年产1000吨色氨酸发酵工厂的毕业设计

安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）

第一章 绪论

色氨酸的分子式为:C11H12N2O2分子量为214.21,含氮13.72%,仅一氨基氮6.86%。色氨酸有三种光学异构体,L-色氨酸呈绢丝光泽、六角片状自色晶体,无臭,有甜味,水中溶解度1.14 g/l(25℃),溶于稀酸或稀碱,在碱液中较稳定,强酸中分解,微溶于乙醇,不溶于氯仿、乙醚。

色氨酸具有重要的生理作用。它是人体和动物生命活动中必需的氨基酸之一，对人和动物的生长发育和新陈代谢起着重要的作用。被称为第二必需氨基酸。广泛应用于医药、食品和饲料等方面。在生物体内从L-色氨酸出发可合成4 一羟基色胺等激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质。可预防和治疗糙皮病。同时具有消除精神紧张、改善睡眠效果等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸。用它强化食品和傲饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作用。它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。 1.1 设计项目概述

（1）设计课题：年产1000t色氨酸工厂初步设计 （2）厂址：皖南地区 （3）重点车间：提取车间 （4）重点设备：发酵罐

（5）需要完成的设计图纸：全厂工艺流程图、全厂平面布置图、重点车间平面布置图，重点车间侧视图。 1.2 设计依据

（1）学校下达的毕业设计任务书和相关可行性报告，以及可靠的设计资料； （2）我国现行的有关设计和安装设计的规范与标准； （3）其他氨基酸的发酵工艺及色氨酸的特性发酵。 1.3 设计范围

（1）厂址选择及全厂概况介绍（地貌、资源、建设规模、人员）； （2）产品的生产方案、生产流程、及技术条件的制定； （3）重点车间详细工艺设计、工艺论证、设备选型及计算； （4）全厂物料、能量衡算； （5）车间布置和说明； （6）重点设备的选型和计算；

（7）对生产、环境保护提出可行方案。

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1.4工厂设计原则[7]

（1）设计工作要围绕现代化建设这个中心，为这个中心服务。首先要做到精心设计，投资省，技术新，质量好，收效快，回收期短，使设计工作符合社会主义经济建设的总原则。设计的安全性和可靠性是工程项目设计工作的第一要务，是设计人员进行生物工程项目设计的根本出发点和落脚点。

（2）设计工作必须认真进行调查研究。需大量查阅文献，搜集设计的技术基础资料并进行分析，从实际出发。

（3）要解放思想，突出创新，力求设计在技术上具有现实性和先进性，在经济上具有合理性，环境保护上有可行性。

（4）设计必须结合实际，因地制宜，工厂设计要体现其通用性和独特性相结合的原则。 （5）设计需遵守国家的相关规定，要明确设计进度。 1.5 工厂组成

工厂的组成一般包括以下内容： （1）生产车间：糖化、发酵等车间； （2）辅助车间; （3）动力车间； （4）行政部门； （5）绿化区域；

（6）道路等运输设施和各类地上、地下工程管网； （7）三废治理。

1.6 产品生产方案及建设规模

（1）生产方案：以淀粉为原料，经糖化生产可发酵性糖，然后利用色氨酸高产菌，在适宜的生产条件下进行生产发酵，生产L-色氨酸。并通过后续工作，使产品达到国家规定。

（2）建设规模：年产1000吨，生产天数300天，连续生产。 1.7 生产方法及产品规格

（1）生产方法：L-色氨酸的生产最早主要是依靠化学合成法和蛋白质水解法制造。随对微生物法生产色氨酸的研究的不断发展，人们开始利用微生物法发酵生产色氨酸。现已走向实用并且处于主导地位。微生物法大体可分为微生物发酵法和酶促转化法。近年来还出现了直接发酵法和化学合成法，直接发酵法和转化法相结合生产色氨酸的研究。另外，基因工程、酶的固定化和高密度培养等技术在微生

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物育种和酶工业上的应用极大地推动了直接发酵法和酶法生产色氨酸的工业化进程[15]。

本设计采用微生物直接发酵法生产色氨酸，因为这种工艺简单，适合大规模生产。且成本较低，易实现经济最大利益化。

（2）产品规格：食品级色氨酸，纯度95%，白色或淡黄色粉末，易溶于水。水中溶解度1.l4g(25℃)， 溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。 1.8 公用工程

