毕业设计(董伟).doc

武汉科技大学本科毕业设计摘 要 维生素B2，又称核黄素。是人类和动物不可或缺的营养补充剂。它在制药工业、食品工业、饲料工业有着广泛的用途。本设计对年产2000吨维生素B2工厂进行设计，主要包括工艺流程设计、设备计算与选型以及绘制相应的图纸。 本设计中的核黄素发酵工艺以阿舒假囊酵母菌为菌种，糖蜜为原料，采用机械搅拌式发酵罐发酵。设计的主要内容包括原料的处理，无菌空气制备，种子扩大培养，发酵过程中温度、pH、培养基、溶氧量等各项参数的设计，以及产物的提取过程。其中发酵罐的设计采用了通气搅拌式发酵罐的设计理论，并根据核黄素的发酵特点，提出了依据产量来进行工艺参数计算的设计思路，即通过物料衡算、热量衡算来对罐体各项参数和电机搅拌功率进行确定，最后得出每年300个工作日，以大约150 h为一个生产周期进行生产。发酵罐体积100 m3，换热面积40 m2，电机搅拌功率180 kW。为了满足生产需求，需要17个发酵罐。关键词： 核黄素；维生素b2；阿舒假囊酵母菌；发酵；发酵罐AbstractVitamin B2, also known as riboflavin. Is essential for human and animal nutrition supplements. It has a wide range of functions in the pharmaceutical industry, food industry and feed industry. The design designs an annual output of 2,000 tons of vitamin B2 plant, including process design, equipment selection, as well as computation and rendering the corresponding drawings.The design of riboflavin fermentation processes utilized Achouri yeast Eremothecium as primary strains, molasses as raw material, the use of mechanical agitation type fermentor fermentation. And mechanically stirred tank as bioreactor. The main content consists of raw potato disposing, axenic air preparation, strains expansile breeding, and the temperature, pH, medium, dissolved oxygen and other parameters controlled in the process of fermentation, as well as product extraction. The ventilation-stir fermentation tank theory are adopted by us, accord to the fermentation characteristics of riboflavin acid, to put forward a design for calculating the design parameters based on the yield of the product. Thats to say, to determine electrical parameters and the stirring power via the material balance and energy balance. The result is that for an annual 300 working days and about 70 hours one cycle of production. The fermenter volume is 100 m3, heat transfer