【年產(chǎn)2000噸色氨酸發(fā)酵工廠的計(jì)算與設(shè)計(jì)（附布置圖流程圖）15000字（論文）】

年產(chǎn)2000噸色氨酸發(fā)酵工廠的計(jì)算與設(shè)計(jì)摘要色氨酸是不可或缺的八種人體必需的氨基酸之一，對(duì)人體的生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)有重要調(diào)節(jié)作用。鑒于不能自我合成，因此在人體中有十分重要的調(diào)節(jié)作用。由于目前色氨酸市場(chǎng)需求量較高，決定設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn)2000噸色氨酸的工廠。本設(shè)計(jì)以谷氨酸棒桿菌為生產(chǎn)菌株，采用微生物深層發(fā)酵法制備L-色氨酸，工藝流程中通過(guò)板框過(guò)濾、三效濃縮、冷卻結(jié)晶、離心烘干的方法，獲得96%的色氨酸產(chǎn)品。本次工廠設(shè)計(jì)對(duì)工藝流程進(jìn)行了物料、熱量和水衡算以及對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行選型，另外進(jìn)行了工資資金核算，因此具有一定的可行性和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)鍵詞：色氨酸發(fā)酵法工藝設(shè)備選型目錄第一章前言 11.1色氨酸簡(jiǎn)介 11.2色氨酸的功能和用途 11.3色氨酸工業(yè)研究進(jìn)展和現(xiàn)狀 11.4色氨酸發(fā)酵機(jī)制 21.5廠址優(yōu)勢(shì) 21.5.1選址依據(jù) 21.5.2選址原則 21.5.3交通條件 31.5.4完善的基礎(chǔ)設(shè)施 3第二章工藝論證 42.1發(fā)酵菌株 42.2培養(yǎng)基配方 42.3無(wú)菌空氣系統(tǒng) 52.4淀粉的液化和糖化 72.4.1調(diào)漿: 72.4.2液化 72.4.3糖化 72.4.4過(guò)濾 72.5培養(yǎng)方法 72.5.1菌種活化 82.5.2種子培養(yǎng) 82.5.3發(fā)酵培養(yǎng) 82.6發(fā)酵參數(shù) 82.6.1溫度 82.6.2pH 92.6.3溶氧濃度 92.6.4菌體濃度 92.6.5發(fā)酵罐壓力 92.6.6基質(zhì)濃度 92.6.7泡沫 92.7總工藝流程 10第三章物料衡算 113.1物料衡算的原理 113.2發(fā)酵參數(shù) 113.3色氨酸發(fā)酵車間的物料衡算 123.3.1兩千千克L-色氨酸發(fā)酵所需原料 123.3.2兩千噸L-色氨酸發(fā)酵生產(chǎn)所需要的原料 133.4糖化車間物料衡算 13第四章熱量衡算 154.1糖化車間熱量衡算 154.1.1液化氣加熱注入所消耗的蒸汽量 154.1.2淀粉含量 154.1.3淀粉漿液的比熱 154.1.4每小時(shí)所需的蒸汽用量 154.1.5蒸汽的高峰用量 154.2發(fā)酵車間的熱量衡算 164.2.1熱量平面流程圖 164.2.2連續(xù)滅菌所用蒸汽量 164.2.3冷卻水的用量 164.2.4發(fā)酵空罐滅菌蒸汽熱量 174.2.5種子罐空罐滅菌蒸汽量 17第五章水平衡 195.1發(fā)酵罐車間用水量 195.1.1配料洗水量 195.1.2冷卻用水量 195.2糖化罐冷卻用水 195.2.1冷卻用水量 19第六章主要設(shè)備選型 206.1發(fā)酵罐簡(jiǎn)介 206.2種子罐簡(jiǎn)介 206.3其他設(shè)備的設(shè)計(jì) 216.3設(shè)備一覽表 22第七章車間設(shè)計(jì) 237.1糖化車間 237.1.1糖化工藝的選擇 237.1.2糖化車間工藝流程圖 237.2發(fā)酵車間 237.2.1發(fā)酵技術(shù)簡(jiǎn)介 237.2.2工藝流程圖 247.3提取車間 247.3.1提取工藝簡(jiǎn)述 247.3.2色氨酸提取過(guò)程控制 247.3.2提取工藝流程圖 26第八章工程資金概算 278.1全廠定員 278.2投資概算 278.2.1固定資產(chǎn)估算 278.2.2流動(dòng)資金估算依據(jù)及辦法 288.3經(jīng)濟(jì)效益初步分析 288.4技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 299.結(jié)論 30參考文獻(xiàn) 32致謝 33附錄 34附錄一：平面車間布置圖 34附錄二：工藝流程圖 35 第一章前言1.1色氨酸簡(jiǎn)介色氨酸，學(xué)名叫β-吲哚基丙氨酸，一般工業(yè)生產(chǎn)品主要成分為L(zhǎng)-2-氨基-3(β-吲哚)丙酸，化學(xué)式為C11H12O2N2，相對(duì)分子質(zhì)量大約為204.2。物理形態(tài)是一種白色偏黃色的結(jié)晶型小球體顆粒，微溶于水而容易直接溶于乙醇、氯仿等有機(jī)溶劑，其立體結(jié)構(gòu)與IAA類似，常在高等植物中充當(dāng)必需的前體物質(zhì)。圖1-1色氨酸的結(jié)構(gòu)式1.2色氨酸的功能和用途色氨酸不僅是人體內(nèi)十分重要的神經(jīng)遞質(zhì)5-HT（5-hydroxytryptamine）的前體，除了參與基礎(chǔ)人體蛋白代謝調(diào)節(jié)之外，還可以合成體蛋白。同時(shí)色氨酸還可以轉(zhuǎn)化成多種激素類物質(zhì)，在腦松果體中經(jīng)過(guò)相關(guān)酶的催化可以生成褪黑素（N-乙酰甲氧基色胺），具有調(diào)節(jié)生物體晝夜節(jié)律和抗氧化等功效。在動(dòng)物營(yíng)養(yǎng)飼料中，目前賴氨酸和甲硫氨酸已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了人工結(jié)晶合成，因此色氨酸的營(yíng)養(yǎng)作用已經(jīng)日益受到了重視并成為了第三大飼料添加氨基酸。另外它對(duì)于動(dòng)物的健康生長(zhǎng)和發(fā)展、新陳代謝也具有重要的影響，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、防治害蟲等方面也有一定的作用。1.3色氨酸工業(yè)研究進(jìn)展和現(xiàn)狀色氨酸最早時(shí)期主要是依靠化學(xué)法和蛋白質(zhì)酶解法生產(chǎn)。隨著對(duì)微生物法的研究不斷進(jìn)步，微生物發(fā)酵法逐步被應(yīng)用生產(chǎn)色氨酸。并在21世紀(jì)已走向應(yīng)用并且處于行業(yè)主導(dǎo)地位。微生物發(fā)酵法可分為直接發(fā)酵法、轉(zhuǎn)化法和蛋白酶法[1]。直接發(fā)酵法常用微生物主要是谷氨酸棒桿菌和大腸桿菌?，F(xiàn)階段，色氨酸全球年平均產(chǎn)量?jī)H為一萬(wàn)兩千多噸，但在動(dòng)物飼料及添加劑行業(yè)的需求量就達(dá)到數(shù)千噸，市場(chǎng)增長(zhǎng)率超過(guò)12%，導(dǎo)致一定程度上的供不應(yīng)求。在國(guó)內(nèi)隨著疫情色氨酸的價(jià)格也水漲船高，因而不能被群眾廣泛應(yīng)用。但是隨著產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，色氨酸產(chǎn)品將會(huì)成為一種擁有較大潛力并且發(fā)展前景良好的產(chǎn)品。1.4色氨酸發(fā)酵機(jī)制微生物發(fā)酵法菌株選用谷氨酸棒桿菌營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，發(fā)酵機(jī)制中的芳香氨基酸的合成途徑及代謝調(diào)節(jié)機(jī)制如圖所示。其中，在第一個(gè)在分支處傾向于鄰氨基苯甲酸的優(yōu)先合成；在第二個(gè)分支處傾向于對(duì)羥基苯丙酮酸的優(yōu)先合成[2]。