年產(chǎn)140噸L絲氨酸反應(yīng)與分離車間的工藝設(shè)計(jì)

1、 學(xué)號(hào): 課 程 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)課程名稱： 生物工程設(shè)備與工藝設(shè)計(jì) 題 目： 年產(chǎn)140噸l-絲氨酸反應(yīng)與分離車間的工藝設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 院（系）： 制藥與生命科學(xué)學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí)： 生工111 指 導(dǎo) 教 師： 王利群 專業(yè)技術(shù)職務(wù)： 副教授 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014 年 12 月 8 日 2014 年 12 月 22 日生物工程設(shè)備與工藝設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書制藥與生命科學(xué) 學(xué)院 生物工程 專業(yè) 111 班 史桂萍 同學(xué)：現(xiàn)下達(dá)給你們畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)如下，要求你們?cè)陬A(yù)定時(shí)間內(nèi)完成此項(xiàng)任務(wù)。一、設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)140噸l-絲氨酸反應(yīng)與分離車間的工藝設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)主要內(nèi)容： 1、針對(duì)產(chǎn)品的要求進(jìn)行工

2、藝流程的設(shè)計(jì)（查閱資料，補(bǔ)充必要數(shù)據(jù)）； 2、工藝計(jì)算（物料衡算、能量衡算）； 3、設(shè)備的計(jì)算和選型；4、繪制帶控制點(diǎn)工藝流程圖（3號(hào)圖紙）。三、生產(chǎn)條件（包括年操作日、生產(chǎn)方式及其它限制性條件）發(fā)酵結(jié)束后收集菌體，菌體沉淀中加入蒸餾水制成菌懸液，細(xì)胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，終濃度為2 mmol/l），37溫育24h。然后加入四氫葉酸（終濃度為25 mmol/l）、甘氨酸（終濃度為2 mol/l）、37%的甲醛溶液（終濃度為50 mmol/l）進(jìn)行酶反應(yīng)72h，反應(yīng)結(jié)束時(shí)甘氨酸和絲氨酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到平衡，即各為1 mol/l。分離工藝：反應(yīng)液先經(jīng)離子交換罐提取產(chǎn)物，然后將洗脫液經(jīng)膜式蒸發(fā)

3、器蒸發(fā)，濃縮液中加入2.5倍體積無水乙醇進(jìn)行結(jié)晶，晶體（濕含量15%）干燥得到產(chǎn)品。設(shè)離子交換罐上樣體積為v，則洗脫液ph=2的hcl體積為4v，其中含l-絲氨酸的洗脫液體積為v，洗滌水用量為4v，再生液1m naoh溶液用量為4v，膜式蒸發(fā)濃縮比為3，分離得率為77%。反應(yīng)罐攪拌轉(zhuǎn)速120 rpm，反應(yīng)液密度為1050 kg/m3，粘度為0.1 pa·s。年操作日300天，生產(chǎn)裕度為20%。水蒸氣138，冷卻水進(jìn)出口溫度根據(jù)實(shí)際情況確定。四、設(shè)計(jì)中主要參考資料（包括參考書、資料、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)等）1、 國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編. 化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社

4、，19962、 沈自法，唐孝宣編.發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)m.上海：華東理工大學(xué)出版社，20043、 陳國(guó)豪主編.生物工程設(shè)備m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20074、 梁世中主編.生物工程設(shè)備m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20025、 陳敏恒等編.化工原理m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004目 錄1. 概述11.1 產(chǎn)品概述11.1.1 l-絲氨酸生產(chǎn)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況11.1.2 用途與發(fā)展前景11.2 設(shè)計(jì)概述21.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)21.2.2 設(shè)計(jì)規(guī)模和范圍21.2.3 指導(dǎo)思想22 原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格32.1 生產(chǎn)原料（天）32.2 產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格33 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述33.1 反應(yīng)過程33.