（1）供热：由电热厂供给蒸汽，自备锅炉； （2）供电：由发电厂供给，自备发电机；

（3）供水：由自来水厂供给及本厂附近水渠供给； （4）压缩空气及制冷：由本厂动力车间制备。 厂址选择总原则：

（1）尽可能利用当地有力的条件，不免或克服不利的条件。

（2）尽可能利用当地的人力、物力、财力、自然资源，和保护环境。 （3）尽可能是企业接近原料、能源产地和产品消费地。

（4）经济效益好，能加快国名经济的发展和人民生活水平的提高。

根据实际情况并结合选址原则，我们暂定厂址为皖南地区。因为我们此次项目中色氨酸生产主要原料为玉米，玉米是皖南地区省重要的旱粮作物，年种植面积近5.3万hm2 万，在粮食作物中列于水稻、大豆、番薯和小麦之后，居第5位，年总产量在20万t以上，位列水稻、番薯、大豆之后，居第4位。皖南地区是典型的南方玉米种植区，适播期长，种植类型多，种植模式多样，种植效益高，完全不同于北方玉米的单一模式。且随着近

些年的客观发展需求，皖南地区玉米种植面积不断增加，皖南交通发达，便于运输。 1.9 全厂定员及劳动保护

（1）全厂定员：根据色氨酸生产特点，糖化、发酵、提取车间，一般按照每天3个班次来安排工人上班，即每人每天上8个小时班，实行4班3倒制；包装车间可以视情况而定，可安排1或2个班一天；机修车间一般是日班，中夜班给安排2个人；电房要3班都要有人；行政人员全安排在白班。

（2）劳动保护：发酵车间需佩戴耳塞、安全帽；提取要佩戴防护眼镜和耳塞；糖化车间要有防暑降温设备、空调间和防尘口罩；倒粉处要有防压皮鞋和防尘口罩；压力设备要定期检查，规范操作。要尽可能避免生产事故的发生。

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1.10 三废处理

a.废水：色氨酸生产主要的污染是高浓度废水，在建设项目中本公司将采用先进的喷浆造粒技术将高浓度废水制成有机无机复合肥，即可以解决环保问题，又可以增加项目的经济效益，还可以减轻污水处理厂的污水处理压力。

b.废气：主要来源于发酵罐产生CO2气体，采用蒸汽集气包杀灭活菌体，然后排入大气中。由提取车间产生的氯化氢气体逸出，采用设备加盖和酸雾吸收，车间安装风机。 c.废渣：制糖滤渣可制砖；发酵液除菌后所得湿菌体烘干后可作饲料出售。

d.噪声：由污水处理站鼓风机产生的噪声最高，采用防噪声隔音措施，并包括出风口消声器，进、出风口的软接头及机器的减震器等，其它工艺设备均采用相同的隔音，消声，减震措施。 1.11 技术经济指标

本次设计的工程项目固定资产投资7000万，流动资金1500万，场地20000平方米（约30亩）由于该项目建设是工厂初步建设、设备的选购和安装调试，预计全部建设18个月即可完成。有关经济指标可见下表：

表1-11 L-色氨酸生产相关指标一览表

项目名称 生产规模（t/a） 生产天数（d/a） 产品日产量（t/d） 生产成本（元/kg） 市场价（元/kg） 征地面积（亩） 开发标准（元/亩）

项目参数 1000 300 3.34 100 300 30 100000

项目名称 设备总花费（元） 工程造价（元） 环保费用（元） 员工工资（元） 能源消耗（元）

项目参数 4000万 2000万 300万 400万 300万

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第二章 色氨酸生产工艺

2.1生产方法摘要：

生产色氨酸的方法很多。主要有天然物质提取法、化学合成及光学拆分组合法、发酵法、酶法等等，目前主要采用发酵法生产色氨酸。发酵法生产色氨酸。 其优点是可利用廉价的葡萄糖原料直接生产产品。制糖可采用美国高效喷射液化技术和复合酶糖化技术。提高淀粉糖的转化率和 67 值。降低生产成本。色氨酸生产菌特性专一。提纯后产品质量好。成本低。易于大规模生产。 选择具有国际先进水平高产酸、高转化率大肠菌种生产色氨酸。不但附加值更高。而且能够发挥氨基酸发酵企业自身的优势。 改变氨基酸发酵企业产品单一，利润较薄的状况。[8] 2.2发酵法生产L-色氨酸生产工艺特点：

色氨酸以玉米淀粉为原料。经液化、糖化制得高质量糖液。既而经大肠杆菌发酵、膜过滤、脱色、离交、浓缩、结晶、离心干燥、包装得到色氨酸产品。生产可采用国外具有世界领先水平高产酸、高转化率菌种、 成熟的先进技术。 使色氨酸生产工艺达到更高水平。

