L-精氨酸生产工艺设计改111

1、l-精氨酸生产工艺设计 摘 要l-精氨酸是人体和动物体内的半必需氨基酸，也是生物体尿素循环的一种重要的中间代谢物。l-精氨酸在医药方面、保健饮品方面、畜牧业方面都具有广泛的应用。本设综述了l-精氨酸的应用和发展，设计了年产150t l-精氨酸的工艺流程，比较了弱酸性阳离子树脂和dr1树脂提取l-精氨酸的优缺点。以原有的生产工艺为基础，本次设计采用发酵法，以淀粉为原料，以玉米浆为辅料，以黄色短杆菌为生产菌种，最主要的是在下游提取工艺中，采用dr1树脂提取l-精氨酸，提取效率较高。本设计以年产150t吨l-精氨酸的生产规模，列举了生产工艺流程图，进行了物料衡算和设备选型和发酵罐和种子罐的尺寸，分析

2、比较了弱酸性阳离子树脂和dr1树脂提取l-精氨酸两种工艺的经济效益，得出了dr1树脂提取工艺优于弱酸性阳离子树脂提取工艺。关键词：l-精氨酸， 发酵法， 提取， 工艺设计 abstractl - arginine is a semi-essential amino acids in the humans and animals, is also an important intermediate of the urea cycle and metabolism of organisms. l-arginine has an extensive application in medicine,

3、health drink and the livestock industry. this set gave an overview of development and application of l-arginine, designing a production capacity of 150t l-arginine process, compared with weak acid cation-exchange resin extraction of l-arginine and dr1 resin advantages and disadvantages the design us

4、es a fermentation method with starch, corn syrup as adjunct, for the production of brevibacterium flavum strain, most notably in the downstream extraction process, desing dr1 to extrac l-arginine to get a high extraction efficiency.design a scale of production to get 150t l-arginine. isting a produc

5、tion of flow chart, the material balance and the selection of equipment, and the size of fermentation tank and seed tank are designed, analysing and comparing two kinds of processes of extraction of l-arginine about acid cation-exchange resin and dr1 resin statistics, we can see the drew dr1 resin e

6、xtraction technology is superior to weak acid cation-exchange resin extraction process. keywords: l-arginine, fermentation, extraction, a designed process目 录1 绪论11.1 l-精氨酸的结构与性质11.1.1 l-精氨酸的结构11.1.2 l-精氨酸的性质11.2 l-精氨酸的功能11.3 l-精氨酸的应用11.3.1 l-精氨酸在医药方面的应用11.3.2 l-精氨酸在保健饮品方面的应用31.3.3 l-精氨酸在畜牧业方面的应用31.3

7、.4 l-精氨酸在其他方面的应用31.4 l-精氨酸发酵的研究及生产现状41.4.1国外l-精氨酸发酵的现状41.4.2国内对l-精氨酸发酵的研究及生产现状41.5 l-精氨酸的生物合成途径及生产方法41.5.1生物合成途径41.6 l-精氨酸的提取过程61.6.1 l-精氨酸的提取流程61.6.2 l-精氨酸吸附洗脱过程常用树脂及材料72 工艺流程及工艺流程论证92.1 发酵法生产l-精氨酸92.2 发酵法生产l-精氨酸工艺流程92.3 发酵菌种与培养基原料102.3.1 发酵菌种和发酵周期102.3.2 培养基的原料102.4 工艺流程的论证102.4.1 发酵过程的控制102.4.2 发

8、酵条件的控制112.4.3 l-精氨酸的生物合成部分的方程式122.4.4 提取过程的控制123 物料衡算133.1 l-精氨酸发酵工艺技术指标133.2 发酵车间的物料衡算133.2.1 发酵车间的物料衡算133.2.2 发酵车间的物料衡算结果列表154 设备选型与设计164.1 发酵罐的选型与设计164.1.1 发酵罐的选型164.1.2 发酵罐的设计164.1.3 冷却装置设计194.1.4 接管设计224.1.5 设备材料的选择234.2 种子罐的选型与设计254.2.1 二级种子罐容积和数量的确定254.2.2 主要尺寸的确定254.3 空气分过滤器304.3.1 种子罐分过滤器30

9、4.3.2 发酵罐分过滤器314.4 补料罐的设计314.4.1 材料选择314.4.2 补料罐个数与尺寸的确定314.5 发酵车间设备一览表324.6 提取车间的设备325 成本估算335.1 生产l-精氨酸的所需物料方面的成本估算335.1.1 原料335.1.2 辅料335.1.3 所需物料的总成本345.2 生产l-精氨酸的其他方面的成本估算345.2.1 年用电量345.2.2 年用水量355.2.3 其他方面的总成本365.3 人工费用365.4 设备折旧费375.5 生产l-精氨酸的效益375.6 两种提取工艺的成本比较376 废水、废气处理386.1 废水的处理386.2 废气

