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安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(xué)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(qiáng)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(yīng)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(yù)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(qiáng)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(shè)計項目概述 （1）設(shè)計課題：年產(chǎn)1000t色氨酸工廠初步設(shè)計 （2）廠址：皖南地區(qū) （3）重點(diǎn)車間：提取車間 （4）重點(diǎn)設(shè)備：發(fā)酵罐 （5）需要完成的設(shè)計圖紙：全廠工藝流程圖、全廠平面布置圖、重點(diǎn)車間平面布置圖，重點(diǎn)車間側(cè)視圖。 1.2 設(shè)計依據(jù) （1）學(xué)校下達(dá)的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書和相關(guān)可行性報告，以及可靠的設(shè)計資料； （2）我國現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計和安裝設(shè)計的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)； （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(shè)計范圍 （1）廠址選擇及全廠概況介紹（地貌、資源、建設(shè)規(guī)模、人員）； （2）產(chǎn)品的生產(chǎn)方案、生產(chǎn)流程、及技術(shù)條件的制定； （3）重點(diǎn)車間詳細(xì)工藝設(shè)計、工藝論證、設(shè)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(diǎn)設(shè)備的選型和計算； （7）對生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)提出可行方案。 1.4工廠設(shè)計原則[7] （1）設(shè)計工作要圍繞現(xiàn)代化建設(shè)這個中心，為這個中心服務(wù)。首先要做到精心設(shè)計，投資省，技術(shù)新，質(zhì)量好，收效快，回收期短，使設(shè)計工作符合社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)的總原則。設(shè)計的安全性和可靠性是工程項目設(shè)計工作的第一要務(wù)，是設(shè)計人員進(jìn)行生物工程項目設(shè)計的根本出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。 （2）設(shè)計工作必須認(rèn)真進(jìn)行調(diào)查研究。需大量查閱文獻(xiàn)，搜集設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)資料并進(jìn)行分析，從實際出發(fā)。 （3）要解放思想，突出創(chuàng)新，力求設(shè)計在技術(shù)上具有現(xiàn)實性和先進(jìn)性，在經(jīng)濟(jì)上具有合理性，環(huán)境保護(hù)上有可行性。 （4）設(shè)計必須結(jié)合實際，因地制宜，工廠設(shè)計要體現(xiàn)其通用性和獨(dú)特性相結(jié)合的原則。 （5）設(shè)計需遵守國家的相關(guān)規(guī)定，要明確設(shè)計進(jìn)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(yùn)輸設(shè)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(shè)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(jìn)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(dá)到國家規(guī)定。 （2）建設(shè)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(xué)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?，F(xiàn)已走向?qū)嵱貌⑶姨幱谥鲗?dǎo)地位。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(xué)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(shù)在微生物育種和酶工業(yè)上的應(yīng)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(jìn)程[15]。 本設(shè)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(jì)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(qiáng)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(jī)； （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(dāng)?shù)赜辛Φ臈l件，不免或克服不利的條件。 （2） 盡可能利用當(dāng)?shù)氐娜肆Α⑽锪?、財力、自然資源，和保護(hù)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(fèi)地。 （4）經(jīng)濟(jì)效益好，能加快國名經(jīng)濟(jì)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(dá)，便于運(yùn)輸。 1.9 全廠定員及勞動保護(hù) （1）全廠定員：根據(jù)色氨酸生產(chǎn)特點(diǎn)，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(jī)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(hù)：發(fā)酵車間需佩戴耳塞、安全帽；提取要佩戴防護(hù)眼鏡和耳塞；糖化車間要有防暑降溫設(shè)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(shè)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(shè)項目中本公司將采用先進(jìn)的噴漿造粒技術(shù)將高濃度廢水制成有機(jī)無機(jī)復(fù)合肥，即可以解決環(huán)保問題，又可以增加項目的經(jīng)濟(jì)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(shè)備加蓋和酸霧吸收，車間安裝風(fēng)機(jī)。 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(fēng)機(jī)產(chǎn)生的噪聲最高，采用防噪聲隔音措施，并包括出風(fēng)口消聲器，進(jìn)、出風(fēng)口的軟接頭及機(jī)器的減震器等，其它工藝設(shè)備均采用相同的隔音，消聲，減震措施。 1.11 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 本次設(shè)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(shè)是工廠初步建設(shè)、設(shè)備的選購和安裝調(diào)試，預(yù)計全部建設(shè)18個月即可完成。有關(guān)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)可見下表： 表1-11 L-色氨酸生產(chǎn)相關(guān)指標(biāo)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(shè)備總花費(fèi)（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(fèi)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(biāo)準(zhǔn)（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(xué)合成及光學(xué)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(diǎn)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(shù)和復(fù)合酶糖化技術(shù)。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(jìn)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(diǎn)： 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(lǐng)先水平高產(chǎn)酸、高轉(zhuǎn)化率菌種、 成熟的先進(jìn)技術(shù)。 使色氨酸生產(chǎn)工藝達(dá)到更高水平。 2.3 L-發(fā)酵法色氨酸生產(chǎn)工藝關(guān)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(jī)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(dāng)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(yán)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(dāng)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(jìn)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(yán)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(jìn)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(dāng)?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(jī)鹽的消耗及產(chǎn)酸引起PH變化所以發(fā)酵過程中適當(dāng)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(jìn)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(jìn)的通風(fēng)攪拌裝置設(shè)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(shù)，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(jìn)的培養(yǎng)基連消技術(shù)，高精度空氣膜濾技術(shù)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(jìn)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(jī)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(jìn)的陶瓷膜或納濾分離技術(shù)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(dāng)溫度，經(jīng)過活性炭處理進(jìn)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(dá)不到脫色效果。 脫色后的發(fā)酵液要進(jìn)一步分離純化，主要方法有離交交換法、有機(jī)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(diǎn)，適合于工業(yè)應(yīng)用用離交交換法分離純化L-色氨酸進(jìn)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(yán)格控制溫度條件防止溫度過高導(dǎo)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?，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(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)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(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(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： 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 （圖3-1）選用兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程 注：