年產(chǎn)80噸L-絲氨酸分離純化車間的工藝設(shè)計(jì)方案發(fā)

1、序號(hào):學(xué)號(hào):08439103CYHTAINSGZRHOU U NI VE課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)課程名稱：發(fā)酵工程課程設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn) 80 噸 L- 絲氨酸分離純化車間的工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：*學(xué)院（系）：制藥與生命科學(xué)學(xué)院專業(yè)班級(jí)：生工081指導(dǎo)教師：王利群專業(yè)技術(shù)職務(wù)：副教授設(shè)計(jì)時(shí)間： 2011 年 12 月 19 日2011 年 12 月 30 日目錄1. 概述.41.1產(chǎn)品概述 .41.1.1L- 絲氨酸生產(chǎn)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況 .41.1.2用途與發(fā)展前景 .41.2設(shè)計(jì)概述 .51.2.1設(shè)計(jì)依據(jù) .51.2.2設(shè)計(jì)規(guī)模和范圍 .51.2.3指導(dǎo)思想 .52.原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格.62.1生產(chǎn)

2、原料 .62.2產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格 .63.生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述 .63.1離子交換層析過程 .63.2結(jié)晶過程 .64.工藝分離 .74.1物料衡算 .74.1.1離子交換罐 .74.1.2濃縮罐 .84.1.3離心機(jī) .84.2 能量衡算 .84.2.1濃縮罐 .94.2.2冷卻器 .95.主要設(shè)備的計(jì)算 .105.1離子交換罐的計(jì)算 .105.2濃縮罐設(shè)計(jì) .105.3冷卻器 .105.4離心機(jī) .115.5 儲(chǔ)罐.115.5.1高位槽 .115.5.2廢液儲(chǔ)罐 .126.心得體會(huì) .137.參考文獻(xiàn) .138.致謝 .13年產(chǎn) 80 噸 L絲氨酸分離純化車間的工藝設(shè)計(jì)1.概述1.1 產(chǎn)品概述1

3、.1.1L- 絲氨酸生產(chǎn)產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)情況L- 絲氨酸的主要生產(chǎn)方法有以下四種。方法一、水解法：以蠶繭繭衣為原料進(jìn)行酸水解， 然后用離子交換水進(jìn)行分離純化。方法二、添加前體發(fā)酵法： L- 絲氨酸在生物體內(nèi)代謝運(yùn)轉(zhuǎn)速度極快，直接發(fā)酵法生產(chǎn)困難。 一般采用添加前體的發(fā)酵法。 添加的前體主要有甘氨酸、 甘氨酸三甲內(nèi)鹽或甘油酸， 其中以甘氨酸為前體的已工業(yè)化。 產(chǎn)生菌可分為兩類： 異養(yǎng)型和甲基營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌。方法三、化學(xué)合成法： DL- 絲氨酸可有以羥基乙醛為原料的合成法等，然后再拆分得 L- 絲氨酸。方法四、酶法：以化學(xué)合成DL- 絲氨酸的中間體DL-2- 氧代惡唑烷 -4-羧酸（ DL-OOC ）為原

4、料，使用睪丸酮假單胞菌生產(chǎn)的 L-OOC 水解酶或從枯草桿菌生產(chǎn)的 OOC 消旋酶作用，生產(chǎn) L- 絲氨酸。國(guó)外最早用生絲微菌屬靜息細(xì)胞生產(chǎn)L- 絲氨酸。 Yoshida,T.，Mitsunaga,T.，等考察了26 株甲基營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌靜息細(xì)胞以甲醇和甘氨酸為底物生產(chǎn)L-絲氨酸的能力。有七株菌的生產(chǎn)能力超過500mg/ml。其中 NCIB10099 生產(chǎn)能力最強(qiáng)。目前 L-絲氨酸生產(chǎn)水平還較低 , 在世界氨基酸生產(chǎn)行業(yè)中L-絲氨酸是工業(yè)化生產(chǎn)難度較大的氨基酸。日本用前體發(fā)酵法生產(chǎn)L- 絲氨酸 , 在 1969 年產(chǎn)量為4t, 在 1990 年 70t, 在 1996 年 100t,2002 年

