【年产2000吨色氨酸发酵工厂的计算与设计（附布置图流程图）15000字（论文）】

年产2000吨色氨酸发酵工厂的计算与设计摘要色氨酸是不可或缺的八种人体必需的氨基酸之一，对人体的生长和代谢活动有重要调节作用。鉴于不能自我合成，因此在人体中有十分重要的调节作用。由于目前色氨酸市场需求量较高，决定设计一个年产2000吨色氨酸的工厂。本设计以谷氨酸棒杆菌为生产菌株，采用微生物深层发酵法制备L-色氨酸，工艺流程中通过板框过滤、三效浓缩、冷却结晶、离心烘干的方法，获得96%的色氨酸产品。本次工厂设计对工艺流程进行了物料、热量和水衡算以及对主要设备进行选型，另外进行了工资资金核算，因此具有一定的可行性和现实意义。关键词：色氨酸发酵法工艺设备选型目录第一章前言 11.1色氨酸简介 11.2色氨酸的功能和用途 11.3色氨酸工业研究进展和现状 11.4色氨酸发酵机制 21.5厂址优势 21.5.1选址依据 21.5.2选址原则 21.5.3交通条件 31.5.4完善的基础设施 3第二章工艺论证 42.1发酵菌株 42.2培养基配方 42.3无菌空气系统 52.4淀粉的液化和糖化 72.4.1调浆: 72.4.2液化 72.4.3糖化 72.4.4过滤 72.5培养方法 72.5.1菌种活化 82.5.2种子培养 82.5.3发酵培养 82.6发酵参数 82.6.1温度 82.6.2pH 92.6.3溶氧浓度 92.6.4菌体浓度 92.6.5发酵罐压力 92.6.6基质浓度 92.6.7泡沫 92.7总工艺流程 10第三章物料衡算 113.1物料衡算的原理 113.2发酵参数 113.3色氨酸发酵车间的物料衡算 123.3.1两千千克L-色氨酸发酵所需原料 123.3.2两千吨L-色氨酸发酵生产所需要的原料 133.4糖化车间物料衡算 13第四章热量衡算 154.1糖化车间热量衡算 154.1.1液化气加热注入所消耗的蒸汽量 154.1.2淀粉含量 154.1.3淀粉浆液的比热 154.1.4每小时所需的蒸汽用量 154.1.5蒸汽的高峰用量 154.2发酵车间的热量衡算 164.2.1热量平面流程图 164.2.2连续灭菌所用蒸汽量 164.2.3冷却水的用量 164.2.4发酵空罐灭菌蒸汽热量 174.2.5种子罐空罐灭菌蒸汽量 17第五章水平衡 195.1发酵罐车间用水量 195.1.1配料洗水量 195.1.2冷却用水量 195.2糖化罐冷却用水 195.2.1冷却用水量 19第六章主要设备选型 206.1发酵罐简介 206.2种子罐简介 206.3其他设备的设计 216.3设备一览表 22第七章车间设计 237.1糖化车间 237.1.1糖化工艺的选择 237.1.2糖化车间工艺流程图 237.2发酵车间 237.2.1发酵技术简介 237.2.2工艺流程图 247.3提取车间 247.3.1提取工艺简述 247.3.2色氨酸提取过程控制 247.3.2提取工艺流程图 26第八章工程资金概算 278.1全厂定员 278.2投资概算 278.2.1固定资产估算 278.2.2流动资金估算依据及办法 288.3经济效益初步分析 288.4技术经济指标 299.结论 30参考文献 32致谢 33附录 34附录一：平面车间布置图 34附录二：工艺流程图 35 第一章前言1.1色氨酸简介色氨酸，学名叫β-吲哚基丙氨酸，一般工业生产品主要成分为L-2-氨基-3(β-吲哚)丙酸，化学式为C11H12O2N2，相对分子质量大约为204.2。物理形态是一种白色偏黄色的结晶型小球体颗粒，微溶于水而容易直接溶于乙醇、氯仿等有机溶剂，其立体结构与IAA类似，常在高等植物中充当必需的前体物质。图1-1色氨酸的结构式1.2色氨酸的功能和用途色氨酸不仅是人体内十分重要的神经递质5-HT（5-hydroxytryptamine）的前体，除了参与基础人体蛋白代谢调节之外，还可以合成体蛋白。同时色氨酸还可以转化成多种激素类物质，在脑松果体中经过相关酶的催化可以生成褪黑素（N-乙酰甲氧基色胺），具有调节生物体昼夜节律和抗氧化等功效。在动物营养饲料中，目前赖氨酸和甲硫氨酸已经实现了人工结晶合成，因此色氨酸的营养作用已经日益受到了重视并成为了第三大饲料添加氨基酸。另外它对于动物的健康生长和发展、新陈代谢也具有重要的影响，在农业生产、防治害虫等方面也有一定的作用。1.3色氨酸工业研究进展和现状色氨酸最早时期主要是依靠化学法和蛋白质酶解法生产。随着对微生物法的研究不断进步，微生物发酵法逐步被应用生产色氨酸。并在21世纪已走向应用并且处于行业主导地位。微生物发酵法可分为直接发酵法、转化法和蛋白酶法[1]。直接发酵法常用微生物主要是谷氨酸棒杆菌和大肠杆菌。现阶段，色氨酸全球年平均产量仅为一万两千多吨，但在动物饲料及添加剂行业的需求量就达到数千吨，市场增长率超过12%，导致一定程度上的供不应求。在国内随着疫情色氨酸的价格也水涨船高，因而不能被群众广泛应用。但是随着产业不断升级，色氨酸产品将会成为一种拥有较大潜力并且发展前景良好的产品。1.4色氨酸发酵机制微生物发酵法菌株选用谷氨酸棒杆菌营养缺陷型菌株，发酵机制中的芳香氨基酸的合成途径及代谢调节机制如图所示。其中，在第一个在分支处倾向于邻氨基苯甲酸的优先合成；在第二个分支处倾向于对羟基苯丙酮酸的优先合成[2]。