色氨酸发酵设计

1、江西科技师范学院发酵工程课程设计报告书 专业： 生物工程 班级： 2007级1班 姓名： 王斌 欧清礼 庞胜 设计题目： 色氨酸发酵工艺设计 指导教师： 常军 博士 2010年11月22日题目：色氨酸发酵工艺设计条件：年产量100吨要求：（1）分批发酵生产；（2）主发酵罐的尺寸及附件的设计；前言L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,为白色或略带黄色叶片状结晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25），溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人体和动物生命活动中必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用，被称为第二必需氨基酸，在生物体内，从

2、L-色氨酸出发可以合成5-羟基色胺的激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质，可以预防和治疗糙皮病，同时具有消除精神紧张、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，用他强化食品和做饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作业，它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。1目前世界L-色氨酸的年产约为10000多吨，市场增长率超过10%，作为饲料添加剂使用的色氨酸有数百吨，中国主要是高价格限制了她的应用。世界上主要生产厂家是日本的昭和电工、协和发酵和三井化学公司采用发酵方法生产色氨酸，赢创德固赛则兼有发酵法和合成法生产色氨酸。2L-色氨酸的最早生产是靠化

3、学合成法和蛋白质水解法，随着对微生物法生产L-色氨酸研究的不断深入，这种方法已经处于主导地位。微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。目录1概述11.1色氨酸发酵工艺流程11.2色氨酸发酵菌种11.3发酵过程中的代谢参数11.3.1 物理参数11.3.2 化学参数31.3.3 生物参数4发酵终点的判断5发酵过程的自动控制51.4 培养基配方的确定5种子罐培养基配方5发酵罐培养基配方6培养基的灭菌62发酵罐及其附属设备72.1发酵罐的结构形式7物料衡算：7罐的几何尺寸7通气和搅拌92.1.4 搅拌器选型和搅拌功率计算10挡板数11传热11空气处理系统12空气的预处理12管道及阀门1

4、3蒸汽及空气用量143部分符号说明14总结25参考文献31概述1.1色氨酸发酵工艺流程色氨酸生产菌的选育一般是以大肠杆菌、黄色短杆菌、谷氨酸杆菌等作为出发菌株，通过基因操作定向改造生物合成途径的正常调节。表1 色氨酸发酵工艺流程图发酵液 板框过滤滤液 树脂吸附与解析解析液 纳滤浓缩浓缩液 洗涤洗涤液   活性炭脱色脱色液 喷雾干燥精粉1.2色氨酸发酵菌种本设计选用E.coli 基因工程菌，其发酵单位为25 g/L1.3发酵过程中的代谢参数 物理参数.1温度对发酵的影响及调控大肠杆菌的最适生长温度为37，温度过高，会影响产物表达和乙酸等副产物的生产，同时，在基因工程菌高密度培养过程中，

5、温度的变化还与质粒拷贝数的变化有关。在发酵前期，色氨酸的浓度随着细胞的生长而逐渐提高，但进入生长稳定期后，影响色氨酸合成因素除了细胞生物量外，还有质粒的稳定性。当温度为32时，产酸水平达到最大值，过低或过高的温度均不利于色氨酸的合成；36时虽然获得了最高的菌体量，但产酸却不是最高，质粒丢失比较严重；28时，质粒基本不会丢失，但过低的温度使菌体生长缓慢，产酸下降。因此，在本次设计中，色氨酸发酵过程中温度控制策略为：016h发酵温度为30，16h后缓慢升温至36，升温方式为每小时0.5，利用发酵罐的温度顺控模式进行自动控制。表2 色氨酸发酵过程中的温度顺序控制表时间（h）温度（）时间（h）温度（）

6、时间（h）温度（）0302232.527351830.523332635.519312433.529362031.52534453621322634.5.2泡沫对发酵的影响及调控发酵过程中因通气搅拌和代谢产生的气体是产生泡沫的原因。产生少量泡沫是正常的，但是泡沫产生过多时会造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会，严重时还会影响通气搅拌的正常进行，从而影响菌的呼吸。调控方法：使用消泡剂同时采用机械强烈震动或压力变化进行消泡。.3发酵罐压力发酵过程中发酵罐应维持一定的正压力，这样可以防止因外界空气中的杂菌侵入而污染发酵液。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度有关，间接影