area is 40 m2, the electrical power stirring is 180 kW. 17 fermenters are needed for routine production.Key words: Riboflavin; Vitamin B2; Achouri yeast Eremothecium; Fermentation; Fermenter目 录摘 要I1 文献综述11.1 维生素B2简介11.1.1 维生素B2的发现11.1.2 核黄素的结构特点11.1.3 核黄素的理化性质11.1.4 核黄素的功能和用途21.1.5 核黄素的生产现状21.2 核黄素的生产方法21.2.1 抽取法21.2.2 化学合成法21.2.3 微生物发酵法31.2.4 半微生物发酵半化学合成法41.3 目前国内外核黄素生物合成的研究进展41.3.1 菌种选育41.3.2 核黄素发酵条件的优化51.4 本课题研究内容62 核黄素的发酵生产工艺设计72.1 核黄素发酵的培养基72.2 种子扩大培养72.2.1 试管斜面固体菌种的表面培养82.2.2 三角瓶固体表面培养82.2.3 种子罐种子的培养82.3 无菌空气制备82.4 发酵过程的技术控制92.5 核黄素的提取工艺92.5.1 碱溶102.5.2 固液分离102.5.3 加酸102.5.4 固液分离102.5.5 干燥、筛分、包装102.5.6 废弃物处理113 相关设备计算123.1 设计内容123.2 设备计算123.2.1 发酵罐大小及台数的确定123.2.2 搅拌器133.2.3 搅拌功率的计算143.2.4 挡板163.2.5 消泡器163.2.6 联轴器163.2.7 空气分布装置163.2.8 热量计算173.2.9 冷却水量计算173.2.10 冷却面积的计算183.2.11 蒸汽消耗量计算19参考文献：21致谢2220 1 文献综述1.1 维生素B2简介1.1.1 维生素B2的发现1928年，经研究证实，维生素B复合物受热丧失抗脚气病特性(维生素B，被破坏)以后，还存在着促进生长的特性。这种可促进生长的对热稳定的物质被人们称为维生素B2。后来又发现，这种对热稳定物质是由几种维生素组成的6，1932年，德国科学家Warburg和Christian发现了可促进细胞生长的活性物质一黄素蛋白(实际上是酵母水溶液中提出的黄色酶)。后来分析发现，这种物质由两部分组成，其中一部分是蛋白质成分，另一部分为具有黄绿色荧光的色素，称为黄素。1933年Kuhn及其共同工作者从蛋中分离出来一种黄色的，具强烈的黄绿色荧光的化合物，称为蛋黄素(Ovoflavin )，另外一些工作者则由乳品，乳清及肝中将它们分离出来2.1935年他们又确定了维生素B2的结构并合成了它。由于其分子中含有1个五碳糖核糖，故被命名为核黄素。1.1.2 核黄素的结构特点核黄素又名维生素B2，维生素G或乳黄素，是一种人体必需的13种维生素之一，为水溶性B族维生素。它是核醉与7，8-二甲基异咯嗓的缩合物，在化学上定名为7，8-二甲基-10- (D-1-核糖酞)-异咯嗓，是一种平面结构，天然核黄素的结构有很大不同。核黄素的分子式为C17H2ON4O6，结构式如图1-1。在核黄素分子中一部分是具有黄绿色的异咯啧族黄色素，在第7和8的位置上各有一甲基:另有一部分是戊糖基，与第10位置的氮原子相连，作为整个分子的侧链部分。如果去掉这两个甲基所得的化合物，具有毒性，侧链如不是戊糖基则无维生素的功效。 1.1.3 核黄素的理化性质 核黄素为黄褐色或橙黄色针状结晶粉末，味微苦，几乎无气味，它微溶于水(27.50时，其溶解度仅为12mg/100mL水)，几乎不溶于乙醇(1:20000)和氯仿，也不溶于丙酮，乙醚和苯。在水溶液中它会发出略带绿色的黄色荧光。核黄素在2400变暗色，其熔点为275-2820，并在此温度下被破坏6。核黄素在干燥状态下性质稳定。在中性和酸性溶液中，核黄素对热稳定，1200下加热lh也仅有少量破坏，但在碱性溶液中加热则容易被破坏，降解为无生物活性的光黄素(Lumiflavin)。核黄素对大多数氧化剂(如过氧化氢)稳定，但可被铬酸和高锰酸钾所氧化。游离核黄素对光很敏感，在光照尤其是紫外线照射下，极易引起不可逆分解而被破坏，且被破坏速度随温度和pH升高而加速。