年產600噸色氨酸發(fā)酵工廠初步設計開題報告

1、畢業(yè)設計（論文）材料之二（2）本科畢業(yè)設計(論文)開題報告題目： 年產600萬噸色氨酸工廠初步設計 課 題 類 型： 設計 實驗研究 論文 學 生 姓 名： 陳亞軍 學 號： 3090402129專 業(yè) 班 級： 生物工程091 學 院： 生物與化學工程學院 指 導 教 師： 葛飛 開 題 時 間： 2013.3.1 2013年 3月 30日一、畢業(yè)設計的內容及研究意義1.1 論文內容：1、了解色氨酸發(fā)酵的工藝流程及相關基本知識；2、了解色氨酸發(fā)酵車間所需的工藝計算和相關基本知識；3、了解發(fā)酵設備的設計和選型4、設計一個年產600萬噸的色氨酸發(fā)酵車間，配合各個車間進行色氨酸正常的生產5、能夠熟

2、練操作AutoCAD軟件6、利用AutoCAD軟件描繪色氨酸總廠和發(fā)酵車間的平面布置圖、色氨酸發(fā)酵罐的剖視圖和工藝流程圖1.2 研究意義 色氨酸的發(fā)展是中國氨基酸工業(yè)發(fā)展中的一個必然階段。作為一個地位重要但是結構復雜的氨基酸，色氨酸的發(fā)展在中國氨基酸工業(yè)逐漸形成規(guī)模過程中是不可能被跳發(fā)展在中國氨基酸工業(yè)逐漸形成規(guī)模過程中是不可能被跳躍過去的。色氨酸發(fā)展的戰(zhàn)略意義遠大于它的實際經濟效益?？梢灶A見的是，從2010以后的未來十年，甚至五年內，中國將會取代日本，德國逐漸成為世界的氨基酸工業(yè)中心，取代日本從1980年以后一直是色氨酸是人體和動物生命活動中八種必需氨基酸之一，市場對色氨酸的需求量不斷增大，

3、色氨酸廣泛應用于醫(yī)藥、食品、飼料等領域。 色氨酸是種重要的氨基酸,廣泛應用于醫(yī)藥、食品和飼料等行業(yè)。近年來,各行業(yè)對色氨酸的需求量日益增加,而現(xiàn)有產量遠不能滿足國內外市場的需求。因此,開發(fā)微生物酶法生產色氨酸的工藝路線具有廣闊的應用前景。 目前我國市場上銷售的色氨酸主要依靠進口，我國國務院已于2004、 2007年將色氨酸生產列入鼓勵外商投資產業(yè)目錄之中。直接發(fā)酵法生產色氨酸的研究，對發(fā)展我國氨基酸發(fā)酵工業(yè)具有重大的意義。氨基酸工業(yè)的霸主地位，成為全球未來氨基酸工業(yè)生產中心。2、 畢業(yè)設計研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢2.1研究現(xiàn)狀色氨酸的生產最早主要依靠化學合成法和蛋白質水解法，但是隨著對微生物法生產色

4、氨酸研究的不斷深入，微生物法已經但是隨著對微生物法生產色氨酸研究的不斷深入，微生物法已經處于主導地位。它提供了一種成本較低、收率高、純度高、副產物少而且操作容易的工業(yè)化生產方法。微生物法大體上可以分為直接發(fā)酵法微生物轉化法和酶法目前微生物直接發(fā)酵法成為直接發(fā)酵法、微生物轉化法和酶法。目前微生物直接發(fā)酵法成為色氨酸工業(yè)化生產的主流方式。該法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉價原料為碳源，利用優(yōu)良的色氨酸生產菌種來生產色氨酸。重組DNA技術在微生物育種中的應用為優(yōu)良的色氨酸生產菌株的篩選和產酸水平的提高提供了可靠的技術保障，使微生物直接發(fā)酵法生產色氨酸成為一種低成本的工業(yè)化生產方法，因此國內外主要生產商大多

5、采用直接發(fā)酵法要生產商大多采用直接發(fā)酵法。1：微生物轉化法:這種方法使用葡萄糖作為碳源，同時添加合成色氨酸所需的前體物如鄰氨基苯甲酸、吲哚等，利用微生物的色氨酸合成酶系來合成色氨酸。這種方法同直接發(fā)酵法一樣，需要解除生物合成途徑中大部分酶所受到的反饋調節(jié)，以使色氨酸能夠高濃度蓄積。另外，所添加的前體物大都是抑制微生物生長的，因此添加量不可過高，一般采取分批少量添加的方法。同時可以篩選前體物的抗性突變株來提高前體物的添加量。微生物轉化法的不足在于當轉化液中前體物濃度較高時，轉化率有所下降。另外，前體物的價格比較昂貴，不利于降低成本。2：酶法:酶法是利用微生物中色氨酸生物合成酶系的催化功能生產色氨