10、的处理38总结39心得与体会40致谢41参考文献42附录：英文文献及翻译441 绪论1.1 l-精氨酸的结构与性质1.1.1 l-精氨酸的结构l-精氨酸的化学名称是a-氨基-胍基戊酸，其结构式为：1.1.2 l-精氨酸的性质l-精氨酸易吸水，通常为放便储存及运输,把它制成盐酸盐。l-精氨酸盐酸盐呈白色结晶性粉末,苦涩味,无臭,易溶于水,水溶液为碱性，等电点pl是10.76,0和50时在水中的溶解度分别为83 g/l和400 g/l,可极微溶于乙醇,不溶于乙醚,呈强碱性,且可吸收空气中的二氧化碳；加热到105时会失去两分子的结晶水,至230时颜色会加深,分解点为244；比旋光度 20d+12.5

11、（0.5-2.0 mg/ml，h2o）, 20d+27.3（0.5-2.0 mg/ml，6 mol/l hcl）；在205 nm处其水溶液有最大吸光度(1g3.28)。1.2 l-精氨酸的功能（1）保湿；（2）促进人体的解毒1；（3）免疫系统的激励物质；（4）可以刺激内分泌系统对胰岛素,激素等的分泌1；（5）促进血管舒展,有利于降血压和促进血液流动；（6）被用于维持婴幼儿的营养平衡；（7）可以合成控制血管扩张和收缩的物质；（8）平衡ph。1.3 l-精氨酸的应用l-精氨酸是人体的半必需氨基酸，在药品、食品、化妆品、饲料等方面都有广泛用途1。1.3.1 l-精氨酸在医药方面的应用l-精氨酸在医学

12、方面可以作为营养补充、输液ph平衡剂及其它l-精氨酸制剂。（1）营养补充l-精氨酸输液可以改善外科手术前患者的营养状态，保证大型手术的顺利进行；为消化吸收障碍及胃肠道疾病患者供给蛋白质营养成分；为骨折、烧伤、创伤、化脓及术后蛋白质的严重损失病患补充营养；为慢性疾患及急性传染病患者提供非经口的营养；肝硬化和肝病所致的蛋白质生化合成紊乱都可用l-精氨酸输液来纠正；可用于预防和治疗抗癌剂、放射线及其他原因引起的白细胞减少症；可以代替血浆，以节约用血等七个方面 。尤其是在1968年，静脉高营养疗法在临床获得成功和广泛应用以后，氨基酸输液做为供给蛋白质的营养补充剂就显得更为的重要。（2）ph平衡剂l-精

13、氨酸在临床输液中可以作为药物的ph平衡剂，例如：头孢拉定注射液，其ph很低，约为3.03.5，过去通过加碳酸氢钠中和其ph，但这种方法易在血管中生成二氧化碳气泡，会影响血管的通畅，而现在用l-精氨酸（碱）作为中和剂的同时又增加了营养，仅凭这一点，国内对l-精氨酸的需求量就超过300 t/年。又如注射用阿司匹林精氨酸，是一种白色的无菌粉末，我国天津在1982年研制成功，现已批量生产。用途与阿司匹林一样。（3）其他l-精氨酸制剂a.精氨酸葡萄糖醛酸盐 是用精氨酸和葡萄糖醛酸等物质通过量作用制得。方法是:先把1.94 g精氨酸溶在500 ml乙醇中、1.94 g葡萄糖醛酸溶在280 ml乙醇中，再分

14、别过滤，最后混合放冷，放置数小时后，有复盐析出，将其过滤，用冷乙醇与乙醚先后洗涤，再真空干燥可得。本制剂有抗疲劳、解毒和提供能量的功能。b.精氨酸与马来酸盐 是用马来酸盐和精氨酸的直接作用制得。熔点为227228（分解），可以降低血氨和组织氨，还可以增加胆汁的分泌及增强肝脏的代谢机能，并且对于亚急性的四氯化碳中毒有解毒效用。c.精谷氨酸 是谷氨酸和精氨酸的复合物，是白色结晶性的粉末，无臭，熔点为193194.5（分解）,易溶于水，水溶液的ph为67。两种氨基酸的协同作用能够在体内发挥，解氨毒的作用较为缓慢，但维持的时间较长，与谷氨酸钠或谷氨酸钾相比，有不增加钾或钠的摄入的优点，是忌钠患者的调味

15、品。d.磷葡精氨酸 是一种保肝药，对肝细胞的再生有促进作用，对肝中毒和高血氨症有明显的治疗效果，且对震颤谵妄也有显著的治疗作用。e.精氨酸与脱氧胆酸制成的复合制剂（明诺芬） 是主治病毒性黄疸、梅毒的特效药。f.精天冬氨酸 是天冬氨酸和精氨酸的复合物，可以将大白鼠的游泳时间提高两倍，并可以保护实验性急性缺氧家兔的心脏。在临床上可以用于减轻神经衰弱、疲劳、记忆力减退、失眠等症状，且无毒性。1.3.2 l-精氨酸在保健饮品方面的应用近年来国内外在开发旨在提高运动员爆发力、耐力和高速反应能力等方面的饮料的厂家甚多，他们多数是以滋补强壮和补充能量作为主要目的，添加氨基酸已成为一大趋势。例如，日本明治乳业