但大多数食物中的核黄素是以结合形式（与磷酸、蛋白质等结合成复合化合物）存在的。此种结合型的维生素B2对光比较稳定。1.1.4 核黄素的功能和用途核黄素在生物体内以黄素单核苷酸(FMN)和黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD)的形式存在，它作为黄素蛋白的辅酶参与传递氢的有关代谢，在呼吸和生物氧化中起着重要的作用，是生命活动中不可缺少的维生素。核黄素能促进蛋白质、脂肪、碳水化合物的代谢，具有维护皮肤和粘膜的生理功能。核黄素缺乏会妨碍细胞的氧化作用，使物质代谢发生障碍。核黄素作为常用临床药物，用于辅助治疗口角炎、眼角膜炎、白内障、眼角膜及口角血管增生等多种疾病；核黄素在食品工业中可作为色素和营养添加剂，人体大约每天需要0.31.8mg核黄素；在饲料工业中用做饲料添加剂，动物饲料中必须含有1-4mg/kg的核黄素才能满足其生长需要并提高营养的利用率。核黄素最主要的消费市场是饲料，在医药领域用量较少【2】。1.1.5 核黄素的生产现状目前，全球对核黄素的需求为65007000吨，供需基本平衡。核黄素的生产技术主要有两种：一种是半合成半发酵法，另一种是微生物发酵法。由于半合成半发酵法成本过高，污染大，不少生产商逐渐关闭生产线，减产或者转换了生产技术路线。微生物发酵法已经成为生产核黄素的主要技术。目前，核黄素的生产厂商主要是湖北广济药业、荷兰的帝斯曼(DSM)和德国的巴斯夫(BASF)。它们所采用的方法都是微生物发酵法。湖北广济药业凭借2006年超过2000吨的产量，成为世界上最大的核黄素生产商，市场份额已经上升到30%40%。未来DSM和BSFA都不会将核黄素作为重点品种，因为它们的产品丰富，这两个公司会适当减少核黄素的产量，甚至有可能退出核黄素市场。1.2 核黄素的生产方法1.2.1 抽取法 是从动植物中提取，这种提取方法简单，而且提取的核黄素为天然产品，但此法成本较高，需要大量动植物，且产量较小，因此不利于投入工业化生产。只能处在实验阶段，不适合大规模生产。1.2.2 化学合成法 核黄素化学合成开始于D-核糖与3,4-二甲苯胺缩合，再氢化还原得一种胺；此仲胺与苯氮化重氮化物反应，生成一种偶氮染料化合物3, 4-二甲基-6-苯偶氮-D-核糖胺；最后与巴比妥酸(丙二本酞脉)在乙酸存在下缩合即可得到核黄素。化学法合成核黄素可以利用传统的分批反应设备，但在纯化精制阶段，偶氮染料中间物和核黄素均会生成细小的晶体，给有效地过滤和洗涤带来较大的困难。而且其反应步骤多、工艺长、回收率低、成本高（要用到较贵的起始反应物D-核糖）耗能大，因此远不能满足工业需求，正逐渐被微生物发酵法所取代。1.2.3 微生物发酵法微生物发酵法属于生物化学过程，利用的是可再生能源，废物排放量少，生产成本低，是目前国际上倍受推崇的核黄素生产方法。与化学合成法相比，可使成本降低一半。微生物发酵法与化学合成法相比也存在着某些缺点和不足，例如:在核黄素的后期加工处理过程中，核黄素的分离纯化比较困难，很难制得高纯度的核黄素。但是随着核黄素分离纯化技术的不断改进，微生物发酵法将以其环保、节能、低成本等优点最终取代化学合成法。1.2.3.1 核黄素的生产菌种 利用微生物代谢法生产核黄素的微生物有很多，但是真正用于核黄素工业化生产的却很有限，常用的几种如表1-1所示。本实验采用的菌种为阿氏假囊酵母(Eremothecium ashbyii).是一种子囊菌，为异宗配合。其抱子短而粗，一端尖而细，没有尾鞭，饱子不成束，排列无一定次序，菌丝横隔较少，细胞中有黄色素,为好氧的丝状真菌。SpeciesScientific nameClassification阿氏假囊酵母Eremothecium ashbyiiYeast假丝酵母Candida flaveriYeast酿酒酵母Saccharomyces cerecisiaeYeast棉病阿舒囊霉Ashbya gossypiiFungus枯草芽孢杆菌Bacillus subtilisBacterium丙酮丁醇梭菌Clostridum acetobutylicumBacterium表1-1 核黄素工业生产中的常用微生物菌种1.2.3.2 核黄素的生物合成途径核黄素是异咯嚷的衍生物，在异咯啧环的6,7位上有两个甲基，9位N上连着一个核糖醇。