L-絲氨酸酶法生產(chǎn)工藝放大試驗(yàn)-8

L-絲氨酸酶法生產(chǎn)工藝放大試驗(yàn)?zāi)夸浉攀鲋扑幑に嚶肪€及研究階段原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述發(fā)酵工藝放大優(yōu)化分離純化放大與優(yōu)化產(chǎn)品的檢驗(yàn)與分析主要設(shè)備的計(jì)算種子罐發(fā)酵罐離子交換罐研究?jī)?nèi)容：L-絲氨酸

概述

L-絲氨酸是一種脂肪族極性α氨基酸。L-絲氨酸是組成蛋白質(zhì)的常見20種氨基酸中的一種，是哺乳動(dòng)物的非必需氨基酸，也是生酮氨基酸。在自然界中也有D-絲氨酸，如絲原蛋白中。在一些抗生素中也有D-絲氨酸。符號(hào)：S。

學(xué)名：2-氨基-3羥基丙酸。英文名：L-Serine

，縮寫：L-Ser

，分子式：C3H7NO3

，結(jié)構(gòu)式：CH2OHCH(NH2)COOH

，分子量：105.09

。

結(jié)構(gòu)式：藥理作用：磷脂酰絲氨酸補(bǔ)充劑能增加大腦皮層中的神經(jīng)傳遞質(zhì)乙酰膽堿的產(chǎn)量，乙酰膽堿與思維、推理和注意力集中有關(guān)聯(lián)。磷脂酰絲氨酸也能刺激多巴胺的合成和釋放。磷脂酰絲氨酸似乎和大腦對(duì)壓力的反應(yīng)有關(guān)聯(lián)。一項(xiàng)臨床研究發(fā)現(xiàn)，在針對(duì)健康人施加壓力的實(shí)驗(yàn)中，服用磷脂酰絲氨酸的人群對(duì)于壓力的反應(yīng)要比其他人群低。壓力反應(yīng)是通過衡量血液中促腎上腺皮質(zhì)激素水平得出的，促腎上腺皮質(zhì)激素是由腦下垂體分泌的一種激素，它隨之促進(jìn)腎上腺分泌應(yīng)激激素皮質(zhì)醇。磷脂酰絲氨酸主要用于治療癡呆癥（包括阿茲海默癥和非阿茲海默癥的癡呆）和正常的老年記憶損失。國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)情況L-絲氨酸的主要生產(chǎn)方法有以下四種。蛋白質(zhì)水解法：L-絲氨酸在絲膠蛋白中的含量豐富，蠶繭衣中含量為13.64%，因此，可用水解蠶繭衣制取。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?；瘜W(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。酶法：利用絲氨酸羥甲基轉(zhuǎn)移酶催化甲醛和甘氨酸（Gly）可逆的合成L-Ser，反應(yīng)過程中SHMT需PLP和四氫葉酸（THFA）作為其輔因子，由于主要原料來源廣泛、價(jià)格低廉，并可合成高濃度的產(chǎn)物，因此該法是目前最有應(yīng)用前景的L-Ser生產(chǎn)方法。鑒于化學(xué)合成法和酶法各自的優(yōu)勢(shì),

可將二者結(jié)合起來,

即先用化學(xué)合成法制備出DL-絲氨酸,

將其氨基乙?；?

再用固定化酶法進(jìn)行拆分。現(xiàn)用于氨基酸拆分的酶主要是氨基酰化酶,

通常將酶固定在DEAE-

葡聚糖凝膠A

-25、碘乙酰纖維素或聚丙烯胺凝膠上。將固定化酶均心地裝入柱內(nèi),

底物(

乙酰化氨基酸)

溶液在合適的柱溫、pH

條件下以一定的速度通過酶柱即可。過程如下：7用途與發(fā)展前景L-絲氨酸雖屬于非必需氨基酸

但具有許多重要

的生理功能和作用,因此

,在醫(yī)藥

、食品

、化妝品中均有較為廣泛的應(yīng)用。絲氨酸是重要的自然保濕因子(N

MF)