5、2 離子交換層析過程43.3 濃縮過程43.4 結(jié)晶過程43.5 過濾干燥過程44 工藝計(jì)算44.1 物料衡算44.1.1 反應(yīng)器54.1.2 離子交換罐54.1.3 濃縮罐54.1.4 結(jié)晶罐54.1.5 干燥器54.2 能量衡算64.2.1 濃縮罐64.2.2 冷凝器75 主要設(shè)備的計(jì)算75.1 反應(yīng)罐75.2離子交換罐的計(jì)算85.3膜式蒸發(fā)器85.4結(jié)晶罐105.5干燥器105.6儲(chǔ)罐115.7泵的選型126 個(gè)人總結(jié)127 參考文獻(xiàn)138 致謝14年產(chǎn)380噸l-絲氨酸反應(yīng)與分離車間的工藝設(shè)計(jì)1. 概述1.1 產(chǎn)品概述1.1.1 l-絲氨酸生產(chǎn)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況絲氨酸是一種重要的生化試

6、劑和藥劑，在氨基酸輸液和氨基酸膠囊以及多肽合成等方面發(fā)展迅速。同時(shí)絲氨酸的衍生物也具有優(yōu)良的藥用和生物活性，如-取代絲氨酸被應(yīng)用于設(shè)計(jì)胎，而且是免疫抑制isp（多球殼菌素myriocin，嗜熱菌殺酵母素thermozymocidin）和免疫激活劑，神經(jīng)鞘真菌素e等生物活性物質(zhì)的有效組成部分；l-絲氨酸常用于治療腫瘤。其生產(chǎn)方法主要有蛋白質(zhì)水解法、發(fā)酵法、化學(xué)法和酶法，其中酶法是現(xiàn)在研究絲氨酸制備的重要方法。目前l(fā)-絲氨酸生產(chǎn)水平還較低，在世界氨基酸生產(chǎn)行業(yè)中l(wèi)-絲氨酸是工業(yè)生產(chǎn)難度較大的氨基酸。日本用前體發(fā)酵法生產(chǎn)l-絲氨酸，在1969年產(chǎn)量為4t，在1990年70t，在1996年100t。2

7、002年280t。中國(guó)以前大多采用蛋白質(zhì)水解法提取，然而分離困難，始終未能形成生產(chǎn)規(guī)模。四川南充藥廠生產(chǎn)是用發(fā)酵法，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，收率低也不宜推廣應(yīng)用。而湖北八峰藥化采用酶促法轉(zhuǎn)化生產(chǎn)l-絲氨酸，2003年3月建成一條年產(chǎn)50t的生產(chǎn)線，產(chǎn)酸量及轉(zhuǎn)化率均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1.1.2 用途與發(fā)展前景 l-絲氨酸是一種對(duì)生物體有重要生理作用的氨基酸，在醫(yī)藥、食品、化妝品中均有較為廣泛的應(yīng)用。絲氨酸在人體中由糖代謝中間產(chǎn)物3-磷酸甘油反應(yīng)生成。工業(yè)上則是由蠶絲水解法、發(fā)酵法、化學(xué)合成法和酶法制備得到。絲氨酸是一種非必需氨基酸，它在脂肪和脂肪酸的新陳代謝及肌肉的生長(zhǎng)中發(fā)揮著作用，因?yàn)樗兄诿庖哐蛩睾?/p>

8、抗體的產(chǎn)生，維持健康的免疫系統(tǒng)也需要絲氨酸。絲氨酸在細(xì)胞膜的制造加工、肌肉組織和包圍神經(jīng)細(xì)胞的鞘的合成中都發(fā)揮著作用。1. 醫(yī)藥原料：l-絲氨酸廣泛用于配置第三代復(fù)方氨基酸輸液和營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑，并用于合成多種絲氨基酸衍生物，如心血管 、抗癌、艾滋病新藥及基因工程用保護(hù)氨基酸等；2.食品：l-絲氨酸用于運(yùn)動(dòng)飲料 、氨基酸減肥飲料等；3.飼料：l-絲氨酸用于動(dòng)物飼料，可促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育；1.2 設(shè)計(jì)概述1.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）依據(jù)與工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝相關(guān)的各種資料。如化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（2）gb/t 501032001 總圖制圖標(biāo)準(zhǔn)（3）gb5018793 工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范（4）gb 12348

