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1、常州大学 小设计 目 录1. 概述11.1 产品概述11.1.1 L-丝氨酸的理化性质11.1.2 L-丝氨酸的用途及功能11.1.3 国内外生产情况11.2 设计概述21.2.1 设计依据21.2.2 设计范围21.2.3 指导思想22. 原材料及产品的主要技术规格32.1 菌种的选择32.2 发酵原料的选择32.2.1 种子培养基32.2.2 发酵培养基32.2.3 反应原料42.3 产品的主要技术规格43. 生产流程简述44. 工艺计算54.1 物料衡算54.1.1 发酵罐54.1.2 种子罐64.1.3 反应罐74.2 热量衡算84.2.1 发酵罐84.2.2 种子罐94.2.3 反应
2、罐95. 主要设备的计算105.1 发酵罐的设计105.1.1 发酵罐的尺寸设计105.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算115.2 种子罐的计算125.2.1 种子罐的尺寸计算125.2.2 种子罐轴功率计算135.3 发酵液的贮罐计算135.4 配料罐的计算135.4.1 发酵罐配料罐135.4.2 种子罐配料罐135.5 离心发酵液的离心机计算145.6 破碎设备的选型145.7 破碎后离心机的选型145.8 反应罐的计算145.8.1 反应罐的直径155.8.2 反应罐的几何尺寸的计算155.8.3 反应罐壁厚的确定165.8.4 封头壁厚确定165.8.5 反应罐表面积的计算175.8.
3、6 反应罐搅拌器的选型175.8.7 搅拌轴功率的计算185.9 反应液的贮罐的选型186. 其它197. 参考文献208. 致谢20II年产200吨L-丝氨酸发酵车间的设计1. 概述1.1 产品概述1.1.1 L-丝氨酸的理化性质分子式：C3H7NO3。理化性质：性状六面性片状结晶或棱柱形晶体。无臭，味甜。约于228熔化并分解。PH值9时外消旋化。蛋白质加酸水解时损失很多。热稀碱溶液中分解。溶解性为溶于水（20，25g100ml水） ；不溶于乙醇和乙醚，非必需氨基酸。1.1.2 L-丝氨酸的用途及功能丝氨酸(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
4、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。1.1.3 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
5、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-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
6、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， 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。1.2 设计概述本设计是关于年产200吨L-丝氨酸发酵
7、车间的初步设计，包括生产车间的设计和布置，发酵工段的工艺设计，设备选型。最后完成任务书要求的相关图纸的绘制。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1.2.2 设计范围（1）L-丝氨酸生产工艺的设计和生产工段的计算（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
8、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 菌种的选择经查阅文献可知，工业上发酵生产L-丝氨酸常选用的菌种为