圖1-3色氨酸的生物合成及調(diào)節(jié)機(jī)制1.5廠址優(yōu)勢(shì)1.5.1選址依據(jù)年產(chǎn)2000噸色氨酸工廠的選址依據(jù)當(dāng)?shù)厝缦碌姆煞ㄒ?guī)：(1)《中華人民共和國(guó)城市規(guī)劃法》(2)《徐州市土地利用總體規(guī)劃》(2006-2020)(3)《徐州市可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃》(2020-2030)1.5.2選址原則(1)廠址的選擇需要符合徐州市土地利用總體規(guī)劃，必須按照國(guó)家相對(duì)應(yīng)的法律法規(guī)進(jìn)行；(2)充分利用各個(gè)地區(qū)的特點(diǎn)，盡量避開或者克服污染源、人群聚集場(chǎng)所等不利特點(diǎn)；(3)廠房選址應(yīng)布置在地理位置突出、公共基礎(chǔ)設(shè)施較為完善、經(jīng)濟(jì)效益高的位置；(4)根據(jù)原料的產(chǎn)地和運(yùn)輸路線和市場(chǎng)條件，充分兼顧到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，結(jié)合地價(jià)等條件，確定好相對(duì)條件下較為適宜的廠址。1.5.3交通條件徐州位于江蘇省、山東省、安徽省三個(gè)省份的中心區(qū)域，擁有國(guó)內(nèi)第二的鐵路交通樞紐和國(guó)家級(jí)公路樞紐，同時(shí)也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展轉(zhuǎn)型重要城市，因此擁有很好的發(fā)展前景。交通網(wǎng)絡(luò)十分發(fā)達(dá)，臨近膠東半島出?？?、機(jī)場(chǎng)港口和鐵路港口，因此有利于我們選擇便捷實(shí)惠的運(yùn)輸方式將色氨酸產(chǎn)品銷往全國(guó)甚至是歐美日韓等海外國(guó)家。1.5.4完善的基礎(chǔ)設(shè)施在用水方面和用電方面，由于徐州重工業(yè)較為發(fā)達(dá)，歷來(lái)其供水供電能力在全國(guó)都位列前茅。供電廠擁有大功率的發(fā)電裝置，配水廠設(shè)施完備，且徐州政府對(duì)于企業(yè)有一定的用水用電補(bǔ)助，得以降低一部分的成本。第二章工藝論證2.1發(fā)酵菌株選用谷氨酸棒桿菌基因工程菌2.2培養(yǎng)基配方（1）斜面培養(yǎng)基表2-1斜面培養(yǎng)基配方斜面培養(yǎng)基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化鈉(g/L)5瓊脂(g/L)15PH7.0（2）種瓶培養(yǎng)基表2-2種瓶培養(yǎng)基配方種瓶培養(yǎng)基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化鈉(g/L)5葡萄糖(g/L)10pH7.0（3）種子罐培養(yǎng)基表2-3種子罐培養(yǎng)基配方種子罐培養(yǎng)基配方酵母粉(g/L)1檸檬酸鈉(g/L)1.6硫酸銨(g/L)1.2葡萄糖(g/L)1.5七水合硫酸鎂(g/L)1.6七水合硫酸亞鐵(g/L)0.01維生素B1(mg/L)0.1硫酸錳(g/L)0.01pH7.0-7.2（4）發(fā)酵罐培養(yǎng)基表2-4發(fā)酵罐培養(yǎng)基配方發(fā)酵罐培養(yǎng)基配方酵母粉(g/L)1磷酸二氫鉀(g/L)2硫酸銨(g/L)4檸檬酸(g/L)2七水合硫酸鎂(g/L)5葡萄糖(g/L)15一水合硫酸錳(g/L)6.3一水合硫酸鋅(g/L)7.4六水合硫酸鈷(g/L)5.6五水合硫酸銅(g/L)0.01pH7.0-7.22.3無(wú)菌空氣系統(tǒng)谷氨酸棒桿菌在發(fā)酵過(guò)程中需要氧氣，一般以空氣作為氧氣的來(lái)源。由于現(xiàn)實(shí)空氣中存在著大量的有害微生物，如果不經(jīng)過(guò)除菌環(huán)節(jié)微生物會(huì)隨空氣進(jìn)入培養(yǎng)液，在一定的條件下會(huì)大量增殖，與目的菌株相互競(jìng)爭(zhēng)從而消耗營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并產(chǎn)生各種非目的代謝產(chǎn)物，最終會(huì)干擾預(yù)定發(fā)酵的正常進(jìn)行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效能降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹底失敗等嚴(yán)重事故[3]。因此為了確保純種培養(yǎng)，必須將空氣中有害微生物除去，并且能夠保持好相對(duì)濕度和適宜的溫度。由于在設(shè)計(jì)無(wú)菌空氣系統(tǒng)時(shí)要考慮刀介質(zhì)阻力、發(fā)酵靜壓以及管道阻力等影響因素，所以本設(shè)計(jì)采用加壓后的空氣壓縮機(jī)來(lái)進(jìn)行供給。過(guò)濾除菌是當(dāng)今工業(yè)育種中最常用的空氣微生物除菌方法。生物處理中獲得大量無(wú)菌空氣最常用的常規(guī)方法是:一是介質(zhì)之間的孔隙大于微生物的直徑，所以需要有一定厚度的介質(zhì)濾層來(lái)達(dá)到過(guò)濾殺菌的目的，這就叫介質(zhì)過(guò)濾或相對(duì)過(guò)濾。這類過(guò)濾介質(zhì)包括棉、活性炭、玻璃纖維、有機(jī)合成纖維和燒結(jié)材料；然而，其他介質(zhì)的孔比細(xì)菌的小。當(dāng)含有細(xì)菌和其他微生物的空氣通過(guò)介質(zhì)時(shí)，微生物被截留在介質(zhì)上，實(shí)現(xiàn)過(guò)濾滅菌，有時(shí)稱為絕對(duì)過(guò)濾。然而，媒體過(guò)濾是常用的。另外，壓縮、管道輸送和過(guò)濾過(guò)程中空氣壓力和溫度的變化也會(huì)引起空氣相對(duì)濕度的變化。一旦發(fā)生凝結(jié)和水分離，過(guò)濾介質(zhì)就會(huì)吸收水分，這將大大降低過(guò)濾介質(zhì)的滅菌效率。因此，壓縮空氣中可能產(chǎn)生沉淀的水應(yīng)靠近過(guò)濾介質(zhì)前去除。圖2-1選用兩級(jí)冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程第一階段的冷卻可以使大部分水和油變成較大的霧狀顆粒(通常冷卻到30~35℃)；第二級(jí)冷卻可以使空氣沉淀出較小的霧粒(通常冷卻到20~25℃)；第一次分離的目的是分離直徑較大、濃度較大(直徑在0um以上)的霧粒。第二次分離的目的是分離直徑較小(直徑小于5um)的氣溶膠顆粒。這種設(shè)備選型的優(yōu)點(diǎn)是具有相對(duì)完善的空氣消毒工藝，能夠適應(yīng)各種氣候條件，尤其是潮濕地區(qū)。在其他地區(qū)，可以根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r適當(dāng)增加或減少工藝中的設(shè)備。能充分分離油和水，使空氣達(dá)到較低的相對(duì)濕度進(jìn)入過(guò)濾器，提高過(guò)濾效率。此外，其特點(diǎn)包括兩次冷卻、兩次分離和適當(dāng)加熱。二次冷卻可以減少油膜污染對(duì)傳熱的影響，提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻水；油、水和霧可以通過(guò)兩次分離完全分離。適當(dāng)?shù)募訜峥梢詫⒊罂諝獾南鄬?duì)濕度從100%降低到50%~60%[4]。具體流程是對(duì)進(jìn)入空壓機(jī)的空氣進(jìn)行過(guò)濾。過(guò)濾掉粉塵等固體顆粒，對(duì)空壓機(jī)的正常運(yùn)行和介質(zhì)的滅菌有很大的幫助。為了防止往復(fù)式壓縮機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)，需要在過(guò)程中設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)氣罐。