5、280t。中國(guó)以前大多采用蛋白質(zhì)水解法提取 , 然而分離困難 , 始終未能形成生產(chǎn)規(guī)模。 四川南充藥廠生產(chǎn)是用發(fā)酵法，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，收率低也不宜推廣應(yīng)用。而湖北八峰藥化采用酶促法轉(zhuǎn)化生產(chǎn)L-絲氨酸，2003 年 3 月建成一條年產(chǎn)50t 的生產(chǎn)線，產(chǎn)酸量及轉(zhuǎn)化率均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。1.1.2 用途與發(fā)展前景絲氨酸 (簡(jiǎn)稱 Ser.)是一種重要的生化試劑和藥劑 , 在氨基酸輸液和氨基酸膠囊以及多肽合成等方面發(fā)展迅速。 常用于組織培養(yǎng)基的制備， 醫(yī)藥上用作氨基酸類營(yíng)養(yǎng)藥。同時(shí)絲氨酸的衍生物也具有優(yōu)良的藥用和生物活性, 如 -取代絲氨酸被應(yīng)用于設(shè)計(jì)肽 , 而且是免疫抑制劑 ISP（多球殼菌素 Myri

6、ocin, 嗜熱菌殺酵母素Thermozymocidin）和免疫激活劑 , 神經(jīng)鞘真菌素 E 等生物活性物質(zhì)的有效組成部分； L- 絲氨酸的磷酸脂具有解除疲勞 , 恢復(fù)體力等功效偶氮絲氨酸常用于治療腫瘤。1.2 設(shè)計(jì)概述1.2.1 設(shè)計(jì)依據(jù)（1）依據(jù)與工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝相關(guān)的各種資料。如化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)（2）GB/T 501032001 總圖制圖標(biāo)準(zhǔn)（3）GB50187 93 工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計(jì)規(guī)范（4）GB 1234890工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準(zhǔn)（5）化工原理（6）生物工藝原理（7）生物工程設(shè)備1.2.2 設(shè)計(jì)規(guī)模和范圍（1）L-絲氨酸分離純化車間的工藝設(shè)計(jì)（2）主要設(shè)備的計(jì)算和選型（3）帶控制

7、點(diǎn)的工藝流程圖（4）主要設(shè)備圖1.2.3 指導(dǎo)思想發(fā)酵工程是用來解決按發(fā)酵工藝進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)的工程學(xué)問題的學(xué)科。 發(fā)酵工程從工程學(xué)的角度把實(shí)現(xiàn)發(fā)酵工藝的發(fā)酵工業(yè)過程分為菌種、 發(fā)酵和提煉（包括廢水處理） 等三個(gè)階段， 這三個(gè)階段都有各自的工程學(xué)問題， 一般分別把它們稱為發(fā)酵工程的上游、 中游和下游工程。 發(fā)酵工程的三個(gè)階段均分別有它們各自的工藝原理和設(shè)備及過程控制原理，它們一起構(gòu)成發(fā)酵工程原理。千百年，特別是最近幾十年的發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)踐證明：微生物是發(fā)酵工程的靈魂。近年來，對(duì)于發(fā)酵工程的生物學(xué)屬性的認(rèn)識(shí)愈益明朗化，發(fā)酵工程正在走近科學(xué)。從生物科學(xué)的角度重新審視發(fā)酵工程，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵工程最基本的原

8、理是其生物學(xué)原理，而前述的發(fā)酵工程原理均必須建立在發(fā)酵工程的生物學(xué)原理的基礎(chǔ)上。因此，發(fā)酵工程的生物學(xué)原理是發(fā)酵工程最基本的原理，并且可以把它簡(jiǎn)稱為 “發(fā)酵原理”。2. 原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格2.1 生產(chǎn)原料氫氧化鈉溶液用量 66040L濃度 1M鹽酸用量 66040LpH=2無水乙醇用量 2080L去離子水用量 99060L717 型離子交換樹脂用量 49530L2.2 產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格生產(chǎn)規(guī)模： 80 噸 /年生產(chǎn)方法： 717 型離子交換樹脂離子交換層析后，進(jìn)行濃縮，之后添加乙醇結(jié)晶，離心分離生產(chǎn)天數(shù)： 300 天生產(chǎn)周期： 1 天生產(chǎn)方式：間歇生產(chǎn)3.生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述本設(shè)計(jì)采用離子交

9、換層析對(duì)兩種氨基酸（L-絲氨酸和 L- 甘氨酸）進(jìn)行分離。3.1 離子交換層析過程采用 717 型離子交換樹脂， 將其裝入離子交換罐， 保證其密實(shí)。 然后用氫氧化鈉水溶液處理（溶液濃度為 1M，體積為 66040L）使離子交換柱呈堿性，處理完之后上樣。上樣后， L- 絲氨酸和 L-甘氨酸吸附在交換樹脂上，可用酸性溶液洗脫，本設(shè)計(jì)采用 pH=2 的 Hcl 溶液洗脫，用量為 66040L，洗脫前需要用去離子水洗滌，最終可得氨基酸溶液為 16510L，其中 L- 絲氨酸為 6934L。3.2 結(jié)晶過程離子交換層析完畢后， 對(duì)料液進(jìn)行濃縮。 采用蒸汽加熱， 可將料液濃縮至原體積的 1/10，待濃縮液