7、响代谢。罐内压力一般维持在2×104 5×104 Pa。表3 发酵过程中物理参数的测量方法和意义名称测定方法意义及主要作用发酵温度/或K温度计保证生长，繁殖和产物合成发酵罐压力/Pa或·m-2压力计维持正压，增加溶氧量空气流量/m3·min-1或L·min-1流量计供养、排出废气搅拌转速/r·min-1转速表使物料和气体混合发酵液黏度/Pa·s粘度计反映菌生长情况发酵罐装量/m3或L液位计反映发酵生产批量发酵液密度/g·L-1加消泡剂/密度计反映发酵液性质流量计反映发酵液性质和代谢情况 化学参数.1溶氧浓度对发酵的

8、影响及调控大肠杆菌为兼性厌氧菌，在其生长期时需要大量的氧气，但是在发酵过程中，表现出厌氧的性质。所以在发酵前期应保持一定的通风量，在发酵时减少通风量。根据经验值，在大肠杆菌生长阶段，溶解氧浓度为30%，在产酸阶段的溶解氧浓度为20%，有利于菌体的生长及以后的发酵。调控：氧浓度低，可以增大搅拌功率，增加通气量或选用氧载体等，若氧浓度增高，则减慢搅拌速率，减小通气量，同时控制补料速度。.2 pH对发酵的影响及调控pH对生产菌的生长具有非常明显的影响，因其影响生产菌的酶活性，改变细胞膜的通透性，影响培养基中某些组分中间代谢产物的解离，从而影响菌体对营养物质的吸收，改变菌体的代谢途径，从而使产物产量下

9、降。调控：在线检测发酵液的pH，根据发酵的不同阶段对发酵液PH值进行调控，在发酵液pH值不稳定的时候可以选择加简单的酸碱盐，铵盐，或同时加入碳氮源等方法来调节发酵液pH值。在本设计中，主要加入氨水来调节pH值。.3 CO2对发酵的影响及调控CO2对生产有抑制作用，当CO2浓度过高时将严重抑制菌体的生长， 影响产物的合成。同时CO2浓度过高生成大量的HCO3-，使溶液pH值降低，影响生产菌细胞膜通透性，从而影响产物产量。调控：调整搅拌速率与通气量，定时检测CO2 的释放率。表4 发酵过程中化学参数的测量方法和意义名称测定方法意义及主要作用酸碱度（pH）pH传感器反映菌体的代谢情况溶解氧/mg&#

10、183;L-1溶氧传感器反映氧的供给和消耗情况排气氧浓度/Pa氧传感器了解氧的消耗情况氧化还原电势/mV电势传感器反映菌体的代谢情况排气二氧化碳/红外吸收了解菌体的呼吸情况氨基酸浓度/mg·mL-1取样测定了解氨基酸的变换情况总糖和还原糖/g·L-1取样测定了解糖的变化和消耗情况前体或中间体/ mg·mL-1取样测定了解产物合成情况无机盐浓度（Fe2+,NH4+）/mol或取样测定了解无机离子对发酵的影响 生物参数.1菌体浓度对发酵的影响及调控菌体浓度的大小和变化速度对菌体的生化反应都有影响，更是对发酵产物的得率有着重要的影响。根据发酵产物产率P=QPmC(X)Q

11、Pm最大生成速率：C(X)菌体浓度3得出，菌浓度越大，产物的产量也就越大。但是如果菌体浓度过高，就会产生营养物质消耗过快，发酵液营养成分发生明显变化。同时由于菌体浓度过高，发酵液粘度增加，溶氧量减少，进一步影响发酵的进行。调控：定时抽取发酵液，测量OD值。依靠调节发酵液各成分的的比例，将菌体浓度控制在合适范围内，避免产生过浓的菌体量。.2基质溶度对发酵的影响及调控即发酵液中碳、氮重要营养物质浓度，他们的含量对生产菌的生长和产物的合成由着重要影响。若碳源过高，则容易造成较低的pH，抑制菌体生长，碳源不足，则容易引起菌体的衰老和自溶。若氮源过高，会是菌体生长过于旺盛，pH偏高，不利于代谢产物的积累

12、，氮源不足，则菌体繁殖量少，从而影响产量。调控：定时抽取发酵液，测定碳、氮等基质的浓度。.3染菌对发酵的影响及调控发酵过程中应严格防止污染杂菌，杂菌会造成发酵液营养物质的迅速消耗，同发酵菌产生竞争作用，降低产量。若是在发酵后期污染少量杂菌，则影响不大。调控：定时抽取发酵液进行检测，检查是否有杂菌污染。主要方法有：平板划线培养或者斜面培养检查法，显微镜检查法，肉汤培养法。发现发酵液被杂菌污染，视发酵阶段不同，处理方法也不同：若在种子培养期染菌，则经灭菌后弃之，然后对种子罐、管道等进行仔细检查及彻底灭菌；若发酵前期染菌，则可将培养基重新灭菌，再接入种子进行发酵；若中后期染菌，如轻微染菌，则加入适当