6、酸。這些酶包括色氨酸酶、色氨酸合成酶、絲氨酸消旋酶等。根據提供這些酶的微生物種類數，可以分為雙酶菌法和單酶菌法兩種類型。該法既可以直接加入細胞壁溶解酶使細胞破壁后再使用，也可以將所需的酶固定化后再使用，一般由酶源菌體的培養(yǎng)、菌體的分離洗滌、固定化和反應幾個階段組成。酶法能夠利用化工合成的前體物為原料，既充分發(fā)揮了有機合成技術的優(yōu)勢，又具有產物濃度高、收率高、純度高、副產物少、精制操作容易的優(yōu)點，是一種成本較低的生產色氨酸的工業(yè)化生產方法。3：直接發(fā)酵法：該法是以葡萄糖、甘蔗糖蜜等廉價原料為碳源，利用優(yōu)良的色氨酸生產菌種來生產色氨酸。對這種方法的研究進行的比較早，但在相當長的一段時間內達不到工業(yè)

7、化生產的要求。主要原因是從葡萄糖到色氨酸的生物合成途徑比較漫長，其代謝流也比較弱，而且色氨酸的合成需要多種前體物，若想進一步提高色氨酸的積累量就必需設法增強合成這些前體物的代謝流。另一方面，色氨酸生物合成途徑中的調控機制比較復雜，除了反饋調節(jié)這一粗調系統(tǒng)之外，還存在著細調系統(tǒng)-弱化子系統(tǒng)。隨著重組DNA技術在微生物育種中的應用，為優(yōu)良的色氨酸生產菌株的篩選和產酸水平的提高提供了可靠的技術保障，使微生物直接發(fā)酵法生產色氨酸成為一種廉價的工業(yè)化生產方法。色氨酸在中國產業(yè)化走過了一條艱難漫長道路，早在2006年色氨酸在中國產業(yè)化走過了一條艱難漫長道路，早在2006年，中國幾家企業(yè)分別引進兩種微生物法

8、生產色氨酸的方法，一種為酶轉化法，另一種為直接發(fā)酵法，由于引進技術非世界一流技術，據說可能是實驗室技術各企業(yè)經過多年艱難技術攻關但在產業(yè)據說可能是實驗室技術，各企業(yè)經過多年艱難技術攻關，但在產業(yè)化規(guī)模以及生產水平和產品質量等方面，仍無法與國際知名生產商進行抗衡，生產成本居高不下，使得產品價格雖然有所降低，但較其他氨基酸價格仍處于高位，限制了色氨酸在飼料中普及和市場推廣應用。也制約了飼料工業(yè)發(fā)展。制約L-色氨酸生產技術在中國的發(fā)展主要有兩大問題：1：規(guī)模化生產技術的水平及其成熟性 2：產品質量規(guī)?；a技術水平及其成熟性問題1：色氨酸規(guī)?；a技術較賴氨酸、蘇氨酸難度大大增加，僅從技術引進到產業(yè)

9、化時間就可看出一些端倪，賴氨酸，蘇氨酸等技術，引進中國2-3年時間就端倪，賴氨酸，蘇氨酸等技術，引進中國3年時間就有多家企業(yè)規(guī)?；a，甚至迅速做到全球先進行列，但色氨酸技術引進國內已有5-6年時間，真正規(guī)?；a企業(yè)還非常少2010年國內企業(yè)能生產出化生產企業(yè)還非常少，2010年，國內企業(yè)能生產出200-300噸企業(yè)非常少。色氨酸結構中帶吲哚環(huán)，結構復雜，微生物合成途徑漫長，調空機制復雜，致使色氨酸生產菌種產酸率較賴氨酸等低很多倍且使色氨酸生產菌種產酸率較賴氨酸等低很多倍，且產業(yè)化難度大大增加。 2：菌種穩(wěn)定性差：為了提高色氨酸產酸率，目前生產廠家采用菌種為基因工程菌菌種的穩(wěn)定性和適應性較差