2.3 L-发酵法色氨酸生产工艺关键过程： 2.3.1 发酵原料：

根据本地条件。结合公司实际情况。选用合适的碳源和氮源。采用淀粉糖作为主要的碳源。酵母抽提物作为底料的氮源。同时辅以适量的无机盐和其他微量元素。 2.3.2 发酵工艺流程：

斜面→摇瓶种子→一级种子罐→主罐

从摇瓶到一级罐最佳接种量为1%左右，从一级种子罐到主罐最佳接种量为10%左右。根据一级罐和主罐的体积接种量可适当调整。 2.3.3发酵工艺条件及控制[1]

L-色氨酸生产菌是一种大肠杆菌，具有较好的结构稳定性和分裂不稳定性 发酵过程中菌种的质粒稳定性对发酵水平高低有严重影响，维持发酵高产酸就要保证发酵过程菌种质粒稳定，在培养过程可以通过调节适当罐压、培养温度、溶氧控制水平、底料中酵母抽提物添加量等方面进行控制保证发酵过程中不发生质粒丢失现象。

L-色氨酸发酵液中乙酸浓度高时对L-色氨酸生产菌的生长和产酸均有抑制作用。因此发酵过程中代谢副产物乙酸的多少对发酵水平高低有严重影响。发酵过程中可以通过调节溶氧控制水平初始葡萄糖浓度，发酵葡萄糖浓度及控制菌体比生长速率等方面进行

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控制减少，发酵液中乙酸的生成。

L-色氨酸发酵过程中产大量的热，为了维持发酵温度的稳定必须采取适当的降温措施在发酵罐外部加上冷却盘管采用冰水降温，控制发酵温度33度左右，L-色氨酸发酵过程中由于无机盐的消耗及产酸引起PH变化所以发酵过程中适当流加氨水或液氨调节PH控制最佳PH值在6.9左右。

L-色氨酸发酵为耗氧发酵并且产酸过程中用氧量比较大，溶氧的多少直接影响着代谢的方向 进而影响产酸和转化率 溶氧低于20%容易发生菌体自溶、乙酸产量增加，所以在主发酵过程中必须控制溶氧大于20%，这要求我们采用先进的通风搅拌装置设计合理的发酵罐径高比增加通气量提高溶解氧。

L-色氨酸发酵过程中采用高糖流加技术，使发酵糖浓度始终处于低浓度从而有效减少残糖对发酵产生的抑制作用避免发酵后期产生乙酸上升的现象保证高产酸及转化率。 此外L-色氨酸发酵生产可采用先进的培养基连消技术，高精度空气膜滤技术使发酵污染程度控制最低水平，确保发酵产酸水平。对发酵车间的环境定期进行消毒提高环境清洁度。对排污要控制对排污口要用漂白粉处理对空气过滤系统要定期清理减少染菌机率。 2.3.4精制工艺条件及控制

发酵液的质量高低决定着精制收率与产品质量所以发酵液必须经过处理。 首先发酵结束后要对发酵液加热并调到合适的PH，采用先进的陶瓷膜或纳滤分离技术去除发酵液中L-色氨酸菌体及部分蛋白质大分子色素、杂质等此时料液的透光率越高越好以利提高提取收得率和提高L-色氨酸质量。[4]

过滤后的发酵液加热到适当温度，经过活性炭处理进一步脱色与纯化脱色过程中控制活性炭用量，过多，影响收率。过少，又达不到脱色效果。

脱色后的发酵液要进一步分离纯化，主要方法有离交交换法、有机溶液萃取法、乳状液膜提取法等。其中离子交换法具有工艺简便、投资少、节能、污染小的优点，适合于工业应用用离交交换法分离纯化L-色氨酸进一步去除物料中杂质、色素及其它离子。

分离纯化后的发酵液经浓缩结晶处理。因为L-色氨酸具有热不稳定性，因此浓缩结晶时要严格控制温度条件防止温度过高导致L-色氨酸分解。浓缩结晶后的发酵液经离心分离干燥包装等工序得到成品L-色氨酸。

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第三章 工艺论证

3.1 无菌空气系统

微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。空气中含有各式各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，以及产生各种代谢产物，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。此外还要求一定的相对湿度和具有一定的温度。供给发酵用的无菌空气因需克服过滤介质的阻力、发酵液的静压力和管道阻力，所以常用空气压缩机加压后供给。