13、的杀菌剂或抗生素及正常的发酵液等。发酵液中一般加入50µg/ml的四环素。发酵终点的判断发酵时间需要考虑经济因素，以最低的成本来获得最大生产能力的时间为最适发酵时间。放罐过早，营养成分得不到有效利用，对成本造成浪费；放罐过晚，菌体自溶，加大后期产物的分离纯化的难度，还会使产品的产量降低。一般判断放罐时间的主要指标有产物浓度、氨基氮、菌体形态、pH值、培养液的外观、粘度等。发酵过程的自动控制自动控制系统由控制器和被控对象两个基本因素组成。发酵过程采用的基本自控主要有前馈控制，反馈控制和自适控制。本设计采用反馈控制。原理：被控过程的输出量X (t)被传感器检测，以检测量Y(t)反馈到控制

14、系统，控制器使之与预定的值r(t)（设定点）进行比较，得出偏差e，然后采用某种控制算法根据这一偏差e确定控制动作U(t)4。1.4 培养基配方的确定种子罐培养基配方表5 种子灌培养基配方葡萄糖硫酸铵玉米浆豆饼水解液MgSO4·7H2OFeSO4·7H2OKH2PO4MnSO4.H2OPH3%0.5%4.0ml2.0ml0.04%0.001%0.1%0.001%7.07.2发酵罐培养基配方表6 发酵培养基配方（g/l）葡萄糖130玉米浆22ml豆饼水解液25ml(NH4)2SO440Phe0.15Tyr0.15MgSO4·7H2O0.4MnSO4·H2O0

15、.01FeSO4·7H2O0.01VB1100µgVH50µg培养基的灭菌对于液体培养基，我国仍采用蒸汽加热灭菌的较多。本设计采用薄板换热器连续灭茵流程。培养液在设备中同时完成预热、加热灭菌、维持及冷却的过程。待灭菌培养液的预热过程同时为灭菌培养浪的冷却过程，节约了加热蒸汽及冷却水的消耗5。2发酵罐及其附属设备2.1发酵罐的结构形式物料衡算：已知相关参数：色氨酸的年产量：G= 100（吨）；发酵平均单位：25000 u/ ml； 一年的工作天数：T1=300（天）；发酵周期：T2=2天；发酵周期=每罐批发酵时间+辅助时间；辅助时间=进料时间+灭菌操作时间+移种时间

16、+放罐压料时间+清洗检修时间。所以，发酵周期数：N =T1 / T2= 150(个)提炼总收率：60%6每个发酵周期所产生的色氨酸的量为：g=G/N=100/150=0.67 t每个发酵生产周期所需发酵液体积为：V=0.67 t/25000 u/ ml=26.67 m³因总提炼率为0.6所以每个发酵生产周期中所需的发酵液体积为：VT=26.67/0.6=44.45 m³罐的几何尺寸罐中的培养液因通气和搅拌会引起液面上升和产生泡沫，因此罐中实际装料量不能过大，一般取装料系数为0.60.75。 取装料系数为0.75 ,则需发酵罐体积为：V0=V/=44.45/0.75=59.2

17、6 m³则相对应得工业上所需发酵罐的体积应取60 m3。由于工业上发酵罐的容积多在5000L以上，大至200000L。因此我们选用10m³的发酵罐，故每个发酵生产周期所需发酵罐台数：N罐=60 / 10=6（台）(1)发酵罐实际年产量：G=100×60/59.26=101.24 吨/年(2)每个发酵罐的所需发酵液量：V=44.45/6=7.41 m3发酵罐尺寸确定发酵罐体部分的尺寸有一定的比例，罐的高度与直径之比一般为1.74倍左右。新型的高位发酵随高度与直径之比在10倍以上，其优点是大大提高了空气的利用率，但是压缩空气的压力需要较高，原料不易混合均匀，厂房高，操

