400吨年L-谷氨酰胺生产工艺的设计计算书.doc
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1、学号:10439119常 州 大 学毕业设计计算书(2014届)题 目 400吨/年L-谷氨酰胺生产工艺的设计 学 生 蒋宏伟 学 院 制药与生命科学学院 专业班级 生物工程 校内指导教师 王利群 专业技术职务 副教授 二一四年六月目 录目 录1 L-谷氨酰胺的生产工艺11.1 发酵工艺流程11.2 分离提取工艺流程21.3 工艺技术指标及基础数据32 物料衡算42.1 发酵罐的物料衡算42.2 种子罐的物料衡算92.3 提取工段的物料衡算122.3.1 发酵液预处理单元132.3.2 晶体干燥单元142.3.3 二次浓缩结晶单元162.3.4 阴离子交换182.3.5 电渗析脱盐212.3.
2、6 一次浓缩结晶222.3.7 活性炭脱色243 能量衡算253.1 培养基实罐灭菌过程的蒸汽用量计算263.1.1 发酵罐灭菌蒸汽用量计算263.1.2 种子罐灭菌热量计算283.2 冷却水用量计算303.2.1 发酵罐冷却水的计算303.2.2 种子罐冷却水的计算313.2.3 维持发酵温度所需冷却水的计算313.3 分离工段的能量衡算323.3.1 浓缩结晶323.3.2 干燥334 设备设计与选型334.1 标准设备选型334.1.1 储罐的选择334.1.2 计量罐的选择354.1.3 泵的选择354.1.4 分离设备的选择374.2 发酵罐的设计384.2.1 发酵罐容积的确定38
3、4.2.2 发酵罐主要尺寸的计算384.2.3 发酵罐搅拌器的设计394.2.4 发酵罐设备结构的设计414.2.5 发酵罐设备材料的选择444.2.6 发酵罐壁厚的计算444.2.7 发酵罐支座的选择454.3 种子罐的选型454.3.1 二级种子罐容积和数量的确定454.3.2 主要尺寸的确定464.3.3 一级种子罐505 空气预处理系统计算与设计505.1 吸风塔505.2 前置过滤器515.3 空气压缩机525.4 压缩空气贮罐535.5 空气冷却器535.6 水滴分离设备555.6.1 旋风分离器555.6.2 丝网除沫器555.7 空气加热器565.8 空气除菌设备计算与设计57
4、5.8.1 空气总过滤器的计算及设计575.8.2 空气分过滤器576. 管道计算596.1 一级种子罐相关管道计算与选择596.2 二级种子罐相关管道选择606.3 发酵罐相关管道选择616.3.1发酵罐接管设计616.3.2 通风管计算616.4 提取阶段的管径选择626.4.1发酵罐的出料管径选择626.4.2 过滤器管径选择626.4.3 活性炭脱色管径选择626.4.4 一次结晶管径选择636.4.5电渗析脱盐管径选择636.4.6阴离子交换管径选择636.4.7 二次结晶管径选择647. 参考文献64II常 州 大 学 本 科 毕 业 设 计 计 算 书1 L-谷氨酰胺的生产工艺1
5、.1 发酵工艺流程本设计用发酵法生产L-谷氨酰胺,发酵生产工艺流程如图1所示。图1 发酵法生产L-谷氨酰胺发酵工段工艺流程图1发酵过程用的菌株为黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株。黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株是由黄色短杆菌ATCC14067为出发菌株,经亚硝基胍(NTG)处理得SGR突变株2。发酵过程先将菌株置于斜面培养基培养,再转到一级种子罐培养,然后到二级种子罐培养,最后到发酵罐进行生产。发酵过程中的空气取自常州武进当地,经空气预处理后进入发酵系统。整个生产周期为48 h,其中发酵周期为36 h。一级种子罐的培养基为与二级种子罐培养基成分相同,种子罐培养基成分为:葡萄糖4
6、%,脲0.5%,KH2PO4 0.1%,K2HPO43H2O 0.3%,MgSO47H2O 0.05%,玉米浆(CSL)4%,pH7.07.2。发酵罐的培养基成分:葡萄糖14%,KH2PO4 0.25%,MgSO4 7H2O 0.05%,MnSO4 H2O 0.001%,ZnSO47H2O 0.0001%,CuSO4 5H2O 0.0001%,维生素B1HCl 0.0001%,玉米浆干粉1.0%,(NH4)2SO4 5.0%,泡敌0.02%3。发酵时菌株在一级种子罐中培养6 h,然后全部进入二级种子罐,培养3 h,最后全部接入发酵罐。1.2 分离提取工艺流程发酵液中L-谷氨酰胺的分离提取采用如