最后進(jìn)行無(wú)菌過(guò)濾?？諝鉁缇到y(tǒng)一般采用二級(jí)過(guò)濾裝置，由兩個(gè)總過(guò)濾器(交叉使用)和子過(guò)濾器(每個(gè)發(fā)酵罐)組成，以確?？諝獾臒o(wú)菌性。2.4淀粉的液化和糖化葡萄糖作為原料用于色氨酸發(fā)酵，但所使用的發(fā)酵菌株沒(méi)有分解淀粉的功能，所以在發(fā)酵前要將淀粉水解為葡萄糖。工業(yè)上生產(chǎn)葡萄糖的方法主要有噴霧液化法和雙酶法。工藝流程包括漿液混合、液化、糖化和過(guò)濾。2.4.1調(diào)漿:攪拌速度保持在10-20r/min，加入無(wú)菌水和淀粉原料使淀粉濃度的配比達(dá)到25%，然后升溫到50-55℃，pH保持在6.0-6.5之間，加入耐高溫淀粉α-淀粉酶用量為10u（g淀粉）。2.4.2液化當(dāng)蒸汽進(jìn)入噴射器和維持柱后，通過(guò)預(yù)熱溫度可以達(dá)到90-95℃，隨后淀粉乳被泵入噴射器，然后在噴射器下排出，并引入維持罐當(dāng)中。保持過(guò)程溫度始終在95-98℃之間并持續(xù)至少30分鐘，此時(shí)可以觀察到淀粉乳的碘反應(yīng)呈棕紅色，擴(kuò)散迅速。2.4.3糖化糖化后，淀粉乳冷卻至60-65℃再通過(guò)螺旋換熱器，最終到達(dá)糖化罐。一般使用10%硫酸調(diào)節(jié)pH至4.2-4.5，待pH穩(wěn)定后加入糖化酶。用量為100U。糖化時(shí)間控制再24～48h，DE值在終點(diǎn)前達(dá)到最高值。提前15min將溫度升高到85℃從而滅活酶。2.4.4過(guò)濾由于糖化過(guò)程條件溫和，脂肪和蛋白質(zhì)的基本性質(zhì)不變，因此可用板框壓濾機(jī)過(guò)濾。2.5培養(yǎng)方法本次設(shè)計(jì)使用純度為65%的液態(tài)糖作為碳源，16%的氨水作為氮源，通過(guò)液態(tài)發(fā)酵生產(chǎn)色氨酸。整個(gè)工藝流程大致如下：將接種后的培養(yǎng)基進(jìn)行三級(jí)發(fā)酵，得到發(fā)酵液；發(fā)酵液經(jīng)樹脂柱吸附分析，得到分析溶液；對(duì)分析溶液進(jìn)行一次濃縮、酸化、脫色和過(guò)濾，得到脫色溶液；脫色后的溶液經(jīng)過(guò)二次濃縮、結(jié)晶、離心分離、干燥、全混合、過(guò)篩、包裝得到色氨酸成品[5]。反應(yīng)總方程式為：4C6H12O6+4NH3+O2→2C11H12O2N2+2CO2+18H2OL-色氨酸發(fā)酵工藝包括菌種篩選、種子制備、培養(yǎng)基選擇、種子罐培養(yǎng)、發(fā)酵裝置、無(wú)菌空氣制備、產(chǎn)品分離純化、檢測(cè)、包裝和銷售。采用間歇式糖發(fā)酵工藝，以氨水為氮源，自動(dòng)控制并記錄發(fā)酵溫度、溶解氧、罐壓、風(fēng)量、pH值等參數(shù)，提高產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率。采用國(guó)產(chǎn)優(yōu)良菌株發(fā)酵，采用高效膜過(guò)濾空氣凈化裝置，保證發(fā)酵生產(chǎn)的穩(wěn)定性。發(fā)酵所需的主要設(shè)備有:一級(jí)種子罐、二級(jí)種子罐、發(fā)酵罐、連消系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)。輸入材料為葡萄糖溶液、無(wú)機(jī)鹽和固體培養(yǎng)基(酵母抽提物和檸檬酸三鈉)，出料為色氨酸發(fā)酵液。輸入的物料按照一定的配方進(jìn)行消毒，待消毒結(jié)束后進(jìn)入一級(jí)種子罐、二級(jí)種子罐和發(fā)酵罐[4]。2.5.1菌種活化將從冰箱中冷凍保藏的菌株放置在37℃水浴鍋內(nèi)活化2小時(shí)后，使用接種環(huán)挑取少量菌種，分區(qū)劃線接種到新斜面上，然后在37℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)24h。2.5.2種子培養(yǎng)使用移液槍吸取一定量的無(wú)菌H2O，加入到剛剛活化過(guò)的斜面中，進(jìn)而收集試管的懸液，在1000毫升三角瓶中，加入40克麩皮和40毫升水，混合均勻，在121℃滅菌30分鐘。然后接種，再放入30℃的培養(yǎng)室中培養(yǎng)3-4天，前2天每天混合兩次，這樣孢子完全成熟后就不用再混合了。使用前，用無(wú)菌水沖洗麩曲中的孢子，然后用移液管將搖瓶中的培養(yǎng)液按2%的接種量注入種子罐中，控制溫度在37℃左右，然后用NH3·H2O調(diào)pH，范圍在7.0~7.2，另外攪拌速度控制在200r/min，風(fēng)量為0.3m3/(m3·min)，罐壓保持在0.03Mpa。2.5.3發(fā)酵培養(yǎng)在種子培養(yǎng)后，用移液槍按10％接種量接種至發(fā)酵罐當(dāng)中。在一開始接種后，保持?jǐn)嚢杷俣仍?20r/min，溫度保持在31℃左右，氨水調(diào)pH在7.0~7.2，恒速流加15g/L的葡萄糖進(jìn)行補(bǔ)料，從而使罐中糖含量保持在較高的水平。另外，在發(fā)酵過(guò)程中，如果葡萄糖的濃度降低，則可以適當(dāng)提高流速將葡萄糖流加入發(fā)酵罐中。發(fā)酵過(guò)程中使用消泡劑泡敵，每隔5-6小時(shí)就要對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行鏡檢，同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)操作流程，保持環(huán)境潔凈，防止染菌[5]。2.6發(fā)酵參數(shù)2.6.1溫度谷氨酸棒桿菌最適宜的生長(zhǎng)溫度為37℃。谷氨酸棒桿菌生長(zhǎng)一共分為四個(gè)時(shí)期：延滯期、指數(shù)期、平穩(wěn)期、衰亡期，溫度對(duì)于谷氨酸棒桿菌的生長(zhǎng)一般呈“種罩型”曲線。發(fā)酵初期，發(fā)酵產(chǎn)物隨著細(xì)胞濃度增加而增加；到發(fā)酵中期時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物的生成不僅與細(xì)胞濃度有關(guān)，也與質(zhì)粒穩(wěn)定性有關(guān)。當(dāng)溫度達(dá)到36℃時(shí)，細(xì)胞濃度最高，但質(zhì)粒穩(wěn)定性被破壞；溫度28℃時(shí)，質(zhì)粒穩(wěn)定，但細(xì)菌生長(zhǎng)緩慢，產(chǎn)量下降，因此最適溫度在28-36℃之間。調(diào)控方法：色氨酸發(fā)酵過(guò)程的溫度控制策略為:發(fā)酵溫度為30℃，發(fā)酵0~16h,16h后緩慢升溫至36℃，加熱方式為0.5℃/h。采用發(fā)酵罐溫度順序控制方式進(jìn)行自動(dòng)控制[6]。2.6.2pHpH對(duì)菌體的生長(zhǎng)、菌體的酶活性、細(xì)胞膜的通透性、培養(yǎng)基中組分的解離等都會(huì)產(chǎn)生一定影響，從而影響發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量。調(diào)控方法：監(jiān)控發(fā)酵液的pH,當(dāng)pH不穩(wěn)定時(shí)，加入銨鹽或葡萄糖；主要通過(guò)加入氨水來(lái)調(diào)節(jié)。2.6.3溶氧濃度谷氨酸棒桿菌為兼性厭氧菌，發(fā)酵前期對(duì)氧氣要求較高，后期則幾乎不需要氧氣。調(diào)控方法：前期通過(guò)提高攪拌速度，或者加大通氣量來(lái)提高溶氧濃度；與之相反，后期通過(guò)降低攪拌速度，減少通氣量來(lái)降低溶氧濃度。2.6.4菌體濃度在一定濃度范圍內(nèi)，菌體濃度與發(fā)酵產(chǎn)量成正相關(guān)。即菌體濃度愈大，發(fā)酵產(chǎn)量愈大。當(dāng)菌體濃度達(dá)到一定時(shí)，此時(shí)發(fā)酵液過(guò)于粘稠，發(fā)酵液中氧氣過(guò)少，不易于產(chǎn)物的合成。

