国生工F1001,李尚义,年产 1000 吨 L- 丙氨酸可行性研究.doc

生物工厂设计可行性报告学院名称： 国际教育学院 专业班级： 生物工程F1001班 姓 名： 李尚义 学 号： 201048970115 指导老师： 李浪 目录 1摘要. .1 1.0 引言 . . .11.1 产品需求初步预测 . 11.2. 投资的必要意义 和经济意义. . .11.3. 经济效益和社会效益. 11.4 结论和建议.22.0. 厂址选择 . .23. 工艺设计 .2. 3.1. 生产工艺选择 . 2 3.2. 产品方案 . 33.3. 工艺流程图 . 33.4. 工艺要点 .34. 工艺计算 . 44.1. 物料衡算 . 55.0 发酵罐体要求 . 76.0 结论 . .7 7.0 参考文献 .8 年产 1000 吨 L- 丙氨酸可行性研究报告 摘要本设计主要是对年产 1000 吨 L- 丙氨酸制剂厂进行了设计。本设计从产品需求、地理环境、政策环境、生产技术等各项条件出发,针对 1000 吨 L- 丙氨酸制剂项目的需要,进行了车间平面设计,并对产品方案、生产工艺、设备选型、物料衡算、全厂卫生安全、企业组织等方面进行了研究与设计。最后对本方案进行了技术经济分析,本设计将本着节约的原则,尽量减少成本,获取最大利润。 关键词,L-丙氨酸,工厂设计,物料衡算 ; 设备选型 1. 引言L-丙氨酸,又名L- 氨基丙酸.为白色无臭结晶性粉末.是一种非必需氨基酸。L-丙氨酸作为一种带有特殊甜味的氨基酸,在医药、食品工业上的应用相当广泛。目前,L-丙氨酸生产最有效的方法是酶法转化,即利用培养假单胞菌产生的L-天冬氨酸-脱羧酶将L-天冬氨酸(简称L-Asp)转化为L-丙氨酸。L-丙氨酸是制造维生素B6 合成泛酸钙和其它有机化合物的原料。添加于食品中具有增加调味效果、改善甜味剂的味感和有机酸的酸味、提高含醇饮料的质量、防止油类氧化和改善浸演食品风味等效果。它还可用作生化试剂.用于生物化学和微生物研究方面。L-丙氨酸在医药上用途很广.是营养剂补糖氨基酸营养输液的组成成份之一.由该产品所组成的复合氨基酸注射液14 氨基酸注射液-300是治疗肝病的新药.可治疗肝功能不全引起的氨基酸代谢紊乱.促使肝昏迷病人苏醒.并且具有良好的利尿作用。L-丙氨酸具有甜味.其甜味为蔗糖的1.2 倍.可用于清凉饮料、合成酒和其它食品的调味品.对改良风味有一定的效果.它还可做为化妆品的添加剂。据了解.深圳、上海、安徽等地的外贸部门千方百计寻求货源。随着社会消费水平的提高.社会需求量会越来越大.为此.开发该产品前景非常广阔。1.1. 产品需求初步预测L-丙氨酸在国外只有日本形成规模化生产.基本上垄断和控制着世界的产量和价格。国内江苏、浙江、广东等地制药厂每年用量在5000 吨左右.全部依赖进口。据09 年初统计.L-丙氨酸的世界需求量约万吨.年缺口量约5000 多吨.随着社会消费水平的提高.社会需求量还会越来越大。1.2. 投资的必要性和经济意义L-丙氨酸虽由于价格原因尚未在食品等工业应用,但随着人们对L-丙氨酸的认识以及新技术的不断开发,制造成本的进一步降低,L-丙氨酸在医药、食品、化工等行业中将被广泛应用。我国丙氨酸产业发展较晚.90 年代才开始生产.到20 世纪末产量也未突破200 吨.产品的主要市场也是医药行业.主要用于氨基酸输液。伴随国际市场丙氨酸的广泛应用国内的一些知名企业也开始引进和自主研发相结合.在国内首先丙氨酸的生产线。 多年来.全球丙氨酸生产量的70%左右销往欧洲。最近几年.随着亚洲.北美等地区对丙氨酸要求的迅速增大.使丙氨酸生产跨入了一个崭新的阶段.