16、生产的运动员饮料，可口可乐公司的“阿格里乐”运动员饮料，明治制果公司和味之素公司推出的在l-精氨酸上加多种支链氨基酸的新型饮料很受饮用者的欢迎。天冬氨酸和精氨酸是卡尔维斯公司生产的藻酸系列能量饮料中的主要成分。上述饮料中均是添加了l-精氨酸，或者添加了l-精氨酸复盐，如l-精氨酸-酮戊二酸等。1.3.3 l-精氨酸在畜牧业方面的应用l-精氨酸是婴幼儿（幼小动物）及鱼类的必需氨基酸2，在1999年，日本农林水产省就颁布了将l-精氨酸作为饲料添加剂用氨基酸的规定，和谷酰胺一样，l-精氨酸的作用不止限于作为营养补充成分，更主要的是用于提高幼小动物的存活率及饲养对象的生理功能。以仔猪为例，仔猪对l-精

17、氨酸的需求量很大，但母乳中的l-精氨酸含量是1.34 g/l，仅能满足仔猪40%的需求量，而l-精氨酸摄入量不足会制约仔猪的生长性能。 美国饲料的标准规定喂养产蛋鸡和小鸡的饲料中要添加适量的精氨酸。在畜牧业中l-精氨酸的贡献不止作为饲料，20世纪70年代日本的黑木常青做过相关实验，给黑牛受精卵的发育环境中输入l-精氨酸溶液，当输入5%的精氨酸溶液后，所产后代中雌性个体的数量占优势；而输入1%2.5%精氨酸溶液后，所产后代多为雄性（在人工受精前，可采用注射法和饲喂法，这两种方法都能提高体内的精氨酸含量）。1.3.4 l-精氨酸在其他方面的应用 据了解，在国内l-精氨酸在化妆品行业的需要量每年可达

18、上百吨，以l-精氨酸为原料制得的阳离子表面活性剂具有毒性低和抗菌性能等优点，是化妆品和食品的优良防腐剂。目前，已开发成功的有多聚精氨酸（paa），美国利用其来生产农用保湿地膜，德国用其来做可降解塑料，以杜绝白色污染。日本也有成功的研究，把其作为服装涂料层的原料，穿起来非常舒服。1.4 l-精氨酸发酵的研究及生产现状作为人体半必需氨基酸的l-精氨酸，在药品、食品、化妆品、饲料等方面都有广泛用途，所以国内外对l-精氨酸的生产方法都有较深的研究。目前存在的l-精氨酸生产方法有化学合成法、酶法、蛋白质水解法及发酵法，在前三种氨基酸的生产中，存在过程复杂费用高，底物选择多样性，收率低，污染环境等问题，而

19、发酵法生产l-精氨酸，工艺过程简单、产量高、环保等优点，所以国内外主要致力于发酵法生产l-精氨酸的研究。1.4.1国外l-精氨酸发酵的现状早在二十世纪七十年代国外就对发酵法生产l-精氨酸开始了研究3，而日前，日本、美国、德国等国家都已采用发酵法来生产l-精氨酸，且在品种、技术及产量上已处于世界的领先水平，其中日本在对氨基酸的生产上位于领先地位，其l-精氨酸产量也稳定在60 g/l。1.4.2国内对l-精氨酸发酵的研究及生产现状国内对l-精氨酸的研究还是主要集中在对发酵菌种的传统选育方面4，但对下游提取工艺的研究比较少，还属于起步阶段，因此国内的发酵法生产l-精氨酸的水平还是较低，目前，l-精氨

20、酸的生产主要从毛发中提取。河南莲花味精股份有限公司用谷氨酸棒杆菌生产产酸率38 gl-1，江南大学生物工程学院利用钝齿棒杆菌生产,发酵产酸率为37.2 gl-1，上海微生物研究所利用黄色短杆菌生产产酸率61.1 gl-1，但国内的高产菌种不稳定，未能用于工业化，目前，国内的发酵法生产l-精氨酸的产酸水平是30 g/l，与国外的先进水平还有很大的差距。受此限制，我国每年在进口l-精氨酸一个产品上的费用需要40到50亿元人民币。1.5 l-精氨酸的生物合成途径及生产方法1.5.1生物合成途径l-精氨酸的生物合成途径5：从谷氨酸经鸟氨酸、瓜氨酸生物合成l-精氨酸，由八个酶催化的反应组成。具体合成途径