关于核黄素的生物合成过程，不同种类的生物中并不完全相同。在阿氏假囊酵母发酵过程中，核黄素是一种重要的次级代谢产物，其合成与积累是一个复杂的代谢过程。菌体通过Embdem-Mogerhof-Parnas pathway (EMP途径)和Hexose monophosphate pathway (HMP途径)，形成复杂的代谢流4。若以葡萄糖为出发底物，整个合成代谢途径可分成9个阶段7，如图1-2.1.由葡萄糖出发，经HMP途径生成5-磷酸核搪，在焦磷酸激酶的催化下与ATP作用，生成5-磷酸核糖焦磷酸(PRPP)。2.PRPP在PRPP转酞胺酶的作用下生成5-磷酸核糖基胺(PRA)。3.PRA经过一系列反应生成肌昔酸(IMP)。4.IMP经过一系列反应生成鸟昔三磷酸(GTP)。5.GTP在GTP环解酶的作用下裂解，生成2,4,5-三氨基-6-轻基吡啶(HTP)，同时失去磷酸核糖。6.HTP与核糖醇CDP作用，生成2,5-二氨基-6-经基-4-核糖基氨基吡啶(DHRAP)和CDP。7.DHRAP放出NH3，生成5-氨基-2,6-二经基-4-核糖基氨基吡啶(ADRAP)。8.ADRAP与3-轻基丁酮缩合，生成6,7-二甲基-8-核醇基-二氧四氢喋啶(DMRL)。9.最后，DMRL在核黄素合成酶的作用下，形成核黄素(riboflavin)。 葡萄糖 6-磷酸葡萄糖酸 5-磷酸核糖 磷酸核糖焦磷酸 6-磷酸葡萄糖 5-磷酸核糖基胺 6-磷酸果糖 肌苷酸 1,6-二磷酸果糖 鸟三磷 磷酸二羟丙酮 3-磷酸甘油醛 2,4,5-三氨基-6-羟基吡啶 1,3二磷酸甘油酸 2,5-氨基-6-羟基-4-核糖基氨基吡啶 3-磷酸甘油酸 5-氨基-2,6-二羟基-4-核糖基氨基吡啶 2-磷酸甘油酸 6,7-二甲基-8-核醇基-二氧四氢喋啶 磷酸烯醇式丙酮酸 核黄素 丙酮酸 FAD FMN 分泌到菌体外图1-2 核黄素生物合成途径1.2.4 半微生物发酵半化学合成法此方法中和了微生物发酵法和化学合成法，但所添加的化学助剂，残留太高，难分离。不适合大生产。1.3 目前国内外核黄素生物合成的研究进展1.3.1 菌种选育 优良的微生物菌种是提高微生物发酵法的核黄素产量和经济效益的最重要条件之一。为此，各国的核黄素生产商都十分重视菌种的选育、研究、开发和保藏。1.3.1.1 代谢调节控制育种近十年来，随着代谢工程理论的出现和成熟，它在产核黄素基因工程枯草芽孢杆菌研究中的应用后，使得这一领域的研究水平在质上产生了飞跃。代谢工程实践过程包括“合成”、“分析”、“设计”三个步骤，这三个步骤周而复始，不断循环，将研究水平不断提高8。Perkins等根据代谢工程中“合成”部分的理论，构建可过量表达核黄素的枯草杆菌的主要思路是：一方面解除受体菌对核黄素合成的反馈抑制，依次选用三种嘌呤结构类似物：8-氮鸟嘌呤（解除了嘌呤合成的反馈调控）、德夸菌素（增加了XMP到GMP的代谢通量）和甲硫氨酸亚砜（增加IMP到XMP的代谢通量），并结合核黄素的抗代谢物：玫瑰黄色素（解除了核黄素合成的反馈调节）进行抗性突变筛选，使突变株中核黄素能够过量积累；另一方面使增加核黄素操纵子的基因剂量，实质强表达。在国内，姜小山等以阿氏假囊酵母（Eremothecium ashbyii）为出发菌株，根据其代谢调节原理，通过减轻核黄素合成途径中重要调节酶的反馈抑制，以紫外线为诱变剂，筛选出两株抗嘌呤类似物8-AG突变株，其核黄素发酵单位分别比出发菌株提高了15.5%和9.8%9。1.3.1.2 原生质体诱变育种原生质体诱变液是一种行之有效的育种技术，它是以微生物原生质体为育种材料，采用物理（紫外线、激光和60Co-射线）或化学诱变剂处理，然后分离到再生培养基中再生，并从再生菌落中筛选高产突变株，原生质体是单个的分散细胞，与诱变剂接触面大，同时，诱变后易于形成单菌落，便于分离筛选；其次，原生质体具有细胞壁再生能力，又保持细胞全能性，可按一般细胞诱变方式进行诱变。1.3.1.3 基因工程育种20世纪90年代初Revuelta等克隆到了A.gossypii中的6个核黄素合成基因。他们分别编码从GTP开始的核黄素生物合成酶。