目前全球丙氨酸以每年超20%的增长率增长。因此.该厂建成后将有非常好的发展前途。1.3. 经济效益和社会效益项目完成之后可年产丙氨酸1000 吨.项目年销售收入为3500 万元.年总成本费用为1500 万元.年利润为1300 万元.项目建成后投资回收期约为四年。社会效益预测.L-丙氨酸在国外只有日本形成规模化生产.基本上垄断和控制着世界的产量和价格。L-丙氨酸的世界需求量约过万吨.随着社会消费水平的提高.社会需求量还会急剧增长.可在多方面为当地创造税收收入.吸纳当地剩余劳动力.增加当地居民收入进而带动其他行业的发展.使日照的经济效益增加的同时又增加了潜在的社会效益。1.4. 结论与建议鉴于国内外对此产品需求量也很大.市场供应也相当紧张.且价格不断上扬。因此.开发L-丙氨酸.市场前景好.其经济效益和社会效益更为显著。本设计即是针对我国丙氨酸发展现状.本着迎合消费者需求.求新.求变的原则.对丙氨酸的生产进行了更为优化的设计.设计了年产1000 吨丙氨酸的生产车间.在工艺分析的基础上.进行了物料衡算、设备选型、劳动力定员、能耗衡算.并对生产车间进行了合理的布局。同时.设计过程中.也注意环境保护.及时有效的处理生产过程中产生的三废问题。 2. 厂址选择 丙氨酸的生产首先考虑的是原料的供给问题。本厂厂址拟选在日照市北经济开发区。此地自然地理条件优越,经济发展迅速,交通便利,符合丙氨酸厂的选址原则。 该园区总规划面积 60 平方公里,园区内环境优美,气候宜人,水土资源丰富,基础设施完善,鼓励政策优惠,优质服务到位。发展环境优越 五莲县被省政府列入半岛城市群战略发展区域,日照市提出了建设以潮河为中心的日照市北制造业加工基地的发展规划。日照市北经济开发区作为五莲 融入半岛,接轨青岛,对接市区 的经济发展平台,实现了日照与青岛两大经济区域的有机对接,已经成为五莲县乃至日照市承接半岛工业转移及产业辐射的黄金地带优越的地理环境 。 厂址应该建在郊区，污染小的地方，距离原料，水，及其产物的运输都应该方便，快捷，防火，防爆，防毒等等。要求地势平坦，地形整齐，容易在发生突发事件时人员的撤离，尽量接近原料基地，进厂后有相应的储备工艺。接近产品销售区域，减少费用，还有能源的供应和电水力设施也应该一应齐全，交通运输必须方便，对周围的环境没有多大的影响，厂址应该靠近城市的排水系统或有独立的排水系统，也应该防止制备出来的抗体收到污染。 3. 工艺设计 3.1. 生产工艺选择 L- 丙氨酸制备经历了由蛋白水解提取法、 发酵法到酶法 ( 固定化细胞法或游离整体细胞法 ) 的过程。 现在工业化生产的方法就是酶法转化 , 即通过富有 L- 天冬氨酸 - 脱羧酶活力的微生物细胞催化L-天冬氨酸而得到的其中日本多采用固定化细胞法, 而我国均采用游离整体细胞法。 固定化法与游离整体细胞法生产 L- 丙氨酸各有优缺点 , 就我国而言 , 游离整体细胞法的生产成本低于固定化细胞法。 故到目前为止 , 游离整体细胞仍显示较大的优越性。 作者用游离整体细胞法在杭州大川氨基酸有限公司 250t/a 的装置上的生产也证明这一点 ( 见表 3) 。 表3 固定化细胞法与游离细胞法生产L-丙氨酸的对比 由于丙氨酸具有旋光性,而生物所能利用的只有左旋 (L) 型恰好酶法所得的全部为 L 型,因此利用酶法生产丙氨酸是最重要的方法。酶法的原理是发酵罐上培养假单胞菌NX-1,获得高L-天冬氨酸 - 脱羧酶酶活, , 以 L- 天冬氨酸为底物游离细胞法转化生产 L- 丙氨酸。每升培养液可转化 L- 天冬氨酸2kg,最高达2.5kg,摩尔转化率100%反应液产生的L-丙氨酸浓度达90%,绝大部分结晶析出。3.2. 