图1-3色氨酸的生物合成及调节机制1.5厂址优势1.5.1选址依据年产2000吨色氨酸工厂的选址依据当地如下的法律法规：(1)《中华人民共和国城市规划法》(2)《徐州市土地利用总体规划》(2006-2020)(3)《徐州市可持续发展规划》(2020-2030)1.5.2选址原则(1)厂址的选择需要符合徐州市土地利用总体规划，必须按照国家相对应的法律法规进行；(2)充分利用各个地区的特点，尽量避开或者克服污染源、人群聚集场所等不利特点；(3)厂房选址应布置在地理位置突出、公共基础设施较为完善、经济效益高的位置；(4)根据原料的产地和运输路线和市场条件，充分兼顾到企业的经济效益，结合地价等条件，确定好相对条件下较为适宜的厂址。1.5.3交通条件徐州位于江苏省、山东省、安徽省三个省份的中心区域，拥有国内第二的铁路交通枢纽和国家级公路枢纽，同时也是经济发展转型重要城市，因此拥有很好的发展前景。交通网络十分发达，临近胶东半岛出海口、机场港口和铁路港口，因此有利于我们选择便捷实惠的运输方式将色氨酸产品销往全国甚至是欧美日韩等海外国家。1.5.4完善的基础设施在用水方面和用电方面，由于徐州重工业较为发达，历来其供水供电能力在全国都位列前茅。供电厂拥有大功率的发电装置，配水厂设施完备，且徐州政府对于企业有一定的用水用电补助，得以降低一部分的成本。第二章工艺论证2.1发酵菌株选用谷氨酸棒杆菌基因工程菌2.2培养基配方（1）斜面培养基表2-1斜面培养基配方斜面培养基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化钠(g/L)5琼脂(g/L)15PH7.0（2）种瓶培养基表2-2种瓶培养基配方种瓶培养基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化钠(g/L)5葡萄糖(g/L)10pH7.0（3）种子罐培养基表2-3种子罐培养基配方种子罐培养基配方酵母粉(g/L)1柠檬酸钠(g/L)1.6硫酸铵(g/L)1.2葡萄糖(g/L)1.5七水合硫酸镁(g/L)1.6七水合硫酸亚铁(g/L)0.01维生素B1(mg/L)0.1硫酸锰(g/L)0.01pH7.0-7.2（4）发酵罐培养基表2-4发酵罐培养基配方发酵罐培养基配方酵母粉(g/L)1磷酸二氢钾(g/L)2硫酸铵(g/L)4柠檬酸(g/L)2七水合硫酸镁(g/L)5葡萄糖(g/L)15一水合硫酸锰(g/L)6.3一水合硫酸锌(g/L)7.4六水合硫酸钴(g/L)5.6五水合硫酸铜(g/L)0.01pH7.0-7.22.3无菌空气系统谷氨酸棒杆菌在发酵过程中需要氧气，一般以空气作为氧气的来源。由于现实空气中存在着大量的有害微生物，如果不经过除菌环节微生物会随空气进入培养液，在一定的条件下会大量增殖，与目的菌株相互竞争从而消耗营养物质，并产生各种非目的代谢产物，最终会干扰预定发酵的正常进行，使发酵产品的效能降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故[3]。因此为了确保纯种培养，必须将空气中有害微生物除去，并且能够保持好相对湿度和适宜的温度。由于在设计无菌空气系统时要考虑刀介质阻力、发酵静压以及管道阻力等影响因素，所以本设计采用加压后的空气压缩机来进行供给。过滤除菌是当今工业育种中最常用的空气微生物除菌方法。生物处理中获得大量无菌空气最常用的常规方法是:一是介质之间的孔隙大于微生物的直径，所以需要有一定厚度的介质滤层来达到过滤杀菌的目的，这就叫介质过滤或相对过滤。这类过滤介质包括棉、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维和烧结材料；然而，其他介质的孔比细菌的小。当含有细菌和其他微生物的空气通过介质时，微生物被截留在介质上，实现过滤灭菌，有时称为绝对过滤。然而，媒体过滤是常用的。另外，压缩、管道输送和过滤过程中空气压力和温度的变化也会引起空气相对湿度的变化。一旦发生凝结和水分离，过滤介质就会吸收水分，这将大大降低过滤介质的灭菌效率。因此，压缩空气中可能产生沉淀的水应靠近过滤介质前去除。图2-1选用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程第一阶段的冷却可以使大部分水和油变成较大的雾状颗粒(通常冷却到30~35℃)；第二级冷却可以使空气沉淀出较小的雾粒(通常冷却到20~25℃)；第一次分离的目的是分离直径较大、浓度较大(直径在0um以上)的雾粒。第二次分离的目的是分离直径较小(直径小于5um)的气溶胶颗粒。这种设备选型的优点是具有相对完善的空气消毒工艺，能够适应各种气候条件，尤其是潮湿地区。在其他地区，可以根据当地情况适当增加或减少工艺中的设备。能充分分离油和水，使空气达到较低的相对湿度进入过滤器，提高过滤效率。此外，其特点包括两次冷却、两次分离和适当加热。二次冷却可以减少油膜污染对传热的影响，提高传热系数，节约冷却水；油、水和雾可以通过两次分离完全分离。适当的加热可以将除水后空气的相对湿度从100%降低到50%~60%[4]。具体流程是对进入空压机的空气进行过滤。过滤掉粉尘等固体颗粒，对空压机的正常运行和介质的灭菌有很大的帮助。为了防止往复式压缩机产生脉动，需要在过程中设置一个或几个气罐。最后进行无菌过滤。空气灭菌系统一般采用二级过滤装置，由两个总过滤器(交叉使用)和子过滤器(每个发酵罐)组成，以确保空气的无菌性。2.4淀粉的液化和糖化葡萄糖作为原料用于色氨酸发酵，但所使用的发酵菌株没有分解淀粉的功能，所以在发酵前要将淀粉水解为葡萄糖。工业上生产葡萄糖的方法主要有喷雾液化法和双酶法。工艺流程包括浆液混合、液化、糖化和过滤。