年产5000吨l-苯丙氨酸发酵工厂设计

1、 摘要本设计主要是进行年产5000吨苯丙氨酸工厂的初步设计。在对苯丙氨酸的结构及其在工业中重要应用作了分析后，拟在湘潭九华经济区投资L-苯丙氨酸生产工厂。首先，对投资项目进行了认真的地分析及对厂址进行认真地选择。同时，对L-苯丙氨酸的生产工艺作了优化，然后依据拟定的产量与工艺流程对生产车间进行了物料衡算、热量衡算、与主要生产设备的选型，其次，对三废处理等方面也作了一个初步的设计方案。整个设计充分考虑了目前的经济状况和今后发展的需要，从节能的角度出发选择设备。生产流程尽量提高机械化、自动化水平，同时力求技术上先进，质量上可靠，布局上合理、规范。关键字：L-苯丙氨酸；发酵；工厂设计 目 录1.引言

2、12.概述32.1产品需求初步预测3 2.2投资的必要性和经济意义3 2.3地理环境3 2.4生产工艺选择32.5产品方案4 2.6工艺流程图4 2.7工艺要点43.物料恒算53.1.原料的物料恒算54.设备选型84.1.设备选型原则84.2.选型过程94.2.1.生产能力计算过程94.3.主要设备选型表145.热量恒算155.1.培养基连续灭菌用蒸汽量155.2.发酵罐空罐灭菌蒸汽量16 5.3 液化工艺热量衡算175.4L-苯丙氨酸发酵的水平衡计算176. 车间布置设计17 6.1发酵工厂的车间组成176.2.车间建筑176.3厂内部总平面布置的卫生176.4厂房内部卫生186.5管道卫生

3、187. 环境保护与综合利用187.1.处理方案188.结论22参考文献22附录23致谢231. 引言L-苯丙氨酸分子式： L-苯丙氨酸（英文名：L-Phenylalanine）为无色至白色片状晶体或白色结晶性粉末，是一种营养增补剂，是必需氨基酸之一。 无色至白色片状晶体或白色结晶性粉末。略有特殊气味和苦味。在受热、光照、空气中稳定。 营养增补剂。必需氨基酸之一。在大多数食品的蛋白质中几乎非限制氨基酸。可添加于焙烤食品，除强化苯丙氨酸外，与糖类起氨基-羰基反应，可改善食品的香味。功用：L-苯丙氨酸是重要的食品添加剂-甜味剂阿斯巴甜（Aspartame）的主原料，人体必需氨基酸之一，在医药行业主

4、要用于氨基酸输液和氨基酸类药物。L-苯丙氨酸是人体不能合成的一种必需氨基酸。食品工业上主要用作食品甜味剂阿斯巴甜的合成原料;也可作为营养增补剂。生化研究。配制培养基。营养学研究。L-苯丙氨酸是必需的氨基酸之一。用作营养强化剂、氨基酸输液和复合氨基酸制剂的成分。该品是多种抗癌药物及二肽甜味的原料。氨基酸类药。用于氨基酸输液、综合氨基酸制剂及营养强化剂，大量用于合成新型甜味剂天冬甜素 （L-天冬氨酸、L- 苯丙氨酸结合的二肽甲酯）是合成阿斯巴甜的主要原料。2. 概述2.1.产品需求初步预测 目前国内仅有5家企业生产L-苯丙氨酸，即福建省麦丹生物集团、丽珠集团福州福兴医药、江苏汉光甜味剂（江苏汉光生

5、物工程）、溧阳维多生物工程和杭州富阳市东辰生物工程。其余原生产企业主要受缚于技术水平等因素，生产成本过高，均以陆续停产或关闭生产线。2021年上述5家企业的年产能为：麦丹生物4500吨、福兴医药1500吨、江苏汉光500吨、溧阳维多300吨、富阳东辰200吨。可向市场上供应苯丙氨酸的企业仅有福建省麦丹生物集团、丽珠集团福州福兴医药，杭州富阳市东辰生物工程仅有少量的产品流向市场，而江苏汉光、溧阳维多的产品仅能部分供给其自身的阿巴斯甜生产使用，市场上未见其苯丙氨酸产品。 厂家分布在福建、江苏、浙江三省，最大的两家企业均在福建省，麦丹生物地址在福建省沙县，福兴医药地址在福建省福州市；而浙江省仅有一家