产品方案 年产 L- 丙氨酸 2000 吨 , 可根据市场开发新产品。 L- 丙氨酸的计划产量为 2000t/ 年计划年工作日为 330 天，德阿昆合假单胞菌发酵时间 26 小时转化时间三天，实际控制于 5 天，则生产周期 66 。3.3. 工艺流程图 图1 工艺流程图 具体工艺过程2是将细菌培养基进行灭菌处理,然后送发酵釜内发酵,采用除菌后的无菌空气从釜低通入进行通气搅,加入德阿昆合假单胞菌发酵26个小时后,加入L-天门冬氨酸进行转化,转化时间约为3d,温度37。转化完毕后析出的晶体压滤分离,剩下的的转化液经金属膜超滤分离系统除去菌体,然后活性炭脱色处理 , 浓缩至一半 , 析出大量丙氨酸结晶 , 静置过夜使结晶完全 , 压滤回收晶体 , 两次压滤得到的晶体用少量水洗涤。将滤液和洗涤晶体的液体合并后进一步浓缩 , 又析出大量丙氨酸晶体 , 前面得到的粗晶体经离子交换树脂进行纯化晶体用少量水洗涤后抽滤回收,剩下的结晶母液中含有少量未转化的天门冬氨酸 , 该母液用于下一批酶转化反应。 3.4. 工艺要点 （一） 发酵过程是在发酵罐上培养假单胞菌 , 获得高 L- 天冬氨酸 - 脱羧酶酶活, 以 L- 天冬氨酸为底物游离细胞法转化生产 L- 丙氨酸。每升培养液可转化 L- 天冬氨酸 2kg, 最高达 2.5kg, 摩尔转化率 100% ,反应液产生的 L- 丙氨酸浓度达 90% ,绝大部分结晶析出 , 提取得到 L- 丙氨酸 1.2kg, 提取收率 90% , 产品质量达到 美国药典XX 版标准和日本味之素90版标准。 影响丙氨酸生产的因素有菌种,接种量,接种菌龄,培养基,代谢产物,温度,PH值,通风量,搅拌,泡沫等。 1 .菌种 目前用于生产丙氨酸的菌种主要是德阿昆合假单胞菌。而本产品所用的菌种即是该菌种,通过购买形式获得,是目前产酶能力最高的菌株。该菌种发酵时间为 26h 左右, L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶产量高且稳定性好,产生的 L- 天门冬氨酸脱羧酶为胞内产物,菌体到达稳定期后开始自溶, L- 天门冬氨酸脱羧酶被释放到胞外。德阿昆合假单胞菌及其代谢物安全无毒,不会影响生产人员和环境。 2 接种量： 一般发酵常用接种量为 10%,选择合适的接种量对产酶有很大的影响。通常,接种量过低,产酶活性不高并使生产周期延长,采用较大的接种量可缩短菌体生长达到高峰所需要的时间。 3 接种菌龄： 一般以菌种对数生长期的后期,即培养液中菌的浓度接近高峰时所需要的时间为佳,太短则会使前期生长缓慢,延长整个发酵周期太长则会使菌体过早衰退,导致生产能力的下降。 4 碳源 ： 用于发酵的培养基最适碳源是廉价的富马酸。但富马酸又是 L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶的酶活抑制剂,所以应控制适当的浓度即要保证最大产酶量又要保证不抑制其酶活。 5氮源 ： 可用无机氮,也可用有机氮,二者差别不大。德阿昆合假单胞菌的最适氮源为蛋白胨和玉米浆,以蛋白胨效果最好,浓度为 1.0% 时,酶活性最高,但其价格昂贵,所以与玉米浆混合使用效果更好。 7 酶活抑制剂： L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶的酶活抑制剂有乙酰辅酶 A, 氨基丙二酸, 丙氨酸,富马酸,马来酸, EDTA 等。只要培养及中含有一定量的阻遏物, L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶的酶活便受到抑制,不利于丙氨酸的生成。 