学号: 11439108CHANG Z H OU U N I V E RSITY课程设计设计课程名称：生物工程设备与工艺设计题目：年产200吨L-丝氨酸发酵和无菌空气车间的工艺设计学生姓名：学院（系）：制药与生命科学学院专业班级：生工指导教师：王利群专业技术职务：副教授设计时间：2014 年12 月8 日 2014 年12 月19 日《生物工程设备与工艺设计》课程设计任务书制药与生命科学学院生物工程专业班同学：现下达给你们毕业设计任务如下，要求你们在预定时间内完成此项任务。

一、设计题目：年产200吨L-丝氨酸发酵和无菌空气车间的工艺设计二、设计主要内容：1、针对产品的要求进行工艺流程的设计（查阅资料，补充必要数据）；2、工艺计算（物料衡算、能量衡算）；3、设备的计算和选型；4、绘制带控制点工艺流程图（3号图纸）。

三、生产条件（包括年操作日、生产方式及其它限制性条件）已知发酵接种量为3%，发酵时间为14 h，发酵罐的搅拌转速为120 rpm，发酵液密度为1050 kg/m3，粘度为0.1 Pa·s。

每升发酵液可得到L-丝氨酸产品37 g。

发酵工艺规定发酵罐通气量为0.8 VVM（标准状态），种子罐通气量为1 VVM。

工厂所在位置空气的平均温度为20℃，平均相对湿度为85%。

年操作日300天，生产裕度为20%。

培养基配方(g/L)：葡萄糖29.5，硫酸铵18.1，玉米浆3.79，KH2PO4 1.0，K2HPO4·3H2O 1.0，MgSO4·7H2O 0.1，MnSO4·4H2O 0.001，FeSO4·7H2O 0.001，pH 7.0～7.2。

水蒸气138℃，冷却水进出口温度根据实际情况确定。

四、设计中主要参考资料（包括参考书、资料、规范、标准等）1．国家医药管理局上海医药设计院编. 化工工艺设计手册（第二版）(M).北京：化学工业出版社，19962．沈自法，唐孝宣编.发酵工厂工艺设计(M).上海：华东理工大学出版社，20043．陈国豪主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20074．梁世中主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，20025．陈敏恒等编..化工原理（M）.北京：化学工业出版社，2004目录1. 概述 (5)1.1 L-丝氨酸的简介 (5)1.2 L-丝氨酸的主要功能 (5)1.3 L-丝氨酸应用 (5)1.4 国内外生产L-丝氨酸的方法 (5)2. 设计说明 (6)2.1设计依据 (6)2.2设计范围 (7)3. 发酵车间的工艺设计 (7)3.1原材料及产品的主要技术规格 (7)3.2生产流程简述 (8)3.3物料衡算 (8)3.3.1发酵罐的物料衡算 (8)3.3.2种子罐的物料衡算 (9)3.4能量衡算 (9)3.4.1发酵罐能量衡算 (9)3.4.2种子罐的能量衡算 (10)3.5主要设备计算 (11)3.5.1发酵罐尺寸的计算 (11)3.5.2搅拌器轴功率计算 (12)3.6种子罐的计算 (13)3.6.1种子罐的尺寸计算 (13)3.6.2种子罐轴功率计算 (14)3.7贮罐计算 (14)3.8配料罐的计算 (14)3.8.1发酵罐配料罐的计算 (14)3.8.2种子罐配料罐的计算 (14)4. 无菌空气的工艺设计 (14)4.1空气用量 (15)4.2压缩空气的温度 (15)4.3空气冷却器的传热量 (16)4.4空气加热器的传热量 (17)4.5空气预处理系统计算与设计 (18)4.5.1吸风塔 (18)4.5.2前置过滤器 (18)4.5.3空气压缩机 (19)4.5.4压缩空气贮罐 (19)4.5.5空气冷却器 (19)4.5.6水滴分离设备 (20)4.5.7空气加热器 (21)4.6 空气除菌设备计算与设计 (21)4.6.1空气总过滤器的计算及设计 (21)4.6.2 10m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 (21)4.6.3 0.3m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计 (22)5. 总结 (23)6．参考文献 (24)7．致谢 (24)年产200吨L-丝氨酸发酵和无菌空气车间的工艺设计1. 概述1.1 L-丝氨酸的简介丝氨酸是一种非必需氨基酸，它在脂肪和脂肪酸的新陈代谢及肌肉的生长中发挥着作用，并且它有助于免疫血球素和抗体的产生，所以丝氨酸在维持健康的免疫系统方面扮演者重要的角色。

丝氨酸在细胞膜的制造加工、肌肉组织和包围神经细胞的鞘的合成中都发挥着作用。

1.2 L-丝氨酸的主要功能合成嘌呤、胸腺嘧啶、胆碱的前体；L-丝氨酸羟基经磷酸化作用后能衍生出具重要生理功能的磷丝氨酸，是磷脂的主要成分之一；具有稳定滴眼液pH值的作用，且滴眼后无刺激性；重要的自然保湿因子(NMF)之一，皮肤角质层保持水分的主要角色，高级化妆品中的关键添加剂。