調(diào)控方法：定時(shí)檢測(cè)菌體的濃度，避免菌體過(guò)濃，影響發(fā)酵產(chǎn)物的合成。2.6.5發(fā)酵罐壓力在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵罐應(yīng)保持一定的正壓，以防止外界空氣中的外來(lái)細(xì)菌入侵而污染發(fā)酵液。同時(shí),罐內(nèi)壓力也與培養(yǎng)基中氧氣和二氧化碳的溶解度有關(guān)，間接影響代謝。罐內(nèi)壓力一般維持在2×104～5×104Pa。2.6.6基質(zhì)濃度葡萄糖濃度過(guò)高時(shí)，會(huì)造成發(fā)酵液的pH降低，菌體生長(zhǎng)緩慢；當(dāng)葡萄糖濃度過(guò)低時(shí)，菌體易衰老。若酵母粉濃度過(guò)高，菌體快速生長(zhǎng)，pH上升，抑制目標(biāo)產(chǎn)物的生成；酵母粉濃度過(guò)低時(shí)，不利于菌體繁殖。調(diào)控：定時(shí)檢測(cè)培養(yǎng)基中葡萄糖、酵母粉的濃度。2.6.7泡沫發(fā)酵過(guò)程中因通氣攪拌和代謝產(chǎn)生的氣體是產(chǎn)生泡沫的原因。產(chǎn)生少量泡沫是正常的，但是當(dāng)泡沫產(chǎn)生過(guò)多時(shí)，會(huì)造成大量液體逸出，發(fā)酵液會(huì)從排氣管或密封處逸出，增加細(xì)菌污染的機(jī)會(huì)。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)影響正常的通氣和攪拌，從而影響細(xì)菌的呼吸。調(diào)控方法：使用消泡劑同時(shí)采用機(jī)械震動(dòng)使其均勻分布進(jìn)行消泡。表2-6色氨酸發(fā)酵重要參數(shù)及意義名稱測(cè)定方法意義及主要作用發(fā)酵溫度/℃或K溫度計(jì)保證生長(zhǎng)，繁殖和產(chǎn)物合成發(fā)酵罐壓力/Pa或㎏·m-2壓力計(jì)維持正壓，增加溶氧量空氣流量/m3·min-1流量計(jì)排出廢氣攪拌轉(zhuǎn)速/r·min-1轉(zhuǎn)速表使物料和氣體混合發(fā)酵液黏度/Pa·s粘度計(jì)反映菌生長(zhǎng)情況發(fā)酵罐裝量/m3或L液位計(jì)反映發(fā)酵生產(chǎn)批量發(fā)酵液密度/g·L-1密度計(jì)反映發(fā)酵液性質(zhì)加消泡劑/㎏密度計(jì)反映發(fā)酵液性質(zhì)2.7總工藝流程圖2-2發(fā)酵總工藝流程圖

第三章物料衡算3.1物料衡算的原理物料衡算按照質(zhì)量守恒定律的原則。物料平衡是指所有進(jìn)入系統(tǒng)的物料的平衡重量等于所有離開系統(tǒng)的物料的平衡重量，即∑F=∑D+W式中：F——進(jìn)入系統(tǒng)物質(zhì)質(zhì)量（kg）D——離開系統(tǒng)物質(zhì)質(zhì)量（kg）W——損耗物質(zhì)質(zhì)量（kg）生產(chǎn)規(guī)模預(yù)計(jì)為2000噸/年（產(chǎn)品純度96%）生產(chǎn)天數(shù)預(yù)計(jì)為300天（扣除節(jié)假日）生產(chǎn)效能=生產(chǎn)規(guī)模/生產(chǎn)天數(shù)=2000÷300=6.68t/d淀粉水解生成葡萄糖的反應(yīng)式為（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6淀粉水解為葡萄糖理論上的糖化率=180÷162=1.11=111%。在實(shí)際工廠生產(chǎn)發(fā)酵中，考慮到有一定程度的損失，綜合取糖化率為95%。葡萄糖轉(zhuǎn)化生成色氨酸反應(yīng)式為4C6H12O6+4NH3+O2→2C11H12N2O2+2CO2+18H2O理論上，色氨酸轉(zhuǎn)化率為204÷(2×180)×100%=56.7%3.2發(fā)酵參數(shù)生產(chǎn)規(guī)模：2000噸/年（純度96%）生產(chǎn)天數(shù)：300天表3-1色氨酸生產(chǎn)指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)指標(biāo)名稱指標(biāo)參數(shù)接種率2%產(chǎn)品純度96%發(fā)酵產(chǎn)酸濃度5%倒灌率2%發(fā)酵罐裝料系數(shù)75%發(fā)酵單位30mg/L糖酸轉(zhuǎn)化率15%發(fā)酵初糖150kg/m3提取率84%二級(jí)種子含糖量25kg/m3發(fā)酵周期4-5d發(fā)酵液相對(duì)密度1.12kg/L淀粉原料含淀粉80%淀粉糖化轉(zhuǎn)化率95%3.3色氨酸發(fā)酵車間的物料衡算3.3.1兩千千克L-色氨酸發(fā)酵所需原料首先要定義發(fā)酵單位的概念，即衡量發(fā)酵液目標(biāo)產(chǎn)物含量的指標(biāo)，隸屬于技術(shù)指標(biāo)的一種。此次工廠設(shè)計(jì)中，色氨酸發(fā)酵單位定為30mg/L首先，計(jì)算2000公斤色氨酸所需的原料和其他材料的數(shù)量。(1)發(fā)酵液體積V1=2000÷(150×0.15×0.84×0.98)=107.98m3式中150——液態(tài)糖濃度（kg/m3）0.15——糖酸的轉(zhuǎn)化率0.84——色氨酸的提取率0.98——發(fā)酵成功率種子液體積V2=10%V1=10.8m3(2)種液所需糖量Gaa=25V2=269.95kg式中25——二級(jí)種液含糖量發(fā)酵液所需葡萄糖量Ga=150V1=16197kg生產(chǎn)兩噸色氨酸所需糖含量G=Ga+Gaa=16466.9kg(3)淀粉的用量根據(jù)上述算式得出的111%的糖化率，2000kg淀粉可以轉(zhuǎn)化生成葡萄糖222kg，所以理論上淀粉用量為：G淀粉=16466.95÷（0.8×0.95×1.11）=9547.7(kg)式中0.8——淀粉含量，0.95——淀粉轉(zhuǎn)化率，1.11——糖化率(4)無(wú)機(jī)必需鹽離子和消泡劑的計(jì)算硫酸錳：0.63V1=68.03kg硫酸鋅：0.74V1=79.91kg氯化鈷：0.56V1=60.47kg硫酸銅：0.8V1=86.38kg消泡劑：1.0V1=107.98kg(4)發(fā)酵液色氨酸含量：Ga×15%×98%=2380.96kg實(shí)際上獲得的色氨酸（按照提取率84%計(jì)算）：2380.96×84%=2000kg3.3.2兩千噸L-色氨酸發(fā)酵生產(chǎn)所需要的原料表3-22000噸L-色氨酸發(fā)酵車間的物料衡算表原料名稱2t色氨酸原料量2000t色氨酸的原料量每日所需原料量發(fā)酵液/m3107.98215960719.87二級(jí)種液/m310.792159671.99發(fā)酵所需糖/kg1619732394000107980種液所需糖/kg269.955399001799.67總糖/kg16466.9532933900109779.67MnSO4/kg68.03136060453.53ZnSO4/kg79.91159820532.73CoCl2/kg60.47120940403.13CuSO4/kg86.38172760575.87消泡劑/kg107.98215960719.87L-色氨酸/kg100020000006666.67淀粉/kg9547.661909532063651.073.4糖化車間物料衡算使用原料為2000kg玉米，一般淀粉和水的比例為1:1.5,那么2000kg玉米淀粉漿=2000×(1+1.5)=5000kg，所需水量=2000×1.5=3000kg粉漿濃度=2000×80%÷5000×100%=32%糖化液含量=2000×80%×95%÷0.3×1.12=5674.66kg式中95%—淀粉糖化轉(zhuǎn)化率，0.3—糖化液濃度，單位為kg/L，1.12—發(fā)酵液相對(duì)密度酶用量=5000×0.2%=10kg硫酸量=氯化鈣=5000×0.2%=10kg助濾劑=5674.66×0.15%=8.52kg濾渣產(chǎn)量=8.52÷30%=28.4kg式中30%—實(shí)際含量，含水量為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糖化車間的物料衡算進(jìn)入原料量離開原料量指標(biāo)原料量kg每日產(chǎn)量kg項(xiàng)目原料量kg每日產(chǎn)量kg玉米原料200063651.07糖液5674.66180960.36配料水300095667.6濾渣8.52271.7酶用量10318.89氯化鈣10318.89硫酸10318.89蒸汽量45414477.7洗水用量180.545757.28助濾劑8.52271.7累計(jì)5673.06180909.35累計(jì)5683.18181232.06 第四章熱量衡算4.1糖化車間熱量衡算4.1.1液化氣加熱注入所消耗的蒸汽量加熱注入所消耗的蒸汽量（D）按照公式：D=GC（T1-T2）÷(I-λ)來(lái)計(jì)算，其中G是淀粉含量，單位是（kg/h），C是淀粉漿液的比熱，單位是[kJ/(kg·K)]，T1是漿液的初始溫度（50+273=323K），T2為液化后的溫度是378K，I為蒸汽焓值為2738K/kg，表壓保持在0.3Mpa左右，λ是加熱蒸汽的焓值。