6、规模最小的企业；江苏省的两家企业分别在江苏省无锡市和江苏省溧阳市。 目前L-苯丙氨酸国际上主要生产国：美国7000吨/年（以纽特公司为主）、日本5000吨/年（以味之素公司为主）、法国3000吨/年、荷兰3000吨/年、韩国3000吨/年（以大象公司为主）、德国有少量生产约500吨/年。 作为全国最大的苯丙氨酸生产企业福建省麦丹生物集团，由于其在苯丙氨酸基因工程菌及工业化生产技术的领先优势，使其苯丙氨酸的年产量已跻身于该领域世界前三位2.2投资的必要性和经济意义行业前景：随着阿斯巴甜在饮料、乳制品、口香糖、咖啡、医药工业等行业的应用持续深入，阿斯巴甜无论在国内外都得到了广泛的应用。国际市场对阿

7、斯巴甜相关产品的需求量以年均15%20%的速度增长，近年增长率高达30%，远远高于其他人工甜味剂年均5%的增长速度；在国内氨基酸大输液和抗癌药的开发利用，特别是在限制糖精生产、甜菊糖甜味剂遭遇麻烦的情况下，市场对阿斯巴甜的需求量锐增。 益。2.3结论与建议鉴于国内外对此产品需求量增大，市场供应也相当紧张，且价格不断上扬。因此，开发L-苯丙氨酸，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苯丙氨酸发展现状，本着迎合消费者需求，求新，求变的原则，对苯丙氨酸的生产进行了更为优化的设计，设计了年产5000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，并对生产车间进行

8、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。2.4生产工艺选择L-苯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。 固定化法与游离整体细胞法生产L-苯丙氨酸各有优缺点, 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。 表3 固定化细胞法与游离细胞法生产L-丙氨酸的对比 Table1 3 Comparison between inmobiliz

9、ed and free whole cell for production of L-alanine由于苯丙氨酸具有旋光性，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，因此利用酶法生产苯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-苯丙氨酸。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-苯丙氨酸浓度达90%，绝大部分结晶析出,提取得到L-苯丙氨酸1.2kg,提取收率90% 。2.5产品方案年产L-苯氨酸5000吨,可根据市场开发新产品。L

10、-丙氨酸的计划产量为5000t/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。2.6工艺流程图原料配料高温高压杀菌、无菌空气保藏菌种茄子瓶培养摇瓶种子培养液体种子扩大培养液体深层发酵酶反应分离晶体发酵液除菌体（膜过滤）调PH，活性炭脱色 粗品 压滤分离晶体 结晶 降膜蒸发浓缩 压滤 溶解纯化降膜蒸发浓缩结晶离心干燥包装图1 工艺流程图Figure 1 Chart of production process具体工艺过程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拌，加入德阿昆合假单胞菌发酵2

11、6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后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。2.7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-苯丙氨酸

12、。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-苯丙氨酸浓度达90%，绝大部分结晶析出,提取得到L-苯丙氨酸1.2kg,提取收率90%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

13、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，接种量过低时，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

14、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。（

15、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，从而提高溶解氧量，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-苯丙氨酸可达到2kg/L。（三）转

16、化液的预处理在丙氨酸的生产中，反应液产生的L-苯丙氨酸浓度达90%，绝大部分结晶析出，分离晶体后发酵液中仍含有少量丙氨酸，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

17、。（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3040%，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C

18、O2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。3. 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。由资料可确定装料系数为75%，按每升转化液可转化2千克天冬氨酸计，摩尔转化率10

19、0%，提取收率90%，提取得到L-丙氨酸1.2kg。则一年产生5000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）=5×109÷(2021 ×100%×165/133×90%)=2.24×106L=2.24×109ml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=2.24×109ml÷66=33.9m3，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

