年產(chǎn)2000噸色氨酸的工廠設計11

1、發(fā)酵工程課程設計報告書題目年產(chǎn)2000噸色氨酸的工廠設計 分工安排： 生物工程102班第一組專 業(yè)： 生物工程 指導教師： 金大勇 完成日期： 2013.06.20 分組安排：第一組 -47（摘要、前言、工藝論證）第二組-55（物料衡算、熱量衡算、水平衡計算）第三組 -45（設備選型及計算）第四組-49（CAD繪圖）第五組-59（整理總結）摘 要色氨酸是人和動物生命活動中八種必需氨基酸之一,對人和動物的生長發(fā)育、新陳代謝起著重要作用。色氨酸的生產(chǎn)方法有多種,其中以微生物直接發(fā)酵法最具發(fā)展前途。隨著色氨酸的需求量日益增加，決定設計一個年產(chǎn)2000噸色氨酸的工廠。本設計以大腸桿菌為生產(chǎn)菌株，利用微

2、生物直接發(fā)酵法制備色氨酸，采用深層發(fā)酵的方式，采用過濾、三效濃縮、冷卻結晶、離心烘干的方法，最終獲得99%的色氨酸。本設計對工藝流程進行了物料衡算，并對主要生產(chǎn)設備進行了選型。 關鍵詞：色氨酸，發(fā)酵法，工藝，設備選型 ABSTRACTTryptophan is one of eight kinds of essential amino acids in human and animal life activity, It is useful for growth of people and animal. There are many methods to product tryptophan

3、, and among them the microbial fermentation is the most promising.With the increasing demand of tryptophan , we decided to design an annual output of 2000 tons of tryptophan factory. We design the product with Escherichia coli strains, using microbial fermentation , the method of deep fermentation,

4、filtration, three-efficient concentration, cooling crystallization, centrifugal and drying, and eventually get 99% degrees of purity of tryptophan. The design perform the material balance based on the technological processes, and select the main production equipment.Key words: tryptophan, fermentati

5、on, process, selection of equipment,目 錄摘 要 ABSTRACT 前言.11 工藝論證 .21.1 無菌空氣系統(tǒng) .21.2 淀粉的液化和糖 .31.3 發(fā)酵工藝 .41.4 提取工藝 .51.5 總工藝流程圖.62 物料衡算 .72.1 生產(chǎn)過程的總物料衡算 .7 2.2 制糖工序物料衡算 82.3 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工藝物料衡算 .92.4 提取工序物料衡算 113 熱量衡算 .133.1 液化工序熱量衡算 133.2 糖化工序熱量衡算 143.3 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算 153.4 濃縮結晶過程熱量衡算 173.5 干燥過程熱量衡算 183.6 生產(chǎn)

6、過程耗用蒸汽匯總表 194 水平衡 .204.1 糖化工序用水量 .204.2 連續(xù)滅菌用水量 .204.3 發(fā)酵工序用水量 .204.4 提取工序用水量 .204.5 用水量匯總表 .215 設備計算與選型 .225.1 糖化罐 .215.2 發(fā)酵罐 .225.3 種子罐 .275.4 無菌空氣制備 .305.5三效濃縮罐.315.6 結晶罐.336. 參考文獻30前言L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,為白色或略帶黃色葉片狀結晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25），溶于稀酸或稀堿，在堿液中較穩(wěn)定，強酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人體和動物生命活動中必需氨基酸之一，對

7、人和動物的生長發(fā)育、新陳代謝起著重要作用，被稱為第二必需氨基酸，在生物體內(nèi)，從L-色氨酸出發(fā)可以合成5-羥基色胺的激素以及色素、生物堿、輔酶、植物激素等生理活性物質(zhì)，可以預防和治療糙皮病，同時具有消除精神緊張、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比較缺乏的氨基酸，用他強化食品和做飼料添加劑對提高植物蛋白質(zhì)的利用率具有重要的作業(yè)，它是繼蛋氨酸和賴氨酸之后的第三大飼料添加氨基酸。目前世界L-色氨酸的年產(chǎn)約為10000多噸，市場增長率超過10%，作為飼料添加劑使用的色氨酸有數(shù)百噸，中國主要是高價格限制了她的應用。世界上主要生產(chǎn)廠家是日本的昭和電工、協(xié)和發(fā)酵和三井化學公司采用發(fā)酵方法生產(chǎn)色