过滤除菌是目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法 ：一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为介质过滤或相对过滤或深层过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。但常用介质过滤法。此外，空气经过压缩和在管道输送及经过滤器时的压力和温度的变化，会引起空气相对湿度改变，一旦发生凝露析水，就会使过滤介质（如棉花）吸湿，使过滤介质除菌效率大为降低。因此，应把压缩空气中可能析出的水，在接近过滤介质之前除去。

空气过滤除菌流程：

（图3-1）选用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程

空气 冷却水 压缩机 冷却器 冷却水 冷却器 分离器 粗过滤器 分离器 空气过滤器 加热器

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注： 第一级冷却：可使大部分水、油结成较大雾粒（通常冷却到30～35 ℃）； 第二级冷却：可使空气析出较小的雾粒（通常冷却到20～25 ℃）； 第一次分离：分离直径较大，浓度较大的雾粒（直径在10 um以上）； 第二次分离：分离直径较小的雾粒（直径在5 um以下）； 其优点：

a. 比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。 b. 特点：两次冷却、两次分离、适当加热。

2次冷却：可以减少油膜污染对传热的影响，能提高传热系数，节约冷却用水 2次分离：可使油、水、雾分离得比较完全。

适当加热：可使除水后的空气相对湿度由100%降到50%～60%。

c .首先将进入空气压缩机的空气粗滤。滤去尘灰等固体微粒，这对空气压缩机正常运行、介质除菌有很大帮助。

d. 为防止往复压缩机产生脉动，在流程中需要设置一个或数个贮气罐。

e. 无菌过滤，空气除菌系统一般常用两台总过滤器（便于交叉使用）和分过滤器（每个发酵罐一台）相结合的二级过滤装置，以确保空气的―无菌‖。 3.2 淀粉的液化和糖化：

色氨酸发酵过程中用的是葡萄糖，而所采用的发酵菌种没有分解淀粉的功能，所以在微生物发酵之前必须将淀粉分解成葡萄糖。目前采用的是喷射液化法和双酶法葡萄糖生产工艺。工艺流程包括调浆、液化、糖化和过滤。 3.2.1 调浆：

搅拌速度为10 – 20 r/min，加入工艺水和淀粉原料到淀粉浓度为25%，升温到50-55 ℃，调节pH保持在6.0-6.5之间，加入耐高温的α-淀粉酶，用量为10 U/(g淀粉）。 3.2.2 液化：

通入蒸汽到喷射器和维持柱中，预热到90-95 ℃后，将淀粉乳泵入喷射器，调节物料与蒸汽的压力，保持平衡。保持出口的温度在100-105 ℃之间，液化的淀粉乳由喷射器下方卸出，引入维持罐。维持过程的温始终要控制在95-98 ℃之间，持续时间为30分钟，最终淀粉乳的碘反应呈棕红色，且能迅速扩散。

淀粉乳经糖化后，通过螺旋版换热器降温，降至60-62 ℃，然后进入糖化罐，用10%的硫酸调节来pH至4.2-4.5，再加入糖化酶，其用量为100 U/(g淀粉）。糖化时间约为

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24-48小时，终点前DE值达到最高，提前15-20 min升温至85 ℃，灭酶5-10 min. 3.2.4 过滤：

由于糖化过程中的条件比较温和，所以脂肪、蛋白质基本没发生变化，可以用板框压滤机配上12-16涤纶过滤布加以过滤。 3.3 发酵工艺：

色氨酸发酵采用大肠杆菌深层发酵的方式 3.3.1 工艺流程

斜面培养 → 三角瓶麸曲→孢子悬浮液→种子罐→发酵罐→升温絮凝蛋白→发酵液贮罐

3.3.2 培养基成份原料

a : 斜面培养基（g/l） 牛肉膏 3g , 蛋白胨 10g , Nacl 10g , 琼脂 15～20g , PH7.4～7.6 b : 麸曲培养基 麸曲：水 = 1：1

C : 种子培养基（g/l) (NH4)2SO4 50, 淀粉糖 50，玉米浆 4ml，豆饼水解液2ml，MgSO4·7H2O 4, KH2PO4 0.1 ,，FeSO4·7H2O 0.01，MnSO4.H2O 0.01， PH 7.0~7.2 d : 发酵培养基 （g/l) 淀粉糖 50 ，玉米浆 22ml，(NH4)2SO4 40 ，Phe 0.15 ，Tyr 0.15，MgSO4·7H2O 0.4，MnSO4·H2O 0.01，FeSO4·7H2O 0.01，VB1 100μg 3.3.3 工艺条件： ?制备孢子悬液：