10、冷卻后，加入208L 無水乙醇，使 L-絲氨酸結(jié)晶，最后離心烘干可得產(chǎn)品267kg/天。年操作日為300 天。簡(jiǎn)述 : 717 型離子交換樹脂裝入離子交換罐用氫氧化鈉溶液處理上樣用去離子水洗滌用 Hcl 溶液洗脫濃縮冷卻加入無水乙醇結(jié)晶離心過濾烘干產(chǎn)品4.工藝分離生產(chǎn)條件 :已知 L- 絲氨酸的小試純化工藝為： 717 型離子交換樹脂用1M 的 NaOH 溶液處理成 OH-型，水洗至中性后裝柱（三根25500mm 的柱子）。對(duì)第一根柱子上樣，上樣結(jié)束后水洗。然后連接另2 根柱子，用 pH=2 的 Hcl 洗脫，分別收集只含L- 絲氨酸、 L- 甘氨酸，以及同時(shí)含這兩種氨基酸的洗脫液。假設(shè)一個(gè)柱

11、子的體積為 V ，已知 NaOH 溶液用量為4V，洗滌水用量為2V ，洗滌液用量為4V，其中含氨基酸的洗脫液體積為1V，含 L- 絲氨酸的洗脫液體積為0.42V。將含 L- 絲氨酸的洗脫液濃縮液濃縮至原體積的1/10，加入將晶體（濕含量15%）離心烘干， L- 絲氨酸的分離得率為3 倍體積的無水乙醇，77%。年操作日300天，生產(chǎn)方式：間歇生產(chǎn)。水蒸氣 138，冷卻水由 27進(jìn)， 37出。4.1 物料衡算已知柱子 25500mm，一個(gè)柱子的體積為 V ，已知 NaOH 溶液用量為 4V ，洗滌水用量為 2V ，洗滌液用量為 4V，其中含氨基酸的洗脫液體積為 1V，含 L-絲氨酸的洗脫液體積為

12、0.42V。將含 L- 絲氨酸的洗脫液濃縮液濃縮至原體積的1/10，加入 3 倍體積的無水乙醇，將晶體（濕含量 15%）離心烘干， L-絲氨酸的分離得率為 77%。年操作日 300 天。4.1.1 離子交換罐小試生產(chǎn)時(shí)：V20 2500157000mm30.157L2nL - 絲 nL甘0.2V0.2 0.157 0.0314moln得絲0.03140.770.024178molm得絲0.024178 1052.539g放大后：m絲80 3000.267t2.67 105g放大倍數(shù)2.67 1052.539105160倍V放大總0.157 105160 349530L記： 放大倍數(shù) m1051

13、60V NaoH 4V 放大 4 16510 66040LV Hcl4V放大4 1651066040LV樣品V放大16510LV水6V放大6 1651099060LV絲0.42V放大0.42165106934LV 甘0.58V放大0.58165109576L4.1.2 濃縮罐V絲，縮1V絲16934693.4L10104.1.3 離心機(jī)V乙醇3V絲，縮3 693.42080.2L4.2 能量衡算查表得：100C水的比熱容： Cp, m14.2KJ /(Kg K )100C水的氣化潛熱：12258KJ / Kg138C水蒸氣的比熱容： Cp, m21.901KJ /( Kg K )138 C水蒸

14、氣的氣化潛熱: 22116KJ / Kg4.2.1 濃縮罐采用間接蒸汽加熱至沸騰：（加熱蒸汽為138）根據(jù)能量守恒定律得：m CTT9 mm物p, m1 21110水水蒸氣 2其中：m物m水m絲m水V絲水6934 16934Kgm物69340.2 16510 105 10007281Kg代入公式：7281 4.2100-27 22589 6934 m211610水蒸氣m水蒸氣6674K g求得 :=5%10%，取 10%m蒸汽，實(shí)1.1 m水蒸氣 1.16674 7341K g即: 水蒸氣的估計(jì)用量為7341Kg.4.2.2 冷卻器假定物料冷卻至 37根據(jù)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水絲氨酸101040 10037m冷凝水3727得： m冷凝水5512Kg 、=5%10%，取 10%m冷凝水，實(shí)1.1 55126063Kg5.主要設(shè)備的計(jì)算5.1 離子交換罐的計(jì)算選擇反吸附離子交換罐已知離子交換樹脂總體積：V放大總 49530L離子交換罐高徑比（ H/D ）為 3，即 H / D30.5HD 2放大總 49530L樹脂層高度占圓筒高度的V50%,即4D34.7dm3.47mD 3.5m圓整得 H 3D 10.5m5.2 濃縮罐設(shè)計(jì)進(jìn)料體積 6934L