9、嗜甘氨酸棒杆菌（Corgbehat.glycinophaum ）。2.2 发酵原料的选择2.2.1 种子培养基选用LB培养基来培养嗜甘氨酸棒杆菌得到种子液。配方如下：LB培养基：蛋白胨 10g酵母浸出液 5 g氯化钠 5g水 1000ml2.2.2 发酵培养基选用LB培养基作为发酵培养基。配方如下：LB培养基：蛋白胨 10g酵母浸出液 5 g氯化钠 5g水 1000ml2.2.3 反应原料经查阅文献，反应生产L-丝氨酸所需添加的原料如下：四氢叶酸（终浓度为5mmol/L）甘氨酸（终浓度为0.4mmol/L）37%的甲醛溶液（终浓度为10mmol/L）5-磷酸吡哆醛（PLP，终浓度为0.4mmo
10、l/L）菌悬液（密度：1050kg/m；粘度：0.1Pas）蒸馏水2.3 产品的主要技术规格生产规模：200吨/年生产规格：40克/升发酵液生产方法：利用发酵液中的酶催化四氢叶酸、甘氨酸、甲醛反应生成L-丝氨酸生产天数：300天/年发酵周期：14h （因为发酵时间为14h，再考虑发酵罐灭菌，降温，出料，清洗等辅助时间。确定发酵周期为24h。）酶预处理周期：24h反应周期：72h生产周期：96h生产方式：间歇生产反应罐转速：120rpm3. 生产流程简述工业上用嗜甘氨酸棒杆菌发酵产生丝氨酸转羟甲基酶，然后以甘氨酸为前体和甲醛生产L-丝氨酸。（1） 将LB培养基共0.25m3放入0.3m3的种子罐
11、配料罐中，待搅拌均匀后，用泵打入种子罐中，种子罐用138水蒸气进行夹套加热灭菌（使培养基从25升至121），再用冷却水使之冷却到37，接入菌种后培养到对数期待用。（2）在12 m3的发酵罐配料罐中加入8.35m3的LB培养基，开启搅拌待混匀后，用泵打入发酵罐中，进行灭菌，用138水蒸气先进行间接加热（使培养基从25升至90），再用蒸汽直接加热（使培养基从90升至121），然后用冷却水使之冷却到37，待用。（3）将种子罐中的料液放入发酵罐中发酵14h，再用离心机进行离心分离，收集菌体，废液放入贮罐中。（4）菌体沉淀中加入少量蒸馏水制成菌悬液，用细胞破碎机破碎后加入5-磷酸吡哆醛；用离心机离心，取
12、清夜，再用温育罐进料泵将料液打入温育罐中，在温育罐中温育24h。然后用反应罐进料泵加入四氢叶酸、甘氨酸、37%的甲醛溶液在反应罐中进行酶反应72h，使反应液中甘氨酸和丝氨酸转化率达到平衡，最终送入贮罐中储存。将反应好的料液送去分离工段，对酶反应进行分离纯化，得到L-丝氨酸产品。此过程为间歇生产，反映过程需搅拌，过程中用138水蒸气保温、加热。年操作日为300天。发酵液离心收集菌体破碎离心上清液经泵入温育罐反应罐储罐分离工序4. 工艺计算生产条件：已知发酵培养接种量为3%，使用的培养基是LB培养基，发酵时间为14h，发酵罐的搅拌转速为180rpm，通气量为0.8VVM，发酵液密度为1050kg/
13、m3,粘度为0.1Pas。每升发酵液可以纯化得到L-丝氨酸产品40g。年操作日300天，共需生产300/4=75个周期。 水蒸气138，冷却水进出口温度根据实际情况确定。以生产1个周期为计算L-丝氨酸需要的辅料及其他物质的依据 。4.1 物料衡算已知LB培养基的成分：酵母提取物5g，蛋白胨10g，NaCl5g，水1000ml（密度为1050kg/m3）4.1.1 发酵罐 根据生产要求先计算发酵液所需的总体积，然后再根据培养基的配方进行各物料的计算。L=16.7m3装料系数 取=0.7=16.7/0.7=23.86 m3选用两个12 m3的发酵罐，另选一个作为备用罐。每个发酵罐的物料计算：发酵液