8、氨酸，贏創(chuàng)德固賽則兼有發(fā)酵法和合成法生產(chǎn)色氨酸。L-色氨酸的最早生產(chǎn)是靠化學合成法和蛋白質(zhì)水解法，隨著對微生物法生產(chǎn)L-色氨酸研究的不斷深入，這種方法已經(jīng)處于主導地位。微生物法大體上可以分為直接發(fā)酵法、微生物轉(zhuǎn)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(chǎn)的主流方式。1工藝論證1.1 無菌空氣系統(tǒng)微生物在繁殖和耗氧發(fā)酵過程中都需要氧氣，通常以空氣作為氧源。空氣中含有各式各樣的微生物，這些微生物隨著空氣進入培養(yǎng)液，在適宜的條件下，它們會大量繁殖，消耗大量的營養(yǎng)物質(zhì)，以及產(chǎn)生各種代謝產(chǎn)物，干擾甚至破壞預定發(fā)酵的正常進行，使發(fā)酵產(chǎn)品的效價降低，產(chǎn)量下降，甚至造成發(fā)酵徹底失敗等嚴重事故。為保證純

9、種培養(yǎng)，必須將空氣中的微生物除去或殺死。此外還要求一定的相對濕度和具有一定的溫度。供給發(fā)酵用的無菌空氣因需克服過濾介質(zhì)的阻力、發(fā)酵液的靜壓力和管道阻力，所以常用空氣壓縮機加壓后供給。過濾除菌是目前生物工業(yè)生產(chǎn)中最常用、適用的空氣除菌方法。生物加工過程中最常用的獲得大量無菌空氣的常規(guī)方法 ：一類是介質(zhì)間孔隙大于微生物直徑，故必須有一定厚度的介質(zhì)濾層才能達到過濾除菌的目的，稱為介質(zhì)過濾或相對過濾或深層過濾。這類過濾介質(zhì)有棉花、活性炭、玻璃纖維、有機合成纖維、燒結材料（燒結金屬、燒結陶瓷、燒結塑料）；而另一類介質(zhì)的孔隙小于細菌，含細菌等微生物的空氣通過介質(zhì)，微生物就被截留于介質(zhì)上而實現(xiàn)過濾除菌，有時

10、稱之為絕對過濾。但常用介質(zhì)過濾法。此外，空氣經(jīng)過壓縮和在管道輸送及經(jīng)過濾器時的壓力和溫度的變化，會引起空氣相對濕度改變，一旦發(fā)生凝露析水，就會使過濾介質(zhì)（如棉花）吸濕，使過濾介質(zhì)除菌效率大為降低。因此，應把壓縮空氣中可能析出的水，在接近過濾介質(zhì)之前除去?？諝膺^濾除菌流程：冷卻器冷卻水加熱器分離器空氣過濾器空氣分離器冷卻器冷卻水壓縮機粗過濾器 圖1選用兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程注： 第一級冷卻：可使大部分水、油結成較大霧粒（通常冷卻到3035 ）； 第二級冷卻：可使空氣析出較小的霧粒（通常冷卻到2025 ）； 第一次分離：分離直徑較大，濃度較大的霧粒（直徑在10 um以上）； 第二次分離

11、：分離直徑較小的霧粒（直徑在5 um以下）；其優(yōu)點：a. 比較完善的空氣除菌流程，可適應各種氣候條件，尤其適用潮濕的地區(qū)，其他地區(qū)可根據(jù)當?shù)氐那闆r，對流程中的設備作適當?shù)脑鰷p。能充分地分離油水，使空氣達到低的相對濕度下進入過濾器，以提高過濾效率。b. 特點：兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。 2次冷卻：可以減少油膜污染對傳熱的影響，能提高傳熱系數(shù)，節(jié)約冷卻用水 2次分離：可使油、水、霧分離得比較完全。 適當加熱：可使除水后的空氣相對濕度由100%降到50%60%。c .首先將進入空氣壓縮機的空氣粗濾。濾去塵灰等固體微粒，這對空氣壓縮機正常運行、介質(zhì)除菌有很大幫助。d. 為防止往復壓縮機產(chǎn)生脈動，在

12、流程中需要設置一個或數(shù)個貯氣罐。e. 無菌過濾，空氣除菌系統(tǒng)一般常用兩臺總過濾器（便于交叉使用）和分過濾器（每個發(fā)酵罐一臺）相結合的二級過濾裝置，以確保空氣的“無菌”。1.2 淀粉的液化和糖化：色氨酸發(fā)酵過程中用的是葡萄糖，而所采用的發(fā)酵菌種沒有分解淀粉的功能，所以在微生物發(fā)酵之前必須將淀粉分解成葡萄糖。目前采用的是噴射液化法和雙酶法葡萄糖生產(chǎn)工藝。工藝流程包括調(diào)漿、液化、糖化和過濾。1.2.1 調(diào)漿：攪拌速度為10 20 r/min，加入工藝水和淀粉原料到淀粉濃度為25%，升溫到50-55 ，調(diào)節(jié)pH保持在6.0-6.5之間，加入耐高溫的-淀粉酶，用量為10 U/(g淀粉）。1.2.2 液化