2.4.1调浆:搅拌速度保持在10-20r/min，加入无菌水和淀粉原料使淀粉浓度的配比达到25%，然后升温到50-55℃，pH保持在6.0-6.5之间，加入耐高温淀粉α-淀粉酶用量为10u（g淀粉）。2.4.2液化当蒸汽进入喷射器和维持柱后，通过预热温度可以达到90-95℃，随后淀粉乳被泵入喷射器，然后在喷射器下排出，并引入维持罐当中。保持过程温度始终在95-98℃之间并持续至少30分钟，此时可以观察到淀粉乳的碘反应呈棕红色，扩散迅速。2.4.3糖化糖化后，淀粉乳冷却至60-65℃再通过螺旋换热器，最终到达糖化罐。一般使用10%硫酸调节pH至4.2-4.5，待pH稳定后加入糖化酶。用量为100U。糖化时间控制再24～48h，DE值在终点前达到最高值。提前15min将温度升高到85℃从而灭活酶。2.4.4过滤由于糖化过程条件温和，脂肪和蛋白质的基本性质不变，因此可用板框压滤机过滤。2.5培养方法本次设计使用纯度为65%的液态糖作为碳源，16%的氨水作为氮源，通过液态发酵生产色氨酸。整个工艺流程大致如下：将接种后的培养基进行三级发酵，得到发酵液；发酵液经树脂柱吸附分析，得到分析溶液；对分析溶液进行一次浓缩、酸化、脱色和过滤，得到脱色溶液；脱色后的溶液经过二次浓缩、结晶、离心分离、干燥、全混合、过筛、包装得到色氨酸成品[5]。反应总方程式为：4C6H12O6+4NH3+O2→2C11H12O2N2+2CO2+18H2OL-色氨酸发酵工艺包括菌种筛选、种子制备、培养基选择、种子罐培养、发酵装置、无菌空气制备、产品分离纯化、检测、包装和销售。采用间歇式糖发酵工艺，以氨水为氮源，自动控制并记录发酵温度、溶解氧、罐压、风量、pH值等参数，提高产酸率和转化率。采用国产优良菌株发酵，采用高效膜过滤空气净化装置，保证发酵生产的稳定性。发酵所需的主要设备有:一级种子罐、二级种子罐、发酵罐、连消系统和空气系统。输入材料为葡萄糖溶液、无机盐和固体培养基(酵母抽提物和柠檬酸三钠)，出料为色氨酸发酵液。输入的物料按照一定的配方进行消毒，待消毒结束后进入一级种子罐、二级种子罐和发酵罐[4]。2.5.1菌种活化将从冰箱中冷冻保藏的菌株放置在37℃水浴锅内活化2小时后，使用接种环挑取少量菌种，分区划线接种到新斜面上，然后在37℃培养箱中培养24h。2.5.2种子培养使用移液枪吸取一定量的无菌H2O，加入到刚刚活化过的斜面中，进而收集试管的悬液，在1000毫升三角瓶中，加入40克麸皮和40毫升水，混合均匀，在121℃灭菌30分钟。然后接种，再放入30℃的培养室中培养3-4天，前2天每天混合两次，这样孢子完全成熟后就不用再混合了。使用前，用无菌水冲洗麸曲中的孢子，然后用移液管将摇瓶中的培养液按2%的接种量注入种子罐中，控制温度在37℃左右，然后用NH3·H2O调pH，范围在7.0~7.2，另外搅拌速度控制在200r/min，风量为0.3m3/(m3·min)，罐压保持在0.03Mpa。2.5.3发酵培养在种子培养后，用移液枪按10％接种量接种至发酵罐当中。在一开始接种后，保持搅拌速度在120r/min，温度保持在31℃左右，氨水调pH在7.0~7.2，恒速流加15g/L的葡萄糖进行补料，从而使罐中糖含量保持在较高的水平。另外，在发酵过程中，如果葡萄糖的浓度降低，则可以适当提高流速将葡萄糖流加入发酵罐中。发酵过程中使用消泡剂泡敌，每隔5-6小时就要对发酵液进行镜检，同时按照标准操作流程，保持环境洁净，防止染菌[5]。2.6发酵参数2.6.1温度谷氨酸棒杆菌最适宜的生长温度为37℃。谷氨酸棒杆菌生长一共分为四个时期：延滞期、指数期、平稳期、衰亡期，温度对于谷氨酸棒杆菌的生长一般呈“种罩型”曲线。发酵初期，发酵产物随着细胞浓度增加而增加；到发酵中期时，发酵产物的生成不仅与细胞浓度有关，也与质粒稳定性有关。当温度达到36℃时，细胞浓度最高，但质粒稳定性被破坏；温度28℃时，质粒稳定，但细菌生长缓慢，产量下降，因此最适温度在28-36℃之间。调控方法：色氨酸发酵过程的温度控制策略为:发酵温度为30℃，发酵0~16h,16h后缓慢升温至36℃，加热方式为0.5℃/h。采用发酵罐温度顺序控制方式进行自动控制[6]。2.6.2pHpH对菌体的生长、菌体的酶活性、细胞膜的通透性、培养基中组分的解离等都会产生一定影响，从而影响发酵产物的产量。调控方法：监控发酵液的pH,当pH不稳定时，加入铵盐或葡萄糖；主要通过加入氨水来调节。2.6.3溶氧浓度谷氨酸棒杆菌为兼性厌氧菌，发酵前期对氧气要求较高，后期则几乎不需要氧气。调控方法：前期通过提高搅拌速度，或者加大通气量来提高溶氧浓度；与之相反，后期通过降低搅拌速度，减少通气量来降低溶氧浓度。2.6.4菌体浓度在一定浓度范围内，菌体浓度与发酵产量成正相关。即菌体浓度愈大，发酵产量愈大。当菌体浓度达到一定时，此时发酵液过于粘稠，发酵液中氧气过少，不易于产物的合成。

调控方法：定时检测菌体的浓度，避免菌体过浓，影响发酵产物的合成。2.6.5发酵罐压力在发酵过程中，发酵罐应保持一定的正压，以防止外界空气中的外来细菌入侵而污染发酵液。同时,罐内压力也与培养基中氧气和二氧化碳的溶解度有关，间接影响代谢。罐内压力一般维持在2×104～5×104Pa。2.6.6基质浓度葡萄糖浓度过高时，会造成发酵液的pH降低，菌体生长缓慢；当葡萄糖浓度过低时，菌体易衰老。若酵母粉浓度过高，菌体快速生长，pH上升，抑制目标产物的生成；酵母粉浓度过低时，不利于菌体繁殖。调控：定时检测培养基中葡萄糖、酵母粉的浓度。2.6.7泡沫发酵过程中因通气搅拌和代谢产生的气体是产生泡沫的原因。产生少量泡沫是正常的，但是当泡沫产生过多时，会造成大量液体逸出，发酵液会从排气管或密封处逸出，增加细菌污染的机会。严重时还会影响正常的通气和搅拌，从而影响细菌的呼吸。调控方法：使用消泡剂同时采用机械震动使其均匀分布进行消泡。表2-6色氨酸发酵重要参数及意义名称测定方法意义及主要作用发酵温度/℃或K温度计保证生长，繁殖和产物合成发酵罐压力/Pa或㎏·m-2压力计维持正压，增加溶氧量空气流量/m3·min-1流量计排出废气搅拌转速/r·min-1转速表使物料和气体混合发酵液黏度/Pa·s粘度计反映菌生长情况发酵罐装量/m3或L液位计反映发酵生产批量发酵液密度/g·L-1密度计反映发酵液性质加消泡剂/㎏密度计反映发酵液性质2.7总工艺流程图2-2发酵总工艺流程图

