年产80吨L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计方案发

1、序号:学号:08439103CYHTAINSGZRHOU U NI VE课程设计设计课程名称：发酵工程课程设计题目：年产 80 吨 L- 丝氨酸分离纯化车间的工艺设计学生姓名：*学院（系）：制药与生命科学学院专业班级：生工081指导教师：王利群专业技术职务：副教授设计时间： 2011 年 12 月 19 日2011 年 12 月 30 日目录1. 概述.41.1产品概述 .41.1.1L- 丝氨酸生产产品国内外生产情况 .41.1.2用途与发展前景 .41.2设计概述 .51.2.1设计依据 .51.2.2设计规模和范围 .51.2.3指导思想 .52.原材料及产品的主要技术规格.62.1生产

2、原料 .62.2产品的主要技术规格 .63.生产流程简述 .63.1离子交换层析过程 .63.2结晶过程 .64.工艺分离 .74.1物料衡算 .74.1.1离子交换罐 .74.1.2浓缩罐 .84.1.3离心机 .84.2 能量衡算 .84.2.1浓缩罐 .94.2.2冷却器 .95.主要设备的计算 .105.1离子交换罐的计算 .105.2浓缩罐设计 .105.3冷却器 .105.4离心机 .115.5 储罐.115.5.1高位槽 .115.5.2废液储罐 .126.心得体会 .137.参考文献 .138.致谢 .13年产 80 吨 L丝氨酸分离纯化车间的工艺设计1.概述1.1 产品概述1

3、.1.1L- 丝氨酸生产产品国内外生产情况L- 丝氨酸的主要生产方法有以下四种。方法一、水解法：以蚕茧茧衣为原料进行酸水解， 然后用离子交换水进行分离纯化。方法二、添加前体发酵法： L- 丝氨酸在生物体内代谢运转速度极快，直接发酵法生产困难。 一般采用添加前体的发酵法。 添加的前体主要有甘氨酸、 甘氨酸三甲内盐或甘油酸， 其中以甘氨酸为前体的已工业化。 产生菌可分为两类： 异养型和甲基营养型细菌。方法三、化学合成法： DL- 丝氨酸可有以羟基乙醛为原料的合成法等，然后再拆分得 L- 丝氨酸。方法四、酶法：以化学合成DL- 丝氨酸的中间体DL-2- 氧代恶唑烷 -4-羧酸（ DL-OOC ）为原

4、料，使用睾丸酮假单胞菌生产的 L-OOC 水解酶或从枯草杆菌生产的 OOC 消旋酶作用，生产 L- 丝氨酸。国外最早用生丝微菌属静息细胞生产L- 丝氨酸。 Yoshida,T.，Mitsunaga,T.，等考察了26 株甲基营养型细菌静息细胞以甲醇和甘氨酸为底物生产L-丝氨酸的能力。有七株菌的生产能力超过500mg/ml。其中 NCIB10099 生产能力最强。目前 L-丝氨酸生产水平还较低 , 在世界氨基酸生产行业中L-丝氨酸是工业化生产难度较大的氨基酸。日本用前体发酵法生产L- 丝氨酸 , 在 1969 年产量为4t, 在 1990 年 70t, 在 1996 年 100t,2002 年

5、280t。中国以前大多采用蛋白质水解法提取 , 然而分离困难 , 始终未能形成生产规模。 四川南充药厂生产是用发酵法，生产周期长，收率低也不宜推广应用。而湖北八峰药化采用酶促法转化生产L-丝氨酸，2003 年 3 月建成一条年产50t 的生产线，产酸量及转化率均达到国际先进水平。1.1.2 用途与发展前景丝氨酸 (简称 Ser.)是一种重要的生化试剂和药剂 , 在氨基酸输液和氨基酸胶囊以及多肽合成等方面发展迅速。 常用于组织培养基的制备， 医药上用作氨基酸类营养药。同时丝氨酸的衍生物也具有优良的药用和生物活性, 如 -取代丝氨酸被应用于设计肽 , 而且是免疫抑制剂 ISP（多球壳菌素 Myri

6、ocin, 嗜热菌杀酵母素Thermozymocidin）和免疫激活剂 , 神经鞘真菌素 E 等生物活性物质的有效组成部分； L- 丝氨酸的磷酸脂具有解除疲劳 , 恢复体力等功效偶氮丝氨酸常用于治疗肿瘤。1.2 设计概述1.2.1 设计依据（1）依据与工厂设计和生产工艺相关的各种资料。如化工工艺设计手册（2）GB/T 501032001 总图制图标准（3）GB50187 93 工业企业总平面设计规范（4）GB 1234890工业企业厂界噪声标准（5）化工原理（6）生物工艺原理（7）生物工程设备1.2.2 设计规模和范围（1）L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计（2）主要设备的计算和选型（3）带控制