13、：通入蒸汽到噴射器和維持柱中，預熱到90-95 后，將淀粉乳泵入噴射器，調(diào)節(jié)物料與蒸汽的壓力，保持平衡。保持出口的溫度在100-105 之間，液化的淀粉乳由噴射器下方卸出，引入維持罐。維持過程的溫始終要控制在95-98 之間，持續(xù)時間為30分鐘，最終淀粉乳的碘反應呈棕紅色，且能迅速擴散。1.2.3 糖化：淀粉乳經(jīng)糖化后，通過螺旋版換熱器降溫，降至60-62 ，然后進入糖化罐，用10%的硫酸調(diào)節(jié)來pH至4.2-4.5，再加入糖化酶，其用量為100 U/(g淀粉）。糖化時間約為24-48小時，終點前DE值達到最高，提前15-20 min升溫至85 ，滅酶5-10 min.1.2.4 過濾：由于糖化

14、過程中的條件比較溫和，所以脂肪、蛋白質(zhì)基本沒發(fā)生變化，可以用板框壓濾機配上12-16滌綸過濾布加以過濾。1.3 發(fā)酵工藝 色氨酸發(fā)酵采用大腸桿菌深層發(fā)酵的方式1.3.1 工藝流程斜面培養(yǎng) 三角瓶麩曲孢子懸浮液種子罐發(fā)酵罐升溫絮凝蛋白發(fā)酵液貯罐1.3.2 培養(yǎng)基成份原料a : 斜面培養(yǎng)基（g/l） 牛肉膏 3g , 蛋白胨 10g , Nacl 10g , 瓊脂 1520g , PH7.47.6 b : 麩曲培養(yǎng)基 麩曲：水 = 1：1c: 種子培養(yǎng)基（g/l) (NH4)2SO4 50, 淀粉糖 50，玉米漿 4ml，豆餅水解液2ml，MgSO47H2O 4, KH2PO4 0.1 ,，F(xiàn)eS

15、O47H2O 0.01，MnSO4.H2O 0.01， PH 7.07.2d : 發(fā)酵培養(yǎng)基 （g/l) 淀粉糖 50 ，玉米漿 22ml，(NH4)2SO4 40 ，Phe 0.15 ，Tyr 0.15，MgSO47H2O 0.4，MnSO4H2O 0.01，F(xiàn)eSO47H2O 0.01，VB1 100g1.3.3 工藝條件：制備孢子懸液：在1000 ml三角瓶內(nèi)裝入麩皮40 g和水40 ml，混勻，121 滅菌30 min。然后接種，再放入30 培菌室內(nèi)進行培養(yǎng)3-4 d，前2天每天混勻2次，孢子完全成熟時就不用混勻。使用前用無菌水將麩曲中的孢子洗去，倒入接種瓶，接入種子罐。 種子罐：滅菌

16、條件121 、10 min。罐溫冷卻至37.5 接入孢子懸浮液。培養(yǎng)條件： 風量 0.3 m3/(m3min) 攪拌轉(zhuǎn)速 200r/min 溫度 37.5 罐壓 0.03 MPa移種條件： 培養(yǎng)時間為18 h；pH下降到2.0以下，產(chǎn)酸50 g/l ；鏡檢菌絲，保證生長良好，無孢子、無雜菌 發(fā)酵罐：先投料，再間接用蒸汽加熱，等罐溫升至80-90 后，改用3路直接蒸汽，85 保持10 min，待料液溫度至37.5 接入種子，接種量4%。培養(yǎng)條件： 風量 0.18 m3/（m3min) 攪拌轉(zhuǎn)速 80-90 r/min 培養(yǎng)溫度 37.5 罐壓 0.07 MPa放罐條件：發(fā)酵后期進行兩次產(chǎn)酸測定，

17、如果相近或有下降趨勢即可；且還原糖基本耗完（小于0.5 g/l)或者不再消耗還原糖。1.3.4 生產(chǎn)技術指標： 糖化過程中淀粉糖轉(zhuǎn)化率（%） ：108 發(fā)酵周期（h) ： 45 發(fā)酵糖酸轉(zhuǎn)化率（%） ：12-15 發(fā)酵液產(chǎn)酸量（g/l） ：80 提取收率 （%） ： 85 精制純度（%） ： 99 每噸成品消耗淀粉量（噸） ： 8.444 生產(chǎn)工作制度：全年按300天工作日計算，連續(xù)生產(chǎn)1.4 提取工藝5 工業(yè)上通常采用三效濃縮的方法來提取色氨酸。三效濃縮是通過蒸發(fā)過程中二次蒸汽的利用減少蒸汽的消耗和減少二次蒸汽量，相應地節(jié)約大量的冷卻水，從而提高了蒸發(fā)裝置的經(jīng)濟效益。1.5總工藝流程圖2 物