9 温度：在发酵过程中,菌体生长和酶合成均与温度有密切关系,但两者的最适温度往往不相同,一般情况下,产酶的最适温度低于生长温度。 10 PH：任何微生物都有一个适合生长的 PH 范围。因此,培养初期以及培养过程中的 PH值直接影响微生物的生长和酶的合成。 11通风量：通风量多少应根据培养基中溶解氧而定。一般在发酵初期,菌体少,相对通风量可以少些,菌体生长旺盛时耗氧多,通风量要大些,产酶旺盛是需强烈通风。 12 搅拌：对于丙氨酸液体深层发酵,除需要通气外,还需要搅拌,以利于热交换、营养物质与菌体均匀接触,降低细胞周围的代谢产物,从而有利于酶的生成,同时也可以打破空气气泡,使发酵液形成湍流,从而提高溶解氧,增加空气利用率。 （二）转化过程 在发酵 24 小时后即可进行酶转化,转化前加入发酵液量 10% 的天冬氨酸。以后每隔一定时间检测 PH 的变化,当 PH 大于 7 时即加入天冬氨酸进行进一步转化,转化时间控制在三天,一般三天后L-丙氨酸可达到2kg/L。 （三）转化液的预处理 在丙氨酸的生产中,反应液产生的L-丙氨酸浓度达90%,绝大部分结晶析出,分离晶体后发酵中仍含有少量丙氨,其成分并不复杂,并不需要添加助滤剂来降低悬浮液粘度,煮沸杀灭菌体再进行超滤分离,转化液经泵加压后进入金属膜超滤分离系统,丙氨酸透过膜流进清液储罐,而菌丝体、蛋白质和固体悬浮颗粒等杂质被截留,将他们热交换器冷却后,送回罐进一步浓缩,直至超滤浓缩液呈浆糊状,再用少量的水清洗,使滤液渣中残余的丙氨酸充分洗涤出来。 （四）转化液的再处理提取之前要脱色,首先将发酵液的 PH 调至 5.0 ,然后加 1.5% 的活性碳,在 80 摄氏度的热水中保温 20 分钟。然后用压滤泵压滤,连续两次后澄清略带微黄色即可。 （五）发酵液浓缩 首先将滤液或离心分离后的上清液调到 PH 6.1, 在 40 、 2.0Kpa 的条件下浓缩至原体积的 30 ,40%,然后将发酵液温度将至室温,在结晶罐中静止放置12小时以上即可进行板框过滤分离到粗丙氨酸晶体。 （六）滤液的再处理 得到的粗丙氨酸晶体晶体用少量水洗涤。将滤液和洗涤晶体的液体合并后调节溶液的 PH 为 6.1后可进一步浓缩 , 又析出大量丙氨酸晶体 , 晶体用少量水洗涤后抽滤回收,剩下的结晶母液中含有未转化的天门冬氨酸 , 该母液用于下一批酶转化反应。 （七）检测 L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶活力的测定 L- 天门冬氨酸 - 脱羧酶活采用 Warburg 检压法测定,即每毫升发酵液每小时从 L- 天门冬氨酸中脱羧可释放的 CO2微升数。从培养了24小时的培养液中离心收集菌体,用生理盐水洗涤,经超声波打碎, 10kc 10 分钟,离心,取上清作酶源。 Warburg 主室,2ml 的 10 mmol/L 的 L- 天门冬氨酸, 1ml 的 1mol/L 醋酸缓冲液, PH 5.5 , Warburg 侧室, 0.5ml上清液于 30 摄氏度平衡 10 分钟,倒入上清液,测定 10 分钟内释放的 CO2微升数。4. 工艺计算 4.1. 物料衡算 已知发酵时间为 26h 左右,酶转化时间 3 天,考虑到装料、实消、放料、清洗需要一部分时间,因此确定整个发酵周期为 5 天计算,在 330 天的工作日内,共有 66 个生产周期。为计算方便,可假设每次发酵有 2 个 20t 的发酵罐同时进行发酵。由资料9可确定装料系数为 75% ,按每升转化液可转化 2 千克天冬氨酸计,摩尔转化率 100% 提取收率 90% ,提取得到 L- 丙氨酸 1.2kg 。