7、点的工艺流程图（4）主要设备图1.2.3 指导思想发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。 发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、 发酵和提炼（包括废水处理） 等三个阶段， 这三个阶段都有各自的工程学问题， 一般分别把它们称为发酵工程的上游、 中游和下游工程。 发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。千百年，特别是最近几十年的发酵工业生产的实践证明：微生物是发酵工程的灵魂。近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。从生物科学的角度重新审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原

8、理是其生物学原理，而前述的发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。因此，发酵工程的生物学原理是发酵工程最基本的原理，并且可以把它简称为 “发酵原理”。2. 原材料及产品的主要技术规格2.1 生产原料氢氧化钠溶液用量 66040L浓度 1M盐酸用量 66040LpH=2无水乙醇用量 2080L去离子水用量 99060L717 型离子交换树脂用量 49530L2.2 产品的主要技术规格生产规模： 80 吨 /年生产方法： 717 型离子交换树脂离子交换层析后，进行浓缩，之后添加乙醇结晶，离心分离生产天数： 300 天生产周期： 1 天生产方式：间歇生产3.生产流程简述本设计采用离子交

9、换层析对两种氨基酸（L-丝氨酸和 L- 甘氨酸）进行分离。3.1 离子交换层析过程采用 717 型离子交换树脂， 将其装入离子交换罐， 保证其密实。 然后用氢氧化钠水溶液处理（溶液浓度为 1M，体积为 66040L）使离子交换柱呈碱性，处理完之后上样。上样后， L- 丝氨酸和 L-甘氨酸吸附在交换树脂上，可用酸性溶液洗脱，本设计采用 pH=2 的 Hcl 溶液洗脱，用量为 66040L，洗脱前需要用去离子水洗涤，最终可得氨基酸溶液为 16510L，其中 L- 丝氨酸为 6934L。3.2 结晶过程离子交换层析完毕后， 对料液进行浓缩。 采用蒸汽加热， 可将料液浓缩至原体积的 1/10，待浓缩液

10、冷却后，加入208L 无水乙醇，使 L-丝氨酸结晶，最后离心烘干可得产品267kg/天。年操作日为300 天。简述 : 717 型离子交换树脂装入离子交换罐用氢氧化钠溶液处理上样用去离子水洗涤用 Hcl 溶液洗脱浓缩冷却加入无水乙醇结晶离心过滤烘干产品4.工艺分离生产条件 :已知 L- 丝氨酸的小试纯化工艺为： 717 型离子交换树脂用1M 的 NaOH 溶液处理成 OH-型，水洗至中性后装柱（三根25500mm 的柱子）。对第一根柱子上样，上样结束后水洗。然后连接另2 根柱子，用 pH=2 的 Hcl 洗脱，分别收集只含L- 丝氨酸、 L- 甘氨酸，以及同时含这两种氨基酸的洗脱液。假设一个柱

11、子的体积为 V ，已知 NaOH 溶液用量为4V，洗涤水用量为2V ，洗涤液用量为4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，含 L- 丝氨酸的洗脱液体积为0.42V。将含 L- 丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入将晶体（湿含量15%）离心烘干， L- 丝氨酸的分离得率为3 倍体积的无水乙醇，77%。年操作日300天，生产方式：间歇生产。水蒸气 138，冷却水由 27进， 37出。4.1 物料衡算已知柱子 25500mm，一个柱子的体积为 V ，已知 NaOH 溶液用量为 4V ，洗涤水用量为 2V ，洗涤液用量为 4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为 1V，含 L-丝氨酸的洗脱液体积为

12、0.42V。将含 L- 丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入 3 倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量 15%）离心烘干， L-丝氨酸的分离得率为 77%。年操作日 300 天。4.1.1 离子交换罐小试生产时：V20 2500157000mm30.157L2nL - 丝 nL甘0.2V0.2 0.157 0.0314moln得丝0.03140.770.024178molm得丝0.024178 1052.539g放大后：m丝80 3000.267t2.67 105g放大倍数2.67 1052.539105160倍V放大总0.157 105160 349530L记： 放大倍数 m1051

13、60V NaoH 4V 放大 4 16510 66040LV Hcl4V放大4 1651066040LV样品V放大16510LV水6V放大6 1651099060LV丝0.42V放大0.42165106934LV 甘0.58V放大0.58165109576L4.1.2 浓缩罐V丝，缩1V丝16934693.4L10104.1.3 离心机V乙醇3V丝，缩3 693.42080.2L4.2 能量衡算查表得：100C水的比热容： Cp, m14.2KJ /(Kg K )100C水的气化潜热：12258KJ / Kg138C水蒸气的比热容： Cp, m21.901KJ /( Kg K )138 C水蒸