通过基因工程手段提高了它们在A.gossypii中的表达量，但该菌株的核黄素产量并未得到相应的提高。与此同时其他一些科学工作者对A.gossyii中的另外3个基因：AgICL1、AgGLY1、AgYMA1进行了遗传学改造，结果显著提高了A.gossypii的核黄素产量。其中AgICL1编码乙醛酸循环中的一个限速酶。当以豆油为发酵碳源时，通过增加该基因在A.gossypii中的拷贝数，可以使该菌株的核黄素产量得到明显的提高6。AgGLY1则编码一种苏氨酸醛缩酶，该酶可以催化苏氨酸转化为甘氨酸，进而为GTP的合成提供原料。Steiner、Philippsen等人通过换用强启动子的办法增加了该基因在A.gossypii中的表达量，也进一步提高了该菌株的核黄素产量3。第三个基因AgVMA1是编码位于液泡膜上的一个ATPase的亚基。它与核黄素跨膜进人液泡有关。1999年Forster等通过基因工程手段改变了该基因的结构，使液泡膜上的ATPase活性丧失，结果使细胞质中合成的核黄素不能进入液泡，而完全分泌到细胞外。采用这种方法也可以使核黄素产量得到进一步的提高。研究分子机制，并用于核黄素工程菌种的选育，对于提高核黄素的产量和经济效益具有十分重大的意义，但同时利用基因工程手段选育优良菌种的成本也是十分昂贵的。目前国内还未见有利用基因工程技术构建核黄素高产菌的报道。1.3.2 核黄素发酵条件的优化核黄素的生物合成与积累是一个复杂的代谢过程，受到碳源、氮源等许多因素的影响。因此同选育核黄素高产菌种一样，优化发酵工艺条件也是提高产量和经济效益的最主要因素之一。在国外人们已成功地将Plackett-Burman设计法与RSM法相结合应用于核黄素发酵条件的优化。V.Pujari等首先采用Plackett-Burman法确定了野生型菌株Eremothecium ashbyii培养基的最佳碳源和氮源分别为糖蜜和芝麻籽饼及其它各组分，然后采用中心组合设计法考察了几种显著因子之间对核黄素发酵的影响，并优化出了其最佳值，使得菌株的核黄素产量提高了13%。随后还对筛选得到的紫外线突变株Eremothecium ashbyii UV-18-57采用上述方法对其培养条件进行优化，使得其产量提高了35%5。在国内，为了进一步提高核黄素的产量，惠明以核黄素高产突变株E.ashbyii T30为出发株，探讨了发酵工艺条件对核黄素产量的影响。研究表明：不同氮源、碳源、发酵用水、培养基灭菌方式及种子液质量都对核黄素产量有较大的影响，采用补料发酵工艺可使核黄素产量较对照的普通发酵提高20%，而且在发酵过程中，添加碘乙酸或氟化钠也具有显著的增产效益10。目前，补料发酵尚处于实验室或小试阶段，在实际生产中的应用未见报道。1.4 本课题研究内容 发酵法是目前世界上生产柠檬酸的主要方法。本设计在参阅国内外文献及相关研究的基础上，设计年产2000吨的核黄素发酵厂，以大米为原料，阿舒假囊酵母菌为发酵菌种，主要内容为对发酵过程进行工艺设计，计算各工序的工艺参数，最后得到整个工艺过程的参数及工艺流程图、主要设备装配图等图纸。2 核黄素的发酵生产工艺设计 核黄素的发酵为好氧发酵过程，而目前深层通气发酵是柠檬酸生产的主要方法，拟采用的主要工艺流程11如下：菌种 活化与扩大培养 种子 通入无菌空气 发酵培养基的配制与灭菌 接种 发酵 固液分离 碱性发酵液 发酵液 碱溶 结晶 干燥 成品2.1 核黄素发酵的培养基核黄素发酵培养基主要有两方面的作用：一是在发酵初始阶段提供阿氏假囊酵母生长繁殖的营养需要和维持生命活动的能量；二是作为生物合成核黄素的基质。前者除要提供碳源物质外，还需一定的氮源和其它生长因子。所以选择的发酵培养基组成为：糖蜜 l00g/L; 豆油20ml/L; 酵母膏2g/L; KH2PO4 2g/L; MgSO47H20 O.lg/L; NaCl lg/L; Tween-80 18ml/L。pH调节为6.0。2.2 种子扩大培养种子培养的目的是使阿氏假囊酵母孢子发芽，并发育成产酸型的菌丝球并以此作为接种物。使用种子培养液有如下优点：（1）缩短发酵罐的发酵时间，一般可缩短30 h左右，从而提高了设备利用率；（2）种子的质量易于控制。若直接接种孢子，就相当于在发酵罐中先进行种子培养。