18、料衡算2.1 生產(chǎn)過程中的總物料衡算2.1.1 生產(chǎn)能力：年產(chǎn)2000噸色氨酸，精制純度為99%，年產(chǎn)總的色氨酸量 2000 99% = 1980 t日產(chǎn)100%色氨酸量1980 300 = 6.6t 日產(chǎn)99%色氨酸量 6.67 t2.1.2 總物料衡算 (以淀粉為原料)：（1）1 t 純淀粉理論上產(chǎn)100%的色氨酸的量：1000 108% (204/360) = 10001.080.57= 615.6kg （2）1 t 純淀粉實際產(chǎn)100%的色氨酸的量：1000 108% 15% 85% = 137.7 kg（3）1 t 工業(yè)淀粉（含量86%的玉米淀粉）產(chǎn)100%色氨酸的量：137.7 8

19、6% = 118.422 kg（3）淀粉單耗： 1 t 100%的色氨酸消耗工業(yè)淀粉的量 1000118.422 = 8.444 t1 t 100%的色氨酸理論上消耗純淀粉的量 1000 615.6= 1.62t（4）總收率：137.7 615.6= 22.37%（5）淀粉利用率：1.62 8.444 = 19.19% （6）生產(chǎn)過程總損失：100% - 19.19% = 80.81%（7）原料及中間品計算：日淀粉用量 ： 8.444 6.6 = 55.73 t/d日糖化液量 ： 55.73 86% 108% = 51.76 t/d 折合為24%的糖液 51.76 24% = 215.67t/

20、d日發(fā)酵液量 ： 純色氨酸量 51.76 15% = 7.76 t/d 折算為80 g/l的發(fā)酵液 7.76 8% = 97 m3 提取色氨酸的量（純色氨酸的量）： 7.76 85%=6.60 t/d 色氨酸廢母液量(以排出之廢母液含色氨酸4 g/l 計算)： (7.766.6) 0.4% = 290m32.1.3 總物料衡算結果總物料衡算結果（年產(chǎn)10000噸色氨酸）表1 總物料衡算結果原料淀粉質(zhì)原料（玉米淀粉）項目生產(chǎn)1 t 100%色氨酸 t/d工業(yè)原料8.44455.73糖液（24%）（t）32.68215.67色氨酸（99%）（t）1.016.67色氨酸（100%）（t）1.006.

21、6發(fā)酵液（m3） 14.70 97排出含0.4%色氨酸廢母液（m3） 43.942902.2 制糖工序的物料衡算2.2.1 淀粉漿量及加水量：淀粉加水比例1:2.5，1 t（1000 kg）工業(yè)淀粉產(chǎn)生淀漿量 1000（12.5）= 3500kg，加水量 3500 1000 = 2500 kg2.2.2 粉漿干物質(zhì)濃度：100086%3500100% =24.57%2.2.3 液化酶量：使用液體淀粉酶3500 0.25% = 8.75 kg2.2.4 CaCl2 量：3500 0.25% = 8.75 kg2.2.5 糖化酶量：用液體糖化酶 3500 0.25% = 8.75 kg2.2.6

22、糖化液產(chǎn)量1000 86% 108% 24% = 3870 kg24%糖液的相對密度為1.093870 1.09 = 3551 L2.2.7 脫色用活性炭用量：為糖液0.15%3870 0.15% = 5.8 kg2.2.8 濾渣產(chǎn)量（含水80%的廢活性炭）：5.8 (1 - 80%）= 29 kg2.2.9 生產(chǎn)過程進入蒸汽和洗水量：3870 + 29 3500 （8.75 + 8.75 + 8.75 + 5.8）= 366.95 kg2.2.10 衡算結果:根據(jù)總物料衡算，日投入淀粉55.73 t，物料衡算匯總表如下表2制糖工序物料衡算匯總表進入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項目物料比例（Kg）日投料量（K

23、g）項目物料比例（Kg）日產(chǎn)料量（Kg）工業(yè)原料100055730糖化液3870215675.1配料水2500139325濾渣291616.17液化酶8.75487.64 CaCl28.75487.64糖化酶8.75487.64活性炭5.8323.234洗水和蒸汽366.9520450.12累計3899217291.27累計3899217291.272.3 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序的物料衡算2.3.1 發(fā)酵培養(yǎng)及數(shù)量：(1) 1000 kg淀粉，得到24%的糖液3870 kg。發(fā)酵初始糖濃度為170 g/l,其數(shù)量為3870 24% 17% （W/V）= 5464 L 170 g/l的糖液相對密度為