18、作不便。 确定发酵罐直径和高度标准式发酵罐的筒体高度和直径比：D < 1.2m时，一般H / D=1.72; D >1.2m时，一般 H / D = 24。发酵罐的容量一般指圆筒体的体积加椭园形底的体积。V0 = VC + VbVc=(/4) D2 HVb =0.785D2H1.5D3式中：V0-发酵罐全容量，m3；VC-筒体体积，m3；Vb-椭园底体积，m3；H-椭园直边高度，m。因此： V0 = VC + Vb= (/4) D2 H+ 1.5D3取 H/D = 2V0 = (2/4)D3 + 1.5D3 = 3D3 可知：D=1.5m则有：H=2D=3.0 m Di=1/3D=

19、0.5 m S=3Di=3×0.5=1.5 m C=Di=0.5 m B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m ha=0.25D=0.25×1.5=0.375 m S1=1.5Di=0.75 m不同设备的厚度不同，可取30 mm、40 mm、50 mm。根据我们的发酵设备。取hb=30 mm。h=ha + hb =0.375+0.03=0.405 m 发酵罐圆筒壁厚的计算a计算发酵设备圆筒壁厚的一些参数如下：计算壁厚：PDi/ 2at-P 式中：-计算壁厚，m；P -计算压力，kgf/cm2；Di-内径，m；at-设计温下的许用应力；- 焊封系数(与焊接方法及无

20、损探伤有关)，取0.85；设计壁厚设壁厚+壁厚附加量C式中：C = C1 + C2；C1-钢板负偏差(质星加工偏差系数)；C2-腐蚀量(每年腐蚀的量)。b计算发酵设备椭圆封头壁厚的一些参数如下： + C -名义壁厚，查钢板样本，m；-有效壁厚，=-C。GB 150-89钢制焊接压力容器，许用应力标准为：at137Mpa（150）。c计算结果圆筒壁厚：椭圆封头壁厚：许用压力：P=1.704MP。通气和搅拌(1)通气要求由于大肠杆菌是兼性厌氧菌，在生长阶段是需要大量的氧气，而在产酸阶段，需氧量下降，因此要求有一定的通风量。在设计及安装吸风塔时应注意：空气压缩机吸风尽量减少压力损失；来源空气尽量要求

21、洁净，减少压缩机气缸的摩擦。所以在设计时，考虑一下两个方面来解决发酵时对吸风塔的要求：a吸风塔进气管至空气压缩机一段的管路，要求直管连接，避免弯管或多弯管。b地面以上10 m之外的高度含尘埃量及微生物含量均在百万级以上。因而吸风口高度应高出地面10 m以上。(2)发酵罐发酵过程需要的压缩空气量根据某些湖北武汉某家色氨酸发酵厂给出的数据，在菌种生长阶段，以3 L/min的通风量通气，在菌种产酸阶段，以2 L/min的通风量通气。 搅拌器选型和搅拌功率计算发酵罐的搅拌器一般都采用具有圆盘的涡轮搅拌器, 搅拌叶的型式有平叶、弯叶、箭叶三种, 通常有六个叶片均匀排列在圆盘上。我国普遍采用六弯叶或六箭叶

22、园盘涡轮式, 本设计因罐小要求加强轴向混合, 故选用六平直叶园盘涡轮式。搅拌器功率计算不通气时的搅拌功率：P=NpN3Di5选用的搅拌器械为圆盘六平直叶涡轮，根据资料可知，发酵罐物料流动属湍流，圆盘六平直叶涡轮的Np6.0，Di=0.5 m。根据厂家提示，搅拌转速选取500 r/min，液体密度选取4.6 g/L。P0=NpN3Di5=6.0×0.55×(5000/60)3×4.6=498.73 KW校正后的实际功率：P实= 705.30 KW根据一般搅拌器之间的距离 S = 3 Di搅拌器个数=发酵罐筒体高度/搅拌器间距：3.0/(3.0×0.5)=2

23、(个）故取两个搅拌器，二个搅拌器的功率一般为单个的1.5倍,则P实=705.301.5=1057.95 KW通风条件下搅拌轴功率计算在通风情况下, 搅拌功率将下降, 在通风速度大于30m3/ h时, 搅拌功率仅为不通风的40%。则 P实=1057.950.4=423.18 KW。故现取电动机功率500 KW。发酵罐的能量消耗机械搅拌通风发酵罐能量消耗主要包括搅拌器电的消耗、蒸汽消耗和压缩空气消耗。其中压缩空气为耗能工质，视为消耗能源。搅拌器电的消耗计算搅拌器电功率为500KW，其年电耗为：（年运转率=0.765）发酵罐年电耗=年运转率×年工作日×24小时×P实=0