20、液总体积×发酵液富马酸配比=2.24×109ml×1.5%=33.6×103kg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=2.24×109ml×10%×1% =2.24×103kg每次发酵周期需要富马酸用量为M1+M2=33.6×103kg +2.24×103kg =35.84×103kg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=2.24×109ml×0.6%=13.4

21、4×103kg考虑到种子罐的需要，按10%接种量计：M2=种子液总体积×种子液蛋白胨配比=2.24×109ml×10%×0.8%=1.79×103kg每次发酵周期需要蛋白胨用量：M2+M1=13.44×103kg +1.79×103kg =1.523×104kg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）=2.24×109ml×3%+0.6%×10%×2.24×1

22、09ml =6.72×104kgL-天门冬氨酸整70个发酵周期需要天门冬氨酸的量：M=2×106kg×133÷165÷90%=3.32×106kg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=2.24×109ml×1.5%=3.36×104kg（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）=2.24×109ml×0.01%+2.24×109ml×10%×0.0

23、1%=246.4kg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）=2.24×109ml×0.05%+2.24×109ml×0.05%×10%=1232kg4. 设备选型4.1设备选型原则设备选型原则是根据物料衡算确定的，使设备既能保证生产连续进行，又可使设备得到充分利用10。一般应遵循经下原则：满足工艺要求，保证产品的质量和产量；设备的先进程度、机械化程度应与工厂规模相适应，要做到经济上合理，技术上先进；所选设备应能充分利用原料能耗少、效率高、体积小、

24、维修方便、劳动强度低，并能一机多用，备品、备件供应方便；所选设备应符合食品卫生要求，易清洗、装拆，不易腐蚀；设备结构合理，材料性能可适应各种工作环境；考虑到生产波动和设备平衡，要留有一定的余量和备用设备。根据以上原则，在物料衡算结果的基础上，本车间选用的设备如下所述。4.2选型过程4.2.1生产能力计算过程由物料衡算表可知：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：1.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=2

25、.24×109ml÷66=33.9m3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=33.9m3÷70%÷2=24.2m3 （取25）（1）发酵罐主体结构计算：封头采用标准椭圆封头K=1H/Di=2.5 Di/hi=4椭圆容积Va=/6×Di×hi=×Di3V×Di2×hiVa=×Di 2×hi×Di 3=2/3××Di3Di=1.67m，处理后内径为1.7m即1700mmH=2.5

26、Di=2.3×2.5=4.25m=42500mmhi=0.25Di=0.425mH>4m 所以ha =50mm查资料11附表5罐体总高H总 =4.252×hi2×ha=5.20m=5200mm罐体壁厚S=PD/(2×øP)+C其中：ø=0.8，P=0.5,C=3mm,=130MPa,Di =1700解之得：S=7.1mm取整8.0mm封头按标准椭圆计算7hi =0.425m ha =0.05m封头壁厚：S=PD/(2×øP)+C其中：ø=0.8 P=0.5 Di =1700 =130MPa C=4.

27、2解之得：S=9.50mm 取整10.00mm（2） 搅拌器设计（3） 搅拌器的主要尺寸计算：考虑到发酵径高比为1：2.5，比较小，为了使发酵罐充分混匀，保持均一，根据经验一般采用涡轮式搅拌器。涡轮式搅拌器结构简单，能量传递高，氧溶解率高,弯叶剪切力小。圆盘可增强轴向混合效果。所以选用六弯涡轮式搅拌器。其主要尺寸如下：叶径Di=D/2.5=0.7m 叶宽B=0.2Di=0.14m 弦长l=0.375Di=0.26m底距C=D/2.5=0.7m 盘径P=0.75Di=0.52m 弯叶板厚s=12mm挡板数确定为3,挡板宽范围1/81/12D，取B=1/10D=0.17m（3）外盘管夹套的设计发酵