第三章物料衡算3.1物料衡算的原理物料衡算按照质量守恒定律的原则。物料平衡是指所有进入系统的物料的平衡重量等于所有离开系统的物料的平衡重量，即∑F=∑D+W式中：F——进入系统物质质量（kg）D——离开系统物质质量（kg）W——损耗物质质量（kg）生产规模预计为2000吨/年（产品纯度96%）生产天数预计为300天（扣除节假日）生产效能=生产规模/生产天数=2000÷300=6.68t/d淀粉水解生成葡萄糖的反应式为（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6淀粉水解为葡萄糖理论上的糖化率=180÷162=1.11=111%。在实际工厂生产发酵中，考虑到有一定程度的损失，综合取糖化率为95%。葡萄糖转化生成色氨酸反应式为4C6H12O6+4NH3+O2→2C11H12N2O2+2CO2+18H2O理论上，色氨酸转化率为204÷(2×180)×100%=56.7%3.2发酵参数生产规模：2000吨/年（纯度96%）生产天数：300天表3-1色氨酸生产指标参数指标名称指标参数指标名称指标参数接种率2%产品纯度96%发酵产酸浓度5%倒灌率2%发酵罐装料系数75%发酵单位30mg/L糖酸转化率15%发酵初糖150kg/m3提取率84%二级种子含糖量25kg/m3发酵周期4-5d发酵液相对密度1.12kg/L淀粉原料含淀粉80%淀粉糖化转化率95%3.3色氨酸发酵车间的物料衡算3.3.1两千千克L-色氨酸发酵所需原料首先要定义发酵单位的概念，即衡量发酵液目标产物含量的指标，隶属于技术指标的一种。此次工厂设计中，色氨酸发酵单位定为30mg/L首先，计算2000公斤色氨酸所需的原料和其他材料的数量。(1)发酵液体积V1=2000÷(150×0.15×0.84×0.98)=107.98m3式中150——液态糖浓度（kg/m3）0.15——糖酸的转化率0.84——色氨酸的提取率0.98——发酵成功率种子液体积V2=10%V1=10.8m3(2)种液所需糖量Gaa=25V2=269.95kg式中25——二级种液含糖量发酵液所需葡萄糖量Ga=150V1=16197kg生产两吨色氨酸所需糖含量G=Ga+Gaa=16466.9kg(3)淀粉的用量根据上述算式得出的111%的糖化率，2000kg淀粉可以转化生成葡萄糖222kg，所以理论上淀粉用量为：G淀粉=16466.95÷（0.8×0.95×1.11）=9547.7(kg)式中0.8——淀粉含量，0.95——淀粉转化率，1.11——糖化率(4)无机必需盐离子和消泡剂的计算硫酸锰：0.63V1=68.03kg硫酸锌：0.74V1=79.91kg氯化钴：0.56V1=60.47kg硫酸铜：0.8V1=86.38kg消泡剂：1.0V1=107.98kg(4)发酵液色氨酸含量：Ga×15%×98%=2380.96kg实际上获得的色氨酸（按照提取率84%计算）：2380.96×84%=2000kg3.3.2两千吨L-色氨酸发酵生产所需要的原料表3-22000吨L-色氨酸发酵车间的物料衡算表原料名称2t色氨酸原料量2000t色氨酸的原料量每日所需原料量发酵液/m3107.98215960719.87二级种液/m310.792159671.99发酵所需糖/kg1619732394000107980种液所需糖/kg269.955399001799.67总糖/kg16466.9532933900109779.67MnSO4/kg68.03136060453.53ZnSO4/kg79.91159820532.73CoCl2/kg60.47120940403.13CuSO4/kg86.38172760575.87消泡剂/kg107.98215960719.87L-色氨酸/kg100020000006666.67淀粉/kg9547.661909532063651.073.4糖化车间物料衡算使用原料为2000kg玉米，一般淀粉和水的比例为1:1.5,那么2000kg玉米淀粉浆=2000×(1+1.5)=5000kg，所需水量=2000×1.5=3000kg粉浆浓度=2000×80%÷5000×100%=32%糖化液含量=2000×80%×95%÷0.3×1.12=5674.66kg式中95%—淀粉糖化转化率，0.3—糖化液浓度，单位为kg/L，1.12—发酵液相对密度酶用量=5000×0.2%=10kg硫酸量=氯化钙=5000×0.2%=10kg助滤剂=5674.66×0.15%=8.52kg滤渣产量=8.52÷30%=28.4kg式中30%—实际含量，含水量为70%蒸汽用量=5674.66×8%=454kg洗水用量：5674.66+28.4-454-10×4-8.52-5000=180.4kg表3-3糖化车间的物料衡算进入原料量离开原料量指标原料量kg每日产量kg项目原料量kg每日产量kg玉米原料200063651.07糖液5674.66180960.36配料水300095667.6滤渣8.52271.7酶用量10318.89氯化钙10318.89硫酸10318.89蒸汽量45414477.7洗水用量180.545757.28助滤剂8.52271.7累计5673.06180909.35累计5683.18181232.06 