10、使采用菌種為基因工程菌，菌種的穩(wěn)定性和適應性較差，使得大規(guī)模產業(yè)中色氨酸發(fā)酵水平較實驗室降低。 3：合成途徑較長：色氨酸在微生物體內合成途徑較長且存在多種嚴格調空機制，增加了色氨酸工藝控制難度，發(fā)酵過程工藝控制條件苛刻也是限制色氨酸產業(yè)化規(guī)模和生產水平的關鍵因素之一。 4：提取工藝復雜：由于色氨酸在水中溶解度僅為蘇氨酸十分之一，產品與溶液中其他雜質分離難度大大增加，不僅需要增加分離環(huán)節(jié)，也對純化技術提出更高要求，產品質量穩(wěn)定性控制也是限制色氨出更高要求，產品質量穩(wěn)定性控制也是限制色氨酸快速產業(yè)化瓶頸之一。 5：生產成本高：色氨酸生產成本高是由于其結構復雜菌種產率低發(fā)酵水平波動大提取步驟長以雜，

11、菌種產率低、發(fā)酵水平波動大，提取步驟長以及收率也較其他氨基酸低綜合因素導致原料和能源消耗量大，使得色氨酸整體生產成本居高不下，是限制L色氨酸大規(guī)模產業(yè)化的最直接原因。 6：生產時間較短：國產色氨酸生產廠家大多剛剛起步需要較生產時間較短：國產色氨酸生產廠家大多剛剛起步，需要較長一段時間改進并穩(wěn)定生產工藝，才能使生產成本逐步下降，產品質量進一步提高。但各企業(yè)需要調整時間不盡相同。 7：認識不統(tǒng)一：對于認識問題，其實就是生產技術水平參差不齊造成的。由于色氨酸產品價格高，一些企業(yè)以為有很高利潤空間，于是在2010年有多家企業(yè)宣稱生產色氨酸，且都潤空間，于是在2010年有多家企業(yè)宣稱生產色氨酸，且都有一

12、定規(guī)模。但由于生產技術水平與國外有一定差距，原料低價優(yōu)勢不能抵消技術落后造成差異，因此，只有當國內生產技術接近國外先進技術水平時色氨酸在中國生產才會產技術接近國外先進技術水平時，色氨酸在中國生產才會象其他氨基酸一樣，可以左右全球市場價格。2.2發(fā)展趨勢 色氨酸的生產相當長時間達不到工業(yè)生產要求，國內使用色氨酸主要依賴進口，過高的價格嚴重影響了其在飼料添加中的應用，而色氨酸在國際市場上需求量逐年攀升，其生產供應量遠沒有達到要求，因此國內外對色氨酸的研究非常重視。國外色氨酸主要生產廠家有日本的味之素株式會社、昭和電工、協(xié)和發(fā)酵、三井化學公司和德固賽等。日本公司主要采用發(fā)酵法生產色氨酸，德國的德固賽

13、公司兼有發(fā)酵法和合成法生產色氨酸。國內色氨酸主要生產企業(yè)有山東魯抗醫(yī)藥股份有限公司、浙江升華拜克生物股份有限公司等。 色氨酸酸作為非蛋白氨基酸,雖然20世紀70年代中期被科學工作者在人體中發(fā)現(xiàn),但并未引起重視,到了80年代后期特別是近幾年,有關人體及食物中色氨酸的研究才越來越深入。國外已經有關于色氨酸生理學性質、藥物作用和制備方面的研究報告,但是目前國內還是空白。隨著對色氨酸研究的深入,必將在農業(yè)、醫(yī)藥、食品、飼料等行業(yè)發(fā)揮巨大作用。相信隨著科學技術的不斷進步，色氨酸的生產水平會不斷增加，生產成本也會降低，色氨酸市場前景也會令人鼓舞。 各個企業(yè)對色氨酸如何發(fā)展看法不同但色氨酸發(fā)展最終要各個企業(yè)

14、對色氨酸如何發(fā)展看法不同，但色氨酸發(fā)展最終要依靠技術創(chuàng)新、技術突破來降低生產成本，提高產品質量，才能使中國色氨酸具有核心競爭力，也才能真正為飼料行業(yè)帶來更好使用價值只有這樣個產品才能取得更長遠的發(fā)展如果各使用價值，只有這樣，一個產品才能取得更長遠的發(fā)展。如果各企業(yè)都重視技術，加強對菌種改造，以及不斷改進優(yōu)化生產工藝，色氨酸發(fā)展中存在的問題，也會逐步得到解決，并且國內色氨酸產品的質量和競爭力也將會得到進一步的提升。會不斷提高在國際上的地位。色氨酸工業(yè)的未來發(fā)展主要圍繞以下幾個下面色氨酸工業(yè)的未來發(fā)展主要圍繞以下幾個下面：1、現(xiàn)在影響色氨酸生產推廣的主要是技術問題，原料、能源并非主要因素。2、產品

