1、 序号 : 学号 : 08439103 CHANGZHOUNIVERSITY 课 程 设 计设计课程名称： 发酵工程课程设计 题 目： 年产 80 吨 L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计 学 生 姓 名 ： * 学 院（系）： 制药与生命科学学院 专 业 班 级 ： 生工 081 指 导 教 师： 王利群 专业技术职务： 副教授 设计时间： 2011 年 12 月 19 日 2011 年 12 月 30 日目录1.概述 .11.1 产品概述 .11.1.1L-丝氨酸生产产品国内外生产情况 .11.1.2 用途与发展前景 .21.2 设计概述 .21.2.1 设计依据 .31.2.2 设计规模和范
2、围 .31.2.3 指导思想 .32. 原材料及产品的主要技术规格 .32.1 生产原料 .32.2 产品的主要技术规格 .43.生产流程简述 .43.1 离子交换层析过程 .43.2 结晶过程 .44.工艺分离 .44.1 物料衡算 .54.1.1 离子交换罐 .54.1.2 浓缩罐 .64.1.3 离心机 .64.2 能量衡算 .64.2.1 浓缩罐 .64.2.2 冷却器 .75.主要设备的计算 .85.1 离子交换罐的计算 .85.2 浓缩罐设计 .85.3 冷却器 .85.4 离心机 .95.5 储罐 .95.5.1 高位槽 .95.5.2 废液储罐 .106.心得体会 .107.参
3、考文献 .118.致谢 .11年产 80 吨 L丝氨酸分离纯化车间的工艺设计1.概述1.1 产品概述1.1.1L-丝氨酸生产产品国内外生产情况L-丝氨酸的主要生产方法有以下四种。方法一、水解法：以蚕茧茧衣为原料进行酸水解，然后用离子交换水进行分离纯化。方法二、添加前体发酵法：L-丝氨酸在生物体内代谢运转速度极快，直接发酵法生产困难。一般采用添加前体的发酵法。添加的前体主要有甘氨酸、甘氨酸三甲内盐或甘油酸，其中以甘氨酸为前体的已工业化。产生菌可分为两类：异养型和甲基营养型细菌。方法三、化学合成法：DL-丝氨酸可有以羟基乙醛为原料的合成法等，然后再拆分得 L-丝氨酸。方法四、酶法：以化学合成 DL
4、-丝氨酸的中间体 DL-2-氧代恶唑烷-4- 羧酸（DL-OOC）为原料，使用睾丸酮假单胞菌生产的 L-OOC 水解酶或从枯草杆菌生产的 OOC 消旋酶作用，生产 L-丝氨酸。国外最早用生丝微菌属静息细胞生产 L-丝氨酸。Yoshida,T.， Mitsunaga,T.，等考察了 26 株甲基营养型细菌静息细胞以甲醇和甘氨酸为底物生产 L-丝氨酸的能力。有七株菌的生产能力超过 500mg/ml。其中NCIB10099 生产能力最强。 目前 L-丝氨酸生产水平还较低, 在世界氨基酸生产行业中 L-丝氨酸是工业化生产难度较大的氨基酸。日本用前体发酵法生产 L-丝氨酸, 在 1969 年产量为4t,
5、 在 1990 年 70t, 在 1996 年 100t,2002 年 280t。中国以前大多采用蛋白质水解法提取, 然而分离困难, 始终未能形成生产规模。四川南充药厂生产是用发酵法，生产周期长，收率低也不宜推广应用。而湖北八峰药化采用酶促法转化生产 L-丝氨酸，2003 年 3 月建成一条年产 50t 的生产线，产酸量及转化率均达到国际先进水平。1.1.2 用途与发展前景丝氨酸(简称 Ser.)是一种重要的生化试剂和药剂, 在氨基酸输液和氨基酸胶囊以及多肽合成等方面发展迅速。常用于组织培养基的制备，医药上用作氨基酸类营养药 。同时丝氨酸的衍生物也具有优良的药用和生物活性, 如 -取代丝氨酸被
6、应用于设计肽, 而且是免疫抑制剂 ISP（多球壳菌素 Myriocin, 嗜热菌杀酵母素 Thermozymocidin）和免疫激活剂 , 神经鞘真菌素 E 等生物活性物质的有效组成部分；L-丝氨酸的磷酸脂具有解除疲劳, 恢复体力等功效偶氮丝氨酸常用于治疗肿瘤。1.2 设计概述1.2.1 设计依据（1）依据与工厂设计和生产工艺相关的各种资料。如化工工艺设计手册（2）GB/T 501032001 总图制图标准（3）GB5018793 工业企业总平面设计规范（4）GB 1234890工业企业厂界噪声标准（5）化工原理（6）生物工艺原理（7）生物工程设备1.2.2 设计规模和范围（1）L-丝氨酸分离
7、纯化车间的工艺设计（2）主要设备的计算和选型（3）带控制点的工艺流程图（4）主要设备图1.2.3 指导思想发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。 千百年，特别是最近几十年的发酵工业生产的实践证明：微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。 从生物科学
8、的角度重新审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原理是其生物学原理，而前述的发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。因此，发酵工程的生物学原理是发酵工程最基本的原理，并且可以把它简称为“发酵原理”。2. 原材料及产品的主要技术规格2.1 生产原料氢氧化钠溶液 用量 66040L 浓度 1M盐酸 用量 66040L pH=2 无水乙醇 用量 2080L去离子水 用量 99060L717 型离子交换树脂 用量 49530L2.2 产品的主要技术规格生产规模：80 吨/年生产方法：717 型离子交换树脂 离子交换层析后，进行浓缩，之后添加乙醇结晶，离心分离生产天数：300 天生产周期：1