21、如下图所示：前1.5.2 l-精氨酸的生产方法l-精氨酸的生产方法6主要有以下几种：化学合成法；酶法；发酵法；蛋白质水解法。（1）化学合成法用有机合成和化学工程相结合的技术生产或制备氨基酸的方法。strecker法合成氨基酸已有100多年的历史，由于它的改进，至今在氨基酸工业生产中应用。它是先合成容易合成的精氨酸对应的醛类，再合成所需的精氨酸。用反应式表示如下： nh3 hcn h+rcho rch(nh2)oh rchcn rch cooh | | nh2 nh2 （2）酶法用微生物中特定的酶作为催化剂，使底物经过酶催化生成所需的产品。（3）蛋白质水解法以毛发、血粉及废蚕丝等蛋白质为原料，通

22、过酸、碱或酶水解成多种氨基酸混合物，经分离纯化获得各种氨基酸。（4）发酵法微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通过对菌株的诱变等处理，选育出各种营养缺陷型及氨基酸结构类似物抗性变异株，以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏，达到过量合成l-氨基酸的目的。在几种氨基酸的生产方面中，化学合成法过程复杂费用高，酶法的底物选择多样性，蛋白质水解法收率低，污染环境等都不适应现代l-精氨酸的生产要求，而发酵法4生产l-精氨酸，工艺过程简单，产量高，是目前国际上生产l-精氨酸的主要方法。1.6 l-精氨酸的提取过程由于l-精氨酸的提取工艺7是l-精氨酸生产工艺的主要部分，所以在生产过程中l-精氨酸的提取工艺相当重

23、要。1.6.1 l-精氨酸的提取流程发酵液吸附洗脱 陶滤 驱氨 浓缩结晶l-精氨酸 脱色，除杂超滤 （1）陶滤发酵结束后，发酵液当中包含了大量的菌体，通过陶滤可以将大量菌体与发酵液分开，l-精氨酸存在于陶滤后的上清液当中。（2）吸附洗脱先将陶滤得到的上清液通过树脂进行离子交换8将l-精氨酸吸附在树脂上，再用2 mol/l氨水洗脱，l-精氨酸存在于洗脱液中。（3）驱氨因洗脱液中含有大量的氨，可以用三效降膜浓缩器进行驱氨，经三效浓缩即可完成驱氨任务。（4）脱色，除杂经吸附洗脱得到的l-精氨酸液，颜色较深，透光度比较低，还达不到药用级l-精氨酸的要求，所以还要进一步的脱色和除杂，用活性碳和强碱性阳离

24、子交换树脂结合方法，驱氨后调ph 9.510.0，用活性碳767在40下脱色，再经强碱性阳离子交换树脂711oh-进一步的脱色除杂9，l-精氨酸不挂柱，这一步可除去全部的阴离子和一些可溶性蛋白质杂质。（5）超滤因经过脱色除杂后的l-精氨酸液中还含有热源蛋白质等大分子杂质，可以采用超滤法将其除去。（6）浓缩结晶将经过以上提取步骤得到的l-精氨酸液先在强制内循环浓缩锅内，浓缩3小时，再将浓缩液输入结晶锅，温度控制在4650，进行结晶，结晶过程中不断地补料使结晶过饱和析出，并不断析出。1.6.2 l-精氨酸吸附洗脱过程常用树脂及材料在l-精氨酸的提取过程中，对l-精氨酸的吸附率占整个提取收率的主要部

25、分。目前被用于l-精氨酸提取的树脂和材料主要有以下几种。（1）732离子交换树脂732离子交换树脂10是在交联为7的苯乙烯二乙烯共聚体上带有磺(-so3h)的阳离子交换树脂，是一种磺酸化苯乙烯系凝胶型强酸性阳离子交换树脂。它在碱性、中性、甚至酸性介质中都显示离子交换功能。具有交换容量高、交换速度快、机械强度好等特点。在使用前先对树脂进行预处理，即先用乙醇反复浸泡洗涤到洗出液澄清为止，再分别用2 mol/l hcl和2 mol/l naoh浸泡3次，用蒸馏水洗到中性备用。（2）d001大孔离子交换树脂d001大孔离子交换树脂11是磺酸基聚苯乙烯系大孔型强酸性阳离子交换树脂。它的结构牢固，反复转型

26、膨胀率低，使它抗渗透冲击性能好。这种树脂网孔度不随溶胀而变化，在有机溶液中仍具有很好的交换吸附性能。在使用前先对树脂进行预处理，即先用乙醇反复浸泡洗涤到洗出液澄清为止，再分别用2 mol/l hcl和2 mol/l naoh浸泡3次，用蒸馏水洗到中性备用。（3） 羧酸型阳离子交换纤维羧酸型阳离子交换纤维11是一种纤维状的离子交换和吸附材料，与传统的离子交换树脂相比羧酸型阳离子交换纤维有更大的有效比表面积，传质距离短，因而吸附与解吸速度快。在使用前先对羧酸型阳离子交换纤维进行预处理，即先用2 mol/l naoh转为na型，在用蒸馏水洗到中性，然后滤干在真空烘箱中烘干备用。对以上几种树脂材料综合