28、罐的冷却，主要是考虑微生物发酵过程的发酵热和机械搅拌消耗的功率传递给培养基的热量，此外还要考虑培养基实消后的冷却。目前，大型发酵罐传统使用多组立式蛇管，立式蛇管具有传热系数高的优点，但占据了发酵罐容积，罐内蛇管一旦发生泄漏，将造成整个罐批的发酵液染菌，此外，蛇管冷却管使罐的死角增加，不仅增加了染菌的机会也给罐体清洗带来不便。半圆形外盘管的传热系数高，罐体容易清洗，增强罐体强度，可大大降低罐体壁厚，使整个发酵罐造价降低，由于替代了内蛇管所占据的发酵罐容积，可增加发酵罐的放罐系数。夹套筒体的高度Hj主要取决于传热面积F的要求，夹套的高度一般应不低于料液的高度，以保证充分传热。根据装料系数，操作容积

29、V，夹套筒体高度Hj可由下式估算：Hj=V-Vh/V1，Vh：封头容积，V1：筒体每米高的容积。查表：V1 =8.050m3，Vh=4.6110m3。夹套高度：Hj =(70×80-4.6610)/8.050=6384mm，取夹套高度Hj=7000mm外盘管夹套设计参数如下：通道宽度:b0.1D=0.1×3200=320，取b=200mm通道高度：hS，取h=200mm，半圆管壁厚S=20mm通道半圆心角：=90°通道与容器壳体采用全焊透的V形焊缝螺旋通道的节距：ts0.3D，取ts=330mm螺旋通道圈数：n=7000/330=23综上所述共需2个25m3发酵罐

30、，型号为MSF-L22，公称容积25(m 3)，材质：不锈钢。由南京汇科生物工程设备制造。2.种子罐(1)二级种子罐二级种子罐体积=发酵罐体积×装料系数×接种量÷种子罐装料系数 =25×0.7×0.1×2÷0.7=5m3（2）一级种子罐一级种子罐体积=二级种子罐体积×装料系数×接种量÷一级种子罐装料系数=5×0.7×10%÷0.7=0.5m33.转化罐转化过程无需通入无菌空气，采用带有锥形底、盖的圆柱形发酵罐作为转化罐，以方便添加天冬氨酸底物和放出发酵产物。由转化液

31、体积同发酵液的体积，由上知：V2=V1=33.9 m3由此可设需2个装料系数为70%的转化罐，则转化罐罐有效体积V=发酵液体积÷装料系数÷转化罐个数=33.9m3÷70%÷2=24.2 m3 ，取25m3转化罐主体结构计算：转化罐全体积为：V=Di 2(H+h1/3+h2/3)式中 Di罐的内径，m H罐的圆柱部分高度，m h1罐底高度，m h2罐盖高度，mH=1.5Di ，h1 =0.2 Di，h2 =0.1Di V=Di 2(H+h1/3+h2/3)Di =2.52m，处理后内径为2.6m即2600mmH=1.5Di =2.6×1.5=3.

32、9m,取4mh1=0.2Di =0.52mh2=0.1D=0.26m取 ha =50mm，罐体总高H总 =4.0h1h12×ha=4.78m=4880mm罐体壁厚S=PD/(2øP)+C其中：ø=0.8，P=0.5,C=3mm,=130MPa,Di =2600mm解之得：S=9.27mm，取整10mm（2）搅拌器设计为了使溶液中的铵有效地与固体L-天门冬氨酸发生成盐反应,在罐底部装有一个搅拌器搅拌固体L-天门冬氨酸,使之悬浮到溶液中。控制搅拌器缓缓转动,可以使固体L-天门冬氨酸因重力作用而沉于罐的下半部分,上部较澄清的溶液自罐上部开口流入转化罐。搅拌器的主要尺寸计

33、算：考虑到发酵径高比为1：2.5，比较小，为了使发酵罐充分混匀，保持均一，根据经验一般采用涡轮式搅拌器。涡轮式搅拌器结构简单，能量传递高，氧溶解率高,弯叶剪切力小。圆盘可增强轴向混合效果。所以选用六弯涡轮式搅拌器。其主要尺寸如下：叶径Di=D/2.5=1 m 叶宽B=0.2Di=0.5m 弦长l=0.375Di=1m底距C=D/2.5=1m 盘径P=0.75Di=2m 弯叶板厚s=12mm挡板数确定为3,挡板宽范围1/81/12D，取B=1/10D=0.26m综上所述共需2个20m3转化罐，公称容积 20(m3)，材质：不锈钢。由南京汇科生物工程设备制造。4.离心泵要求12.6m3发酵液5mi