之一,皮膚角質(zhì)層保持水分的主要角色,

因此是很多高級(jí)化妝品中的關(guān)鍵添加劑,

只是因其價(jià)格限制了它在化妝品中的應(yīng)用。L-絲氨酸廣泛用于配置第三代復(fù)方氨基酸輸液和營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑，并用于合成多種絲氨基酸衍生物，如心血管

、抗癌、愛滋病新藥及基因工程用保護(hù)氨基酸等。抗衰老作用。食品：L-絲氨酸用于運(yùn)動(dòng)飲料

、氨基酸減肥飲料等。飼料：L-絲氨酸用于動(dòng)物飼料，可促進(jìn)動(dòng)物生長(zhǎng)發(fā)育；

制備工藝路線發(fā)酵過程原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格培養(yǎng)基：LB培養(yǎng)基

蛋白胨

10g酵母浸出液

5g氯化鈉

5g水

1L發(fā)酵流程1.將LB培養(yǎng)基共0.25m3放入0.3m3的種子罐配料罐中，待攪拌均勻后，用泵打入種子罐中，種子罐用138℃水蒸氣進(jìn)行夾套加熱滅菌（使培養(yǎng)基從25℃升至121℃），再用冷卻水使之冷卻到37℃，接入菌種后培養(yǎng)到對(duì)數(shù)期待用。2023/2/42．在12m3的發(fā)酵罐配料罐中加入8.35m3的LB培養(yǎng)基，開啟攪拌待混勻后，用泵打入發(fā)酵罐中，進(jìn)行滅菌，用138℃水蒸氣先進(jìn)行間接加熱（使培養(yǎng)基從25℃升至90℃），再用蒸汽直接加熱（使培養(yǎng)基從90℃升至121℃），然后用冷卻水使之冷卻到37℃，待用。3.將種子罐中的料液放入發(fā)酵罐中發(fā)酵14h，再用離心機(jī)進(jìn)行離心分離，收集菌體，廢液放入貯罐中。2023/2/4發(fā)酵放大主要過程示意圖2023/2/4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49530L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)分離純化所需原材料及產(chǎn)品的主要技術(shù)規(guī)格生產(chǎn)流程簡(jiǎn)述

:本設(shè)計(jì)采用離子交換層析對(duì)兩種氨基酸（L-絲氨酸和L-甘氨酸）進(jìn)行分離。

基本流程：反應(yīng)液→離子交換層析→濃縮→結(jié)晶→過濾干燥→產(chǎn)品

反應(yīng)過程:

發(fā)酵結(jié)束后收集菌體，菌體沉淀中加入蒸餾水制成菌懸液，細(xì)胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（PLP，終濃度為2mmol/L），37℃溫育24h。然后加入四氫葉酸（終濃度為25mmol/L）、甘氨酸（終濃度為2mol/L）、37％的甲醛溶液（終濃度為50mmol/L）進(jìn)行酶反應(yīng)72h2023/2/4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。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。濃縮過程：待濃縮液冷卻后，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2023/2/4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Φ25×500mm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，生產(chǎn)方式：間歇生產(chǎn)。水蒸氣138℃，冷卻水由27℃進(jìn)，37℃出。物料衡算已知柱子Φ25×500mm，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。2023/2/4離子交換罐小試生產(chǎn)時(shí)：放大后：2023/2/4濃縮罐：離心機(jī)：能量衡算：

查表得：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：其中：代入公式：求得:?=5%~10%，取10%即:水蒸氣的估計(jì)用量為7341Kg.冷卻器假定物料冷卻至37℃根據(jù)能量守恒定律得：其中?=5%~10%，取10%主要設(shè)備的計(jì)算離子交換罐的計(jì)算選擇反吸附離子交換罐已知離子交換樹脂總體積：離子交換罐高徑比（H/D）為3，即樹脂層高度占圓筒高度的50%,即圓整得濃縮罐設(shè)計(jì)進(jìn)料體積