第四章热量衡算4.1糖化车间热量衡算4.1.1液化气加热注入所消耗的蒸汽量加热注入所消耗的蒸汽量（D）按照公式：D=GC（T1-T2）÷(I-λ)来计算，其中G是淀粉含量，单位是（kg/h），C是淀粉浆液的比热，单位是[kJ/(kg·K)]，T1是浆液的初始温度（50+273=323K），T2为液化后的温度是378K，I为蒸汽焓值为2738K/kg，表压保持在0.3Mpa左右，λ是加热蒸汽的焓值。4.1.2淀粉含量G=63.65÷24×2500=6630.3(h)，粉浆的干物质百分比=63.65÷24×1000×0.8÷6630.3=0.32=32%；4.1.3淀粉浆液的比热查证得知：C淀粉=1.55(kJ/kg·K)，C水=4.19(kJ/kg·K)，X=0.32C粉浆=C淀粉·X+C水·（1-X）=1.55×0.32+(1-0.32)×4.19=3.35kJ/(kg·K)4.1.4每小时所需的蒸汽用量根据公式和上述结果可知，每小时所需的蒸汽用量D=GC（T1-T2）÷(I-λ)=266.6(kg/h)4.1.5蒸汽的高峰用量蒸汽高峰用量一般是发酵完成高温灭酶的时候，一般是将培养液由105℃加热到115℃，查证所知，388K时λ数值为485KJ/kg，因此D灭=6630.3×3.35×10÷2253=98.58kg/h；由于培养液由378K加热至388K仅耗时10min，那么蒸汽的高峰用量为：98.58×60÷10=591.48(kg/h)总结：平均用量=266.57+98.59=365.16kg/h高峰用量=266.57+591.52=858.09kg/h每日用量=365.16×24=8763.84kg/h4.2发酵车间的热量衡算4.2.1热量平面流程图1.储存罐2.流量泵3.换热器4.维持塔5.连续热量喷射器6.换热器7.流量泵8.冷却水管9.冷水槽图4-1发酵车间热量平衡图4.2.2连续灭菌所用蒸汽量（1）选用发酵罐的体积为120m3，理论装罐系数为0.75。则发酵液体积：V=120×0.75=90m3发酵液的质量：M=90×1.12×1000=100800kg=100.8t式中1.12—发酵液的密度kg/m3（2）发酵灭菌加热过程中，蒸汽表压的数值一般保持在0.4Mpa，I=2743(kJ/kg)。培养基温度分两个阶段进行：先从50℃加热到95℃，然后再加热到120℃，在冷却过程中冷水则是从20℃升高到了45℃，平均灭菌时间是2.5小时。输料流量Q=100.8÷2.5=40.32t/h灭菌时蒸汽量：Q灭=40.32×4.02×（120-95）÷（2743-120×4.19）=1.81t/d式中4.02—糖比热容[KJ/(kg·k)，2743—加热蒸汽焓，4.19—水的比热容每日发酵所需蒸汽量：Q=1.81×2.5×5=22.625t/d平均蒸汽量：22.625÷24=0.94t/d4.2.3冷却水的用量120℃高温培养基通过热量的交换，首先降温到80℃，然后再使用冷水降温到30℃。与此同时冷却水的温度由20℃升高到45℃。冷却水的用量：W=40.32×4.02×50÷[4.19×(45-20)]=77.37(t/h)，每天用水量:77.37×2.5×2=386.84t/d。4.2.4发酵空罐灭菌蒸汽热量（1）发酵罐自身发热蒸汽量Q发保持0.4MPa蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa下，由20℃升到125℃（30500+3269）×0.5×（125-20）÷(2718-120×4.19)=800.32kg式中30500—发酵罐自身重量/kg，3269—冷却管重量/kg，0.5—发酵罐自身比热容kJ/(kg·K)（2）发酵罐填充空间所需蒸汽量Q空上述所用通气发酵罐体积V=120m3，考虑到罐内搅拌器等零部件所占空间，实际计算仍然取数据为120。Q空=V·ρ=120×1.71=205.2kg式中1.71—加热蒸汽时的罐密度ρ（kg/m3）0.4MPa表压下密度1.71（3）热量损耗Q损对流辐射的系数β=33.9+0.19×55=44.35[kJ/(m2·K)],式中外壁温度—75℃，33.9—对流系数发酵罐的表面积S=4πR2+2πRH=4π(3.6÷2)2+3.6π×15.6=217m3则Q损=217×44.35×（75-20）÷(2718-125×4.19)=241.23kg(4)灭菌过程中蒸汽损失渗漏Q漏渗漏量为5%。发酵罐蒸汽总耗量Q总：（800.32+205.2+241.23）÷（1-5%）=1312.37kg发酵罐灭菌2.5h,则每罐所用蒸汽量：1312.37×2.5=3280.92kg每日产生的蒸汽量：3280.92×2=6561.84kg/d平均小时产生蒸汽量：6561.84÷24=273.41kg/h4.2.5种子罐空罐灭菌蒸汽量（1）种子罐自身加热所需蒸汽量Q种（14989+402）×0.5×(125-20)÷(2718-125×4.19）=333.18kg式中14989—种子罐质量/kg，402—冷却管质量/kg，0.5—种子罐本身比热容kJ/(kg·K)（2）种子罐罐内部所需蒸汽量Q空种子罐的理论体积为12m3，理论装罐系数为0.75。