4.1.2淀粉含量G=63.65÷24×2500=6630.3(h)，粉漿的干物質(zhì)百分比=63.65÷24×1000×0.8÷6630.3=0.32=32%；4.1.3淀粉漿液的比熱查證得知：C淀粉=1.55(kJ/kg·K)，C水=4.19(kJ/kg·K)，X=0.32C粉漿=C淀粉·X+C水·（1-X）=1.55×0.32+(1-0.32)×4.19=3.35kJ/(kg·K)4.1.4每小時(shí)所需的蒸汽用量根據(jù)公式和上述結(jié)果可知，每小時(shí)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發(fā)酵完成高溫滅酶的時(shí)候，一般是將培養(yǎng)液由105℃加熱到115℃，查證所知，388K時(shí)λ數(shù)值為485KJ/kg，因此D滅=6630.3×3.35×10÷2253=98.58kg/h；由于培養(yǎng)液由378K加熱至388K僅耗時(shí)10min，那么蒸汽的高峰用量為：98.58×60÷10=591.48(kg/h)總結(jié)：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發(fā)酵車間的熱量衡算4.2.1熱量平面流程圖1.儲(chǔ)存罐2.流量泵3.換熱器4.維持塔5.連續(xù)熱量噴射器6.換熱器7.流量泵8.冷卻水管9.冷水槽圖4-1發(fā)酵車間熱量平衡圖4.2.2連續(xù)滅菌所用蒸汽量（1）選用發(fā)酵罐的體積為120m3，理論裝罐系數(shù)為0.75。則發(fā)酵液體積：V=120×0.75=90m3發(fā)酵液的質(zhì)量：M=90×1.12×1000=100800kg=100.8t式中1.12—發(fā)酵液的密度kg/m3（2）發(fā)酵滅菌加熱過(guò)程中，蒸汽表壓的數(shù)值一般保持在0.4Mpa，I=2743(kJ/kg)。培養(yǎng)基溫度分兩個(gè)階段進(jìn)行：先從50℃加熱到95℃，然后再加熱到120℃，在冷卻過(guò)程中冷水則是從20℃升高到了45℃，平均滅菌時(shí)間是2.5小時(shí)。輸料流量Q=100.8÷2.5=40.32t/h滅菌時(shí)蒸汽量：Q滅=40.32×4.02×（120-95）÷（2743-120×4.19）=1.81t/d式中4.02—糖比熱容[KJ/(kg·k)，2743—加熱蒸汽焓，4.19—水的比熱容每日發(fā)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冷卻水的用量120℃高溫培養(yǎng)基通過(guò)熱量的交換，首先降溫到80℃，然后再使用冷水降溫到30℃。與此同時(shí)冷卻水的溫度由20℃升高到45℃。冷卻水的用量：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發(fā)酵空罐滅菌蒸汽熱量（1）發(fā)酵罐自身發(fā)熱蒸汽量Q發(fā)保持0.4MPa蒸汽滅菌，使發(fā)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—發(fā)酵罐自身重量/kg，3269—冷卻管重量/kg，0.5—發(fā)酵罐自身比熱容kJ/(kg·K)（2）發(fā)酵罐填充空間所需蒸汽量Q空上述所用通氣發(fā)酵罐體積V=120m3，考慮到罐內(nèi)攪拌器等零部件所占空間，實(shí)際計(jì)算仍然取數(shù)據(jù)為120。Q空=V·ρ=120×1.71=205.2kg式中1.71—加熱蒸汽時(shí)的罐密度ρ（kg/m3）0.4MPa表壓下密度1.71（3）熱量損耗Q損對(duì)流輻射的系數(shù)β=33.9+0.19×55=44.35[kJ/(m2·K)],式中外壁溫度—75℃，33.9—對(duì)流系數(shù)發(fā)酵罐的表面積S=4πR2+2πRH=4π(3.6÷2)2+3.6π×15.6=217m3則Q損=217×44.35×（75-20）÷(2718-125×4.19)=241.23kg(4)滅菌過(guò)程中蒸汽損失滲漏Q漏滲漏量為5%。發(fā)酵罐蒸汽總耗量Q總：（800.32+205.2+241.23）÷（1-5%）=1312.37kg發(fā)酵罐滅菌2.5h,則每罐所用蒸汽量：1312.37×2.5=3280.92kg每日產(chǎn)生的蒸汽量：3280.92×2=6561.84kg/d平均小時(shí)產(chǎn)生蒸汽量：6561.84÷24=273.41kg/h4.2.5種子罐空罐滅菌蒸汽量（1）種子罐自身加熱所需蒸汽量Q種（14989+402）×0.5×(125-20)÷(2718-125×4.19）=333.18kg式中14989—種子罐質(zhì)量/kg，402—冷卻管質(zhì)量/kg，0.5—種子罐本身比熱容kJ/(kg·K)（2）種子罐罐內(nèi)部所需蒸汽量Q空種子罐的理論體積為12m3，理論裝罐系數(shù)為0.75。種子罐體積V取12m3Q空=V·ρ=12×1.72=20.64kg式中1.72—加熱蒸汽時(shí)的密度（kg/m3），0.4Mpa下的罐密度為1.72（3）熱損失Q損輻射與對(duì)流聯(lián)合給系數(shù)α:45.6[kJ/(m2·h·K)],外壁的溫度：75℃發(fā)酵罐的表面積S：42.72m3則Q損=42.72×45.6×（75-20）÷(2718-125×4.19)=48.83kg(4)蒸汽滲漏Q漏滲漏量為5%。種子罐蒸汽產(chǎn)生量Q總：（333.18+20.64+48.83）÷（1-5%）=423.84kg發(fā)酵罐滅菌30min，則每罐所用蒸汽量：423.84×30÷60=211.92kg/罐每天所用蒸汽量：211.92×2=423.84kg/d每小時(shí)所用蒸汽量：423.84÷24=17.66kg/d

第五章水平衡5.1發(fā)酵罐車間用水量5.1.1配料洗水量原料玉米質(zhì)量為63651.07kg，按照加水比例1:1.5，則總用水95476.6kg5.1.2冷卻用水量發(fā)酵罐經(jīng)過(guò)滅菌后，溫度會(huì)一度上升到125℃，此時(shí)用糖化液將降溫到90℃，然后用冷卻水降溫，使溫度由90℃降溫到60℃，冷卻水進(jìn)入時(shí)測(cè)得溫度為20℃，而經(jīng)過(guò)熱量交換后的溫度可以達(dá)到60℃，此時(shí)計(jì)算冷卻水的用量：W=（6630.3+365.16）×3.35×30÷[40×4.19]=4194.78(kg/h)=100.8(t/d)式中6630.3—淀粉漿液量，365.16—日平均熱量，3.35—粉漿比熱，4.19—比熱系數(shù)5.2糖化罐冷卻用水5.2.1冷卻用水量日產(chǎn)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為30h，其他流程糖化時(shí)間為24h，糖化罐每100m3理論填充系數(shù)為75%糖化罐數(shù)目=161.57÷（100×75%）×（30÷24）=2.69，需要3臺(tái)滅菌之后的糖化液先自然冷卻由90℃降至65℃，隨后使用冷卻水進(jìn)行降溫，初試溫度為20℃，隨后的溫度為50℃平均用水量=（6630.31+365.16）×3.35×（90-65）÷[（50-20）×4.19]=4660.86kg/h高峰期時(shí)需要在2.5h內(nèi)把糖化液75m3冷卻降溫至65℃高峰用水量=4660.86÷（6630.31+365.16）×75000×1.12÷3=16656.71kg/h每日同時(shí)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