：6934T選擇搪玻璃蒸發(fā)器10m3HG5-38-79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=830~1250kJ/(m2·h·℃)取K=1000kJ/(m2·h·℃)對(duì)數(shù)平均溫度

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400mm離心機(jī)已知離心機(jī)分離物料為固液混合，所以采用過濾離心機(jī).其中

所以離心機(jī)所需容積假設(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

儲(chǔ)罐：高位槽①NaOH總體積為66040L，分3個(gè)高位槽安放。選型為F25000HG/T2374-98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65/50mm②HCl總體積為66040L，分3個(gè)高位槽安放。選型為F25000HG/T2374-98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65/50mm③洗脫水體積為99060，分4個(gè)高位槽安放選型為F25000HG/T2374-98實(shí)際容積為27790L直徑D為2800mm高度H為5379mm液位計(jì)直徑為65/50mm④無水乙醇體積2080L選型為F3000HG/T2374-88公稱容積為3000L實(shí)際容積為3337L直徑D為1450mm高度H為2933mm液位計(jì)直徑為65/50mm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/T237594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65/50mm產(chǎn)品的檢驗(yàn)與分析檢驗(yàn)原理：紙層析法是利用各物質(zhì)不同的分配系數(shù)，使混合物隨流動(dòng)相時(shí)而得到分離的方法。紙層析法是以濾紙作為惰性支持物的。濾紙纖維與水親和力較強(qiáng)，而與有機(jī)溶劑親和力弱，所以紙層析以濾紙纖維和結(jié)合水為固定相，以有機(jī)溶劑為流動(dòng)相。當(dāng)有機(jī)相沿濾紙流動(dòng)經(jīng)過樣品點(diǎn)時(shí)，樣品點(diǎn)上的溶液在水相和有機(jī)相之間進(jìn)行分配，樣品移動(dòng)速率與樣品的極性及水親和力有關(guān)，因此，極性氨基酸移動(dòng)較慢，而非極性氨基酸移動(dòng)較快。2023/2/42023/2/4在一定的條件下某種物質(zhì)的Rf值是常數(shù)。Rf值的大小與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、溶劑系統(tǒng)、層析濾紙的質(zhì)量和層析溫度等因素有關(guān)。產(chǎn)品的檢驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)器材與試劑

（1）實(shí)驗(yàn)器材：硅膠板，層析缸，毛細(xì)管，鉛筆，展開劑，顯色劑

（2）實(shí)驗(yàn)試劑

展開劑:

正丁醇：丙酮：氨水：水（10：10：2：1）

100ml

指示劑:

茚三酮—丙酮（1→50）

20ml

（3）待測(cè)溶液：L-絲氨酸反應(yīng)液

實(shí)訓(xùn)步驟：

1.試劑準(zhǔn)備:展開劑以及茚三酮顯色劑配制。

2.劃線:用鉛筆在硅膠板上距末端一厘米出輕輕畫一橫線。2023/2/43.點(diǎn)樣

用毛細(xì)管分別吸取待測(cè)樣品溶液，在橫線上輕輕點(diǎn)樣，分別點(diǎn)三次。

注：點(diǎn)完一次之后等到殘余溶劑滲入之后再點(diǎn)樣，點(diǎn)樣不宜太多，否則會(huì)降低Rf值，斑點(diǎn)直徑控制在2毫米，不宜超過5毫米。同時(shí)點(diǎn)樣點(diǎn)之間距離在一厘米左右，防止邊緣效應(yīng)。硅膠板在空氣中放置時(shí)間要盡量短，否則會(huì)因吸潮而降低活性。