种子罐体积V取12m3Q空=V·ρ=12×1.72=20.64kg式中1.72—加热蒸汽时的密度（kg/m3），0.4Mpa下的罐密度为1.72（3）热损失Q损辐射与对流联合给系数α:45.6[kJ/(m2·h·K)],外壁的温度：75℃发酵罐的表面积S：42.72m3则Q损=42.72×45.6×（75-20）÷(2718-125×4.19)=48.83kg(4)蒸汽渗漏Q漏渗漏量为5%。种子罐蒸汽产生量Q总：（333.18+20.64+48.83）÷（1-5%）=423.84kg发酵罐灭菌30min，则每罐所用蒸汽量：423.84×30÷60=211.92kg/罐每天所用蒸汽量：211.92×2=423.84kg/d每小时所用蒸汽量：423.84÷24=17.66kg/d

第五章水平衡5.1发酵罐车间用水量5.1.1配料洗水量原料玉米质量为63651.07kg，按照加水比例1:1.5，则总用水95476.6kg5.1.2冷却用水量发酵罐经过灭菌后，温度会一度上升到125℃，此时用糖化液将降温到90℃，然后用冷却水降温，使温度由90℃降温到60℃，冷却水进入时测得温度为20℃，而经过热量交换后的温度可以达到60℃，此时计算冷却水的用量：W=（6630.3+365.16）×3.35×30÷[40×4.19]=4194.78(kg/h)=100.8(t/d)式中6630.3—淀粉浆液量，365.16—日平均热量，3.35—粉浆比热，4.19—比热系数5.2糖化罐冷却用水5.2.1冷却用水量日产0.3kg/L糖液180960.36kg，即180960.36÷1.12=161571.75L=161.57m3，糖化的操作周期一般为30h，其他流程糖化时间为24h，糖化罐每100m3理论填充系数为75%糖化罐数目=161.57÷（100×75%）×（30÷24）=2.69，需要3台灭菌之后的糖化液先自然冷却由90℃降至65℃，随后使用冷却水进行降温，初试温度为20℃，随后的温度为50℃平均用水量=（6630.31+365.16）×3.35×（90-65）÷[（50-20）×4.19]=4660.86kg/h高峰期时需要在2.5h内把糖化液75m3冷却降温至65℃高峰用水量=4660.86÷（6630.31+365.16）×75000×1.12÷3=16656.71kg/h每日同时糖化罐=2.69×24÷30=2.15每日水用量=16656.71×3×2.15=107435.78kg/d=107.4t/d

第六章主要设备选型6.1发酵罐简介产色氨酸的谷氨酸棒杆菌为好氧菌，因此发酵类型为好氧发酵，则所用发酵罐为通气发酵罐，本次工厂设计选用的是体积为120m3的六弯叶型发酵罐。在选择相对应的所需发酵设备时，必须要按照如下的原则：结构整体缜密、罐体达到指定强度以及使用寿命、内部零件合理且有良好混合搅拌性能、能使物质运输和气体排出有效进行、罐内有足够的热交换面积、具有良好的密封性能确保灭菌操作的顺利进行。此次发酵罐材质为碳钢。首先搅拌器作为发酵设备中的主要装置。通过进行机械搅拌，可以使培养基的成分和空气以及菌丝得到充分的混合，从而达到传质传热效果[7]。目前市场上的搅拌器分为三种规格：直叶型、弯叶型还有箭叶型。与传统的直叶片型搅拌器相比，弯叶片型搅拌器在规格的条件下，功耗更小，效果更好。因此目前已在国内广泛使用。同时为了进一步提高搅拌效率，本次设计在槽内安装了挡板。罐内是否有挡板会影响发酵蒸汽的分布情况。根据测量的数据来看，增加和减少的挡板和叶宽度的变化大小，一般使用4-6块挡板、板宽区间为1/12-1/10，是最适合提高搅拌效率[6]。表6-1发酵罐的基本指标发酵罐各项尺寸发酵罐各项质量发酵罐设计直径3.5m发酵罐罐体质量25.08t发酵罐设计的容积120m3平均封头质量2.71t发酵罐罐体高度10m发酵罐总重30.5t封头高度0.05m列管的总重量3.27t厚度0.024m平均封头容积6.61m3列管的总长度318.6m6.2种子罐简介种子罐的体积初步设计为12m3，虽然种子罐体积较小，占地面积不高，而且由很高的洁净度要求，因此材质上面一般采用市面上的工业A3钢，同时为了避免染菌，选用夹套式蒸汽加热。表6-2种子罐的基本指标种子罐各项尺寸种子罐各项质量种子罐设计直径1.7m种子罐罐体质量15.38t种子罐设计的容积12m3平均封头质量0.36t种子罐罐体高度5.1m发酵罐总重16.10t封头高度0.04m列管的总重量0.32t厚度0.014m平均封头容积0.734m3列管的总长度45.24m6.3其他设备的设计（1）调浆罐：性质耐高温，调浆罐的体积初步设计为20m3；搅拌器为涡轮弯叶型搅拌器。本次设计4个调浆罐，其中1个作为备用。（2）维持罐：设计为圆柱型，径高比保持在5：1，初步设计为3个，通过串联的形式进行联结。（3）连续消除塔：采用两段加热型混合式连续消除塔。由于培养基在连消塔的时间通常是20~30s，因此设计长度一般是1.5m左右。（4）糖化罐：糖化罐的体积初步设计为100m3，罐体的材质选择A3玻璃钢，与调浆罐搅拌器的搅拌形式一样，选用涡轮弯叶型搅拌器。（5）板框压滤机：作为工艺流程的重要一环，本次设计采用的是明流型板框压滤机。板框数为60块（精细过滤），因此它的过滤面积可以达到40m2，框内选用0.64m×0.64m的正方形尺寸，厚度为0.025m。通过计算可知，滤块的数目=40÷（0.64×0.64×2）=48块，则滤板的数目为47块，板框压滤机的总体积V=0.64×0.64×0.025×48=0.49m3。