年产140吨L-丝氨酸反应与分离车间的工艺设计

1、 学号: 课 程 设 计设计课程名称： 生物工程设备与工艺设计 题 目： 年产140吨l-丝氨酸反应与分离车间的工艺设计 学 生 姓 名： 学 院（系）： 制药与生命科学学院 专 业 班 级： 生工111 指 导 教 师： 王利群 专业技术职务： 副教授 设计时间： 2014 年 12 月 8 日 2014 年 12 月 22 日生物工程设备与工艺设计课程设计任务书制药与生命科学 学院 生物工程 专业 111 班 史桂萍 同学：现下达给你们毕业设计任务如下，要求你们在预定时间内完成此项任务。一、设计题目：年产140吨l-丝氨酸反应与分离车间的工艺设计二、设计主要内容： 1、针对产品的要求进行工

2、艺流程的设计（查阅资料，补充必要数据）； 2、工艺计算（物料衡算、能量衡算）； 3、设备的计算和选型；4、绘制带控制点工艺流程图（3号图纸）。三、生产条件（包括年操作日、生产方式及其它限制性条件）发酵结束后收集菌体，菌体沉淀中加入蒸馏水制成菌悬液，细胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，终浓度为2 mmol/l），37温育24h。然后加入四氢叶酸（终浓度为25 mmol/l）、甘氨酸（终浓度为2 mol/l）、37%的甲醛溶液（终浓度为50 mmol/l）进行酶反应72h，反应结束时甘氨酸和丝氨酸转化率达到平衡，即各为1 mol/l。分离工艺：反应液先经离子交换罐提取产物，然后将洗脱液经膜式蒸发

3、器蒸发，浓缩液中加入2.5倍体积无水乙醇进行结晶，晶体（湿含量15%）干燥得到产品。设离子交换罐上样体积为v，则洗脱液ph=2的hcl体积为4v，其中含l-丝氨酸的洗脱液体积为v，洗涤水用量为4v，再生液1m naoh溶液用量为4v，膜式蒸发浓缩比为3，分离得率为77%。反应罐搅拌转速120 rpm，反应液密度为1050 kg/m3，粘度为0.1 pas。年操作日300天，生产裕度为20%。水蒸气138，冷却水进出口温度根据实际情况确定。四、设计中主要参考资料（包括参考书、资料、规范、标准等）1、 国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册（第二版）m.北京：化学工业出版社，19962

4、、 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、 陈敏恒等编.化工原理m.北京：化学工业出版社，2004目 录1. 概述11.1 产品概述11.1.1 l-丝氨酸生产产品国内外生产情况11.1.2 用途与发展前景11.2 设计概述21.2.1 设计依据21.2.2 设计规模和范围21.2.3 指导思想22 原材料及产品的主要技术规格32.1 生产原料（天）32.2 产品的主要技术规格33 生产流程简述33.1 反应过程33.2 离子交换

5、层析过程43.3 浓缩过程43.4 结晶过程43.5 过滤干燥过程44 工艺计算44.1 物料衡算44.1.1 反应器54.1.2 离子交换罐54.1.3 浓缩罐54.1.4 结晶罐54.1.5 干燥器54.2 能量衡算64.2.1 浓缩罐64.2.2 冷凝器75 主要设备的计算75.1 反应罐75.2离子交换罐的计算85.3膜式蒸发器85.4结晶罐105.5干燥器105.6储罐115.7泵的选型126 个人总结127 参考文献138 致谢14年产380吨l-丝氨酸反应与分离车间的工艺设计1. 概述1.1 产品概述1.1.1 l-丝氨酸生产产品国内外生产情况丝氨酸是一种重要的生化试剂和药剂，在

6、氨基酸输液和氨基酸胶囊以及多肽合成等方面发展迅速。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胎，而且是免疫抑制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-丝氨酸常用于治疗肿瘤。其生产方法主要有蛋白质水解法、发酵法、化学法和酶法，其中酶法是现在研究丝氨酸制备的重要方法。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28