24、1.065464 1.06 = 5792 kg(2) 配料：按放罐發(fā)酵液體積計算 5464（17%/13.3%）=6984 L（133 g/l 為終糖濃度）玉米漿 6984 0.2%（W/V）= 14.0 kg米糠 6984 0.3%(W/V) = 21.0 kg無機鹽 6984 0.75% = 52.4 kg配料用水：配料時培養(yǎng)基中含糖量不低于19%，向24%的糖液中加水量（3870 24%）/19%-3870 =1018.5 kg(3) 滅菌過程中加入蒸汽量及補水量：5792 3870 1018.5 14.0 21.0 52.4 = 816.1 kg2.3.2 接種量：6984 1%（W/

25、V）= 69.84 L69.84 1.06 = 74 kg2.3.3 發(fā)酵過程中pH調(diào)節(jié)用HNO3，為發(fā)酵液體積的1.5%6984 1.5% = 104.8 kg2.3.4 加消泡劑的數(shù)量為發(fā)酵液的0.05%6984 0.05% = 3.5 kg消泡劑的相對密度為0.83.5 0.8 = 4.375 L2.3.5 發(fā)酵過程從排風帶走的水分進風25 ，相對濕度 = 70%，水蒸氣分壓18 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa），排風32 ，相對濕度 = 100%，水蒸氣分壓27 mmHg。進罐空氣的壓力為1.5大氣壓（表壓）（1大氣壓=1.01325105 Pa），排風0.5大氣壓（表壓

26、）。出進空氣的濕含量差：通風量為0.18 m3/(m3.min)則帶走的水量：6984 0.18 1000 60 40 1.157 0.01 = 34.9 kg式中1.157為32 時干空氣密度（Kg/m）假設過程分析、放罐殘留及其他損失30 kg2.3.6 發(fā)酵終止時的數(shù)量579274104.83.534.930 = 5909.4 kg2.3.7 衡算結果匯總年產(chǎn)2000噸色氨酸日投工業(yè)原料55.73 t，連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序的物料衡算匯總表如下：表3 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序物料衡算匯總表進入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項目物料比例（kg）t/d項目物料比例（kg）t/d24%糖液3870215.67發(fā)酵液590

27、9.4329.32玉米漿14.00.78空氣帶走水分34.91.945米糠21.01.17無機鹽52.42.92過程分析、放罐殘留及其他損失301.67配料水1018.556.76滅菌過程進蒸汽及水816.145.48種量744.124HNO3104.85.84消泡劑3.50.195累計5974.3332.945974.3332.942.4 色氨酸提取的物料衡算2.4.1 發(fā)酵液數(shù)量： 6984 L，5909.4 kg2.4.2 色氨酸產(chǎn)量：(1) 分離前100%的色氨酸的量：69848%=558.72 kg(2) 分離后色氨酸的量： 100%色氨酸的量： 558.72 85% = 474.9

28、 kg 99%色氨酸的量： 474.9 99% = 479.7 kg2.4.3 脫色加入活性炭（5%）： 479.7 5% = 24.0 kg2.4.4 廢濕活性炭的量（含水75%）： 24.0 （175%）= 96 kg2.4.5 濃縮時蒸發(fā)水量（濃縮后濃度為40%）：則558.72 40% = 1396.8 L，蒸發(fā)水量 5909.41396.8 1.16 = 4289 kg2.4.6 離子交換除去離子數(shù)量（達96%） 49.1 96% = 47.14 kg2.4.7 母液數(shù)量（母液含色氨酸4 g/l）（558.72474.9） 0.4% = 20955 kg2.4.8 色氨酸分離水洗量：

29、479.7 20% = 95.94 kg2.4.9 色氨酸提取回收加水量： 20955479.79647.1442895909.424.095.94 = 19837.5 kg2.4.10 物料衡算結果：根據(jù)以上計算，再乘以55.73 t日淀粉數(shù)及得出每日之物料量，匯總列如下表。表 4 色氨酸提取工序物料衡算匯總表進入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項目物料比例（Kg）t/d項目物料比例（Kg）t/d發(fā)酵液5909.4329.3299%色氨酸 479.726.73活性炭241.34母液209551167.78分離洗水量95.945.35濕炭965.35回收加水量19837.51105.51離子47.142.63蒸發(fā)

30、水4289239.02累計25866.841441.51256866.84 1441.513 熱量衡算3.1 液化工序熱量衡算3.1.1 一次液化加熱蒸汽耗量（D）：可按下式計算D1 = G(t2- t1) / (I-)式中：G淀粉漿量（kg/h）c淀粉比熱容 kg/（kgK）t1漿料初溫（20 + 273 = 293 K）t2液化溫度（95 + 273 = 368 K）I加熱蒸汽焓，2738 kJ/kg (0.3 Mpa表壓)加熱蒸汽凝結水的焓，在368 K時為398 kJ/kg（1） 淀粉漿量G：根據(jù)物料衡算，日投入淀粉55.73 t，連續(xù)液化55.73 /24 =2.32 t/h ，加水