（6）连续热量喷射液化器：本次设计选用中压型热量喷射器，一般每小时的处理量在15～50m3之间。（7）清洗罐：清洗罐的体积初步设计为20m3，材质选用A3不锈钢。（8）离子交换柱：离子交换柱是将一定比例的阳离子交换树脂和阴离子交换树脂在同一交换装置中混合，对流体中的离子进行交换和吸附。近年来随着反渗透制备和EDI(ElectronicDataInterchange)工艺的完善和发展，使得离子交换水处理设备操作的缺点更加突出，所以限制了其进一步的应用。实验室的离子交换柱材质通常是有机玻璃，这有利于观察树脂和洗脱液的吸附情况，有利于实验数据的记录和处理。而在工业上使用的大型离子交换设备的材质通常是是碳钢内衬环氧树脂与工业橡胶[5][6]。6.3设备一览表表6-1主要的生产设备序号主要设备设备作用规格数量（个）类型1发酵罐主要生产设备120m34弯叶型2调浆罐20m34（1备用）涡轮弯叶型搅拌器3维持罐径高比5:134连消塔高度1.5m1两段加热型混合式5糖化罐100m31涡轮弯叶型搅拌器6板框压滤机过滤设备0.49m348明流型板框压滤机7连喷液化器1中压型热量喷射器8清洗罐清洗设备20m310不锈钢9离子交换柱提取设备1有机玻璃、环氧树脂

第七章车间设计7.1糖化车间7.1.1糖化工艺的选择糖化工艺主要是利用双酶法，即淀粉酶和糖化酶来催化生产葡萄糖，这种方法一i到那个程度上可以提高淀粉与产物之间的转化率以及浓度，从而可以提高糖液的质量，因此是市场主流的制糖方法。7.1.2糖化车间工艺流程图图7-1糖化的工艺流程7.2发酵车间7.2.1发酵技术简介糖化车间最终配制好的一系列糖化液以及淀粉产物，首先按照发酵要求加入到培养基当中。此时的培养基经过灭菌后，再经过冷却到室温后方可接种。接种时，先经过一级和二级种子两轮扩增菌株，待菌株的活性和数量达到发酵要求后，按照2%的接种量进入发酵罐进行发酵，发酵时间通常为两天（约为45h）。7.2.2工艺流程图图7-2发酵流程图7.3提取车间7.3.1提取工艺简述为了提取目标产品，需要采用合理的提取方法来提高色氨酸的提取率，这样既可以提高目标产品的产率，同时也可以降低成本。色氨酸是人类和动物生命代谢活动中必需的八种氨基酸之一，在人类和动物的生长和代谢中起着重要作用。色氨酸的生产方法有很多，其中发酵是最有前途的一种。因此，采取有效措施提高其提取率是一个迫切需要解决的问题[8]。本次设计中的提取工艺是先将色氨酸发酵液与阴离子聚丙烯酰胺絮凝，过滤或离心来除去细菌和外源蛋白。有关文献指出，为了从其它氨基酸中分离L-色氨酸，总结并分析出了14种树脂的实验结果。结果表明:003×7强酸性阳离子交换树脂在pH6~8、流速1mL/min、室温条件下对色氨酸的吸附效果最好。上清液经003×7阳离子交换树脂柱，以0.025mol/L和2mol/L的NH3·H20梯度洗脱，经过结晶浓缩后再用浓度为60%的乙醇溶解，用D3012阴离子交换树脂在每分钟2ml的流速下进行脱色溶解，收集流出液后进行减压浓缩。最后加入30%的无水乙醇，在4℃静置24h后进行真空干燥，最终可以得到完整的色氨酸晶体。计算得到的总产率约为68%，纯度96%[8]，因此本次设计也引用此实验参数和方法。7.3.2色氨酸提取过程控制（1）板框过滤板框过滤器通常有四个输入管，分别是进料管、空气管、清水管和弱酸性色氨酸水管。其操作流程如下:(1)首先按下阀门关闭其他的3条管道，将发酵液泵入进料管道过滤，完成后将蒸汽引入空气管道，将发酵液加热至70℃左右；(2)过滤后，通入空气进行压滤；(3)通入轻质色氨酸水冲洗；(4)第二次通入空气压滤；(5)最后使用清水冲洗，过滤后的弱酸性水再流入步骤3进行重复过滤。（2）离子交换首先，色氨酸发酵液以一定的流速流过离子交换树脂柱，然后返回树脂柱再吸附，从而使大部分色氨酸（68%）吸附。与此同时，色氨酸发酵液中的大部分残留微生物在树脂柱中变性，这些物质被吸附保留在树脂上，而发酵液中的大部分微生物与废水一起从树脂柱的下部流出。上述操作完成后，从树脂的柱底部以一定流速用水进行反洗，使附着在树脂上的凝集微生物漂出来并被除去。（3）浓缩结晶经过交换柱后的洗脱液通过浓缩系统进行浓缩，从而进一步提高了洗脱液的浓度，然后泵入夹套式结晶罐。通过结晶罐中的乙二酸将酸碱度调节至5.9（约为色氨酸的标准等电点），然后引入冷却水进行结晶[9]。（4）干燥包装将色氨酸晶体及洗脱液放置到离心机上进行离心，然后将离心后的高纯度晶体送至烘箱干燥，得到纯度为96%的色氨酸产品。然后根据工厂销售部的方案进行各种规格的包装。[9]。7.3.2提取工艺流程图图7-3色氨酸提取工艺流程图

第八章工程资金概算8.1全厂定员本次工厂设计的人员安排按照一年300天的工作日来进行计算。根据色氨酸生产的特点，糖化、发酵和提取这些比较重要的车间一般安排工人按三班制工作，同时定期进行维护。包装车间一般是两班制，可以根据客户订单进行轮休，工厂维修部门为两班制，比较重要的动力部门是三班制，确保动力来源的稳定，生活保障部门一般为两班制，主要的管理员都是安排在白班，晚上会安排轮流管理人员值班。综上有111名工人，约64名管理和技术人员，总计175名员工。表8-1人员构成表序号车间部门管理人员工程技术人员工人合计1维修部门2120142生产车间1018681083包装车间2820304动力部门2813235生活保障部门2010126全厂合2投资概算本次设计的工程项目预计需要场地约40000m2，初步预算中的固定资产投资为8000万，主要用于购置发酵罐、糖化罐、调浆罐、板框压滤机、连喷液化器等主要发酵设备，通过发酵、糖化以及过滤三大工艺和300天的工作日，从而具备每年生产2000吨色氨酸的能力。