15、質量是產品生命線，高質量產品才能為用戶提供更好價值產品質量控制是貫穿在整個生產過程而非僅僅成品控制飼值，產品質量控制是貫穿在整個生產過程，而非僅僅成品控制，飼料級產品生產嚴格按照FMIQ管理規(guī)范，對原料，生產各環(huán)節(jié)以及成品進行嚴格管理和控制。3、原材料和能源以及人力成本將會出現(xiàn)持續(xù)上漲，開發(fā)多規(guī)格的產品也不失為權宜之計。4、價格是中國企業(yè)同國外企業(yè)競爭的一個優(yōu)勢，但是否具有國際標準的產品質量則是色氨酸國際化推廣能否成功的的一個基礎。5、低排放、低能耗的色氨酸清潔生產工藝將是企業(yè)未來發(fā)展模式，將會更具有競爭優(yōu)勢。6、技術含量和附加值高的行業(yè)將會在長時間受到國家鼓勵和政策支持。三、畢業(yè)設計研究方案

16、及工作計劃3.1研究方案： 根據前面確定的設計內容，結合實際情況制定如下的研究方案和工作計劃。研究方案:搜集資料,盡可能多的搜集與色氨酸工廠發(fā)酵車間設計有關的書籍、論文、期刊、國家標準、國際標準等相關資料。深入生產一線，走訪色氨酸生產全廠。到色氨酸工廠進行學習、調研，向工人學習生產中的細節(jié)，傾聽他們的建議，以做出更合理的的設計。色氨酸的發(fā)酵機制，發(fā)酵工藝及特點，菌種的制備及種子的擴大培養(yǎng)，培養(yǎng)基的組成及制備，無菌空氣制備系統(tǒng)，部分工藝計算以及三廢處理。采用現(xiàn)代的設計技術計算機輔助設計，提高設計效率。采用CAD進行繪制工廠圖。3.2工作計劃 如下圖所示 所耗時間 天數工作內容2/21-3/142

17、2走訪相關公司，參觀實習，了解相關資料，并撰寫實習報告 3/14-3/2814查閱資料、制訂計劃，確定方案，撰寫開題報告： (1)學習相關的平臺及繪圖工具CAD； （2）針對課題，收集、熟悉相關資料，理解掌握課題的流程。 3/28-4/113需求分析：在調研、收集資料、數據和學習課題流程的基礎上，對設計課題進行需求分析并撰寫需求規(guī)格說明書，包括流程圖、發(fā)酵機制、菌種、培養(yǎng)基制備及三廢處理等。 4/11-4/2514概要設計：在需求分析的基礎上，對色氨酸發(fā)酵過程控制、提取過程控制等方面進行設計。同時按系統(tǒng)的總體功能進行模塊劃分，以明確模塊功能設計的任務和要求。 4/25-5/27詳細設計：在概要

18、設計的基礎上，對各個模塊功能進行詳細設計。 5/2-5/1614進行設計運行測試 5/16-5/237根據測試結果，不斷完善設計 5/23-6/613對整個設計過程進行總結，并撰寫畢業(yè)設計。 6/6-6/137完成畢業(yè)設計論文，提交給指導老師審查，并根據老師的建議進行修改。四、主要參考文獻1李劍欣, 張緒梅, 徐琪壽色氨酸的生理生化作用及其應用 J氨基酸和生物資源, 2005, 27(3): 58-622王大慧, 韋萍D-色氨酸研究進展 J化工進展, 2002, 02( 3):103-1053胡耀輝, 王玉華, 于寒松, 等L-色氨酸的應用及生產技術研究進展 J吉林農業(yè)大學學報, 2008, 4: 586-5894楊惠琴 LL-色氨酸的生物技術發(fā)展色氨酸的生物技術發(fā)展2007 2007 河北經貿大學生物科學與工程學院，河北經貿大學生物科學與工程學院，河北河北石家莊5張克旭氨基酸發(fā)酵工藝學M 北京: 中國輕工業(yè)