27、比较发现，d001大孔离子交换树脂和羧酸型阳离子交换纤维的吸附速率较快，但对l-精氨酸的平衡吸附量，d001大孔离子交换树脂较大，羧酸型阳离子交换纤维较小。三种材料都受ph、温度、nacl和nh4cl的影响较大，所得产物透光率低、产物收率低。福州能子生物科技有限公司在2012年研究了精氨酸专用树脂dr1 离交提取精氨酸工艺12，并应用于生产，高流份透光率达70%以上，离交收率97%以上，相较于常用提取方法提炼总收率提高10%以上。 因此，本设计采用精氨酸专用树脂dr1离交提取l-精氨酸。2 工艺流程及工艺流程论证2.1 发酵法生产l-精氨酸发酵法13是借助微生物具有合成自身所需氨基酸的能力，通

28、过对菌株的诱变等处理，选育出各种营养缺陷型及氨基酸结构类似物抗性变异株，以解除代谢调节中的反馈抑制与阻遏，达到过量合成l-氨基酸的目，工艺过程简单，产量高，是目前国际上生产l-精氨酸的主要方法。2.2 发酵法生产l-精氨酸工艺流程空气原料菌种 空气压缩机 斜面培养 预处理冷却 活性碳脱色 摇瓶扩大培养 双酶法糖化辅料 气液分离 强碱性阳离子树脂一级种子罐扩大培养淀粉水解糖超滤（截留分子量6000）二级种子罐扩大培养 过滤除菌灭菌纯化液 降膜预浓缩 发酵 (ph7.0，30-32) 单效减压浓缩 陶滤 浓缩液 结晶锅冷却结晶 发酵清液 离心 dr1树脂 成品l-精氨酸 母液 干燥2mol/l氨水

29、洗脱 高流分 驱氨 2.3 发酵菌种与培养基原料微生物的生长、产物的形成以及产量都与培养基的组成和配比是否恰当有密切的关系；而工艺条件的选择，对产品的收率和产品的质量有着决定性的作用，本设计所选的工艺条件是经过生产实践证明的，能保证生产的切实可行性。2.3.1 发酵菌种和发酵周期 本设计的发酵菌种是黄色短杆菌，它的发酵周期是80个小时，再加上发酵罐的清洗、灭菌和物料进出等辅助操作时间，生产周期是96个小时计算，即一个生产周期是四天。2.3.2 培养基的原料培养基的主要碳源是葡萄糖14。（1）一、二级种子的培养基原料（g/l)：葡萄糖：30.0 g/l；辅料：玉米浆（csl）：20.0 g/l、

30、（nh4)2so4：5.0 g/l、尿素：1.0 g/l、kh2po4：0.5 g/l、k2hpo43h2o：1.5 g/l、mgso47h2o:0.4 g/l、维生素h：25 、ph：7.07.2。（2）发酵培养基的原料（g/l)：葡萄糖：125.0 g/l；辅料：玉米浆（csl）：10.0 g/l、尿素：1.0 g/l、kh2po4：1.5 g/l、（nh4)2so4：30.0 g/l、k2hpo43h2o：0.5 g/l、维生素h：50 、维生素b1hcl：1 mg，ph：7.07.2。2.4 工艺流程的论证本设计中产品的标准为：成品含纯度99.0%，透光率98.0%，因此，对下游的提取

31、过程有较高的要求。2.4.1 发酵过程的控制（1） 发酵周期的优化：菌种先在斜面上培养再接种到摇瓶中后，在30、120 r/min条件下培养18个小时，然后接种到一级及二级种子罐中，在ph ：7.07.2、30及供氧条件下，培养710个小时，使活菌的浓度达到1.081.09108 个/ml，以达到发酵用菌的标准15。要缩短发酵周期，就得减少种子对新环境的适应时间，可采用的方法是让发酵培养和种子扩大培养的培养基大致相同。（2）淀粉质原料的糖化：本设计中用双酶化来糖化，即用淀粉酶和糖化酶将淀粉糖化。先在淀粉乳中加入-淀粉酶，将ph调至6.07.0、在9397下进行液化，再把温度升至100进行灭菌。

32、在液化后加入糖化酶，将ph调至6.06.2，在24小时内完成糖化。酶解法得到的糖液具有颜色浅、无苦味、纯净、质量高等优点。（3）辅料分批添加：因玉米浆可以为菌体提供生长所需的氮源和维生素等营养物质，不过玉米浆的浓度过高时会抑制菌体生长。采用边发酵边补加的方法可解决上述问题，因此，在发酵12 h 后需要每隔8 h 补加发酵液体积0.3的玉米浆。硫酸铵会影响前期菌体的生长，会导致发酵周期的延长。要解决上述问题可以采取低初始浓度并补加的方法，即在发酵12 h 后，每隔6 h 补加发酵液体积0.3的硫酸铵。经过上述的改进，最终发酵液中的l-精氨酸含量可达5.5%左右。2.4.2 发酵条件的控制l-精氨

