾層才能達到過濾除菌的目的，稱為介質(zhì)過濾或相對過濾或深層過濾。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)的孔隙小于細菌，含細菌等微生物的空氣通過介質(zhì)，微生物就被截留于介質(zhì)上而實現(xiàn)過濾除菌，有時稱之為絕對過濾。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)過濾器時的壓力和溫度的變化，會引起空氣相對濕度改變，一旦發(fā)生凝露析水，就會使過濾介質(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： 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 粗過濾器 （圖3-1）選用兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程 注：