24、.765×300×24×500=2.75×106 KWh挡板数挡板可以有效地阻止罐内液体的圆周运动，减少或阻止液体下凹现像。培养液在挡板的作用下会产生小旋涡，这些旋涡随主体流动遍及整个副产品养液中，提高了混合效果。 一般选取全挡板。选用挡板宽度：B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m根据全挡板的计算公式：B/D=0.4/mb 得挡板块数：mb=4块传热发酵罐的传热装置有夹套、内蛇管、外盘管。一般容积较小的发酵罐采用夹套为传热装置，所以本设计选用夹套为传热装置。通常将发酵过程中产生的净热称为发酵热，其热平衡方程可如下表示： 换热面积发酵热效应

25、Q热= QpV液Q热-发酵热效应,KJ/h；Qp-发酵热，17500KJ/m3h（L-色氨酸）V液-发酵液体积，m3。则 Q热= 17500(100.75)=1.3125105 KJ/h。(1)冷却水量计算发酵过程, 冷却水系统按季节气温不同, 采用冷却水系统也不同，为了保证发酵生产, 夏季必须使用冰水。冬季：采用循环水进口水温15, 出口水温20；夏季：采用冰水进口水温10, 出口水温20。冬季冷却用循环水用量计算：（取裕量系数1.2）=7.5吨/小时取8吨/小时夏季冷却用循环水用量计算：W2=3.75 吨/小时取4吨/小时(2)冷却器面积计算Q-发酵热效应,KJ/h;夹套的传热系数通常为6

26、301050 KJ/(m2·h·)，取传热系数K为850 KJ/(m2·h·)。tm对数平均温差： m2空气处理系统.1空气的预处理(1)空气预处理系统及除菌设备无菌空气是微生物呼吸的氧源，大量的无菌空气是整个发酵生产过程的首要条件。空气过滤器能防止空气把杂菌带入发酵过程，保证发酵从接种到放罐的整个过程为纯种培养。而且在进入总过滤器之前要把压缩空气中夹带的水滴、油滴除去。因此空气在进入空气总过滤器之前一定要经过降温、除水、除油的预处理。(2)空气预处理系统的设备流程吸风塔前置过滤器空气压缩机空气贮罐第一冷却器旋风分离器第二冷却器旋风分离器丝网除沫器空气加

27、热器总过滤器进入车间发酵罐上空气过滤器.2空气过滤器空气除菌流程应按实际发酵生产对无菌空气的要求而定。例如发酵条件所要求的无菌程度、空气压力、温度和湿度等，并结合采气环境的空气条件和所用除菌设备的特性而制定。空气过滤器尺寸计算设计通风量为136.5 m3/min空气过滤器，选用直径df16 m的棉花纤维，填充系数8，空气流速0.1 m/ s，空气压强为392 kPa(绝对压强) ，进入过滤器的空气含菌量是5000个/ m3，发酵周期为48 h，要求倒罐牢为0.1，工作温度30。查得过滤常数K13.5 /m。(1)计算过滤层厚度L：L=每批发酵通风过滤前含菌总数为：N1=5000×13

28、6.5×60×48=1.97×109(个)过滤后含菌数为N210-3 个/m3 代入上式计算的L =0.67 m。(2)计算过滤器直径D：进口空气压强P198070Pa过滤工作压强P2392000Pa通风为136.5m3/min=2.28m3/s 过滤器空气流量Q2：Q2=0.590 m/s因此，过滤层直径(即过滤器内径)D：D=2.24 m管道及阀门在发酵工业生产过程中，管道与阀门的灭菌比发酵罐要难。而且各类阀门的使用数量要比发酵主体设备要多，在阀门处还有可能产生灭菌死角，所以在实际的生产过程中，应对它们的关注要比发酵罐多，防止阀门本身出现的滴、漏、跑以及其他脱杆掉头的现象发生。在安装管道及阀门时，应注意尽量避免拐角、连接，减少产生灭菌死角的几率。蒸汽及空气用量蒸汽消耗（一个发酵周期内）（1）直接蒸汽混合加热蒸汽消耗量计算D1=(1+)式中：D1-蒸汽消耗量，kg/h；G-被加热料液量，已知，59.26 m3；C-料液比热容，取C=4.2 KJ/kg；t2-加热结束时的料液温度，取120t1-加热开始时的料液温度，取35i-蒸汽焓，0.4MP蒸汽焓为2717KJ/kg-热损失，取5%吨(2)灭菌保温时间内的蒸汽用量D2D2=0.5D1=8.640.5=4.32吨(3)蒸汽总用量DD = D1 + D2=12.96 吨发酵罐发酵过程需要的压缩空气量