由于发酵条件制约，发酵罐的营养物含量不能过多，因此发酵培养基的组成成分不能满足孢子发芽和生长的需要，从而导致种子发育较慢，甚至质量较差，而在种子罐中进行种子预培养就克服了这一缺点；（3）有利于防治杂菌污染。一般种子培养车间的规模比生产车间小得多，因此环境卫生易于控制；（4）如果在种子培养阶段出现事故就容易被发现，也能及时采取措施，对保证种子质量有利，即使发生种子液倒灌，造成的经济损失也相对要小7。2.2.1 试管斜面固体菌种的表面培养察氏琼脂培养基或麦芽汁琼脂培养基，加热溶化，分装试管，121 30 min灭菌后，摆放斜面，冷却后，以无菌操作接入已活化好的阿氏假囊酵母菌种，在（301）下培养45d，待长满茂盛的阿氏假囊酵母孢子即可使用。2.2.2 三角瓶固体表面培养与试管斜面固体培养基相同，加热溶化，分装250500 mL茄子瓶，每瓶45 cm厚，121 30 min灭菌、冷却后，采用无菌操作，在茄子瓶固体培养物中加入无菌水，制成孢子悬液，将孢子悬液接入10002000 mL三角瓶固体培养基中，进行麸曲固体表面培养。3032 培养1416 h后，菌丝长满曲料表面，翻曲一次，疏松结块；继续培养1 d，翻曲2次；再培养34 d，待长满孢子，制成麸曲即可使用。2.2.3 种子罐种子的培养种子培养基组成为：淀粉 60g/L、米糠油 40g/L、玉米浆 15g/L、骨胶 18g/L、鱼粉 15g/L、KH2PO4 1g/L、NaCl 2g/L、CaCl2 1g/L、（NH4）2SO4 0.2g/L。在0.070 MPa 下灭菌30 min，冷却至30；在种子罐中接入阿氏假囊酵母孢子或麸曲；培养温度控制在301；罐压维持2050 kPa，通风量根据培养阶段而定。种子培养20h。2.3 无菌空气制备用阿氏假囊酵母发酵产生核黄素的过程为好氧发酵过程，因此在培养过程中需要连续通入大量无菌空气，以供生产菌的生长和代谢。据统计，发酵过程中污染率与空气系统的质量关系密切，接近20%的发酵污染都是由于空气系统带菌而引起的。因此无菌空气的制备以及质量显得相当重要。工业发酵所需的无菌空气一般以空气过滤除菌为主要方法，因为工业发酵对无菌空气要求高、用量大，故应选择运行可靠、操作方便、设备简单、节省材料和减少劳动力消耗的有效除菌方法。空气过滤除菌一般是把吸气口吸入的空气先经过压缩前过滤，除去一些较大的灰尘或其它颗粒，防止压缩机磨损，同时也可减轻总过滤器的负荷。过滤后的空气进入空气压缩机（一般维持200 kPa以上，温度在120150 ），再经冷却器冷却，具有较高湿度，经丝网分离器除去微小液滴，再经加热器及过滤器，就可作为无菌空气通入发酵罐9。2.4 发酵过程的技术控制灭菌后，待发酵罐中发酵培养基冷却至35时，利用无菌压缩空气将种子罐中的培养液泵入发酵罐，进行液体深层通气发酵。一般来说，发酵前期（020 h）为菌丝生长和淀粉糖化阶段（当产酸量与还原糖的总量接近起始可发酵糖总量时，糖化阶段完成）；发酵中后期（20150 h）为核黄素合成与积累阶段。（1）接种量的控制：在一定范围内，孢子接种量与产酸速率成正比。从理论上讲，菌球体的极限数量与接种孢子数量相等。由于孢子相互吸附以及孢子在发酵液中萌发时菌丝互相缠绕等物理作用，大多数菌丝球是由几个孢子乃至一团孢子形成的。孢子接种量越大，菌丝球直径越小、越多，产率越高。一般接种量都控制在10%左右。（2）发酵温度的控制：在阿氏假囊酵母液体深层发酵中，发酵温度应控制在（281）。（3）发酵液pH值的控制：发酵前期（020 h），发酵液pH值控制在4.56.3，促使淀粉糖化；发酵中后期（20150h），发酵液pH值降至7左右，有利于核黄素的合成与积累。（4）通风供氧和搅拌的控制：核黄素发酵是典型的好氧发酵，对氧十分敏感。其发酵液粘度很大，呈非牛顿特性，通风供氧困难，而充足的溶氧是发酵高产核黄素的关健之一。当发酵进入产酸期时，在一定范围内，产酸速率几乎与溶氧分压成正比，一般发酵前期，通风量控制在0.080.1 vvm，发酵中后期，通风量控制在0.120.15 vvm。搅拌转速控制在90110 r/min。整个发酵期间罐压保持0.1 MPa。（5）发酵终点控制：以蜜糖为原料，核黄素液体深层通气发酵至140150h，当发酵液中产生的核黄素浓度达到7000g/mL、糖的转化率达到93%97%时，可升温终止发酵，泵送至贮罐中，及时进行提取。