14、 G=10508.35= 8768kg酵母提取物 G1=8768kg蛋白胨 G2=8768kgNaCl G3=8768kg水 G水=8768kg= 8.6L4.1.2 种子罐 根据接种量先计算种子液的体积，然后根据培养基配方进行各物料计算。因为接种量为3%，故V种=m3装料系数 取=0.6=0.25/0.6=0.42 m3应取两个0.5 m3的种子罐每个种子罐的物料计算：发酵液 G=263.6kg酵母提取物 G1=263.6kg蛋白胨 G2=263.6kgNaCl G3=263.6kg水 G水=263.6kg=2.58ml4.1.3 反应罐根据生产要求先计算所需反应液的总体积，再根据反应原料的
15、浓度要求（四氢叶酸终浓度为5mmol/L；甘氨酸终浓度为0.4mmol/L；37%的甲醛溶液终浓度为10mmol/L；5-磷酸吡哆醛终浓度为0.4mmol/L）对反应罐进行物料衡算。 （1）反应液体积 =6.67L = 66.7 m即（2）反应罐的“公称体积” 取装料系数，而，=66.7综合考虑，选2个反应罐每个反应罐的公称体积为50（3）反应罐中原料的用量1）甘氨酸的质量2）四氢叶酸的质量3) 5-磷酸吡哆醛（PLP）的质量4) 37%的甲醛的体积4.2 热量衡算4.2.1 发酵罐用138水蒸汽先进行间接加热（不锈钢蛇管传热），使培养基从25升至90，再用蒸汽直接加热，使培养基从90升至12
16、1，然后用冷却水使之冷却到37。能量衡算如下：（1）间接加热过程的蒸汽量（培养基温度从25升到90）已知G=1050kg， t1=25 ，t2=90 c=4.18kJ/(kg) =138 查表得r=2155.6 kJ/kgK=12501900 kJ/(m2h) 取K=1674 kJ/(m2h)=5%10%，取10% =1215.7 kg已知=11.5h 取=1h=1F=18.7 m2（2） 直接加热过程的蒸汽量（培养基温度从90升到121）t1=90 ，t2=121查表得138下=2735.2 kJ/kg， =4.18 kJ/(kg)=5%10%，取10% kg（3）冷却阶段的冷却水用量 =1
17、0 （实测当培养基温度t1为80时，此时冷却水出口温度t2为30）K=1674 kJ/(m2h)kJ/(kg)（Ac2）=1674(1.4=22257.3kg/h=22.2573t/h4.2.2 种子罐 种子罐用138水蒸汽进行夹套加热灭菌（体积小于5 m3，所以采用夹套加热），使培养基从25升至121，再用冷却水使之冷却到37。能量衡算如下：（1）加热过程的蒸汽量已知V种=8.35 m3kgt1=25 ，t2=121 ，r=2155.6kJ/kg=5%10%，取10% =53.98kg取=0.5h K=8301250kJ/(m2h) 取K=1000kJ/(m2h)=0.5F=4.2 m2（2
18、）冷却阶段的冷却水用量 =10 （实测当培养基温度t1为80时，此时冷却水出口温度t2为30）K=1000 kJ/(m2h)kJ/(kg)（Ac2）=1000(1.4=2986.2kg/h=2.9862t/h4.2.3 反应罐（1）加热过程的能量衡算室温25，温育37，138水蒸气加热 又安全系数取115%（2）保温过程的能量衡量温育24h，温度维持在37 选用磨光钢板，取其黑度查资料有，单位面积黑体散热量反应罐单位面积散热量反应罐的散热量又设置了两个反应罐消耗的总能量本过程是用138蒸汽加热，而138时蒸汽的汽化潜热为0.553kcal/(kg)，折合为4186.8J/(kg/K)蒸汽用量5
19、. 主要设备的计算5.1 发酵罐的设计5.1.1 发酵罐的尺寸设计H/D=1.73，取H/D=2.0=12D=1.91m, 圆整D=2m, H=2D=4m已知 取d=0.4D=0.8m已知,取W=D=0.2m已知，取B=0.9d=0.72m 圆整B=0.8m已知, 取S=1.5d=1.2m（取25mm）m3发酵液的圆柱体积V柱=16.7/21.12=7.23 m3发酵液的柱体高h=假设用两层搅拌器，所以S1=2.31.2=1.1m检验：S1/d=1.1/0.8=1.375在12范围内。5.1.2 发酵罐搅拌器轴功率计算已知d=0.8m，D=2m 液位高 HL=2.3+0.8=3.1mn=90r