1.3 L-丝氨酸应用（1）医药原料：L-丝氨酸广泛用于配置第三代复方氨基酸输液和营养增补剂，并用于合成多种丝氨基酸衍生物，如心血管、抗癌、艾滋病新药及基因工程用保护氨基酸等；（2）食品：L-丝氨酸用于运动饮料、氨基酸减肥饮料等；（3）饲料：L-丝氨酸用于动物饲料，可促进动物生长发育。

1.4 国内外生产L-丝氨酸的方法目前，国内外生产L-丝氨酸的方法主要有化学合成法，蚕丝水解法，酶法和前体发酵法等生物法等。

（1）化学合成法:最大缺点是产品为DL-丝氨酸,而人体需要的是L-丝氨酸，因此需要将其分开，这就增加了成本及生产的复杂性。

（2）废蚕丝水解提取法：蚕茧中L-丝氨酸含量最为丰富，因此，可用废蚕丝、蚕蛹、丝胶水解以提取L-丝氨酸。

但此法操作复杂，需处理大量的洗脱液，所得的氨基酸常为混合氨基酸，还需进一步分离、精制，且在提取目标氨基酸时，其余氨基酸则被浪费掉。

（3）酶法：利用酶法生产L-丝氨酸已经有过很多尝试。

有学者报道，将丝氨酸羟甲基转移酶固定在DEAE．SephadeA．25上，然后置于50℃，pH7.3的溶液中(该溶液由0.4 mol甘氨酸、0.3 mmol甲醛、四氢叶酸、吡哆醛、磷酸组成)，最终可得10 mmol LI丝氨酬51。

也有学者报道，先利用L．酒石酸脱羧酶将酒石酸转变成D-甘油酸，然后再利用二羟乙酸还原酶、L．丙氨酸脱氢酶将D-甘油酸盐转化为L-丝氨酸。

但此法对固定化酶和固定化细胞技术要求较高，且从酶反应液中分离L-丝氨酸一直是酶法生产中的难题。

（4）前体添加发酵法：研究的较多的是以甘氨酸、甘氨酸三甲内盐或甘氨酸为前体的发酵。

但由于前体物质甘氨酸价格昂贵，通过添加前提发酵产丝氨酸是无法满足市场的需求的。

正是由于以上L-丝氨酸生产方法难以克服的困难，因此，尝试直接发酵法生产L-丝氨酸成为关注的焦点。

但是由于L-丝氨酸处于氨基酸代谢的中间位置，参与许多生物物质(如甘氨酸、蛋氨酸、半胱氨酸、色氨酸等氨基酸、嘌呤、胸腺嘧啶之类的核酸碱基，磷脂酰丝氨酸、嘌呤、胸腺嘧啶之类的核酸碱基，磷脂酰丝氨酸、鞘磷脂等磷脂)的合成，代谢运转速度极快，很难积累。

与其它氨基酸相比，L-丝氨酸的直接发酵法生产十分困难。

近年来，随着分子生物学的发展，采用基因工程方法克隆丝氨酸合成酶系以提高丝氨酸产量成为研究的热点。

2. 设计说明2.1设计依据（1）依据与工厂设计和生产工艺相关的各种资料。

如《化工工艺设计手册》（2）GB/T 50103—2001 《总图制图标准》（3）GB50187—93 《工业企业总平面设计规范》（4）《化工原理》（5）《生物工艺原理》（6）《生物工程设备》发酵工程是用来解决按发酵工艺进行工业化生产的工程学问题的学科。

发酵工程从工程学的角度把实现发酵工艺的发酵工业过程分为菌种、发酵和提炼（包括废水处理）等三个阶段，这三个阶段都有各自的工程学问题，一般分别把它们称为发酵工程的上游、中游和下游工程。

发酵工程的三个阶段均分别有它们各自的工艺原理和设备及过程控制原理，它们一起构成发酵工程原理。

千百年，特别是最近几十年的发酵工业生产的实践证明:微生物是发酵工程的灵魂。

近年来，对于发酵工程的生物学属性的认识愈益明朗化，发酵工程正在走近科学。

从生物科学的角度重新审视发酵工程，发现发酵工程最基本的原理是其生物学原理，而前述的发酵工程原理均必须建立在发酵工程的生物学原理的基础上。

因此，发酵工程的生物学原理是发酵工程最基本的原理，并且可以把它简称为“发酵原理”。

2.2设计范围（1）对L-丝氨酸发酵和无菌空气车间的工艺流程的设计（2）工艺计算（3）主要设备的计算和选型（4）绘制带控制点的工艺流程图3. 发酵车间的工艺设计3.1原材料及产品的主要技术规格培养基配方（g/L）：葡萄糖29.5硫酸铵18.1玉米浆37.9KH2PO4 1.0K2HPO4·3H2O 1.0MgSO4·7H2O 0.1MgSO4·4H2O 0.001FeSO4·7H2O 0.0013.2生产流程简述1.向0.6m 3的种子罐配料罐中加入0.31m 3的培养基，待搅拌均匀后，用泵打入种子罐中，种子罐用138℃水蒸气进行夹套加热灭菌（使培养基从20℃升至121℃），再用冷却水使之冷却到37℃，接入菌种后培养到对数期待用。