2.5 核黄素的提取工艺成熟的核黄素发酵液中菌体蛋白的含量很高，溶液的粘度很大，核黄素主要以针状晶体形式存在，它们大部分分散在发酵液中，与菌丝体和大分子胶体混杂在一起，小部分存在于菌丝体内，给分离精制带来了较大的困难。常温下，在中性和偏酸性溶液中，核黄素的溶解度很低，通常不超过250mg/L,在高温8090和pH值为1011条件下，核黄素的溶解度较大，可以达到50006000mg/L。但随着发酵液中核黄素浓度的不断提高，核黄素的溶解分离也变得越来越困难。核黄素的提取方法主要有重金属沉淀法、Morehouse、酸溶法和碱溶法等。目前工业生产中大多采用后碱溶法。其工艺流程如图1-4所示：发酵液 加碱至pH 11.512.2 温度35碱性发酵液 油层（上层） 溶液（中层） 菌体残渣（下层） 通风搅拌 加酸至pH为6.9左右 酸性悬浮液 固液分离 核黄素湿晶体 结晶母液 浓缩 干燥成品 高浓度结晶母液 图 2-1 碱溶法提取核黄素工艺流程2.5.1 碱溶核黄素在碱性条件下具有较大的溶解度，这一特性为提取分离核黄素提供了较大方便，调节溶液的pH值在11.312.2的范围内，核黄素的溶解度处在500020000mg/L之间，该质量浓度范围已覆盖目前发酵生产核黄素的最高质量浓度，碱溶的目的是在下一步的固液分离中，尽量减少核黄素的损失。2.5.2 固液分离 发酵液中含有菌丝以及大量的原料残渣，固形物杂志较多。并且还有油脂。固液分离的目的是除去发酵液中各种悬浮的固形物质及油脂，获得核黄素溶液。可以采用板框过滤机。2.5.3 加酸 加酸到溶液的pH值至6.9左右，使核黄素的溶解度降低，从而结晶析出。2.5.4 固液分离 核黄素结晶析出后，只需过滤出晶体即可，故可以选用平底筛过滤机过滤得到晶体。2.5.5 干燥、筛分、包装结晶后的晶体需要离心机甩水，除去结晶母液，然后把结晶放入流化床进行气流干燥。干燥后应进行过筛，除去巨大颗粒和细小颗粒，取符合成品要求的部分包装、入库2.5.6 废弃物处理发酵法生产核黄素主要废弃物为废水，而且产生的是高浓度有机废水，本次设计没有单独设计废水处理系统，而是将废水交由废水处理厂处理，因此不做讨论。3 相关设备计算3.1 设计内容维生素B2采用发酵法生产，此过程为好氧发酵。本设计最后要得到的整个工艺过程的工艺参数、操作参数，以及所用发酵罐的尺寸以及相关设备的型号。需要设计的内容有： 1、生产维生素B2发酵罐的公称容积以及发酵罐的结构和几何尺寸； 2、发酵罐中搅拌装置的选用及搅拌功率大小的设计； 3、冷却装置的设计以及冷却水用量、冷却面积的计算； 4、实际消毒灭菌蒸汽耗用量的计算。3.2 设备计算3.2.1 发酵罐大小及台数的确定 维生素B2的发酵周期是6天，年生产能力是1000吨，以每年300个工作日计算，故平均每个周期生产50吨。 目前核黄素的产酸率50g/L，而发酵液中核黄素的提取率可达90%，因此可认为发酵液中核黄素的产率为45g/L。 由此得出一个发酵周期所需发酵液的体积为：45103kg/40g/L=1125m3 (3.1) 按照装液量75%计，发酵液前后体积比为0.9，则可得出：在一个周期内所需要的总发酵罐体积=1125 m3/（0.750.9）1700 m3 (3.2)根据实际设计要求及现代工业背景，设计发酵罐体积为100 m3，发酵罐总数为17个，发酵周期约为6天。取上下封头相同，根据资料11可得封头参数：公称直径/mm曲面高度/mm直边高度/mm内表面积/m2容积/m336009005014.646.62根据上表封头体积，可设定发酵罐直筒体积约为90 m3。发酵罐各部分的尺寸有一定的比例。对于好氧发酵来说，高径比较大时，氧的利用率较高，但压缩空气的压力需要较高，顶料与底料不易混合均匀，厂房较高。因此综合考虑后，本次设计发酵罐高径比为2.5。即 H=2.5D （3.3） H-发酵罐直通高度，mm；D-发酵罐直径，mm。则 (3.4) D=3570 mm 根据文献11取D=3600 mm则 H=2.5D =9000 mm 罐体总高度=直筒高度+2封头高度 （3.5） =9000+2（50+900） =10900 mm 罐体总容积=直通容积+2封头容积 （3.6） =91.6+26.62 =104.8 m33.2.2 搅拌器搅拌器的作用是打碎气泡，使空气与溶液均匀接触，使氧可以快速的融入料液中。