31、比為 1：2.5淀粉漿量為2320 3.5 =8120 kg/h（2） 粉漿干物質(zhì)濃度：(2320/8120) 86%100% =24.57%（3） 粉漿比熱容可按下式計算： = 0 x/100 + 水（100-x）/100式中：0淀粉比熱容，取1.55 kJ/(kgK )x粉漿干物質(zhì)含量水水的比熱容，4.18 kJ/(kgK ) = 1.55 24.57/100 + 4.18 （10024.57）/100 =3.53kJ/(kgK ) （4） 蒸汽用量：D1 = 8120 3.53 （95-20）/（2738-398）= 918.71 kg/h3.1.2 二次液化加熱蒸汽量，在145 時為6

32、11 kJ/kgD2 = 8120 3.53 (145-95)/(2738 - 611) = 673.80 kg/h以上兩次合計，平均量 918.71+ 673.80= 1592.51kg/h每日用量1.593 24 = 38.23t/d3.1.3 液化液冷卻用水量使用板式換熱，將物料有145降至60，使用二次水，冷卻水進口溫度20，出口溫度50，需冷卻水量（W）W = （8120 + 918.71） 3.53 （145 - 60）/(（50-20）4.18) = 21627kg/h 即519.0t/d3.2 糖化工序熱量衡算由前面物料衡算知，日產(chǎn)24%糖液215.67 t，相對密度為1.09

33、 g/l，則糖液體積：V = 215.67/1.09 = 197.86 m3糖化操作周期為30 h,其中糖化時間24 h，糖化罐100 m ，裝料80 m ，需糖化罐197.86/80 30/24 = 3.1個 ，取4個罐3.2.1 糖化后加熱滅酶用蒸汽量：在100 時= 419 kJ/kgD滅 = 8120 3.53 （100-60）/（2738-419）=494kg/h要求在20 min內(nèi)使糖化液有60 升至100 則：蒸汽高峰量：494 60/20 =1482kg/h=1.482t/h3.2.2 冷卻使用板式換熱：糖化液有（滅酶后）95 降至40 ，用二次水冷卻，冷卻水進口溫度20 ，出

34、口45 ，平均用水量：W =（8120 + 918.71 +494） 3.53 （95-40）/（45-20 ） 4.18） =17711kg/h3.2.3 每日糖化罐同時運轉(zhuǎn)：3.677 25/30 =3.06 罐每日投（放）料罐次：197.86/16 =12.37 罐次3.2.4 要求在2 h把80 m3糖液冷卻至40 ，高峰用水量：17711/（8120 + 918.71 +494）80000 1.09/2 = 81005.3kg/h每日冷卻水量：2 81.0112.37= 2004.19 t/d3.3 連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序熱量衡算3.3.1 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量：發(fā)酵罐200 m3，裝

35、料系數(shù)0.7，每罐產(chǎn)純色氨酸的量：2300.7 8% 85% =10.95 t年產(chǎn)2000 t色氨酸，日產(chǎn)6.6 t發(fā)酵操作時間40 h（其中發(fā)酵時間30 h），需發(fā)酵罐臺數(shù)6.6/10.95 40/24 =1.005臺，取2臺每日投（放）料罐次：6.6/10.95=0.60罐日運轉(zhuǎn)：1.005 30/40 =0.75罐每罐初始體積161m3 , 糖濃度170 g/l,滅菌前培養(yǎng)基含糖20%，其數(shù)量：161 17%/20% =137 t滅菌加熱過程中用0.4 MPA表壓蒸汽I =2743 kJ/kg，使用板式換熱器將物料由20 升至45 ，每罐滅菌時間為1 h，輸料流量137/1 =137 t

36、/h消毒滅菌用蒸汽量：D = 137000 3.97（120-75）/（2743-120 4.18）=10920 kg/h=262.08t/d注：3.97糖化液的比熱容kJ/（kgK）每日蒸汽用量：262.08 1 4=1048.32 t/d 平均量：1048.32 /24 =43.68 t/h3.3.2 培養(yǎng)液冷卻水用量：120 熱料通過與生料熱交換降至80 ，再用水冷卻至35 ，冷卻水由20 升至45 ，計算冷卻水用量：W = 137000 3.97（80-35）/（45-20）4.18）= 234211kg/h 5621 t/d全天用水量：5621 1 4 = 22484t/d3.3.3

37、 發(fā)酵罐空消蒸汽用量3.3.3.1 發(fā)酵罐體加熱：200 m，1Cr18Ni9的發(fā)酵罐體重約34.3 t，冷卻水排管重約6 t，比熱容0.5 kJ/(kgK)，用0.2 Mpa表壓由20 升至127 ，其蒸汽量為：（34300+6000） 0.5 （127-20）/（2718-127 4.18）= 986 kg3.3.3.2 填充發(fā)酵罐空間所需蒸汽量因200 m3發(fā)酵罐全容積大于200 m3，考慮到罐內(nèi)排管、攪拌器所占空間，罐的自由空間仍按200 m3計算，填充空間蒸汽用量：D空 = V = 200 1.622 = 324.4 kgV發(fā)酵罐自由空間即全容積 (m3)加熱蒸汽密度（kg/m3）,