33、酸的发酵条件的控制16包括温度、ph、菌龄及接种量、通风及搅拌、氧的传递、泡沫等。用发酵条件来控制发酵过程中各种生化反应的方向和速度，以达到高产的目的。（1）温度适合黄色短杆菌生长的温度17是3035，但适合菌体生长和主要产酸酶的温度不同，因为温度对酶活力的影响比较大，所以菌体的最适生长温度和最佳产酸温度具有一定的差别。可以将发酵前期的温度控制在30，以利于菌体的生长，后期温度控制在32，以利于产生和积累l-精氨酸。（2）ph：酶的主要影响因素之一，因适宜黄色短杆菌生长的ph是7.0，所以在发酵过程中将ph值控制在7.0。（3）接种量：可以按10%的接种量接种，这样就可以减少菌体的生长期，以减

34、少生产周期。（4）溶氧：因发酵法生产l-精氨酸属于好氧发酵，则溶氧是生产过程中所必需的，若溶氧不足，菌体的生长及产酸量就会受到抑制，而把发酵液中的溶氧18控制为15%饱和氧浓度、通风比为0.2 wm时就会有利于l-精氨酸的生产。（5）泡沫的控制：在发酵生产l-精氨酸的过程中会有泡沫产生，因大量泡沫的产生会影响生产效率，通常情况都会对此进行处理。用于消除发酵过程中泡沫的方法主要有两种，一是用机械法除泡；二是使用化学消泡剂除泡，常见的消泡剂有植物油（豆油、花生油等）、矿物油（石蜡油）、合成消泡（泡敌）等。2.4.3 l-精氨酸的生物合成部分的方程式+ 葡萄糖理论上的转化率为：=64.59%； 糖酸

35、转化率为：用1 l发酵液来计算且发酵液中含5.5%的l-精氨酸，则， 。2.4.4 提取过程的控制（1） 弱酸性阳离子树脂吸附过程树脂装入树脂塔后，用洁净水反洗树脂层，展开率为50-70%，直至出水清晰、无气味、无细碎树脂为止；再用约2倍树脂体积的4-5% hcl溶液，以2 m/h的流速通过树脂层。全部通入后，浸泡4-8小时，排去酸液，用洁净水冲洗至出水呈中性，冲洗流速为10-20 m/h；然后，用约2倍树脂体积的2-5% naoh溶液，按上面进hcl溶液的方法通入和浸泡。排去碱液，用洁净水冲洗至出水呈中性，冲洗流速同上11。树脂预处理后就可以给树脂塔中输入发酵液进行吸附提取。树脂投入运行后三

36、次需对树脂进行再生。提取率是67%。（2） dr1树脂吸附过程先用去离子水将树脂浸泡24 h，滤水后装入树脂塔中，使发酵液以2 m/h的流速通过树脂层进行吸附提取12。树脂投入运行后四次进行树脂再生。提取率是97%。（3） 两种树脂吸附过程的比较提取l-精氨酸时采用dr1树脂比弱酸性阳离子树脂具有更多益处，在树脂的预处理方面:dr1树脂可以不需要hcl溶液和naoh溶液处理，既省时又经济。在提取率方面：dr1树脂的提取率远高于弱酸性阳离子树脂。在树脂的再生方面：虽然两种树脂的再生方法相同，但dr1树脂比弱酸性阳离子树脂用的时间长。所以，本设计采用dr1树脂提取l-精氨酸。 3 物料衡算3.1

37、l-精氨酸发酵工艺技术指标 表3-1 l-精氨酸发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模吨/年150生产方法黄色短杆菌发酵，dr1树脂交换法提取年生产天数天/年300产品日产量吨/天0.5产品质量11纯度%99倒灌率%0.5发酵周期h80发酵初糖kg/m3125淀粉糖转化率%98糖酸转化率%44l-精氨酸提取率%97.1%3.2 发酵车间的物料衡算3.2.1 发酵车间的物料衡算先计算生产1000 kg纯度为99%的药用级l-精氨酸用的原辅材料及其他物料量19。（1）发酵液的量v1：1. v1=1000(12544%99.5%97.1%) 19(m3)其中 125：发酵培养基的初糖浓度（kg/

38、m)44%：糖酸的转化率 99.5%：除去0.5%的倒灌率的发酵成功率 97.1%：提取l-精氨酸的收率（2）发酵液配制需水解糖量g1： 以纯糖算： 式中 125：发酵液初糖含量（kg/m3）（3）一二级种子液量： 二级种子液量 v2液量 ：一级种子液量v1液量 ： v1液量=10% v2液量=0.19（4）一二级种子培养液所需水解糖量 g2 ：式中 30：一二级种液含糖量（kg/m3）（5）生产1000 kg l-精氨酸需水解糖总量g为： （6）耗用淀粉原料量： 理论上，100 kg淀粉转化生成葡萄糖量为111 kg，故理论上耗用的淀粉量g淀粉为： g淀粉=2437.7/(86%98%111