16、選擇搪玻璃蒸發(fā)器10m3 HG5-38-79假設(shè) H/D2H 3.8m 求得 D 1.9m5.3 冷卻器假設(shè)冷卻時(shí)間為 0.5h, 即 t=0.5h查表得換熱系數(shù)： K=8301250kJ/(m2h) 取 K=1000kJ/(m2h )對(duì)數(shù)平均溫度tmT2t1T3 t210037372728.8 CT2t1ln10037ln T3t23727m料Cp,m1 T2 T3tKAtm10404.21003710000.528.8AA19.11m2根據(jù)換熱面積選型得列管式石墨換熱器 HG5-1320-80 換熱面積為 20.7m2有效管長(zhǎng)為 4000mm根數(shù)為 61筒徑為 400mm5.4 離心機(jī)已知

17、離心機(jī)分離物料為固液混合，所以采用過濾離心機(jī).其中V乙醇3V絲，縮3 693.42080.2L所以離心機(jī)所需容積V 離心機(jī)V 絲,縮V乙醇693.42080.22773.6L假設(shè)離心分 5 次進(jìn)行，則每次進(jìn)料量為554.7L其中絲氨酸濃縮液每次進(jìn)料138.7 ，乙醇進(jìn)料 416L。選用 SS1800過濾離心機(jī)其轉(zhuǎn)速為 510r/min有效容積為 660L過濾面積為 2.7m2外形尺寸為 2350 1800 1200mm5.5 儲(chǔ)罐5.5.1 高位槽NaOH 總體積為 66040L，分 3 個(gè)高位槽安放。選型為 F25000 HG/T 2374-98公稱容積為 25000L實(shí)際容積為 27790

18、L直徑 D 為 2800mm高度 H 為 5379mm液位計(jì)直徑為 65/50mm HCl 總體積為 66040L，分 3 個(gè)高位槽安放。選型為 F25000 HG/T 2374-98公稱容積為 25000L實(shí)際容積為 27790L直徑 D 為 2800mm高度 H 為 5379mm液位計(jì)直徑為 65/50mm洗脫水體積為 99060，分 4 個(gè)高位槽安放選型為 F25000 HG/T 2374-98實(shí)際容積為 27790L直徑 D 為 2800mm高度 H 為 5379mm液位計(jì)直徑為 65/50mm無水乙醇體積 2080L選型為 F3000 HG/T 2374-88公稱容積為 3000L實(shí)

19、際容積為 3337L直徑 D 為 1450mm高度 H 為 2933mm液位計(jì)直徑為 65/50mm5.5.2 廢液儲(chǔ)罐已知此液總體積為16510L選用搪玻璃臥式儲(chǔ)罐型號(hào)為HG/T2375 94公稱容積為 20000L實(shí)際容積為 22332L直徑 D 為 2400mm長(zhǎng)度 L 為 5374mm液位計(jì)直徑為 65/50mm6.心得體會(huì)通過這一次的課程設(shè)計(jì)，我不僅僅學(xué)到了專業(yè)知識(shí)，更使我懂得如何做事 , 如何去思考問題。這是我們第二次做課程設(shè)計(jì)，但這次課程設(shè)計(jì)與以前的化工課程設(shè)計(jì)不同，以前老師給我們模板， 這次的課程設(shè)計(jì)全是靠自己思考整理思路。 剛開始做課程設(shè)計(jì)時(shí)都不知道該從何著手， 在拿到任務(wù)書后， 花了很長(zhǎng)時(shí)間來摸索討論， 在小組成員一起的努力下漸漸理清思路，開始步入正軌。中間也有很多次卡在那兒，不知道如何往下做， 但在王老師的細(xì)心指導(dǎo)下， 我們一層層撥開云霧， 最后完成了設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)使我進(jìn)一步逇了解了自己，知道自己的專業(yè)知識(shí)還不夠扎實(shí)，還存在著很多盲點(diǎn)，在以后有限的校園生活中， 應(yīng)該多注重扎實(shí)自己的專業(yè)知識(shí)。同時(shí)也知道了理論和實(shí)際相結(jié)合的重要性， 在實(shí)際設(shè)計(jì)中提高了自己獨(dú)