34、n上液完成，即要求泵的性能：Q=12.6×12=151.2m3/h，H=5m。泵的选型：上海KSB泵业生产，型号为CPK125-135，Q=50m3/h， H=33.5m，临时确定15个。5.空气压缩系统14无菌空气制备流程如下：吸风塔粗滤器空气压缩机空气冷却器除水设备空气总过滤器发酵车间空气总管分过滤器发酵罐发酵过程中的最大通气量为1:1，因此发酵车间需要最大压缩空气的用量可按下列公式计算：V=单个发酵罐体积×发酵罐的个数×通气比+单个种子罐体积×种子个数×通气比=25×2×1+4.5×1×1=54.5

35、m3/min （按55m3/min进行后续计算）吸风塔吸风塔设计高度应在1012m左右。进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。本次设计中将吸风塔的高度定为10m，空气在吸风塔内的截面流速设计为5m/s。则吸风塔的截面半径为：R=（V/n·p）1/2=(55÷60÷5÷3.14) 1/2=0.23m空气的实际流速n=V/pR2=50÷60÷0.232÷3.14=5.01m/s前置预过滤器选择高效前置过滤器，内部设计有两道过滤介质层：前层称粗过滤层，采用绒布作为过滤介质；后道称亚高效过滤层，采用涤晴-无纺布

36、作为过滤介质。设计流速为0.5 m/s。设备外型半径为：R=（V/n.p）1/2=(55÷60÷0.5÷3.14) 1/2=0.72m（取0.8m）实际流速：n=V/p.R2=55÷60÷0.82÷3.14=0.41m/s空压机由计算可得发酵工艺所需的最大空气流量为55m3/min。因此选择由无锡压缩机股份生产的型号为OGF(W)D50的空气压缩系统，额定供气量55m3/min。20的空气经空气压缩机的压缩，其出口压强表压为0.2MPa.则压缩后的空气温度为：T2=T1（P2/ P1）K-1/K =(273+20)×(0.2

37、+0.101)/0.1011.3-1/1.3=293×30.23=377.5K=104.5 其中：P1=0.101MPa，K=1.3冷却器压缩空气由管道经沿程冷却输送到空气冷却器，此时空气的温度已大大低于空气压缩机出口的温度。空气冷却器的作用是使压缩空气除水减湿。冷却器选用列管式换热器，冷却水走管程，压缩空气走壳程。要求压缩空气由104被冷却至25，冷却介质为20的循环水，冷却水的出口温度为28，由条件可得：空气的定性温度：(104+25)/2=64.5水的定型温度：（20+28)/2=24查得空气在定性温度下的物性数据：r=1.0445kg/m3；Cp=1.007 kJ/(kg&#

38、183;)；k=2.931W/( m2·)；m=2.035×10-3Pa·s查得水在定性温度下的物性数据：r=995.7kg/m3；Cp=4.174kJ/(kg·)；k=0.618W/(m2·)；m=0.80×10-3Pa·sI热负荷计算Q=Wh·Cp·h(T2T1)=200÷60×1.0445×1.007×103×(10425)=2.77×105W冷却水耗量Wc=Q/Cp·c(t2t1)=2.77×105÷4.17

39、4÷103÷(2820)=8.3 kg/s=30t/hII计算平均温差暂按单壳程、双管程考虑，先求逆流时平均温度差空气： 104 25冷却水：28 20t ： 76 5tm = (765)÷ln(76/5) = 19.52计算R和P：R = (T2T1)÷(t2t1) = (10425)÷(2820) = 9.875P = (t2t1)÷(T2t1) = (2820)÷(10420) = 0.095由R、P值，查表可得：ft = 0.98，因ft0.8，选用三壳程。tm = ft·tm= 0.98×19.