9、90工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)（5）化工原理（6）生物工藝原理（7）生物工程設(shè)備1.2.2 設(shè)計(jì)規(guī)模和范圍（1）l-絲氨酸反應(yīng)與分離車間的工藝設(shè)計(jì)（2）主要設(shè)備的計(jì)算和選型（3）帶控制點(diǎn)的工藝流程圖（4）主要設(shè)備圖1.2.3 指導(dǎo)思想發(fā)酵工程是用來解決按發(fā)酵工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的工程學(xué)問題的學(xué)科。發(fā)酵工程從工程學(xué)的角度把實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工藝的發(fā)酵工業(yè)過程分為菌種、發(fā)酵和提煉（包括廢水處理）等三個(gè)階段，這三個(gè)階段都有各自的工程學(xué)問題，一般分別把它們稱為發(fā)酵工程的上游、中游和下游工程。發(fā)酵工程的三個(gè)階段均分別有它們各自的工藝原理和設(shè)備及過程控制原理，它們一起構(gòu)成發(fā)酵工程原理。 千百年，特別是最近幾十年的發(fā)酵工業(yè)生

10、產(chǎn)的實(shí)踐證明：微生物是發(fā)酵工程的靈魂。近年來，對(duì)于發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)愈益明朗化，發(fā)酵工程正在走近科學(xué)。 從生物科學(xué)的角度重新審視發(fā)酵工程，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工程最基本的原理是其生物學(xué)原理，而前述的發(fā)酵工程原理均必須建立在發(fā)酵工程的生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上。因此，發(fā)酵工程的生物學(xué)原理是發(fā)酵工程最基本的原理，并且可以把它簡(jiǎn)稱為“發(fā)酵原理”。2. 原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格2.1 生產(chǎn)原料（天）氫氧化鈉溶液 濃度1mol/l鹽酸 ph=2 無水乙醇 去離子水 717型離子交換樹脂 含l-絲氨酸的洗脫液 2.2 產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格生產(chǎn)規(guī)模：140噸/年生產(chǎn)方法：發(fā)酵結(jié)束后收集菌體制成反應(yīng)液 ，717型離子交換

11、樹脂 ， 離子交換層析后，進(jìn)行濃縮，之后添加乙醇結(jié)晶，過濾干燥生產(chǎn)天數(shù)：300天生產(chǎn)周期：1天生產(chǎn)方式：間歇生產(chǎn)3. 生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 本設(shè)計(jì)采用離子交換層析對(duì)兩種氨基酸（l-絲氨酸和l-甘氨酸）進(jìn)行分離。 基本流程：反應(yīng)液離子交換層析濃縮結(jié)晶過濾干燥產(chǎn)品3.1 反應(yīng)過程發(fā)酵結(jié)束后收集菌體，菌體沉淀中加入蒸餾水制成菌懸液，細(xì)胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，終濃度為2mmol/l），37溫育24h。然后加入四氫葉酸（終濃度為25mmol/l）、甘氨酸（終濃度為2mol/l）、37的甲醛溶液（終濃度為50mmol/l）進(jìn)行酶反應(yīng)72h.3.2 離子交換層析過程采用717型離子交換樹脂，將其裝入離子

12、交換罐，保證其密實(shí)。然后用氫氧化鈉水溶液處理（溶液濃度為1m）使離子交換柱呈堿性，處理完之后上樣。上樣后，l-絲氨酸和l-甘氨酸吸附在交換樹脂上，可用酸性溶液洗脫，本設(shè)計(jì)采用ph=2的hcl溶液洗脫，洗脫前需要用去離子水洗滌，最終可得含l-絲氨酸的洗脫液。（得率92%）3.3 濃縮過程 離子交換層析完畢后，對(duì)料液進(jìn)行濃縮。采用蒸汽加熱，可將料液濃縮至原體積的1/3，（得率92%）3.4 結(jié)晶過程待濃縮液冷卻后，加入無水乙醇，使l-絲氨酸結(jié)晶。（得率91%）3.5 過濾干燥過程最后過濾干燥可得產(chǎn)品476kg/天。年操作日為300天。4. 工藝計(jì)算反應(yīng)工藝：發(fā)酵結(jié)束后收集菌體，菌體沉淀中加入蒸餾水