7、图2所示工艺流程。图2 L-谷氨酰胺分离提取工段工艺流程图4发酵料液经絮凝过滤处理后进行活性炭脱色,然后浓缩结晶,结晶采用冷却-溶析结晶,具体操作如下:将饱和溶液放入冰水中缓慢降温到15,在15养晶1小时;降温的同时以一定的速率逐滴加入乙醇,使溶液重结晶;当有大量晶体析出时停止加入乙醇,继续养晶一定时间;将结晶溶液用低速离心机进行离心分离,母液回流与过滤液一起进行脱色,废弃母液排除系统。接着进行电渗析脱盐,主要出去料液中的SO42-。在进行阴离子交换,让料液通过D330离子交换柱,然后再次浓缩结晶,同样母液需回流。最后烘干出成品。烘干操作:将晶体在气流干燥箱内干燥,控制干燥温度45,干燥10小
8、时,冷却后得 L-谷氨酰胺成品,计算收率。提取过程中第一次调节pH调到5.5左右,第二次调节pH到4.5左右。提取阶段的总得率为73%。1.3 工艺技术指标及基础数据(1)生产规模:年产量400吨的纯度为99%的L-谷氨酰胺;(2)生产方式:发酵工段为间歇式操作;(3)生产方法:用黄色短杆菌SGRNO18进行发酵生产,谷氨酰胺产率80 g/L;(4)生产天数:每年300天;(5)操作参数:以工业级葡萄糖为原料,含量为99%,发酵液的密度为1050 kg/m3,葡萄糖对产物的转化率为63.6%,分离阶段得率为73%,生产周期为48 h,按一年300天计算,共生产150个周期,生产裕度为20%。L
9、-谷氨酰胺发酵工艺技术指标汇总如表1所示,所以原辅材料规格如表2所示。表1 工艺技术指标及基础数据指标名称单位指标数指标名称单位指标数生产规模t/a400发酵周期h48生产方法间歇式发酵操作发酵液的密度kg/m31050年生产天数d/a300葡萄糖对产物转化率%63.6产品质量纯度99%生产裕度%20表2 原材料及辅助材料主要规格序号名 称规 格国标、部标或企标备 注1葡萄糖99%GB/T20880-2007桶式2玉米浆干粉粉状 蛋白48%,水分10%,灰分5%桶式2 物料衡算2.1 发酵罐的物料衡算以一个周期为基准进行计算。年产量为400 t,生产裕度为20%,全年生产150个周期,产品纯度
10、为99%,故一个周期需生产的纯L-谷氨酰胺量为:提取阶段总得率为73%,故发酵结束时发酵液中L-谷氨酰胺的量为:葡萄糖在发酵过程中参与的反应有合成菌体、产物及部分副产物,并有一部分用于合成ATP及维持菌体等。(1)合成产品L-谷氨酰胺 63.6%的葡萄糖转化为产物,生成的产物量为4.34 t。反应方程如下:根据以上方程计算合成产物L-谷氨酰胺过程中底物的消耗和产物生成量。其中葡萄糖的消耗量为:31804.34(2187) = 6.27(t)根据葡萄糖对产物的转化率,计算培养基中葡萄糖的总量为:6.2763.6% = 9.86(t)消耗的氧气为:9324.34(2187) = 3.34(t)生成
11、的二氧化碳量为:4484.32(1872) = 4.08(t)生成的水量为:14184.32(1872) = 2.92(t)(2)合成菌体 菌体化学组成的经验式为C8H13O4N,18%的葡萄糖转化为菌体,反应方程如下:用于菌体合成的葡萄糖为:9.8618% = 1.77(t)消耗的氧气为:3.5321.77(2180) = 0.55(t)生成菌体的量为:1871.77(2180) = 0.92(t)生成的二氧化碳量为:4441.77(1802) = 0.87(t)生成的水量为:7181.77(1802) = 0.62(t)(3)其他 主要用于合成副产物和维持菌体存活,其中合成谷氨酸耗糖占总葡
12、萄糖的3.8%,合成ATP耗糖2.4%,维持菌体存活耗糖约为12.2%,合计为18.4%,为计算方便,全部计入菌体维持耗糖。菌体维持的反应方程如下:葡萄糖消耗量为:9.8618.4% = 1.82(t)消耗的氧气为:6321.82180 = 1.94(t)生成的二氧化碳量为:4461.82180= 2.67(t)生成的水量为:6181.82180 = 1.09(t)整个发酵过程中,共消耗氧气5.83 t,生产二氧化碳7.62 t,生成水4.63 t6。根据发酵培养基组成计算各组分用量如下:发酵开始时发酵液总量:KH2PO4用量:MgSO47H2O用量:MnSO4H2O用量:,由于用量很小,在物
13、料流程图中可忽略不计。ZnSO47H2O用量:,由于用量很小,在物料流程图中可忽略不计。CuSO45H2O用量:,由于用量很小,在物料流程图中可忽略不计。维生素B1HCl用量:,由于用量很小,在物料流程图中可忽略不计。玉米浆干粉用量:(NH4)2SO4用量:泡敌用量:由于发酵开始时的发酵液包括加入的培养基和接种的二级种子液,发酵罐接种量为7%,即二级种子液的量为:故发酵培养基的量为:其中水的用量为:65.50-0.014-3.52-0.70-0.035-0.176-9.86=51.20 (t)二级种子液中菌体含量为5%,则菌体量为:其余为水,水量为:经整理,一个生产周期所需发酵培养基各组分的量