则一年产生3000 吨丙氨酸需总发酵液体积为 V= 年总产量 转化液产量 摩尔转化率 分子量之比 提取收率 =2109(2000100%89/13390%)=2.49106L=1.66109ml 则一个发酵周期需要发酵液体积 V1为 V1= 总发酵液体积 V 发酵周期 T=1.66109ml66=25.2m3由此可进行物料衡算。 1，原料 富马酸 可得66个发酵周期需要的原料富马酸量, M1= 发酵液总体积 发酵液富马酸配比 =1.66109ml1.5%=24.9103kg 考虑到种子罐的需要按 10% 接种量计 M2=发酵液总体积种子液富马酸配比=1.66109ml10%1% =1.66103kg 每次发酵周期需要富马酸用量为M1+M2=24.9103kg +1.66103kg =26.56103kg 蛋白胨 可得66个发酵周期需要的原料蛋白胨的用量 M1= 发酵液总体积 发酵液蛋白胨配比 =1.66109ml0.6%=9.96103kg 考虑到种子罐的需,按10%接种量计 M2=种子液总体积种子液蛋白胨配比=1.66109ml10%0.8%=1.33103每次发酵周期需要蛋白胨用量,M2+M19.96103+1.33103kg =1.129104Kg玉米浆 可得 70 个发酵周期发酵液及种子液需要玉米浆的量为 M=发酵液总体积发酵液玉米浆配比+种子液需要玉米浆,按10%接种量计 =1.66109ml3%+0.6%10%1.66109ml =5.08104kg L- 天门冬氨酸 整 70 个发酵周期需要天门冬氨酸的量 M=21061338990%=3.32106kg 活性炭 按发酵液量的1.5 %计,则整70 个发酵周期需要活性炭的量M=1.66109ml1.5%=2.49104kg 2 ，辅料 硫酸镁 可得 70 个发酵周期发酵液及种子液需硫酸镁的量 M= 发酵液需要硫酸镁 + 种子液需要硫酸镁按 10% 接种量计 =1.66109ml0.01%+1.66109ml10%0.01%=182.6kg 磷酸二氢钾 可得 70 个发酵周期发酵液及种子液需磷酸钾的量 M= 发酵液总体积 发酵液磷酸钾配比 + 种子液需要磷酸钾按 10% 接种量计 =1.66109ml0.05%+1.66109ml0.05%10%=913kg 3 ,包装材料 固体制剂的包装材料一般选用锡箔袋,包装规格为 500g/ 袋。 5. 发酵罐体要求由物料衡算表可知,每个发酵罐每次发酵产生 12.6m3左右的发酵液,经过滤后浓缩为原体积的 40% 左右。由于每一工艺步骤的操作要求和处理时间不同,因此每一车间的工作时间不同,对设备的要求要分别计算。计算过程为,发酵罐 一个发酵周期需要发酵液体积为, V1= 总发酵液体积 V 发酵周期 T=1.66109ml66=25.2 m3 由此可设需 2 个装料系数为 70% 的发酵罐,则发酵罐有效体积为, V = 发酵液体积 装料系数 发酵罐个数 =25.2m370%2=18.9m3( 取 20m3) . 6； 结论 开发 L- 丙氨酸的市场前景非常,其经济效益和社会效益也非常显著。本设计即是针对我国丙氨酸发展现状,本着迎合消费者需求,求新,求变的原则,对丙氨酸的生产进行了更为优化的设计,设计了年产1000 吨丙氨酸的生产车间。我针对我国丙氨酸生产现状,参考了专业食品工厂设计有关书籍,通过查阅相关资料,对年产 1000t 丙氨酸的生产车间进行了更加优化的设计。并通过精细的物料衡算,选定较先进的设备,使原料的利用率得到很大的提高,车间规划布局合理,大大提高了空间利用率,在设计过程中也注意环境保护及时有效的处理生产过程中的废水,废水处