第六章主要設(shè)備選型6.1發(fā)酵罐簡(jiǎn)介產(chǎn)色氨酸的谷氨酸棒桿菌為好氧菌，因此發(fā)酵類型為好氧發(fā)酵，則所用發(fā)酵罐為通氣發(fā)酵罐，本次工廠設(shè)計(jì)選用的是體積為120m3的六彎葉型發(fā)酵罐。在選擇相對(duì)應(yīng)的所需發(fā)酵設(shè)備時(shí)，必須要按照如下的原則：結(jié)構(gòu)整體縝密、罐體達(dá)到指定強(qiáng)度以及使用壽命、內(nèi)部零件合理且有良好混合攪拌性能、能使物質(zhì)運(yùn)輸和氣體排出有效進(jìn)行、罐內(nèi)有足夠的熱交換面積、具有良好的密封性能確保滅菌操作的順利進(jìn)行。此次發(fā)酵罐材質(zhì)為碳鋼。首先攪拌器作為發(fā)酵設(shè)備中的主要裝置。通過(guò)進(jìn)行機(jī)械攪拌，可以使培養(yǎng)基的成分和空氣以及菌絲得到充分的混合，從而達(dá)到傳質(zhì)傳熱效果[7]。目前市場(chǎng)上的攪拌器分為三種規(guī)格：直葉型、彎葉型還有箭葉型。與傳統(tǒng)的直葉片型攪拌器相比，彎葉片型攪拌器在規(guī)格的條件下，功耗更小，效果更好。因此目前已在國(guó)內(nèi)廣泛使用。同時(shí)為了進(jìn)一步提高攪拌效率，本次設(shè)計(jì)在槽內(nèi)安裝了擋板。罐內(nèi)是否有擋板會(huì)影響發(fā)酵蒸汽的分布情況。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)看，增加和減少的擋板和葉寬度的變化大小，一般使用4-6塊擋板、板寬區(qū)間為1/12-1/10，是最適合提高攪拌效率[6]。表6-1發(fā)酵罐的基本指標(biāo)發(fā)酵罐各項(xiàng)尺寸發(fā)酵罐各項(xiàng)質(zhì)量發(fā)酵罐設(shè)計(jì)直徑3.5m發(fā)酵罐罐體質(zhì)量25.08t發(fā)酵罐設(shè)計(jì)的容積120m3平均封頭質(zhì)量2.71t發(fā)酵罐罐體高度10m發(fā)酵罐總重30.5t封頭高度0.05m列管的總重量3.27t厚度0.024m平均封頭容積6.61m3列管的總長(zhǎng)度318.6m6.2種子罐簡(jiǎn)介種子罐的體積初步設(shè)計(jì)為12m3，雖然種子罐體積較小，占地面積不高，而且由很高的潔凈度要求，因此材質(zhì)上面一般采用市面上的工業(yè)A3鋼，同時(shí)為了避免染菌，選用夾套式蒸汽加熱。表6-2種子罐的基本指標(biāo)種子罐各項(xiàng)尺寸種子罐各項(xiàng)質(zhì)量種子罐設(shè)計(jì)直徑1.7m種子罐罐體質(zhì)量15.38t種子罐設(shè)計(jì)的容積12m3平均封頭質(zhì)量0.36t種子罐罐體高度5.1m發(fā)酵罐總重16.10t封頭高度0.04m列管的總重量0.32t厚度0.014m平均封頭容積0.734m3列管的總長(zhǎng)度45.24m6.3其他設(shè)備的設(shè)計(jì)（1）調(diào)漿罐：性質(zhì)耐高溫，調(diào)漿罐的體積初步設(shè)計(jì)為20m3；攪拌器為渦輪彎葉型攪拌器。本次設(shè)計(jì)4個(gè)調(diào)漿罐，其中1個(gè)作為備用。（2）維持罐：設(shè)計(jì)為圓柱型，徑高比保持在5：1，初步設(shè)計(jì)為3個(gè)，通過(guò)串聯(lián)的形式進(jìn)行聯(lián)結(jié)。（3）連續(xù)消除塔：采用兩段加熱型混合式連續(xù)消除塔。由于培養(yǎng)基在連消塔的時(shí)間通常是20~30s，因此設(shè)計(jì)長(zhǎng)度一般是1.5m左右。（4）糖化罐：糖化罐的體積初步設(shè)計(jì)為100m3，罐體的材質(zhì)選擇A3玻璃鋼，與調(diào)漿罐攪拌器的攪拌形式一樣，選用渦輪彎葉型攪拌器。（5）板框壓濾機(jī)：作為工藝流程的重要一環(huán)，本次設(shè)計(jì)采用的是明流型板框壓濾機(jī)。板框數(shù)為60塊（精細(xì)過(guò)濾），因此它的過(guò)濾面積可以達(dá)到40m2，框內(nèi)選用0.64m×0.64m的正方形尺寸，厚度為0.025m。通過(guò)計(jì)算可知，濾塊的數(shù)目=40÷（0.64×0.64×2）=48塊，則濾板的數(shù)目為47塊，板框壓濾機(jī)的總體積V=0.64×0.64×0.025×48=0.49m3。（6）連續(xù)熱量噴射液化器：本次設(shè)計(jì)選用中壓型熱量噴射器，一般每小時(shí)的處理量在15～50m3之間。（7）清洗罐：清洗罐的體積初步設(shè)計(jì)為20m3，材質(zhì)選用A3不銹鋼。（8）離子交換柱：離子交換柱是將一定比例的陽(yáng)離子交換樹脂和陰離子交換樹脂在同一交換裝置中混合，對(duì)流體中的離子進(jìn)行交換和吸附。近年來(lái)隨著反滲透制備和EDI(ElectronicDataInterchange)工藝的完善和發(fā)展，使得離子交換水處理設(shè)備操作的缺點(diǎn)更加突出，所以限制了其進(jìn)一步的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)室的離子交換柱材質(zhì)通常是有機(jī)玻璃，這有利于觀察樹脂和洗脫液的吸附情況，有利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄和處理。而在工業(yè)上使用的大型離子交換設(shè)備的材質(zhì)通常是是碳鋼內(nèi)襯環(huán)氧樹脂與工業(yè)橡膠[5][6]。6.3設(shè)備一覽表表6-1主要的生產(chǎn)設(shè)備序號(hào)主要設(shè)備設(shè)備作用規(guī)格數(shù)量（個(gè)）類型1發(fā)酵罐主要生產(chǎn)設(shè)備120m34彎葉型2調(diào)漿罐20m34（1備用）渦輪彎葉型攪拌器3維持罐徑高比5:134連消塔高度1.5m1兩段加熱型混合式5糖化罐100m31渦輪彎葉型攪拌器6板框壓濾機(jī)過(guò)濾設(shè)備0.49m348明流型板框壓濾機(jī)7連噴液化器1中壓型熱量噴射器8清洗罐清洗設(shè)備20m310不銹鋼9離子交換柱提取設(shè)備1有機(jī)玻璃、環(huán)氧樹脂

第七章車間設(shè)計(jì)7.1糖化車間7.1.1糖化工藝的選擇糖化工藝主要是利用雙酶法，即淀粉酶和糖化酶來(lái)催化生產(chǎn)葡萄糖，這種方法一i到那個(gè)程度上可以提高淀粉與產(chǎn)物之間的轉(zhuǎn)化率以及濃度，從而可以提高糖液的質(zhì)量，因此是市場(chǎng)主流的制糖方法。7.1.2糖化車間工藝流程圖圖7-1糖化的工藝流程7.2發(fā)酵車間7.2.1發(fā)酵技術(shù)簡(jiǎn)介糖化車間最終配制好的一系列糖化液以及淀粉產(chǎn)物，首先按照發(fā)酵要求加入到培養(yǎng)基當(dāng)中。此時(shí)的培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)滅菌后，再經(jīng)過(guò)冷卻到室溫后方可接種。接種時(shí)，先經(jīng)過(guò)一級(jí)和二級(jí)種子兩輪擴(kuò)增菌株，待菌株的活性和數(shù)量達(dá)到發(fā)酵要求后，按照2%的接種量進(jìn)入發(fā)酵罐進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵時(shí)間通常為兩天（約為45h）。7.2.2工藝流程圖圖7-2發(fā)酵流程圖7.3提取車間7.3.1提取工藝簡(jiǎn)述為了提取目標(biāo)產(chǎn)品，需要采用合理的提取方法來(lái)提高色氨酸的提取率，這樣既可以提高目標(biāo)產(chǎn)品的產(chǎn)率，同時(shí)也可以降低成本。