39、%) 2604.4(kg)式中 86%：淀粉原料含纯淀粉量 98%：淀粉糖转化率（7）生产1000 kg药用级l-精氨酸各种辅料的耗用量：一级种子液量：190 l，二级种子液量：1900 l，发酵培养基液量：19000 l则按照种子培养基与发酵培养基的各辅料配方计算各辅料用量为：a.玉米浆：因为采用流加工艺，初始浓度为10 g/l,发酵周期为80小时，12 h 后每8 h 按发酵液体积补加0.3的玉米浆,共加8次，则玉米浆用量为：b. ：可采用流加工艺，初始浓度为30.0 g/l，12 h 后每6 h 按发酵液体积补加0.3的，共加11次，则的用量为：c.尿素的用量为：d.的用量为：e.的用量

40、为：f.的用量为：g.维生素h的用量为：h.维生素b1hcl的用量为：3.2.2 发酵车间的物料衡算结果列表由上述生产1000 kg l-精氨酸（99%纯度）的物料衡算结果，可求得150吨/年l-精氨酸发酵车间的物料衡算结果。具体计算结果如下表：表3-2 150吨/年l-精氨酸发酵车间物料衡算结果物料名称生产1000 kg（1吨）l-精氨酸（纯度99%）的物料用量生产150吨l-精氨酸(纯度99%）的物料用量一二级种子发酵液（m3）2.09313.5发酵液（m3）192850水解糖总量（kg）2437.73.66105淀粉(kg)2604.43.9105玉米浆(kg)232.33.5104尿素

41、(kg)21.03150(kg)12.61890(kg)29.54425(kg)581.08.7104(kg)0.8120维生素h(kg)1.00150维生素b1hcl(g)0.0192.854 设备选型与设计4.1 发酵罐的选型与设计4.1.1 发酵罐的选型当前，我国谷氨酸发酵占统治地位的发酵罐仍是机械涡轮搅拌通风发酵罐20，即大家常说的通用罐，l-精氨酸的发酵生产是好氧发酵，需要提供足够的溶氧才能保证发酵的正常进行，因此选用机械涡轮搅拌通风发酵罐，选用这种发酵罐的原因主要有：历史悠久，资料齐全，在比拟放大方面积累了较丰富的成功经验，成功率高。4.1.2 发酵罐的设计 (1)发酵罐个数的确定

42、 年产150吨l-精氨酸，全年的生产天数为300天，则每天产150/300=0.5吨，需要发酵液的体积为： 发酵罐的填充系数=70%；则每天总共有发酵罐的体积为v0： 发酵周期为80小时，生产周期为96小时，即四天。发酵罐个数的确定：现选取公称体积为20 m3的发酵罐，总体积为22.6 m3。 取公称体积20 m3发酵罐4个,其中一个留作备用。实际产量验算： 富裕量： 能够满足生产需要。(2)主要尺寸的计算公称容积，是指罐的圆柱部分和底封头容积之和21。上封头因无法装液，一般不计入容积。则罐的全容积是指罐的圆柱部分和两封头容积之和。a.罐径与罐体高度公称容积按20 m3，全罐的体积22.6 m

43、3来算，取高径比为h:d=2，高径比小有利于发酵罐的溶氧，封头与圆柱罐体的焊接处的直边高度不纳入体积，则： 根据圆柱体体积与椭圆的体积计算公式有： 解方程得： 直径计算出来后，应将其值圆整到接近的公称直径系数，查吴思方的生物工程工厂设计概论2007年版23，附表25（281）通用式发酵罐系列尺寸表，则d取2.3 m， h=2d=22.34.6(m)查阅文献13，当公称直径d为2.3 m时，标准椭圆封头的曲面高度h为d/4，即0.575 m，焊接处的直边高度h为0.04 m，则总深度为： 封头容积 ： v封圆柱部分容积： v筒两者之和为全容积： ,则设计的发酵罐其尺寸符合要求，能够满足生产工艺的

44、需要。b.搅拌器的设计机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，由于l-精氨酸发酵过程有中间补料操作，对混合要求较高，因此采用六弯叶涡轮搅拌器。六弯叶涡轮式搅拌器已标准化，称为标准型搅拌器；搅动液体的循环量大，搅拌功率消耗也大，根据搅拌器型式及主要参数hg/t2123-1991标准，知20 m3发酵罐采用6-6-6弯叶式搅拌叶，搅拌器：六弯叶涡轮搅拌器，di:di:l:b=20:15:5:4，搅拌器直径：di=d/3。搅拌器直径：di= 叶宽：b=弧长：底距： 盘径：叶距：y=d=0.77(m)叶弦长：l=0.25di=0.250.77=0.193(m)弯叶板厚：=14(mm) 相邻搅拌叶轮间距