40、52 = 19.13III选k值，估计传热面积由资料，可取k=100 w/( m2·)S =（Q/ k.·tm）×1.15=（2.77×105 ÷100÷19.13）×1.15=166.52 m2IV初选换热器型号由于两流体温差大于50，可选用浮头式换热器FB500。由计算结果确定换热器为三壳程，因此选用3台相同的换热器串联使用。换热器的主要数据如下：外壳直径：500mm 公称压力：4.0 MPa 公称面积：65 m2管长：6m 管子尺寸：f25×2.5 管子总数：124管程数：2 管子排列方法：正方形斜转45&#

41、176;排列S。= n .p.d.(L0.1) .N=124×3.14×0.025×（60.1）×3=172.3 m2采用此换热面积的换热器，则要求过程的总传热系数为：k。=Q×1.15 ÷（S。·tm）=2.77×105×1.15 ÷（172.3×19.13）=96.64 W/( m2·)除水设备空气经冷却后即有水分析出，为此，冷却的空气需要除水并安装必要的除水设备。丝网除滤器是一种立式圆筒型设备，它具有压降阻力小，除水除沫效率高，使用方便的优点。一般丝网除滤器的设计流速取

42、13m/s。设计时取流速为2m/s，则除滤器的直径为：D =（4V/n·p）1/2=（4×50÷60÷3.14÷2）1/2=0.36m（取0.4m）除滤器的填料为不锈钢丝网，不锈钢丝的直径为0.25mm，多层重叠，丝网层厚度为100mm。总空气过滤器总空气过滤器是圆筒状设备，空气在过滤器内底筛板一下切线方向进入，在器身下方设置人孔。YUD型空气总过滤器，过滤介质采用涂层式过滤材料组装的滤芯，常采用的滤芯是DMF（聚四氟乙烯聚合膜）。根据发酵车间的空气用量，可选用YUD-Z-4型号的总过滤器f1200×3035mm，配滤芯DMF，总过滤

43、器内有DMF滤芯f350×1000，4个。分过滤器分过滤器是单台发酵罐的单独空气过滤器。20m3发酵罐的空气过滤系统设备的计算及设计如下：根据发酵工艺，每个20m3发酵罐最大空气用量为：Vf=20×1=20m3/min由于20m3发酵罐的工作容积在75%左右，因此空气的用量已经含有安全系数。查资料后选择JPF-20型空气膜过滤器，f230×1196mm，配滤芯JPF-C(聚四氟乙烯微孔膜)，滤芯长20英尺，共4个。6.拌料槽拌料槽的结构由圆柱形槽身和圆锥形底部组成，设装料系数为0.85，设计体积应为：发酵培养基体积/装料率 = 12.6×2÷8

44、5% = 29.65m3 （取30m3）设圆柱形槽身的高为h1，圆锥形底部的高为h2，且h1 = 3h2，直径d为3m。则由V = 1/4×3.14×d 2×h1+(1/3)×(1/4)×3.14×d 2×h2 = 30m3得：h1 = 3.82m ；h2 = 1.27m拌料罐的实际体积为：V = 5/18×3.14×3 2×3.82 =30m37.储罐转化后的转化液体积约为25.2m3，选定储罐体积为30 m3，其的主体结构为圆柱型，设储罐的高度与直径的比例为3，则由V = 3.14 (D/2

45、) 2H = 30m3可得：D = 2.34 m ；H = 7.02m8.板框压滤机转化结束后转化液除去晶体，再经脱色后要及时过滤除去活性炭以进行纯化。此时处理液的含固量i为活性的的百分比1.5%，处理液的体积为25.2 m3。选用选择由杭州富阳永昌过滤机生产的型号为XZ20/630-U板框压滤机，则其过滤面积A=30m3，滤框容量VP= 500L=0.50m3，板框装填系数k为0.8，过滤速度为v = 0.1 m3/ m2 h。则需要的板框过滤机的台数为：N = VF.i/(k. VP)= 25×0.015÷0.8÷0.50 = 1.875台（取2台）过滤时间为