色氨酸是人類和動(dòng)物生命代謝活動(dòng)中必需的八種氨基酸之一，在人類和動(dòng)物的生長(zhǎng)和代謝中起著重要作用。色氨酸的生產(chǎn)方法有很多，其中發(fā)酵是最有前途的一種。因此，采取有效措施提高其提取率是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題[8]。本次設(shè)計(jì)中的提取工藝是先將色氨酸發(fā)酵液與陰離子聚丙烯酰胺絮凝，過(guò)濾或離心來(lái)除去細(xì)菌和外源蛋白。有關(guān)文獻(xiàn)指出，為了從其它氨基酸中分離L-色氨酸，總結(jié)并分析出了14種樹脂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明:003×7強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂在pH6~8、流速1mL/min、室溫條件下對(duì)色氨酸的吸附效果最好。上清液經(jīng)003×7陽(yáng)離子交換樹脂柱，以0.025mol/L和2mol/L的NH3·H20梯度洗脫，經(jīng)過(guò)結(jié)晶濃縮后再用濃度為60%的乙醇溶解，用D3012陰離子交換樹脂在每分鐘2ml的流速下進(jìn)行脫色溶解，收集流出液后進(jìn)行減壓濃縮。最后加入30%的無(wú)水乙醇，在4℃靜置24h后進(jìn)行真空干燥，最終可以得到完整的色氨酸晶體。計(jì)算得到的總產(chǎn)率約為68%，純度96%[8]，因此本次設(shè)計(jì)也引用此實(shí)驗(yàn)參數(shù)和方法。7.3.2色氨酸提取過(guò)程控制（1）板框過(guò)濾板框過(guò)濾器通常有四個(gè)輸入管，分別是進(jìn)料管、空氣管、清水管和弱酸性色氨酸水管。其操作流程如下:(1)首先按下閥門關(guān)閉其他的3條管道，將發(fā)酵液泵入進(jìn)料管道過(guò)濾，完成后將蒸汽引入空氣管道，將發(fā)酵液加熱至70℃左右；(2)過(guò)濾后，通入空氣進(jìn)行壓濾；(3)通入輕質(zhì)色氨酸水沖洗；(4)第二次通入空氣壓濾；(5)最后使用清水沖洗，過(guò)濾后的弱酸性水再流入步驟3進(jìn)行重復(fù)過(guò)濾。（2）離子交換首先，色氨酸發(fā)酵液以一定的流速流過(guò)離子交換樹脂柱，然后返回樹脂柱再吸附，從而使大部分色氨酸（68%）吸附。與此同時(shí)，色氨酸發(fā)酵液中的大部分殘留微生物在樹脂柱中變性，這些物質(zhì)被吸附保留在樹脂上，而發(fā)酵液中的大部分微生物與廢水一起從樹脂柱的下部流出。上述操作完成后，從樹脂的柱底部以一定流速用水進(jìn)行反洗，使附著在樹脂上的凝集微生物漂出來(lái)并被除去。（3）濃縮結(jié)晶經(jīng)過(guò)交換柱后的洗脫液通過(guò)濃縮系統(tǒng)進(jìn)行濃縮，從而進(jìn)一步提高了洗脫液的濃度，然后泵入夾套式結(jié)晶罐。通過(guò)結(jié)晶罐中的乙二酸將酸堿度調(diào)節(jié)至5.9（約為色氨酸的標(biāo)準(zhǔn)等電點(diǎn)），然后引入冷卻水進(jìn)行結(jié)晶[9]。（4）干燥包裝將色氨酸晶體及洗脫液放置到離心機(jī)上進(jìn)行離心，然后將離心后的高純度晶體送至烘箱干燥，得到純度為96%的色氨酸產(chǎn)品。然后根據(jù)工廠銷售部的方案進(jìn)行各種規(guī)格的包裝。[9]。7.3.2提取工藝流程圖圖7-3色氨酸提取工藝流程圖

第八章工程資金概算8.1全廠定員本次工廠設(shè)計(jì)的人員安排按照一年300天的工作日來(lái)進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)色氨酸生產(chǎn)的特點(diǎn)，糖化、發(fā)酵和提取這些比較重要的車間一般安排工人按三班制工作，同時(shí)定期進(jìn)行維護(hù)。包裝車間一般是兩班制，可以根據(jù)客戶訂單進(jìn)行輪休，工廠維修部門為兩班制，比較重要的動(dòng)力部門是三班制，確保動(dòng)力來(lái)源的穩(wěn)定，生活保障部門一般為兩班制，主要的管理員都是安排在白班，晚上會(huì)安排輪流管理人員值班。綜上有111名工人，約64名管理和技術(shù)人員，總計(jì)175名員工。表8-1人員構(gòu)成表序號(hào)車間部門管理人員工程技術(shù)人員工人合計(jì)1維修部門2120142生產(chǎn)車間1018681083包裝車間2820304動(dòng)力部門2813235生活保障部門2010126全廠合2投資概算本次設(shè)計(jì)的工程項(xiàng)目預(yù)計(jì)需要場(chǎng)地約40000m2，初步預(yù)算中的固定資產(chǎn)投資為8000萬(wàn)，主要用于購(gòu)置發(fā)酵罐、糖化罐、調(diào)漿罐、板框壓濾機(jī)、連噴液化器等主要發(fā)酵設(shè)備，通過(guò)發(fā)酵、糖化以及過(guò)濾三大工藝和300天的工作日，從而具備每年生產(chǎn)2000噸色氨酸的能力。精制品包裝銷售按市場(chǎng)價(jià)每千克300元，預(yù)計(jì)每年的利潤(rùn)有6億左右，因此具有不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益。8.2.1固定資產(chǎn)計(jì)算說(shuō)明1.土地開發(fā)費(fèi)：根據(jù)徐州市土地開發(fā)有關(guān)文件，由于開發(fā)的土地面的達(dá)到40000m2，按照每平方米500元的費(fèi)用，計(jì)算可知土地開發(fā)費(fèi)有2000萬(wàn)元。2.工程費(fèi)：根據(jù)以往的同類工程項(xiàng)目給出的工程費(fèi)公示表，進(jìn)行初步計(jì)算后大約需要2000萬(wàn)元。3.主要發(fā)酵設(shè)備購(gòu)置費(fèi)：主要設(shè)備根據(jù)市場(chǎng)價(jià)格設(shè)計(jì)，并且參照二級(jí)市場(chǎng)相同類型的設(shè)備價(jià)格進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)也參考了中國(guó)工程建設(shè)機(jī)電設(shè)備有關(guān)文件來(lái)確定最終的價(jià)格。安裝以及設(shè)施搬運(yùn)費(fèi)按照同類工程計(jì)算。全部費(fèi)用預(yù)估總價(jià)8000萬(wàn)元，主要發(fā)酵設(shè)備價(jià)格6800萬(wàn)元。4.環(huán)境保護(hù)費(fèi)：根據(jù)徐州市環(huán)保局推出的相關(guān)文件，初步估算200萬(wàn)元；5.其他費(fèi)用：此項(xiàng)費(fèi)用較雜，其中包括人員支出費(fèi)、辦公裝修費(fèi)、家具購(gòu)置費(fèi)等。人員支出費(fèi)主要是技能培訓(xùn)費(fèi)用，按項(xiàng)目平均每個(gè)新入職的工人2000元計(jì)算，總價(jià)格達(dá)到22.2萬(wàn)元；辦公裝修費(fèi)以及家具費(fèi)用按照平均每人1000元計(jì)算為175萬(wàn)元。工程上的其他費(fèi)用預(yù)估500萬(wàn)元；。綜上所述，固定資產(chǎn)的初步計(jì)算總計(jì)12800萬(wàn)元。其中主要發(fā)酵設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用8000萬(wàn)元。8.2.2流動(dòng)資金計(jì)算說(shuō)明1.原材料貯存的周期根據(jù)以往的同類工程項(xiàng)目，平均約為20天，包裝所需材料以及工程輔料由于單批次需求量不多，而多次出發(fā)采購(gòu)又需要考慮很多不必要支出費(fèi)用，因此按照60天來(lái)計(jì)算所需的周轉(zhuǎn)天數(shù)。2.