20、pm=1.5r/s =1050kg/ m3 =0.1Pas =104 （属湍流状态）P=kn3d5=4.8 1.53 kW校正系数f= =实际P*=f P=1.04kW因为有两层搅拌器kW标准状况下的通气量Q0=VLVVM=0.816.7/2=6.68 m3/min= () = 6.68() =4.42 m3/minNa= Pg=5.79kW5.2 种子罐的计算5.2.1 种子罐的尺寸计算H/D=1.73，取H/D=2.0=0.5D=0.66m, 圆整D=0.7m, H=2D=1.4m已知 取d=0.4D=0.28m 圆整d=0.3已知,取W=D=0.07m 圆整W=0.1m已知，取B=1.0
21、d=0.3m 已知, 取S=1.5d=0.45m 圆整S=0.5m（取25mm）m3发酵液的圆柱体积V柱=0.250.0542=0.20 m3发酵液的柱体高h= 圆整h=0.6m假设用一层搅拌器，所以S1=h=0.6m检验：S1/d=0.6/0.3=2在12范围内。5.2.2 种子罐轴功率计算种子罐单位体积轴功率P=78kW/ m3 取P=8kW/ m3P种子=0.25kW5.3 发酵液的贮罐计算V=16.7/2=8.35 m3取=0.75=8.35/0.75=11.13m3查化工手册取两个12 m3的贮罐公称直径DN=1800mm，L1=3400mm5.4 配料罐的计算5.4.1 发酵罐配料
22、罐V=16.7/2=8.35 m3取=0.8=8.35/0.8=10.44m3查化工手册取2个12 m3的配料罐,型号为JB1423-74公称直径DN=2200mm，H=3200mm，D=2240mm5.4.2 种子罐配料罐V种=m3取=0.8=0.25/0.8=0.31m3查化工手册取2个0.3m3的配料罐,型号为JB1425-74公称直径DN=600mm，H=1200mm，D=620mm5.5 离心发酵液的离心机计算根据生产能力=16.7/14=1.19 m3/h选择型号为:卧式螺旋卸料沉降离心机 LW 200600N。5.6 破碎设备的选型常用的破碎设备有高压匀浆器，珠磨机，喷雾撞击破碎
23、器，超声波破碎器，破碎过程中会产生大量的热，可能破坏生物大分子活性。由于本工艺是利用菌体中的酶催化甘氨酸转化成丝氨酸，故要选择对生物大分子活性影响不大的破碎设备。料液通过高压匀浆器时间很短（20-30ms),通过匀浆器后迅速冷却，可有效防止温度上升，保护生物大分子的活性。故本工艺选择Bran and luebbe公司的SHL-40型高压匀浆器，其最大操作压力为2063MPa,最大处理量达。5.7 破碎后离心机的选型一个生产周期的处理料液量为，发酵时间14h，预计离心时间为7h，查化工工艺设计手册，设备选型如下：选择碟式分离机。型号：DBP-420转鼓内径：420mm转速：6500r/min分离
24、因数：11500生产能力：10功率：11kW外型尺寸（长宽高）：17509801700重量：1080kg5.8 反应罐的计算如前述选取两个反应罐。5.8.1 反应罐的直径选取标准椭圆形底封头，并取故代入数据有，=50计算得，圆整得，5.8.2 反应罐的几何尺寸的计算，取，则, 取, 则, 取, 则，取，则m，取，则检验：=m假设取2层搅拌器m又，在12间假设正确，可取2层搅拌器。5.8.3 反应罐壁厚的确定其中：-设计压力，是最高工作压力的1.05倍，取-反应罐内径，300cm-钢的许用应力。-焊缝系数，可取-壁厚附加量（cm）,其中：-钢板负偏差，可取-腐蚀裕量，取-加工减薄量，取则5.8.