7、0t。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 l-丝氨酸是一种对生物体有重要生理作用的氨基酸，在医药、食品、化妆品中均有较为广泛的应用。丝氨酸在人体中由糖代谢中间产物3-磷酸甘油反应生成。工业上则是由蚕丝水解法、发酵法、化学合成法和酶法制备得到。丝氨酸是一种非必需氨基酸，它在脂肪和脂肪酸的新陈代谢及肌肉的生长中发挥着作用，因为它有助于免疫血球素和抗体的产生，

8、维持健康的免疫系统也需要丝氨酸。丝氨酸在细胞膜的制造加工、肌肉组织和包围神经细胞的鞘的合成中都发挥着作用。1. 医药原料：l-丝氨酸广泛用于配置第三代复方氨基酸输液和营养增补剂，并用于合成多种丝氨基酸衍生物，如心血管 、抗癌、艾滋病新药及基因工程用保护氨基酸等；2.食品：l-丝氨酸用于运动饮料 、氨基酸减肥饮料等；3.饲料：l-丝氨酸用于动物饲料，可促进动物生长发育；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

9、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-丝氨酸反应与分离车间的工艺设计（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

10、：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 生产原料（天）氢氧化钠溶液 浓度1mol/l盐酸 ph=2 无水乙醇 去离子水 717型离子交换树脂 含l-丝氨酸的洗脱液 2.2 产品的主要技术规格生产规模：140吨/年生产方法：发酵结束后收集菌体制成反应液 ，717型离子交换树脂 ， 离

11、子交换层析后，进行浓缩，之后添加乙醇结晶，过滤干燥生产天数：300天生产周期：1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。 基本流程：反应液离子交换层析浓缩结晶过滤干燥产品3.1 反应过程发酵结束后收集菌体，菌体沉淀中加入蒸馏水制成菌悬液，细胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，终浓度为2mmol/l），37温育24h。然后加入四氢叶酸（终浓度为25mmol/l）、甘氨酸（终浓度为2mol/l）、37的甲醛溶液（终浓度为50mmol/l）进行酶反应72h.3.2 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

12、其密实。然后用氢氧化钠水溶液处理（溶液浓度为1m）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，洗脱前需要用去离子水洗涤，最终可得含l-丝氨酸的洗脱液。（得率92%）3.3 浓缩过程 离子交换层析完毕后，对料液进行浓缩。采用蒸汽加热，可将料液浓缩至原体积的1/3，（得率92%）3.4 结晶过程待浓缩液冷却后，加入无水乙醇，使l-丝氨酸结晶。（得率91%）3.5 过滤干燥过程最后过滤干燥可得产品476kg/天。年操作日为300天。4. 工艺计算反应工艺：发酵结束后收集菌体，菌体沉淀中加入蒸馏水制成菌悬液，

13、细胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，终浓度为2mmol/l），37温育24h。然后加入四氢叶酸（终浓度为25mmol/l）、甘氨酸（终浓度为2mol/l）、37的甲醛溶液（终浓度为50mmol/l）进行酶反应72h，反应结束时甘氨酸和丝氨酸转化率达到平衡，即各为1mol/l。反应罐搅拌转速120rpm，反应液密度为1050kg/m3，粘度为0.1pa*s分离工艺:上样的体积为v，已知naoh溶液用量为4v，hcl溶液的用量为4v，洗涤水用量为4v，含l-丝氨酸的洗脱液体积为v。将含l-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/3，加入2.5倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量15%）离心烘干，l-丝

14、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 物料衡算离子罐的上样体积为v，已知naoh溶液用量为4v，hcl用量为4v，洗涤液用量为4v，其中含l-丝氨酸的洗脱液体积为1v。将含l-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/3，加入2.5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天生产裕度为20%。4.1.1 反应器反应液体积v=2077922l5-磷酸吡哆醛的量为：四氢叶酸的量为：甘氨酸的量为： 37的甲醛的量为：4.1.2 离子交换罐v总=140000000（1+20%）77%1