13、制成菌懸液，細(xì)胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（plp，終濃度為2mmol/l），37溫育24h。然后加入四氫葉酸（終濃度為25mmol/l）、甘氨酸（終濃度為2mol/l）、37的甲醛溶液（終濃度為50mmol/l）進(jìn)行酶反應(yīng)72h，反應(yīng)結(jié)束時(shí)甘氨酸和絲氨酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到平衡，即各為1mol/l。反應(yīng)罐攪拌轉(zhuǎn)速120rpm，反應(yīng)液密度為1050kg/m3，粘度為0.1pa*s分離工藝:上樣的體積為v，已知naoh溶液用量為4v，hcl溶液的用量為4v，洗滌水用量為4v，含l-絲氨酸的洗脫液體積為v。將含l-絲氨酸的洗脫液濃縮液濃縮至原體積的1/3，加入2.5倍體積的無水乙醇，將晶體（濕含量15%）離心

14、烘干，l-絲氨酸的分離得率為77%。年操作日300天，生產(chǎn)方式：間歇生產(chǎn)。水蒸氣138，冷卻水由27進(jìn)，37出。4.1 物料衡算離子罐的上樣體積為v，已知naoh溶液用量為4v，hcl用量為4v，洗滌液用量為4v，其中含l-絲氨酸的洗脫液體積為1v。將含l-絲氨酸的洗脫液濃縮液濃縮至原體積的1/3，加入2.5倍體積的無水乙醇，將晶體（濕含量15%）離心烘干，l-絲氨酸的分離得率為77%。年操作日300天生產(chǎn)裕度為20%。4.1.1 反應(yīng)器反應(yīng)液體積v=2077922l5-磷酸吡哆醛的量為：四氫葉酸的量為：甘氨酸的量為： 37的甲醛的量為：4.1.2 離子交換罐v總=140000000×

15、;（1+20%）÷77%÷1÷105=2077922l每天的上樣體積v=2077922÷300=6.9m3離子交換樹脂的用量：洗滌水用量v水=4v=27.6m34.1.3 濃縮罐v絲，縮=1/3v絲=1/3×6.9=2.3m34.1.4 結(jié)晶罐v乙醇=2.5×v絲，縮=2.5×2.3=5.75m34.1.5 干燥器設(shè)干燥后含水量為0%m絲=2077922÷300×105×1×0.92=669kgm絲氨酸=669.09×0.92=615kg濕物料的質(zhì)量g1=615×0

16、.91=560kg，含水量為15%，干物料的質(zhì)量g2=560×（1-15%）=476kg。干燥過程去除的水分w=g1-g2=560-476=84kg4.2 能量衡算查表：4.2.1 濃縮罐采用膜式蒸發(fā)器（加熱蒸汽為138）根據(jù)能量守恒定律得：其中： 代入公式：4.2.2 冷凝器假定物料冷卻至37根據(jù)能量守恒定律得：其中：5. 主要設(shè)備的計(jì)算5.1 反應(yīng)罐功率：校正：（m=2）5.2離子交換罐的計(jì)算選擇反吸附離子交換罐已知離子交換樹脂總體積 離子交換罐高徑比（h/d）為h/d=3樹脂層高度占圓筒高度的60%，即5.3膜式蒸發(fā)器1.設(shè)計(jì)一套升膜真空蒸發(fā)器的流程2.蒸發(fā)器的換熱面積和列管的

17、極數(shù)與長(zhǎng)度蒸發(fā)溫度60，由60查其飽和蒸汽壓強(qiáng)為149.4mmhg（1mmhg=133.322pa）相對(duì)真空度=760-149.4=610.6mmhg。設(shè)計(jì)進(jìn)料溫度低于沸點(diǎn)34，進(jìn)料溫度60-4=56加熱段面積f1）蒸發(fā)水量ve及其發(fā)段的面積f2q2=vee 查得60時(shí)水的汽化潛熱為2355.2kj/kg列管的根數(shù)與長(zhǎng)度選用Ø25×2.5不銹鋼管3.分離器的直徑和結(jié)構(gòu)尺寸氣-液分離器的直徑d取進(jìn)氣口氣速 根據(jù)氣-液分離器的結(jié)構(gòu)比例，設(shè)計(jì)為：氣液分離器直徑二次蒸汽出口二次蒸汽進(jìn)口圓筒部高度圓錐部高度5.4結(jié)晶罐所以結(jié)晶罐所需容積結(jié)晶罐所需體積為8944l分10次結(jié)晶，每次需體