25、4 封头壁厚确定其中：-设计压力，是最高工作压力的1.05倍，取-反应罐内径，300cm-钢的许用应力。-焊缝系数，可取-壁厚附加量（cm)其中：-钢板负偏差，可取-腐蚀裕量，取-加工减薄量，取5.8.5 反应罐表面积的计算筒身高度筒身表面积取封头直边高度封头厚径比对于长短半轴比等于2的标准椭圆封头，有封头面积封头直边圆筒部分展开面积反应罐的表面积5.8.6 反应罐搅拌器的选型选用六弯叶涡轮搅拌器，可以使反应液得到充分混合。该搅拌器的部分尺寸与罐直径有一定比例关系，计算结果如下：搅拌器叶径：叶宽：弧长：盘径：叶弦长：弯叶板厚：5.8.7 搅拌轴功率的计算选取六弯叶涡轮搅拌器(属湍流状态)反应罐
26、的比例尺寸与生物工程设备书上图3-34或表3-10不符需要校正校正系数：实际轴功率：取两层搅拌器多层搅拌器的实际轴功率可按下式计算：5.9 反应液的贮罐的选型由物料衡算可知，反应液的体积；反应罐的公称体积（在装料系数取时）；综合考虑：对于反应液，选取两个的贮罐对于甲醛，选取一个的贮罐查化工工艺设计手册，具体选型如下：对于反应罐，选取两个B型卧式椭圆封头贮罐公称容积：全容积：公称直径：2600mm长度：8400mm对于甲醛贮罐，选取一个B型立式椭圆封头贮罐公称容积：全容积：公称直径：1000mm高度：1000mm6. 其它通过这次课程设计，我们初步了解了做设计的一般要求，格式，内容和方法，为将来
27、的小设计乃至毕业设计积累了宝贵的经验。刚开始做课程设计时有点一头雾水，因为跟以前的化工原理课程设计不同，这次没有老师教我们到底每一步该怎么做。而是在拿到任务后，我们必须自己整理思路，规划设计。老师能告诉我们的只是一些规范的格式，必须的作图技巧，以及为我们在设计中遇到的困惑答疑解难。这着实让习惯了填鸭式教育的我们措手不及，一下子不知道该从何下手。所幸经过几天的适应摸索，以及和同组同学的相互讨论，我们渐渐理清思路，开始步入正确的轨道。设计的本质就是要解决问题，一个任务布置下来，我们要做的就是调动一切现有条件，使用各种工具来针对性地解决这个问题。要成功完成设计，除了基本的专业知识外更要有较好的文献研
28、读能力，如何消化他人的研究成果从海量数据中找到自己所需的内容，并结合具体问题正确使用非常重要。刚开始看化工设计手册那两本大厚书时真是头疼，满满都是字根本不知道我们想找的内容在哪里，在老师的指导下经过多次练习后才感觉有些上手。此外，要完成一项工作团队精神不可或缺，一个人的知识能力有限，考虑问题自然是不全面的。大家凑在一起，互补合作，及时发现错误，工作效率自然就高得多。最后通过这次的学习我也深刻认识到做设计是项精细的工作，由于涉及到大量计算，我们必须有极高的耐心和专注力。否则稍不留神哪里算错，便真是一失足成千古恨要改动大量数据，烦不胜烦。我在期间就犯过不少错误，幸亏在跟同学交流时及时发现未酿成大错
29、。总之这次的课程设计对我们来说是次宝贵的历练，既学到许多知识，又为今后的课程打下基础。感谢老师的辛苦指导和同学们的互相帮助，这些知识我在日后的学习中将受用不尽。7. 参考文献1国家医药管理局上海医药设计院编.化学工艺设计手册（第二版）（M）.北京：化学工业出版社，19962沈自法，唐孝宣编.发酵工厂工艺设计（M）.上海：华东理工大学出版社，20043陈国豪主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20074梁世中主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20025陈敏恒主编.化工原理（M）北京：化学工业出版社，2004 8. 致谢此次课程设计的制定、实施、完成到撰写都是在王利群老师的精心指导下完成的。整个课程设计过程中王老师给我们提供方法，答疑解难，纠正错误。短短的两个星期，王老师给了我们很大帮助，值此课程设计完成之际我向老师表示深深的谢意。同时还要感谢课程设计中帮助过我的同学们，没有大家的相互帮助与讨论，我根本不可能顺利完成课程设计。通过这次的课程设计，我们不仅学到很多设计知识，锻炼了解决问题的能力，使自己的视野更加开阔。更重要的是我们体会到团队合作的重要。怎样以最高的效率去完成一件事。这些都是在课本上学不到的经验，对我来说相当宝贵。我想再一次对老师和同学们表示由衷的感谢。20