46、：T = VF(1-i)/vNA = 25.2×(1-0.015) ÷0.1÷2÷30 = 2h另外转化液在浓缩沉淀后还需过滤，处理液的体积为10m3，所选机型如上，因此实际生产中选用4台过滤机。9.降膜蒸发器15在生产工艺中，发酵液中含产物量很低，故需除去60%的水分，要求在8h内在低于50的条件下将25m3的处理液中2/3的水分蒸发掉，则降膜蒸发器生产能力的计算为：25.2m3×60%×1000kg/m3÷8h=1890kg/h。预计需4个，型号为WZ-2021 ,其蒸发量为2021 kg/h，加热面积20 m2，罐内真

47、空度0.07MPa，由江阴市富龙制药机械厂生产。10.真空耙式干燥器对于固体制剂来说，要求含水率很低。要求真空干燥机在4h内将蒸发后剩余浓缩液2/3的水分蒸发掉。则真空蒸发的处理量为：25.2×40%×2/3=6.7m3。则真空干燥器的生产能力计算为：W=F/t=6.7÷4=1.67m3/h预计需3个，其蒸发量为2021 kg/h，一个备用，型号为ZB-1500,加热面积20m2，罐内真空度0.07MPa，由江阴市富龙制药机械厂生产。11.混合槽过滤完毕后获得的滤液要储存在混合槽中，经过真空浓缩后的处理液体积为=10m3，滤液储罐的主体结构为圆柱型，装填系数为0.

48、85，则其体积要求为：25.2m3×40%÷0.85=11.86m3 （取12m3）设储罐的高度与直径的比例为3。则由V=3.14 (D/2) 2H=12m3可得：D=1.72 m ；H=5.16 m主要设备选型表表3 主要设备选型表序号设备名称规格/型号功率/kw数量生产能力生产厂家1发酵罐MSF-L22602V=25 m3南京汇科生物工程设备公司2一级种子罐MS-L251V=0.5m3无锡市雪浪发酵工程设备厂3二级种子罐MS-L4.5301V=5m3无锡市雪浪发酵工程设备厂4转化罐RZG5302V=30 m3南京汇科生物工程设备公司5板框压滤机XZ20/630-U104

49、过滤面积20 m2板框数31杭州富阳永昌过滤机6空气压缩系统OGF(W)D1601602额定供气量50 m3/min无锡压缩机股份7CIP清洗系统1T全自动单路31CIP进程泵流量10T/H上海伊本轻工机械8混合槽RZGC0533V=30 m3上海伊本轻工机械9降膜蒸发器WZ-2021 1042021 Kg/h江阴市富龙制药机械厂10离心泵CPK1258.81550m3/h上海KSB泵业11真空耙式干燥器ZB-15007.852021 Kg/h常州市麦杰客设备12燃煤蒸汽锅炉LSG0.5-0.101T=184 V=0.5t/h河南省太康锅炉厂13拌料罐RZGC05-153130 m3上海伊本轻

50、工机械5. 热量恒算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：Q入=Q出+Q损 式中：Q入输入的热量总和（kJ） Q出输出的热量总和（kJ） Q损损失的热量总和（kJ）通常： Q入=Q1+Q2+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q损=Q8式中： Q1物料带入的热量（kJ） Q2由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（kJ） Q3过程的热效应，包括生物反应热、搅拌热等（kJ）Q4物料带出的热量（kJ） Q5加热设备需要的热量（kJ） Q6加热物料需要的热量（kJ） Q7气体或蒸汽带出的热量（kJ）有上述各式可知：Q1+Q2+Q3= Q4+Q5+Q6+Q7+Q8值得注意

51、的是，对具体的单元设备，上述的Q1Q8各项热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况具体分析。5.1 培养基连续灭菌用蒸汽量经工艺物料衡算结果，发酵采用发酵罐体积为25m3，发酵罐装料系数70%，每罐产100%的L-苯丙氨酸量：25×0.7×100%×90%=15.75（t/罐）年产商品L-苯丙氨酸5000吨，日产100%L-苯丙氨酸15.1吨，发酵周期为36h，需发酵罐台数2：由于装罐率，所以每罐初始体积17.5m3糖浓度125.0g/L,其数量：每日投料罐次灭菌加热过程中用0.4MPa，I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由20预热至75，在