4.展層

將點(diǎn)了樣的硅膠板放在盛有展開劑（約0·5cm）的展開槽中。距離硅膠板上端二厘米處取出硅膠板。

注：展開劑不能超過一厘米出畫的線。由于毛細(xì)管作用，展開劑在硅膠板上緩慢前進(jìn)，樣品由于與展開劑的親和力不同而分離。

5.顯色

展開好后，取出，晾干，用裝有茚三酮的噴霧器進(jìn)行噴霧顯色，多數(shù)在日光下可找到色點(diǎn)。

用鉛筆將各斑點(diǎn)框出，并找出斑點(diǎn)中心，用小尺量出各斑點(diǎn)到原點(diǎn)的距離和溶劑前沿到起始線的距離，然后計(jì)算出樣品的比移值2023/2/4“三廢”治理及綜合利用廢水處理各類廢水將經(jīng)廠區(qū)污水站預(yù)處理達(dá)標(biāo)后，可納入污水管網(wǎng)，進(jìn)污水處理廠集中處理，達(dá)標(biāo)排放。廠區(qū)生產(chǎn)廢水預(yù)處理工藝圖：2023/2/4噪聲、固廢污染防治（1）噪聲對(duì)高噪聲設(shè)備如風(fēng)機(jī)、水泵等進(jìn)行消聲、隔聲處理，污水提升泵站在泵房?jī)?nèi)隔音。（2）固廢應(yīng)按照固體廢物的性質(zhì)進(jìn)行分類收集和暫存。本項(xiàng)目所有廢物都必須儲(chǔ)存于加蓋密閉容器中。各種腳料及母液用鋼質(zhì)容器儲(chǔ)存，脫水渣也采用聚氯乙烯容器儲(chǔ)存。發(fā)酵液板框壓濾廢渣干燥后可做生物復(fù)合肥原料綜合利用；粗品溶解濾渣主要成分為硅藻土，干燥后也可做生物復(fù)合肥原料綜合利用。2023/2/4對(duì)蒸餾殘液以及廢活性炭等危險(xiǎn)固廢，對(duì)其進(jìn)行焚燒處理。煙氣高空排放。項(xiàng)目燃煤鍋爐煤渣可外賣綜合利用，由磚瓦廠制磚或用于鋪路等。廠區(qū)職工產(chǎn)生的生活垃圾，可由環(huán)衛(wèi)部門外運(yùn)填埋處理。具有刺激性、惡臭物料的包裝材料儲(chǔ)存于容器中并加蓋密閉。廢包裝箱、捆綁材料等則應(yīng)及時(shí)收集，室內(nèi)分類存放，可回收綜合利用的盡量回用，少量不能回用的，應(yīng)進(jìn)行去毒或無害處理后一并由環(huán)衛(wèi)部門外運(yùn)填埋處理。2023/2/4主要設(shè)備：種子罐不銹鋼種子罐廣泛用于微生物生長(zhǎng)的一種反應(yīng)設(shè)備。在種子罐（發(fā)酵罐）中各種微生物在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中生長(zhǎng),新陳代謝和形成發(fā)酵產(chǎn)物。

種子罐廣義的理解為存儲(chǔ)或產(chǎn)生種子的容器，發(fā)酵設(shè)備目前已廣泛地用于制藥、味精、酶制劑、食品等行業(yè)。適用于酸奶及乳酸菌飲料母液發(fā)酵、釀造、佐料、制藥、化工及真菌培植，其作用可加熱、保溫及冷卻，為全封閉衛(wèi)生型發(fā)酵專用設(shè)備。2023/2/42023/2/4主要設(shè)備：發(fā)酵罐發(fā)酵罐，指工業(yè)上用來進(jìn)行微生物發(fā)酵的裝置。其主體一般為用不銹鋼板制成的主式圓筒，其容積在1m3至數(shù)百m3。在設(shè)計(jì)和加工中應(yīng)注意結(jié)構(gòu)嚴(yán)密，合理。能耐受蒸汽滅菌、有一定操作