18、積894.4l結(jié)晶罐高徑比（h/d）為3，即h/d=3 5.5干燥器已知日產(chǎn)絲氯酸560kg（含15%結(jié)晶水）處理量為600kg/h,加熱蒸汽138，傳熱系數(shù),加熱管采用Ø25x2.5不銹鋼雙錐回轉(zhuǎn)真空干燥器szg-75加熱面積電機(jī)功率2.2kw，全容積750l5.6儲(chǔ)罐采用鋼制立式圓筒形固定頂儲(chǔ)罐1m naoh 8280m3ph=2 hcl 8280m3洗滌水用量 8280m3含l-絲氨酸的洗脫液 2077.922m3乙醇的用量 1725m3一次裝15天的用量，裝料系數(shù)90%查表得：naoh，hcl，洗滌水都用型號(hào)為hg 21502,1-92-214，儲(chǔ)罐內(nèi)徑8920mm，公稱體積

19、為500，計(jì)算體積為550，罐壁，拱頂分別為8920mm，972mm的罐，材料q235-a,f另外，裝hcl的罐需要內(nèi)置防腐結(jié)構(gòu)。洗脫液用型號(hào)為hg 21502,1-92-200，儲(chǔ)罐內(nèi)徑6550mm，公稱體積為200，計(jì)算體積為220，罐壁，拱頂分別為6550mm，700mm的罐，材料q235-a,f乙醇用型號(hào)為hg 21502,1-92-100，儲(chǔ)罐內(nèi)徑5200mm，公稱體積為100，計(jì)算體積為110，罐壁，拱頂分別為5200mm，554mm的罐，材料q235-a,f5.7泵的選型反應(yīng)罐離子交換罐 流量為6.9÷0.5=13.8/,選用ih50-32-200,離子交換罐濃縮罐 流

20、量為6.9÷0.5=13.8/,選用ih50-32-200濃縮罐結(jié)晶罐 流量為2.3÷0.5=4.6/，選用ih50-32-125naoh加料泵 ;h儲(chǔ)罐=9.9m 選用ih65-32-125hcl加料泵 ;h儲(chǔ)罐=9.9m 選用ih65-32-125去離子水加料泵 h儲(chǔ)罐=9.9m 選用ih65-32-125洗脫液加料泵 ；h儲(chǔ)罐=7.3m 選用ih50-32-125乙醇加料泵 ；h儲(chǔ)罐=5.8m 流量為 5.75÷0.5=11.5 m3/h 選用ih50-32-1256. 個(gè)人總結(jié)兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識(shí)，也培養(yǎng)了我如何

21、去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設(shè)計(jì)過程中，與同學(xué)分工設(shè)計(jì)，和同學(xué)們相互討論，相互學(xué)習(xí)，相互監(jiān)督。學(xué)會(huì)了合作，學(xué)會(huì)了運(yùn)籌帷幄，學(xué)會(huì)了寬容，學(xué)會(huì)了理解，也學(xué)會(huì)了做人與處世。課程設(shè)計(jì)是我們專業(yè)課程知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)，從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過程，“千里之行始于足下”，通過這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古名言的真正含義，我今天認(rèn)真的進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過這次設(shè)計(jì)，本人在多方面都有所提高。通過這次設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)所學(xué)課程的理論和實(shí)際生產(chǎn)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)工作的實(shí)際訓(xùn)練，從而培養(yǎng)和提高學(xué)生獨(dú)立工作能力，鞏固了課程所學(xué)的內(nèi)容，掌握設(shè)計(jì)的方法和步驟，提高了計(jì)算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)各科相關(guān)的課程都有了全新的復(fù)習(xí)，獨(dú)立思考的能力也有了提高。懂得了在以后的學(xué)習(xí)中不能單純的機(jī)械的接受課本上的理論知識(shí)，而要帶著思考如何將所學(xué)的用于生產(chǎn)實(shí)踐中?？偠灾?，我總結(jié)了一句話：學(xué)會(huì)思考，提出問題，設(shè)計(jì)