在1000 ml三角瓶内装入麸皮40 g和水40 ml，混匀，121 ℃灭菌30 min。然后接种，再放入30 ℃培菌室内进行培养3-4 d，前2天每天混匀2次，孢子完全成熟时就不用混匀。使用前用无菌水将麸曲中的孢子洗去，倒入接种瓶，接入种子罐。 ? 种子罐：

灭菌条件121 ℃、10 min。罐溫冷却至37.5 ℃接入孢子悬浮液。 培养条件：

风量 0.3 m3/(m3·min) 搅拌转速 200r/min 温度 37.5 ℃ 罐压 0.03 MPa 移种条件：

培养时间为18 h；pH下降到2.0以下，产酸50 g/l ；镜检菌丝，保证生长良好，无孢子、无杂菌

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③ 发酵罐：

先投料，再间接用蒸汽加热，等罐溫升至80-90 ℃后，改用3路直接蒸汽，85 ℃保持10 min，待料液温度至37.5 ℃接入种子，接种量4%。 培养条件：

风量 0.18 m3/（m3·min) 搅拌转速 80-90 r/min 培养温度 37.5 ℃ 罐压 0.07 MPa 放罐条件：

发酵后期进行两次产酸测定，如果相近或有下降趋势即可；且还原糖基本耗完（小于0.5 g/l)或者不再消耗还原糖。 3.3.4 生产技术指标：

糖化过程中淀粉糖转化率（%） ：108 发酵周期（h) ： 45 发酵糖酸转化率（%） ：12-15 发酵液产酸量（g/l） ：80 提取收率 （%） ： 85 精制纯度（%） ： 99 每吨成品消耗淀粉量（吨） ： 8.444

生产工作制度：全年按300天工作日计算，连续生产。 3.4 提取工艺

工业上通常采用三效浓缩的方法来提取色氨酸。三效浓缩是通过蒸发过程中二次蒸汽的利用减少蒸汽的消耗和减少二次蒸汽量，相应地节约大量的冷却水，从而提高了蒸发装置的经济效益。[5]

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3.5（图3-5）总工艺流程图：

沙土管 玉米淀粉 空气 斜面菌种 预处理 空气压缩器

三角瓶麸曲 水解 冷却

孢子悬浮液 过滤 气液分离

种子罐 淀粉水解酶 过滤除菌 配料

发酵

板框过滤

三效浓缩

结晶

离心

烘干

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第四章 物料衡算

物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料衡算重量等于离开系统的全部物料重量，即∑F=∑D+W 式中：F——进入系统的物料重量（kg） D——离开系统物料重量（kg） W——损失的物料重量（kg） 4.1生产能力计算：

生产规模：1000吨/年（产品含量以95%计） 生产天数：300天

生产能力=生产规模/生产天数=1000/300=3.34t/d 4.2淀粉水解为葡萄糖的总反应式：

（C6H10O5）n+nH2O→nC6H12O6 162 180

则淀粉水解为葡萄糖理论糖化率=180÷162×100%=111%。但在实际生产发酵中，要考虑实际情况，取糖化率为95%。 4.4葡萄糖转化成色氨酸的总反应式：

2C6H12O6+2NH3+1/2O2→C11H12N2O2+CO2+9H2O

2×180 204

理论上，葡萄糖转化为色氨酸，转化率=204÷(2×180)×100%=56.67% 4.5色氨酸生产质量指标及技术指标:

表4-5 色氨酸生产质量指标技术指标一览表

生产指标名称 实际糖化率 糖酸转化率 糖化罐糖化周期 发酵产酸浓度 淀粉原料含淀粉 发酵罐装料系数

接种量

生产指标参数

95% 15% 30h 5% 80% 75% 10%

生产指标名称

提取率 发酵周期 产品纯度 倒灌率 发酵单位 发酵初糖 二级种子含糖量

生产指标参数

85% 45h 95% 1% 30mg/L 150 kg/m3 25 kg/m

3

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清糖液含量 300g/L 发酵液相对密度 1.12kg/L

4.6色氨酸发酵车间的物料衡算

首先我们要明确发酵单位的概念，发酵单位是衡量发酵液中目标产物的含量高低的指标，属于技术指标。此次项目设计中，生产色氨酸发酵单位为30mg/L，即0.03kg/ m3。 首先计算1000kg色氨酸需要的原料及其他物料量。

注：培养基无机盐配比(g/L)：硫酸铵2.5，磷酸二氢钾0.25，磷酸氢二钾0.25，硫酸镁0.05，消泡剂耗用量1.0g/L，玉米浆:5.5g/L[20]。 a)发酵液量V1=1000÷(150×15%×85%×99%)=52.82 (m3) 式中 150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3） 15%——糖酸转化率 85%——色氨酸提取率