9、天生产方式：间歇生产3.生产流程简述本设计采用离子交换层析对两种氨基酸（L-丝氨酸和 L-甘氨酸）进行分离。3.1 离子交换层析过程采用 717 型离子交换树脂，将其装入离子交换罐，保证其密实。然后用氢氧化钠水溶液处理（溶液浓度为 1M，体积为 66040L）使离子交换柱呈碱性，处理完之后上样。上样后，L-丝氨酸和 L-甘氨酸吸附在交换树脂上，可用酸性溶液洗脱，本设计采用 pH=2 的 Hcl 溶液洗脱，用量为 66040L，洗脱前需要用去离子水洗涤，最终可得氨基酸溶液为 16510L，其中 L-丝氨酸为 6934L。3.2 结晶过程离子交换层析完毕后，对料液进行浓缩。采用蒸汽加热，可将料液浓
10、缩至原体积的 1/10，待浓缩液冷却后，加入 208L 无水乙醇，使 L-丝氨酸结晶，最后离心烘干可得产品 267kg/天。年操作日为 300 天。简述: 717 型离子交换树脂装入离子交换罐用氢氧化钠溶液处理上样用去离子水洗涤用 Hcl 溶液洗脱浓缩冷却 加入无水乙醇结晶离心过滤烘干产品4.工艺分离生产条件:已知 L-丝氨酸的小试纯化工艺为：717 型离子交换树脂用 1M 的 NaOH 溶液处理成 OH-型，水洗至中性后装柱（三根 25500mm 的柱子）。对第一根柱子上样，上样结束后水洗。然后连接另 2 根柱子，用 pH=2 的 Hcl 洗脱，分别收集只含 L-丝氨酸、L-甘氨酸，以及同时
11、含这两种氨基酸的洗脱液。假设一个柱子的体积为 V，已知 NaOH 溶液用量为 4V，洗涤水用量为 2V，洗涤液用量为 4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为 1V，含 L-丝氨酸的洗脱液体积为0.42V。将含 L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的 1/10，加入 3 倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量 15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为 77%。年操作日 300 天，生产方式：间歇生产。水蒸气 138，冷却水由 27进，37出。4.1 物料衡算已知柱子 25500mm，一个柱子的体积为 V，已知 NaOH 溶液用量为4V，洗涤水用量为 2V，洗涤液用量为 4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，
12、含 L-丝氨酸的洗脱液体积为 0.42V。将含 L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的 1/10，加入 3 倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量 15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为 77%。年操作日 300 天。4.1.1 离子交换罐小试生产时：g539.2102478.478.3mol014.V515020-L3得 丝得 丝 甘丝mlnL放大后： L9576108.V5.034426L15044V6 105mL49307. 16.26.t.3HclNao放 大甘 放 大丝 放 大水 放 大样 品 放 大放 大放 大 总丝 放 大 倍 数放 大 倍 数记 ： 倍4.1.2 浓缩罐 4.31丝
13、丝 ， 缩4.1.3 离心机 208.L69.3丝 ， 缩乙 醇4.2 能量衡算查表得：KgCJmp/25810 )(.41, 水 的 气 化 潜 热 ：水 的 比 热 容 ： Jp/6:38 )(901.C2,水 蒸 气 的 气 化 潜 热水 蒸 气 的 比 热 容 ：4.2.1 浓缩罐采用间接蒸汽加热至沸腾：（加热蒸汽为 138）根据能量守恒定律得： 2121, 09C水 蒸 气水物 mTmp其中： 7281Kg01560.2934934水物 水丝水 丝物mV代入公式： 693487-.781 水 蒸 气m求得: g67水 蒸 气=5%10%，取 10% mK3411.1.水 蒸 气蒸 汽
14、 ， 实即:水蒸气的估计用量为 7341Kg.4.2.2 冷却器假定物料冷却至 37根据能量守恒定律得： 12mp,321mp, CCtT冷 凝 水料其中：Kgm10451602.9341010 丝 氨 酸水料 7374冷 凝 水、Kg52冷 凝 水得 ：=5%10%，取 10% m6031.冷 凝 水 ， 实5.主要设备的计算5.1 离子交换罐的计算选择反吸附离子交换罐已知离子交换树脂总体积： L49530V放 大 总离子交换罐高径比（H/D）为 3，即 /DH树脂层高度占圆筒高度的 50%,即L49530.2放 大 总.47m3.dD圆整得 10.5H5.2 浓缩罐设计进料体积 L6934选择搪玻璃蒸发器 10m3 HG5-38-79假设 2/D求得 1.9m8H5.3 冷却器假设冷却时间为 0.5h,即 t=0.5h查表得换热系数：K=8301250kJ/(m2h) 取 K=1000kJ/(m2h)