52、加热至127，冷却水由20升到45。消毒灭菌用蒸汽量（D)D=式中： V发酵罐容量（m3） 70%-发酵罐填充系数（%） 培养基液重度， =1070kg/ m3 C培养基液比热，C=3.97kJ/kg·K T1进料罐温度,20 T2出料罐温度,127I 加热蒸汽焓kJ/kgi 加热蒸汽液体热焓量kJ/kgD=0.214(kg/罐)=15.1(t/罐)每天用蒸汽量： 15.1×2=30.2（t/d）高峰用蒸汽量： 15.1×4=60.4（t/d）平均用蒸汽量： 30.2/24=1.26（t/h）5.2 发酵罐空罐灭菌蒸汽量：1发酵罐体加热 75m3的发酵罐空罐重5.

53、4t，冷却排管重3t，比热容0.5kJ/(kg,用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa（表压）下由20升至127，其蒸汽量为 2填充发酵罐的蒸汽量因25m3发酵罐的全容积大于25m3,考虑到罐内的排管、搅拌器等所占的空间，罐的自由空间仍按75m3计算，填充空间蒸汽量：D空=V=25×1.39=34.75（kg/h）式中： V发酵罐全体积（m3） 加热蒸汽的密度（kg/m3）0.15MPa（表压）时为1.39（kg/ m3）3.灭菌过程的热功当量损失 25m3发酵罐的表面积为76m3，耗蒸汽用量为： 4.罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗 式中： 0.001附壁水平均厚度（

54、1mm） 1000水密度 （kg/ m3）5灭菌过程中蒸汽渗漏，取总汽消耗的30%，空罐灭菌蒸汽消耗量： 每空罐灭菌1.5h，用蒸汽量：578.851.5=868.29（kg/罐）每日用蒸汽量：868.29×2（kg/d）=1736.58(kg/d)=1.73（t/d）高峰用蒸汽量：868.293473.16（kg/h）=3.4(t/h)平均用蒸汽量：1736.58/24=72.36(kg/h)=0.072(t/h)5.3 液化工艺热量衡算1. 加热蒸汽消耗量可按下式计算： D=GT2T1）(h)式中： G淀粉浆量（kg/h） C淀粉浆比热容kJ/(kg·K) T2浆料初温

55、（20+273=293K） T1液化温度（95+273=368K） h加热蒸汽焓2738kJ/kg(0.3MP,表压) i加热蒸汽凝结水焓，在363K时为377kJ/kg淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉11.33t，连续液化11.33/24=0.47(t/h)。加水量为1：2.5。粉浆量为0.47t/h）=1645（kg/h）。粉浆比热C可按下式计算： C=C0+C水式中： C=1.55+4.18=5.73kJ/(kg·K) C0淀粉质比热容，取1.55 kJ/(kg·K) C水 水的比热容，取4.18 kJ/(kg·K)蒸汽用量 D=kg/h)2、灭酶用蒸

56、汽量 灭酶时将液化液由90加热至120，在100的i为419kJ/kg D灭 (kg/h)以上两项合计，平均用蒸汽量：（315.18+128.36）/2=221.77(kg/h)每日用蒸汽量：221.775322.48（kg/d）=5.32(t/d) 5.4 L-苯丙氨酸发酵的水平衡计算年水量衡算根据生产车间各方面的用水估算一天的用水量，再计算一年的用水量。1.培养基用水每个发酵罐装液量为17.5m3，共2个发酵罐，每年共有66个发酵周期，则用水量为：G1 =17.5×2×66 =2310吨2. 发酵罐培养基灭菌后的冷却用水估算设培养基的比热容与水相同都为：4.18KJ/(Kg·K)冷却过程中所需的冷却水的量计算过程如下：其中： T1为培养基开始冷却时的温度，127；T2为培养基冷却结束时的温度，20；t1为冷却水进口温度，20；T2为对应时冷却水出口的平均温度，45。则 W水=27554.64（t）考虑到冷却水可循环利用，因此可按2%的耗用率计算，则冷却水的总用量为:G2= 27554.64×2%=551.1 吨/年3. 发酵罐冷却用水发酵罐放出的热量