產(chǎn)品周轉(zhuǎn)天數(shù)=生產(chǎn)周期=4天（按照本次工廠設(shè)計(jì)的工藝流程）。3.產(chǎn)品儲(chǔ)存周期=資金周轉(zhuǎn)周期=15天4.客戶支付賬款的周轉(zhuǎn)天數(shù)=45天綜上，通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得知，實(shí)際的流動(dòng)資金總計(jì)大約是1500萬(wàn)元8.3經(jīng)濟(jì)效益以及利潤(rùn)分析通過(guò)查找有關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)和二級(jí)市場(chǎng)數(shù)據(jù)，色氨酸的生產(chǎn)成本預(yù)估是每噸10萬(wàn)元，如果工廠的產(chǎn)品價(jià)格按照當(dāng)今中國(guó)市場(chǎng)的平均價(jià)格大約是每噸30萬(wàn)元?？梢杂?jì)算得出，倘若工廠能夠年產(chǎn)2000噸純度為96%的色氨酸，年收入預(yù)估可以達(dá)到4億。1.員工薪酬：將所有員工以及管理人員的薪酬進(jìn)行計(jì)算，平均每人的月工資約為6000元，那么總計(jì)175名員工一年之中需要支付的工資=175×6000×12=12600000元，算上年終獎(jiǎng)和員工表彰獎(jiǎng)等一系列的額外獎(jiǎng)金，總計(jì)需要支出1億3000萬(wàn)元。2.動(dòng)力能源費(fèi)用：按徐州市物價(jià)局制定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并且根據(jù)以往的同類工程項(xiàng)目進(jìn)行計(jì)算，水、電費(fèi)總計(jì)每年需要支出約1000萬(wàn)元。3.企業(yè)稅收：按照《中華人民共和國(guó)稅收法》等有關(guān)法律法規(guī)計(jì)算，企業(yè)稅收按照每年總收入20%來(lái)計(jì)算，總計(jì)為8000萬(wàn)元。4.企業(yè)相關(guān)的其他花費(fèi)：這里計(jì)算為2000萬(wàn)元。8.4經(jīng)濟(jì)指標(biāo)一覽綜上所述，本次設(shè)計(jì)的工廠總計(jì)固定資產(chǎn)需要支出8000萬(wàn)，流動(dòng)資金支出1500萬(wàn)，有關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下所示：表8-2色氨酸生產(chǎn)的相關(guān)指標(biāo)一覽表名稱指標(biāo)名稱指標(biāo)年生產(chǎn)規(guī)模（t）2000固定資產(chǎn)支出（萬(wàn)元）8000年生產(chǎn)天數(shù)（d）300稅收（萬(wàn)元）8000日產(chǎn)量（t）6.68環(huán)境保護(hù)費(fèi)（萬(wàn)元）200每千克成本（元）100員工薪酬（萬(wàn)元）13000每千克價(jià)格（元/）300動(dòng)力能源費(fèi)用（萬(wàn)元）1000征地面積（m2）40000

第九章結(jié)論本次工廠設(shè)計(jì)根據(jù)L-色氨酸的生產(chǎn)工藝流程，利用基因重組后的谷氨酸棒桿菌的微生物直接發(fā)酵法生產(chǎn)L-色氨酸，并對(duì)總體工廠選址、車間、資金進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)。但是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)內(nèi)地具有較大的氨基酸生產(chǎn)效能的企業(yè)并不算很多，因此在進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益估算時(shí)可以拿來(lái)比較的方案實(shí)在有限。但是，我國(guó)的微生物發(fā)酵法生產(chǎn)色氨酸市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，隨著十九屆五中全會(huì)的勝利召開，進(jìn)入2020年即將啟航的“十四五”時(shí)期，如何加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，符合美麗新中國(guó)的建設(shè)，使企業(yè)步入“兩大”循環(huán)的春風(fēng)中的相關(guān)問(wèn)題。新型綠色高效的生產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用、延伸等一系列問(wèn)題必將會(huì)成為行業(yè)內(nèi)部的企業(yè)今后關(guān)注的焦點(diǎn)。改革開放以來(lái)的工廠創(chuàng)辦的歷史經(jīng)驗(yàn)證明，生產(chǎn)核心技術(shù)以及工藝流程與時(shí)俱進(jìn)與否，基本決定了一個(gè)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和生命力。因此對(duì)于一個(gè)新興企業(yè)來(lái)說(shuō)，全面地洞悉國(guó)內(nèi)外同行采用的技術(shù)工藝及技術(shù)研發(fā)，并了解國(guó)內(nèi)對(duì)于相關(guān)企業(yè)所落地的政策，對(duì)于準(zhǔn)確把握自身競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，提升自身技術(shù)所具備的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)具有十分重要的影響[10]。2010年在中國(guó)氨基酸及蛋白原料產(chǎn)業(yè)發(fā)展高層論壇上，根據(jù)企業(yè)代表希杰生物的部長(zhǎng)金喆河做出的報(bào)告分析可知，2003年全球?qū)τ谏彼嵝枨笤?180噸，然而到達(dá)2009年這個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)告就達(dá)到了3500噸，年均增長(zhǎng)率保持在16.8%并有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)2010年需求量在4250噸。與此同時(shí)，作為全球氨基酸生產(chǎn)龍頭企業(yè)，日本味之素公司通過(guò)分析相關(guān)客戶數(shù)據(jù)得出的報(bào)告預(yù)測(cè)，顯示從2010以后全球的色氨酸需求量將增長(zhǎng)到25%，并且呈遞增趨勢(shì)[13]。國(guó)內(nèi)的氨基酸生產(chǎn)企業(yè)博亞和訊統(tǒng)計(jì)，2003年國(guó)內(nèi)內(nèi)地的色氨酸購(gòu)買量為130噸，至2009年時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)已經(jīng)翻了3倍，達(dá)到了400噸，由此計(jì)算出的年平均增長(zhǎng)率在17.4%左右，增長(zhǎng)率與全球增長(zhǎng)水平基本持平。2009年是中國(guó)色氨酸生產(chǎn)的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從這年起中國(guó)開始了較大規(guī)模投產(chǎn)色氨酸。截至目前國(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)色氨酸的廠家有河南巨龍生物、浙江升華拜克、山東魯抗醫(yī)藥、長(zhǎng)春大成集團(tuán)、梅花生物科技等企業(yè)[12]，如今2019年全球色氨酸的生產(chǎn)總值已經(jīng)達(dá)到了62億，預(yù)計(jì)到2026年將會(huì)達(dá)到155億[14]。據(jù)可靠資料顯示，目前色氨酸國(guó)內(nèi)醫(yī)藥市場(chǎng)的需求超過(guò)50噸/年，若售價(jià)低于30萬(wàn)元/噸