38、0.2 Mpa表壓下為1.6223.3.3.3 滅菌過程的熱損失：輻射與對流聯(lián)合給熱系數(shù)，罐外壁溫度70 =33.9 + 0.19 （70-20）=43.4 kJ/（m2hK）200m3發(fā)酵罐發(fā)酵表面積為157.1 m2 ，耗用蒸i汽量D損 = 157.1 43.4 （70-20）/（2718-127 4.18）=156 kg3.3.3.4 滅菌過程蒸汽滲漏：去總蒸汽消耗量的5%，空罐滅菌整齊消耗量為（986+324.4+156）/（1-0.05）=1544 kg/h每空罐滅菌1 h，用蒸汽量：1544 1 =1544 kg/罐每日用蒸汽量：1544 4 =6176 kg/d3.3.4 發(fā)酵過

39、程產(chǎn)生的熱量及冷卻水量通過冷卻水帶走的熱量進行計算。在最熱的季節(jié)，發(fā)酵放熱高峰期，測定冷卻水量及進出口溫度，然后即可算出最大發(fā)酵熱Q最大 =4.18 冷卻水用量（kg/h）（t出-t進）/發(fā)酵液總體積以200 m3發(fā)酵罐，裝液量161m3,使用新鮮水，冷卻水進口溫度15 ，出口溫度20 ，冷卻水用量（W），色氨酸的發(fā)酵熱高峰值約1.75 104 kJ/(m3h)W = Q最大 161/（20-15） 4.18） =1.75104 161/（5 4.18 ）=1.35 105 kg/h =135 t/h日運轉(zhuǎn)0.75臺，高峰用水量 135 0.75=101.25 t/h日用水量：101.25 0

40、.8 24 =1944 t/d 注：0.8各罐發(fā)熱狀況均衡系數(shù)3.4 色氨酸濃縮結晶的熱量衡算年產(chǎn)2000 t 色氨酸，日產(chǎn)100%的色氨酸6.6t，選用8噸機械攪拌內(nèi)熱式真空結晶罐，濃縮操作周期為20 h ,其中輔助時間為4 h，每罐產(chǎn)100%色氨酸3噸，需結晶罐臺數(shù)：6.6/（3-0.4）= 2.54臺，取3臺 注：0.4每罐投入晶種數(shù)（t）（40目晶種量為結晶罐全容積5%）3.4.1 熱平衡與計算加熱蒸汽量每罐投入400 g/l的色氨酸濃縮液5 m3,流加300 g/l的母液11 m3，過程中加水1.6 m3，在70 下真空蒸發(fā)結晶，濃縮3 h，育晶13 h，放料數(shù)量6.4 m33.4.

41、1.1 熱量衡算 來料帶入熱量，進口溫度35 ，比熱3.5 kJ/(kgh)Q來料 =（5 1.16 + 11 1.13） 3.5 35 10 =2.23 106 kJ 加水帶入熱量Q來水 =1.6 4.18 35 10 =2.34 105 kJ 晶種帶入熱量：晶種比熱容1.6kJ/kgKQ來晶 =400 1.6 20 =1.28 104kJ 結晶放熱：結晶熱為12kJ/molQ晶熱 =（3-0.4） 105 12 /130 =2.4 104 kJ 母液帶走熱量：分離母液3.84m3,折算為相對密度1.26時，4.84t，比熱容為2.8kJ/(kgK)Q母 =3.84 103 2.8 1.26

42、 70 =9.48 105 kJ 隨二次蒸汽帶走的熱量Q二蒸 =（5 + 11 + 1.6 - 6.4） 2626 103 = 2.94 107 kJ 隨結晶色氨酸帶走熱量Q出晶 =3 1000 1.67 70 = 3.51 105 kJ需外界供給熱量： Q =（Q母+Q二蒸+Q出晶）-（Q來料+Q來水+Q來晶+Q晶熱）= （9.48 105+2.94 107+3.51 105）-（2.23 106+2.34 105+1.28 104+2.4 104） =2.82 107 kJ3.4.1.2 計算蒸汽用量每罐次用蒸汽量：熱損失按5%計算D =2.82 107 /（2717-53.5 0.95）