45、：s=2di=1.54(m) 取两档搅拌，转速可以50立方米罐的现有数据比例求得，已有数据：搅拌直径d1：1.05 m，转速n1：110 r/min，以p0/v为基准求得： c.搅拌功率的计算l-精氨酸的发酵液为低浓度醪液，可视为牛顿液体，依据化工工艺设计手册用修正的迈凯尔公式求得。设计参数：醪液密度：=1050 kg/m3 醪液粘度：=1.310-3 ns/m2 搅拌器直径：d=0.77 m 搅拌器转速：n=135/60=2.25(r/s)i计算re: 可见把l-精氨酸发酵液视为牛顿液体是正确的，为湍流，则搅拌功率准数np=4.7。ii由np可以算出不通气时发酵罐搅拌轴功率p0： 因为搅拌轴

46、有两档搅拌叶，所以搅拌轴总功率p为2p0=30.4（kw)。iii通风时的轴功率pg : 式中 p0:不通风时搅拌轴功率（kw） n:轴转速，n=135 r/min d:搅拌器直径（cm），d3=0.773106=4.6105 q:通风量（ml/min），设通风比为0.110.18，取低限，如通风量变大，pg会小，为安全。现取0.11；则q=15.820.11106=1.74106（ml/min） 代入上式： iv 电动机的功率：采用三角带传动1=0.92；滚动轴承2=0.99；滑动轴承3=0.98；端面密封增加功率为1%；代入公式数值得: 查手册选取电机30 kw一台。4.1.3 冷却装置设

47、计20 m3发酵罐的体积比较大，比表面积小，夹套蛇管等形成的冷却面积15已无法满足生产要求，于是使用内置的列管装置，以水作冷却介质。设计参数：l-精氨酸发酵产热：4.186000 kj/(m3h)设计发酵罐装料系数：取70%换热器传热系数k取经验值：k=4.18500 kj/(m3h)发酵罐装料液体积： （1）最高热负荷下的耗水量： 式中：q总：每1 m醪液在发酵最旺盛时，1 h的发热量与醪液总体积的乘积：q总=4.18600015.82=4.0105 kjcp:冷却水的比热容，4.18 kj/(kg.k)t2:冷却水终温，27t1:冷却水初温，20 将各值代入上式得： （2）冷却管冷却面积的

48、计算：按发酵生成热量的高峰、一年中最热的半个月的气温下，冷却水可能达到最高温度的恶劣条件下，设计冷却面积。平均温差t： t= 3232 2027 代入 t=8换热面积：=24(m2)（3）冷却管总截面积：冷却水的流量为3.8 kg/s，取冷却水在竖直蛇管中流速1 m/s，根据流体力学方程式，冷却管总截面积s总为： 式中，w：冷却水体积流量，w=3.810 m/s v：冷却水流速，v=1 m/s 代入上式得：s总=3.810()进水总管直径：（4）冷却管组数和管径：设管径为d0，组数为n，则冷却管的总表面积s总： 根据本罐情况，取n=8，求管径，由上式得： 查国家标准：锅炉、热交换器用不锈钢无缝

49、钢管（gb13296-91），选取271.2无缝管，d内=24.6 mm，d平均=25.8 mm。现取竖蛇管圈端部u型弯管曲径为250 mm，则两直管距离为500 mm，两端弯管总长度l0: （5）冷却管总长度l计算：根据ii的计算结果可知，冷却管总的热交换面积f=24 m2，以无缝钢管271.2作为冷却用管，需要的总长度为： 每米长冷却面积为：f0=3.140.02581=0.081(m2) 需要的总长度：l=f/f0=296.3(m)冷却管在发酵罐内占用的体积为：v=0.7850.0272177.8=0.17（m3）（6）每组管长l0和管组高度： 另需连接管8m：l实际=l+8=304.3

50、（m）可排竖直列管的高度，设为静液面高度，下部不伸入封头。设发酵罐内附件占有体积为0.5 m，则： 。 由此可以算出发酵罐内的液面高度为： 竖式蛇管总高：h管=3.59(m)，取管间间距为0.5 m，又两端弯管总长1.57 m，两边弯管总高0.5 m，则，可算出直管部分高度h为：3.590.5=3.09 m。则一圈管长为： 每组管子圈数： l实=7.7558+48=342(m)296.3(m)管间距：2.5d外=2.50.027=0.0675(m)，竖直列管与罐壁的最小距离为0.15 m，则可计算出与搅拌器的距离为：则在允许范围内（不小于200 mm）。核实布置后冷却管的实际传热面积为： s实=dl实=3.140.0285342=27.7(m3)24(m3)。能够满足实际生产的需要，设计符合需要。4.1.4 接管设计（1）接管的长度h设计：各接管的长度h根据直径大小和有无保温层，一般取100200 mm。（2）接管直径的确定：按排料管计算：该罐实装醪量15.82 m3，