精制品包装销售按市场价每千克300元，预计每年的利润有6亿左右，因此具有不错的经济效益。8.2.1固定资产计算说明1.土地开发费：根据徐州市土地开发有关文件，由于开发的土地面的达到40000m2，按照每平方米500元的费用，计算可知土地开发费有2000万元。2.工程费：根据以往的同类工程项目给出的工程费公示表，进行初步计算后大约需要2000万元。3.主要发酵设备购置费：主要设备根据市场价格设计，并且参照二级市场相同类型的设备价格进行计算，同时也参考了中国工程建设机电设备有关文件来确定最终的价格。安装以及设施搬运费按照同类工程计算。全部费用预估总价8000万元，主要发酵设备价格6800万元。4.环境保护费：根据徐州市环保局推出的相关文件，初步估算200万元；5.其他费用：此项费用较杂，其中包括人员支出费、办公装修费、家具购置费等。人员支出费主要是技能培训费用，按项目平均每个新入职的工人2000元计算，总价格达到22.2万元；办公装修费以及家具费用按照平均每人1000元计算为175万元。工程上的其他费用预估500万元；。综上所述，固定资产的初步计算总计12800万元。其中主要发酵设备购置费用8000万元。8.2.2流动资金计算说明1.原材料贮存的周期根据以往的同类工程项目，平均约为20天，包装所需材料以及工程辅料由于单批次需求量不多，而多次出发采购又需要考虑很多不必要支出费用，因此按照60天来计算所需的周转天数。2.产品周转天数=生产周期=4天（按照本次工厂设计的工艺流程）。3.产品储存周期=资金周转周期=15天4.客户支付账款的周转天数=45天综上，通过相关公式计算得知，实际的流动资金总计大约是1500万元8.3经济效益以及利润分析通过查找有关的互联网数据和二级市场数据，色氨酸的生产成本预估是每吨10万元，如果工厂的产品价格按照当今中国市场的平均价格大约是每吨30万元。可以计算得出，倘若工厂能够年产2000吨纯度为96%的色氨酸，年收入预估可以达到4亿。1.员工薪酬：将所有员工以及管理人员的薪酬进行计算，平均每人的月工资约为6000元，那么总计175名员工一年之中需要支付的工资=175×6000×12=12600000元，算上年终奖和员工表彰奖等一系列的额外奖金，总计需要支出1亿3000万元。2.动力能源费用：按徐州市物价局制定的相关标准并且根据以往的同类工程项目进行计算，水、电费总计每年需要支出约1000万元。3.企业税收：按照《中华人民共和国税收法》等有关法律法规计算，企业税收按照每年总收入20%来计算，总计为8000万元。4.企业相关的其他花费：这里计算为2000万元。8.4经济指标一览综上所述，本次设计的工厂总计固定资产需要支出8000万，流动资金支出1500万，有关的经济指标如下所示：表8-2色氨酸生产的相关指标一览表名称指标名称指标年生产规模（t）2000固定资产支出（万元）8000年生产天数（d）300税收（万元）8000日产量（t）6.68环境保护费（万元）200每千克成本（元）100员工薪酬（万元）13000每千克价格（元/）300动力能源费用（万元）1000征地面积（m2）40000

第九章结论本次工厂设计根据L-色氨酸的生产工艺流程，利用基因重组后的谷氨酸棒杆菌的微生物直接发酵法生产L-色氨酸，并对总体工厂选址、车间、资金进行计算和设计。但是进入21世纪以来，中国内地具有较大的氨基酸生产效能的企业并不算很多，因此在进行经济效益估算时可以拿来比较的方案实在有限。但是，我国的微生物发酵法生产色氨酸市场的迅猛发展，随着十九届五中全会的胜利召开，进入2020年即将启航的“十四五”时期，如何加快转变经济增长方式，符合美丽新中国的建设，使企业步入“两大”循环的春风中的相关问题。新型绿色高效的生产技术的研发、应用、延伸等一系列问题必将会成为行业内部的企业今后关注的焦点。改革开放以来的工厂创办的历史经验证明，生产核心技术以及工艺流程与时俱进与否，基本决定了一个企业的竞争力和生命力。因此对于一个新兴企业来说，全面地洞悉国内外同行采用的技术工艺及技术研发，并了解国内对于相关企业所落地的政策，对于准确把握自身竞争实力，提升自身技术所具备的竞争优势具有十分重要的影响[10]。2010年在中国氨基酸及蛋白原料产业发展高层论坛上，根据企业代表希杰生物的部长金喆河做出的报告分析可知，2003年全球对于色氨酸需求在1180吨，然而到达2009年这个数据报告就达到了3500吨，年均增长率保持在16.8%并有进一步发展的趋势，在此基础上预测2010年需求量在4250吨。与此同时，作为全球氨基酸生产龙头企业，日本味之素公司通过分析相关客户数据得出的报告预测，显示从2010以后全球的色氨酸需求量将增长到25%，并且呈递增趋势[13]。国内的氨基酸生产企业博亚和讯统计，2003年国内内地的色氨酸购买量为130吨，至2009年时这个数据已经翻了3倍，达到了400吨，由此计算出的年平均增长率在17.4%左右，增长率与全球增长水平基本持平。2009年是中国色氨酸生产的一个转折点，从这年起中国开始了较大规模投产色氨酸。截至目前国内主要生产色氨酸的厂家有河南巨龙生物、浙江升华拜克、山东鲁抗医药、长春大成集团、梅花生物科技等企业[12]，如今2019年全球色氨酸的生产总值已经达到了62亿，预计到2026年将会达到155亿[14]。据可靠资料显示，目前色氨酸国内医药市场的需求超过50吨/年，若售价低于30万元/吨