99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率

b)发酵液配制需水解糖量：以纯糖算Ga=V1×150=7922.36(kg) c)种液量V2=10%V1=5.282 (m3) d) 种子培养液所需水解糖量 Gaa=25V2=132.05(kg) 式中 25——二级种液含糖量

e) 生产1000kg色氨酸需水解糖总量为G=Ga+Gaa=8054.41(kg) f) 耗用淀粉原料量

理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用淀粉量为： G淀粉=8054.41÷（80%×95%×111%）=9547.66（kg）

式中80%——淀粉原料含淀粉量，95%——淀粉糖化转化率. g)硫酸铵用量G1=2.5 V1=132.05kg

h) 磷酸氢二钾G2=磷酸二氢钾G3=0.25V1=13.205kg i) 硫酸镁（MgSO4.7H2O）用量0.05 V1=2.641 kg j) 消泡剂耗用量=1.0V1=52.82kg k)玉米浆用量=5.5V1=290.51kg l）色氨酸量

发酵液色氨酸含量=Ga×15%×(1-1%）=1176.47kg

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实际生产的色氨酸（提取率为85%）为：1176.47×85%=999.999891kg

4.7 糖化车间部分物料衡算（以1000kg玉米计算）

本车间物料平衡图是：

水 淀粉 液化酶+氧化钙+硫酸

蒸汽 液化液

糖化液（糖化酶+烧碱）

消糖液 糖滤渣

图4-7 糖化车间物料平衡图

a)设淀粉：水=1:1.5，

则1000kg玉米产淀粉浆=1000×（1+1.5）=2500kg，加水量=1000×1.5=1500kg; b)粉浆浓度=1000×80%÷2500×100%=32%

c)糖化液（300g/L）=1000×80%×95%÷0.3×1.12=2837.33kg d)α-淀粉酶=糖化酶=2500×0.2%=5kg e)硫酸用量=氯化钙量=2500×0.2%=5kg f)助滤剂=2837.33×0.15%=4.26kg

g)滤渣产量（含水量按70%计算）=4.26÷（1-70%）=14.2kg h)生产过程中进入系统的蒸汽=2837.33×8%=227kg i）洗水量：2837.33+14.2-227-5×4-4.26-2500=90.2 衡算结果用表格表示：

表4-7 糖化车间部分物料衡算结果一览表

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进入系统量

项目 玉米原料 配料水 酶用量 氯化钙 硫酸 助滤剂 蒸汽 洗水 累计

物料比例kg

1000 1500 10 5 5 4.26 227 90.27 2841.53

日产量kg 31889.2 47833.78 318.89 159.45 159.45 135.85 7238.85 2878.64 90614.11

项目 糖液 滤渣 累计

离开系统量 物料比例kg 2837.33 4.26 2841.59

日产量kg 90480.18 135.85 90616.03

注：最后的累计结果有点差距，是因为在计算过程中小数点舍取造成的。对设计结果没有影响。

4.8 1000t色氨酸工厂发酵车间的物料衡算表

有上述生产1000kg色氨酸（95%纯度）的物料衡算，可求得1000t/a色氨酸厂发酵车间的物料平衡计算，具体计算结果如下：

物料名称 发酵液 （m3） 二级种液（m3） 发酵水解用糖（kg) 二级种培养用糖（kg） 水解糖总量（kg) 淀粉 （kg) 硫酸铵（kg) 磷酸氢二钾（kg) 磷酸二氢钾 硫酸镁（kg) 泡敌（kg) 色氨酸（kg)

生产1t色氨酸物料量

52.82 5.282 7922.36 132.05 8054.41 9547.66 132.05 13.205 13.205 2.641 52.82 1000

1000t色氨酸的物料量

52820 5282 7922360 132050 8054410 9547660 132050 13205 13205 2641 52820 1000000

每日物料量 176.42 17.64 26460.68 441.047 26901.73 31889.2 441.047 44.1047 44.1047 8.821 176.42 3340

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第七章 主要车间设计

7.1 概述

色氨酸的生产主要经过以下4个重要工序：

（1）制糖：淀粉原料的糖化，使淀粉转化为可发酵性糖，调pH；

（2）色氨酸的发酵：利用色氨酸高产菌在适宜的发酵条件下发酵，生产色氨酸； （3）色氨酸的提取； （4）精制。

与这四个工艺阶段相对应，在色氨酸生产厂设置糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，设置锅炉房，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还需设置水泵房，所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。 7.1.2 制糖