14、气的气化潜热: 22116KJ / Kg4.2.1 浓缩罐采用间接蒸汽加热至沸腾：（加热蒸汽为138）根据能量守恒定律得：m CTT9 mm物p, m1 21110水水蒸气 2其中：m物m水m丝m水V丝水6934 16934Kgm物69340.2 16510 105 10007281Kg代入公式：7281 4.2100-27 22589 6934 m211610水蒸气m水蒸气6674K g求得 :=5%10%，取 10%m蒸汽，实1.1 m水蒸气 1.16674 7341K g即: 水蒸气的估计用量为7341Kg.4.2.2 冷却器假定物料冷却至 37根据能量守恒定律得：m料 Cp, m1 T

15、2T3 m冷凝水 Cp, m1 t2 t1其中：m1mm16934 0.2 16510 105 1000 1040Kg料10水丝氨酸101040 10037m冷凝水3727得： m冷凝水5512Kg 、=5%10%，取 10%m冷凝水，实1.1 55126063Kg5.主要设备的计算5.1 离子交换罐的计算选择反吸附离子交换罐已知离子交换树脂总体积：V放大总 49530L离子交换罐高径比（ H/D ）为 3，即 H / D30.5HD 2放大总 49530L树脂层高度占圆筒高度的V50%,即4D34.7dm3.47mD 3.5m圆整得 H 3D 10.5m5.2 浓缩罐设计进料体积 6934L

16、选择搪玻璃蒸发器10m3 HG5-38-79假设 H/D2H 3.8m 求得 D 1.9m5.3 冷却器假设冷却时间为 0.5h, 即 t=0.5h查表得换热系数： K=8301250kJ/(m2h) 取 K=1000kJ/(m2h )对数平均温度tmT2t1T3 t210037372728.8 CT2t1ln10037ln T3t23727m料Cp,m1 T2 T3tKAtm10404.21003710000.528.8AA19.11m2根据换热面积选型得列管式石墨换热器 HG5-1320-80 换热面积为 20.7m2有效管长为 4000mm根数为 61筒径为 400mm5.4 离心机已知

17、离心机分离物料为固液混合，所以采用过滤离心机.其中V乙醇3V丝，缩3 693.42080.2L所以离心机所需容积V 离心机V 丝,缩V乙醇693.42080.22773.6L假设离心分 5 次进行，则每次进料量为554.7L其中丝氨酸浓缩液每次进料138.7 ，乙醇进料 416L。选用 SS1800过滤离心机其转速为 510r/min有效容积为 660L过滤面积为 2.7m2外形尺寸为 2350 1800 1200mm5.5 储罐5.5.1 高位槽NaOH 总体积为 66040L，分 3 个高位槽安放。选型为 F25000 HG/T 2374-98公称容积为 25000L实际容积为 27790

18、L直径 D 为 2800mm高度 H 为 5379mm液位计直径为 65/50mm HCl 总体积为 66040L，分 3 个高位槽安放。选型为 F25000 HG/T 2374-98公称容积为 25000L实际容积为 27790L直径 D 为 2800mm高度 H 为 5379mm液位计直径为 65/50mm洗脱水体积为 99060，分 4 个高位槽安放选型为 F25000 HG/T 2374-98实际容积为 27790L直径 D 为 2800mm高度 H 为 5379mm液位计直径为 65/50mm无水乙醇体积 2080L选型为 F3000 HG/T 2374-88公称容积为 3000L实

19、际容积为 3337L直径 D 为 1450mm高度 H 为 2933mm液位计直径为 65/50mm5.5.2 废液储罐已知此液总体积为16510L选用搪玻璃卧式储罐型号为HG/T2375 94公称容积为 20000L实际容积为 22332L直径 D 为 2400mm长度 L 为 5374mm液位计直径为 65/50mm6.心得体会通过这一次的课程设计，我不仅仅学到了专业知识，更使我懂得如何做事 , 如何去思考问题。这是我们第二次做课程设计，但这次课程设计与以前的化工课程设计不同，以前老师给我们模板， 这次的课程设计全是靠自己思考整理思路。 刚开始做课程设计时都不知道该从何着手， 在拿到任务书后， 花了很长时间来摸索讨论， 在小组成员一起的努力下渐渐理清思路，开始步入正轨。中间也有很多次卡在那儿，不知道如何往下做， 但在王老师的细心指导下， 我们一层层拨开云雾， 最后完成了设计。这次课程设计使我进一步逇了解了自己，知道自己的专业知识还不够扎实，还存在着很多盲点，在以后有限的校园生活中， 应该多注重扎实自己的专业知识。同时也知道了理论和实际相结合的重要性， 在实际设计中提高了自己独