常用的搅拌器有涡轮式、螺旋桨式、平桨式，其中以涡轮式使用最为广泛。涡轮式搅拌器叶片有平叶式、弯叶式、箭叶式三种，三种搅拌叶的对比情况如下12：功率消耗： 平叶 弯叶 箭叶发酵液中的气含率： 平叶 弯叶 箭叶轴向混合效果： 箭叶 弯叶 平叶综合以上情况考虑，采用箭叶搅拌器。搅拌器的直径必须满足以下要求：Di/D=1/21/3 （3.7）Di：搅拌叶的直径，mm；D：发酵罐的直径，mm；本次设计采用 Di/D=1/3， （3.8）即 Di=1200 mm搅拌器之间距离的计算：搅拌器之间的距离需满足以下条件： S=1.52.5 Di （3.9）本次设计采用2.5倍进行计算，即 S=2.5 Di =3000 mm则 搅拌器个数=筒高/S （3.10） =9000/3000 =3个即搅拌器个数为3个。3.2.3 搅拌功率的计算在机械搅拌发酵罐中，搅拌器输出的轴功率P（W）与发酵罐直径、搅拌器直径、液柱高度、搅拌器形式、搅拌器转速、液体黏度、液体密度等都有关系。一般情况下，生物反应器中搅拌器大多是在湍流状态下操作，则可使用以下公式求出搅拌功率： (3.11)P：搅拌功率，W；NP：功率准数；n：搅拌转速，r/s；Di：搅拌器直径，m；：料液密度，kg/m3。取=1200 kg/m3，搅拌转速为110 r/min，搅拌器直径1200 mm，而湍流状态下NP为一常数。依照已有数据12： 六平叶涡轮浆 Np =6.2六弯叶涡轮浆 Np =4.8六箭叶涡轮浆 Np =3.9故 =3.91200(110/60)31.25 =73.6 kW上述公式计算的是在一定形式、规格的搅拌器下进行实验、推算而综合的结果，实验装置也都有一定的几何条件，因此需要校正。由于一般发酵罐中D/d3，HL/d3，搅拌功率可用下式校正：P*=fP （3.12）式中，f为校正系数，可有如下关系式来确定。 (3.13)根据发酵罐装液量可以求出HL=8.05 m，代入上式得：P*=fP =110.06 kW根据生产经验可知，两个搅拌器的功率一般为一个搅拌器功率的1.5倍，三个搅拌器的功率一般为一个搅拌器功率的2倍。因此 P实=2 P* （3.14） =220.12 kW以上求得的是非通风条件下的搅拌功率，但实际操作过程中，我们采用的是机械搅拌式通风发酵罐，因此，我们需要计算在通风条件下的搅拌功率。当发酵罐通入空气后，搅拌器所耗功率显著下降，功率下降的程度与通气量Qg(m3/min)及液体翻动量Q（m3/min）等因素有关。根据密氏公式来估算涡轮搅拌器的通气搅拌功率： (3.15)Pg：通风条件下的搅拌功率，kW；P：不通风条件下的搅拌功率，kW；C：密氏常数；n：搅拌转速，r/min；Di：搅拌器直径，m；Qg：通风量，m3/min。当D/d=1/3时，C=0.157；搅拌转速为110 r/min；由资料可知Qg =12 m3/min。将数据代入（3.15）得： = =113.71 kW因密氏公式是经验公式，故出于生产安全考虑，取搅拌功率为120 kW。按机械传动总效率0.8核算，则 P=120/0.8 =150 kW为满足生产需要，最终选用180 kW的电机作为发酵罐的搅拌器电动装置。3.2.4 挡板挡板的作用是改变液流方向，防止液面中央产生漩涡，促使液体激烈运动，提高氧的溶解度。竖式蛇管、列管、排管，也可以起挡板的作用，故一般具有此类管的发酵罐不另设挡板。此次设计中我们采用了4组竖式盘管作为冷却装置，所以不另设挡板。3.2.5 消泡器发酵液中含有多种蛋白质等易发泡物质，在强烈通气和搅拌时会产生大量的泡沫，将导致发酵液外溢和增加染菌机会。在通气发酵罐中有两种消泡方法，一是加入消泡剂，二是使用机械消泡装置。本次设计使用耙式消泡桨，其直径为罐径的0.8倍。3.2.6 联轴器大型发酵罐的搅拌轴较长，所以采用分段式连接，一般分为二到三段，用联轴器使上下轴形成牢固的刚性连接。一般轴与联轴器是配套使用的，故不用作精确数据计算。3.2.7 空气分布装置空气分布装置的作用是吹入无菌的空气，并使空气分布均匀。通气管的出口应位于最下层搅拌器的正下方，开