因为色氨酸生产菌不能直接利用淀粉，需经糖化后生成葡萄糖，然后利用葡萄糖生产发酵。而可以用来制备淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类（山芋、木薯）、玉米、大米、小麦等含淀粉原料。但是因为考虑到含淀粉量和原料价格，我们采用淀粉含量较高、成本价较低的玉米作为原料[7]。玉米收购价大概在4元/公斤，且除去水分外，含淀粉约80%。玉米作为原料，先要经过预处理（主要是粉碎），然后液化、糖化。这些都是在糖化车间完成的。 7.1.3 色氨酸的发酵

色氨酸发酵过程：灭菌后的色氨酸培养液在流量监控下进入色氨酸发酵罐，经过罐内冷却蛇管将温度冷却至32℃ ，置入菌种，氯化钾、硫酸锰、消泡剂及维生素等，通入消毒空气，经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行。色氨酸发酵是一个复杂的微生物生长过程，色氨酸菌摄取原料的营养，并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，将反应物转化为色氨酸产物。整个发酵过程一般要经历3个时期，即适应期、对数增长期和衰亡期。每个时期对培养液浓度、温度、PH值及供风量都有不同的要求。因此，在发酵过程中，必须为菌体的生长代谢提供适宜的生长环境。经过45至48小时的培养，当产酸、残糖、光密度等指标均达到一定要求时即可放罐。这些发酵过程均在发酵车间完成，为了实现产业效益最大化，发酵过程的控制有着至关重要的作用。[9]

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7.1.4色氨酸的提取[12]

L-色氨酸是人和动物生命活动中八种必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用。L-色氨酸的生产方法有多种，其中以发酵法最具发展前途。因此提高发酵液中L-色氨酸的产率，并将其提取精制出来，采取有效措施提高其收率是目前急待解决的问题。

本文着重研究了从L-色氨酸发酵液中提取L-色氨酸的工艺条件，详细讨论了各个分离纯化步骤和操作条件。L-色氨酸发酵液先用阴离子聚丙烯酰胺（温度：常温、剂量：100mg/L、搅拌速度20r/min、搅拌时间1～2min）絮凝后，过滤或离心去除菌体和杂蛋白。为了使L-色氨酸与其它杂氨基酸分离，本论文选用了14种树脂进行静态、动态实验，发现003×7强酸性阳离子交换树脂在pH为6～8之间、流速1mL/min、温度室温，对色氨酸有最大的吸附作用，将上清液流经003×7型阳离子交换树脂柱，再用0.025mol/L和2mol/L氨水梯度洗脱，流速1mL/min、温度室温，收集L-色氨酸流分。将其减压浓缩粗结晶，再用60％的热乙醇溶解，溶解液通过D3012型阴离子交换树脂脱色，条件为流速2mL/min、温度为室温，收集流出液，再将其减压浓缩。加入30％的无水乙醇，4℃放置24h，真空干燥得白色粉片状L-色氨酸晶体。总体取收率约为68％，纯度达98％。 7.1.5 精制

色氨酸提取方法是离子交换柱法，所得产品色氨酸含量可达到99%，完全能够达到要求，因此不再需要精制步骤，只需要包装即可。 7.2 糖化车间 7.2.1糖化工艺的选择

糖化工艺的选择：采用双酶法（α-淀粉酶和糖化酶）生产葡萄糖，可提高淀粉原料的转化率及糖液浓度，改善了糖液质量，是目前最为理想的制糖方法。 7.2.2工艺流程简述：

在配料罐，用工艺循环水（温度50-55℃）把淀粉调到12-18’Be，pH用硫酸或者磷酸调至5.0-6.0，并加入0.2-0.25%氯化钙，作为淀粉酶的保护剂和激活剂，加入0.2%耐高温α-淀粉酶，聊也搅拌均匀后用泵把粉浆打入到液化喷射器，在喷射器中粉浆和蒸汽瞬间接触，温度自动控制在105-110℃，从喷射器中出来的液料，经过3-5min的高温维持后进入闪蒸罐，温度降到95-100℃，然后进入层流罐保温60-120min，DE值达到12-18%后，与糖化终了料液进行热交换进入糖化罐温度降低至58-62℃，并用酸调节pH至4.4，加入0.2%糖化酶保温30h，用无水酒精检测无糊精存在时，将料液pH调至4.8-5.0，同时将料液加热与液化料进行热交换至80℃，然后降温至60℃，添加0.15%助滤剂，视料液情况添