14、如表3所示。表3 一个生产周期所需发酵培养基各组分的量培养基组分培养基中浓度所需质量(t)葡萄糖 14% 9.86KH2PO4 0.25% 0.176MgSO47H2O 0.05% 0.035MnSO4H2O0.001% 7.0410-4ZnSO47H2O 0.0001%7.0410-5CuSO45H2O 0.0001%7.0410-5维生素B1HCl 0.0001%7.0410-5玉米浆干粉 1.0% 0.70(NH4)2SO45.0% 3.52泡敌0.02%0.014水56.12氧气消耗量5.83一个发酵周期中形成产物的量如表4所示。产物质量(t)L-谷氨酰胺4.34菌体1.17二氧化碳7
15、.62水4.63表4 一个发酵周期中产物的生成量加入发酵罐的料液总重为70.43 t,包括发酵培养基和二级种子液,其中含水51.19+4.83=56.02 t。由于发酵过程中微生物的生长和产物合成需要消耗氧气,释放二氧化碳,发酵结束时,发酵液的质量为70.43-7.62+5.83=68.64吨,由于发酵过程中生成4.63吨水,所以发酵液中含水56.02+4.63=60.65吨。发酵液中含菌体0.92+0.10= 1.02 t。发酵液中含L-谷氨酰胺的量为4.34 t,据此可计算发酵液中杂质的含量68.64-60.65-1.02-4.34=2.63 t。综上可得发酵罐的物料衡算结果,如表5所示。
16、表5 发酵罐物料衡算表物料名称引入物料(t)排出物料(t)二级种子液发酵培养基葡萄糖 0.009.860.00KH2PO4 0.000.180.00MgSO47H2O 0.000.040.00玉米浆干粉 0.000.700.00(NH4)2SO40.003.520.00泡敌0.000.010.00H2O4.8351.1960.65O20.005.830.00CO20.000.007.62L-Gln0.000.004.34菌体0.100.001.02杂质0.000.002.63合计4.9371.3376.26根据发酵罐加料量和装料系数计算发酵罐容积,培养基的密度为1050 kg/m3,则培养基的
17、体积为:取发酵罐装罐系数为0.7,所以发酵罐的容积为应选取两个50 m3的发酵罐。2.2 种子罐的物料衡算种子罐采取一级种子罐和二级种子罐,培养基的成分相同,先进行二级种子罐的计算。根据发酵罐物料衡算结果,二级种子液质量为4.93 t,由二级种子液密度1050 kg/m3计算其体积:取装罐系数为0.7,二级种子罐所需容积为4.690.7=6.70,考虑到二级种子培养时间仅需3 h,而24 h内仅一个发酵罐需要接种,故选取3.5m3二级种子罐1个即可满足生产需求。一级种子罐接种量为10%,所以一级种子液质量为0.49 t,二级种子培养基质量为4.44 t。二级种子罐培养基成分为:葡萄糖3%4%,
18、脲0.3%0.5%,KH2PO4 0.1%,K2HPO43H2O 0.3%,MgSO47H2O 0.05%,玉米浆(CSL)3%4%,pH7.07.2。故一个生产周期中,二级种子培养基各组分所需量为:葡萄糖:脲:KH2PO4:K2HPO43H2O:。玉米浆(CSL):二级种子培养基中加水量为:4.44-0.20-0.02-0.02-0.20=4.00 t。接入的一级种子液中菌体浓度为3%,故一级种子液中菌体质量为:0.493%=0.01 t一级种子液中水的质量为:0.49-0.01=0.48 t。综上可得二级种子罐的物料衡算结果,如表6所示。表6 发酵罐物料衡算表物料名称引入物料(t)排出物料
19、(t)一级种子液二级种子培养基葡萄糖0.000.200.00KH2PO47H2O0.000.020.00脲0.000.020.00玉米浆干粉0.000.200.00H2O0.484.004.83菌体0.010.000.10合计0.494.444.93一级种子液的密度为1050 kg/m3,则一级种子液体积为:装罐系数为0.8,故一级种子罐所需容积为:0.470.8=0.59 m3,由于24 h内二级种子培养仅需接种1次,故选择0.3 m3一级种子罐1个即可满足生产需求。一级种子培养基组成与二级种子培养基组成相同,一个生产周期中,一级种子培养基各组分所需量为:葡萄糖:脲:KH2PO4:K2HPO
20、43H2O:玉米浆(CSL):整理得一个生产周期中,种子培养所需各组分用量如表7所示。表7 种子培养基组分及一个生产周期的用量培养基组分组分浓度一级种子罐所需用量(t)二级种子罐所需用量(t)用量汇总(t)葡萄糖3%4% 0.0190.200.219脲0.3%0.5%0.0020.020.022KH2PO40.1%0.00050.0050.0055K2HPO43H2O0.3%0.00140.0150.0164玉米浆干粉3%4%0.0190.200.219以上数据中小于0.01的指标不列入物料衡算表。一级种子罐接种量为10%,即接入摇瓶种子0.05 t,由于菌体质量小于0.01 t,故忽略不计,
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