43、= 10577 kg/罐次每罐濃縮結晶時間16 h，每小時耗蒸汽高峰值：10577/16 = 661.1kg/h3臺罐（實際2.54）同時運轉(zhuǎn)，高峰用蒸汽量：2.54 661.1=1679 kg/h每日用蒸汽量：10577 2.54=26865.58 kg/d = 26.87t/d平均每小時用蒸汽量：26865.58/24=1119.4kg/h=1.12t/h3.4.2 冷卻二次蒸汽所消耗冷卻水量3.4.2.1 二次蒸汽數(shù)量，即水蒸發(fā)速度（5+11+1.6-6.4）/16 =0.7 m3水/h3.4.2.2 冷卻水用量：使用循環(huán)水，進口溫度30 ，出口溫度45 ，70 水蒸氣焓為2626 kJ

44、/kg, 需冷卻水量 W =0.7 1000 (2626-45 4.18)/（(45-30) 4.18=27000 kg/h = 27 t/d3臺罐高峰用水量：27 3 = 81 t/h全日用水量：27 16 12.69 = 5482 t/d平均用水量：5482/24 = 228.42 t/h3.5 干燥過程熱量衡算5分離后濕色氨酸含水2%，干燥后達到0.2%4，進加熱器空氣為20 ，相對濕度70%，通過加熱器使空氣升至70 ，從干燥器出來的空氣為55 。年產(chǎn)2000噸色氨酸，日產(chǎn)濕色氨酸6.67噸，兩班生產(chǎn)16 h，6.67/16 = 0.42 t/h干燥水分量：（6.67 1000 2%

45、- 6.6 1000 0.2%）/16 = 7.5kg/h注2：20 空氣濕含量 =70% ,X0 =0.012 kg/kg干空氣，I0 =50 kJ/kg干空氣，加熱到70 ，I1 = 98.5kJ/kg干空氣用公式： =（I2-I1）/(X2-X1)=Q物料 +Q損失-Q初溫式中： 空氣經(jīng)干燥后的熱量變化，kJ/kg I1 出空氣加熱器之空氣熱焓，kJ/kgI2 出干燥器之空氣熱焓，kJ/kg I0 冷空氣熱焓，kJ/kgX0 空氣濕含量，kJ/kg干空氣 X1 進干燥器之空氣濕含量，kJ/kg干空氣X2 出干燥器之空氣濕含量，kJ/kg干空氣Q物料 物料初始溫度時的物料中每1kg水之熱含

46、量，kJ/kgQ損失 加熱物料所耗熱量，kJ/(kgK)Q初溫 損失熱量，為有效熱量的10%Q物料 =2.1 10 （55-20） 0.4 4.18/7.5 =163.86 kJ/kg水Q損失 =0.1 (595 4.18+0.47 55 4.18 +324 4.18 20)=283.6 kJ/kg水 =20 4.18 163.86-283.6= 363.86 kJ/kg水設X2 =0.017，I2 = I1 + （X2-X1）=98.5+（-363.86）（0.017-0.012）=96.68kJ/kg干空氣空氣耗量 ：7.5/（0.017-0.012）= 1500 kg/h耗用蒸汽量：使用

47、0.1Mpa表壓蒸汽加熱，損失按15%計算 D =（98.5-50）1500 1.15/（2705.8-503.8）=37.99kg/h每日用蒸汽量：37.99 16 =607.84kg/d=0.61t/d平均每小時用蒸汽量：607.84/24 =25.33kg/h=0.026t/h3.6 生產(chǎn)過程耗用蒸汽衡算匯總表5 生產(chǎn)過程耗用蒸汽匯總表生產(chǎn)工序日用量 t/d平均量 t/h液化38.231.593糖化35.571.482精制26.871.12干燥0.610.0264.水平衡4.1 糖化工具用水4.1.1 配料用水日投淀粉55.73 t，加水比為1：2.5，用水量：55.73（2.5/3.5

48、）=39.81 t/d因連續(xù)生產(chǎn)，平均用水量 = 高峰用水量 = 39.81/24=1.66 t/h(用新鮮水)4.1.2 液化冷卻水用水量 平均量=高峰用水量=519.0 t/d（用二次水）4.1.3 糖液冷卻用水量：每日冷卻用水量2004.19 t/d, 平均量 2004.19/24=83.51 t/d4.2 連續(xù)滅菌工序用水量4.2.1 配料用水：糖液含糖24%，加水配成20%糖液137t/h,每罐料需加水（新鮮水）137（1-20%/24%）= 22.83 t。每日投料按 0.75罐次計算，需水0.7522.83=17.12 t/d，平均量：17.124 / 24=0.71 t/h。要求在20 min內(nèi)加水22.83t，所以高峰量：22.8360 / 20=68.49 t/h4.2.2 冷卻水用量（用二次水）高峰量5621 t/d,日用量22484 t/d,平均量936.83 t/h4.3發(fā)酵工序用水量（使用新鮮水）日用水1944 t/d，平均量81t/h,高峰量101.25 t/h。4.4提取