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加活性炭，搅拌1小时开始过滤。

7.2.3糖化工艺流程图以及设备流程图：

图7-2 糖化工艺流程

图7-3 液化工艺设备流程图

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7.2.4糖化工艺技术参数

表7-2糖化工艺技术参数

液化工艺参数 调浆浓度 耐高温淀粉酶量

PH 温度 时间 灭酶温度 灭酶时间 液化DE

30-35% 0.25% 6.0~6.4 105~1100C 60--120 min 115~1200C 5~10min 12~18%

糖化工艺参数 糖化酶量 PH 温度 时间 灭酶温度 时间 糖化DE

0.25% 4.2~4.5 58~62C 25h 850C左右 5~10min 96%~98%

0

脱色参数

脱色PH 脱色时间

4.8~5.2 0.5~1h

7.3 发酵车间 7.3.1 发酵工艺简述：

糖化车间制备的糖化液和其他营养成分：工业淀粉、生物素等按要求配制成培养基，定容。经连消系统灭菌，降温至接种温度后进行接种。接着接种：菌种先经过一级种子扩大培养，再经过二级种子扩大培养后菌种量达到要求后再进入发酵罐进行接种，发酵。发酵时间为45h，发酵过程中通过流加液氨控制pH，通过冷却系统（冷却塔和冷机）控制温度，流加糖液控制残糖量，通过无菌空气控制通气量。发酵结束后，经泵进入发酵液贮罐，供提取车间用。发酵单位为30mg/L。 7.3.2发酵工艺流程图：

消泡剂 葡萄糖液 消泡剂 水 水 无机盐 配料罐 定容罐 配料罐 无机盐 玉米浆 玉米浆 维生素 发酵性

发酵糖 二级种子罐 蒸汽混合器 糖 实消 维持罐

降温 换热器 消泡剂

斜面 一级种子 培养 发酵罐 高浓度糖

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发酵菌种：大肠杆菌工程菌株（高产基因工程菌）。可利用葡萄糖为原料直接发酵生产L-色氨酸，糖酸转换率可达15%以上，发酵周期为40到48小时之间，发酵周期较短，工艺简单，适合大规模生产。发酵单位稳定在30mg/L左右，单位生产成本较低，该技术处于国际先进水平。 7.3.4发酵温度控制：采用分段控制

色氨酸发酵过程中的温度控制策略：0～16h发酵温度为30℃，16h后缓慢升温至36℃，升温方式为每小时提高0.5℃，利用发酵罐的温度顺控模式进行自动控制

表7-3 色氨酸发酵过程中的温度顺序控制表

时间h 温度℃

0 30

18 30.5

19 31

20 31.5

21 32

22 32.5

23 33

24 33.5

25 34

26 34.5

27 35

28 35.5

29 36

45 36

采用分阶段温度控制策略可使色氨酸产量达到最大值（30.19 g/L），比恒定温度（33℃）下最高产量（26.15 g/L）提高了15.4%；且色氨酸的比合成速率（1.07 h-1）比恒定温度（33℃）下最高比合成速率（0．88 h-1）提高了21.6%；质粒稳定性增加，未出现质粒丢失现象，质粒拷贝数保持在恒定水平[19]。 7.3.5发酵罐的初步设计

每天需发酵罐容积（填充率为75%）=176.42÷75%=235.23 m3，根据发酵罐容积选择原则，我们是新建工厂，应尽量减少设备数量，在技术管理水平允许的范围内，尽量取较大容积发酵罐，为满足需要，我们选择单罐公称容积为120 m3的六弯叶机械搅拌通气发酵罐。则每天需要120 m3的发酵罐N0=235.23/120=2个，此次项目中，色氨酸发酵周期为45h。共需要发酵罐数N=（235.23×45）/(120×24)=3.68个，即是4个。且每天应有2个发酵罐出料，每年工作300天，实际产量检验算：（120×75%）×2×300÷52.82=1022.3t，设备富裕量为（1022.3-1000）/1000=2.23%，能满足生产需要。综上所述，需要4个120m3的发酵罐，每天都有2个发酵罐出料。 7.3.6发酵罐尺寸计算

封头折边忽略不计，发酵罐近似计算式为：V0=π/4×D2H+0.15D3 根据常用机械搅拌通气发酵罐尺寸本次设计中

H/D=3，即H=3D，

带入V0=π/4×D2H+0.15D3=120， 得D=3630mm。

查表：中国人民共和国行业标准椭圆形封头JB/T4737-95，可得直边高度Hb=50mm。但在实际生产中，我们需要考虑Hb，则发酵罐全体积：

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