15、105=2077922l每天的上样体积v=2077922300=6.9m3离子交换树脂的用量：洗涤水用量v水=4v=27.6m34.1.3 浓缩罐v丝，缩=1/3v丝=1/36.9=2.3m34.1.4 结晶罐v乙醇=2.5v丝，缩=2.52.3=5.75m34.1.5 干燥器设干燥后含水量为0%m丝=207792230010510.92=669kgm丝氨酸=669.090.92=615kg湿物料的质量g1=6150.91=560kg，含水量为15%，干物料的质量g2=560（1-15%）=476kg。干燥过程去除的水分w=g1-g2=560-476=84kg4.2 能量衡算查表：4.2.1

16、浓缩罐采用膜式蒸发器（加热蒸汽为138）根据能量守恒定律得：其中： 代入公式：4.2.2 冷凝器假定物料冷却至37根据能量守恒定律得：其中：5. 主要设备的计算5.1 反应罐功率：校正：（m=2）5.2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 离子交换罐高径比（h/d）为h/d=3树脂层高度占圆筒高度的60%，即5.3膜式蒸发器1.设计一套升膜真空蒸发器的流程2.蒸发器的换热面积和列管的极数与长度蒸发温度60，由60查其饱和蒸汽压强为149.4mmhg（1mmhg=133.322pa）相对真空度=760-149.4=610.6mmhg。设计进料温度低于沸点34，进料温度60-

17、4=56加热段面积f1）蒸发水量ve及其发段的面积f2q2=vee 查得60时水的汽化潜热为2355.2kj/kg列管的根数与长度选用252.5不锈钢管3.分离器的直径和结构尺寸气-液分离器的直径d取进气口气速 根据气-液分离器的结构比例，设计为：气液分离器直径二次蒸汽出口二次蒸汽进口圆筒部高度圆锥部高度5.4结晶罐所以结晶罐所需容积结晶罐所需体积为8944l分10次结晶，每次需体积894.4l结晶罐高径比（h/d）为3，即h/d=3 5.5干燥器已知日产丝氯酸560kg（含15%结晶水）处理量为600kg/h,加热蒸汽138，传热系数,加热管采用25x2.5不锈钢双锥回转真空干燥器szg-7

18、5加热面积电机功率2.2kw，全容积750l5.6储罐采用钢制立式圆筒形固定顶储罐1m naoh 8280m3ph=2 hcl 8280m3洗涤水用量 8280m3含l-丝氨酸的洗脱液 2077.922m3乙醇的用量 1725m3一次装15天的用量，装料系数90%查表得：naoh，hcl，洗涤水都用型号为hg 21502,1-92-214，储罐内径8920mm，公称体积为500，计算体积为550，罐壁，拱顶分别为8920mm，972mm的罐，材料q235-a,f另外，装hcl的罐需要内置防腐结构。洗脱液用型号为hg 21502,1-92-200，储罐内径6550mm，公称体积为200，计算体积

19、为220，罐壁，拱顶分别为6550mm，700mm的罐，材料q235-a,f乙醇用型号为hg 21502,1-92-100，储罐内径5200mm，公称体积为100，计算体积为110，罐壁，拱顶分别为5200mm，554mm的罐，材料q235-a,f5.7泵的选型反应罐离子交换罐 流量为6.90.5=13.8/,选用ih50-32-200,离子交换罐浓缩罐 流量为6.90.5=13.8/,选用ih50-32-200浓缩罐结晶罐 流量为2.30.5=4.6/，选用ih50-32-125naoh加料泵 ;h储罐=9.9m 选用ih65-32-125hcl加料泵 ;h储罐=9.9m 选用ih65-32

20、-125去离子水加料泵 h储罐=9.9m 选用ih65-32-125洗脱液加料泵 ；h储罐=7.3m 选用ih50-32-125乙醇加料泵 ；h储罐=5.8m 流量为 5.750.5=11.5 m3/h 选用ih50-32-1256. 个人总结两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互讨论，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个

21、必不可少的过程，“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义，我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。通过这次设计，本人在多方面都有所提高。通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论和实际生产知识进行设计工作的实际训练，从而培养和提高学生独立工作能力，巩固了课程所学的内容，掌握设计的方法和步骤，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全新的复习，独立思考的能力也有了提高。懂得了在以后的学习中不能单纯的机械的接受课本上的理论知识，而要带着思考如何将所学的用于生产实践中。总而言之，我总结了一句话：学会思考，提出问题，设计解决问题的方案，实践解决，反