2．在10 m 3的发酵罐配料罐中加入 6.79m 3的培养基，开启搅拌待混匀后，用泵打入发酵罐中，进行灭菌，用138℃水蒸气先进行间接加热（使培养基从20℃升至90℃），再用蒸汽直接加热（使培养基从90℃升至121℃），然后用冷却水使之冷却到37℃，待用。

3.将种子罐中的料液放入发酵罐中发酵14h ，再用离心机进行离心分离，收集菌体，废液放入贮罐中。

3.3物料衡算已知培养基成分：葡萄糖 29.5g ，硫酸铵 18.1g ，玉米浆 37.9g ，KH 2PO 4 1.0g ，K 2HPO 4·3H 2O 1.0g ，MgSO 4·7H 2O 0.1g ，MgSO 4·4H 2O 0.001g ，FeSO 4·7H 2O 0.001g ，水 1000ml3.3.1发酵罐的物料衡算发酵液 G=1050kg 5.712979.6=⨯，葡萄糖 G 1=7129.53.20010505.29=⨯kg 硫酸铵 G 2=7129.59.12210501.18=⨯kg 玉米浆 G 3=7129.573.25105079.3=⨯kg KH 2PO 4 G 4=7129.579.610500.1=⨯kg K 2HPO 4·3H 2O G 5=7129.579.610500.1=⨯kg MgSO 4·7H 2O G 6=7129.5679.010501.0=⨯kg MgSO 4·4H 2O G 7=7129.50068.01050001.0=⨯kg FeSO 4·7H 2O G 8=7129.50068.01050001.0=⨯kg水 G 水=7129.5679010501000=⨯kg 3.3.2种子罐的物料衡算 发酵液 G=0.315.3251050=⨯kg ，葡萄糖 G 1=325.514.910505.29=⨯kg 硫酸铵 G 2=325.561.510501.18=⨯kg 玉米浆 G 3=325.517.1105079.3=⨯kg KH 2PO 4 G 4=325.531.010500.1=⨯kg K 2HPO 4·3H 2O G 5=325.531.010500.1=⨯kg MgSO 4·7H 2O G 65.325=031.010501.0=⨯kg=31g MgSO 4·4H 2O G 7=325.500031.01050001.0=⨯kg=0.31g FeSO 4·7H 2O G 8=325.500031.01050001.0=⨯kg=0.31g 水 G 水=325.531010501000=⨯kg 3.4能量衡算3.4.1发酵罐能量衡算发酵罐（不锈钢蛇形管传热）1.间接加热过程的蒸汽量（培养5.712979.6=⨯基温度从20℃升到90℃） 已知G=1050kg ， t 1=20℃ ，t 2=90℃c=4.18kJ/(kg ·℃) t s =138℃ 查表得r=2155.6 kJ/kgK=1250~1900 kJ/(m 2·h ·℃) 取K=1674 kJ/(m 2·h ·℃) η=5%~10%，取10%)1()(12η+⨯-=r t t Gc S =%)101(6.2155)2090(18.45.7129+⨯-⨯⨯=1064.53kg 已知τ=1~1.5h 取τ=1hKF Gc =τ㏑F t t t t s s ⨯⨯=--167418.45.712921㏑9013820138--=1 F=16.0m 22. 直接加热过程的蒸汽量（培养基温度从90℃升到121℃） t 1=90℃ ，t 2=121℃查表得138℃下i =2735.2 kJ/kg ， s c =4.18kJ/(kg ·℃)η=5%~10%，取10%83.455%)101(12118.42.2735)90121(18.45.7129)1()(212=+⨯⨯--⨯⨯=+⨯--=ηt c i t t Gc S s kg 3.冷却阶段的冷却水用量1211=s t ℃ s t 2=10℃ 371=f t ℃ （实测当培养基温度t 1为80℃时，此时冷却水出口温度t 2为30℃）K=1674 kJ/(m 2·h ·℃)18.421==c c kJ/(kg ·℃)4.1308010802121/2=--=-==-t t t t e A s Wc KF /KF W =（㏑Ac 2）=1674/0.16⨯(㏑1.4）8.14⨯=19043.6kg/h=19.0t/h 3.4.2种子罐的能量衡算种子罐体积小于5 m 3采用夹套加热1. 间接加热过程的蒸汽量已知V 种=31.0%3236.20=⨯m 3325.5105031.0=⨯=种G kgt 1=20℃ ，t 2=121℃ ，r=2155.6kJ/kgη=5%~10%，取10%)1()(12η+⨯-=r t t Gc S =%)101(6.2155)20121(18.45.325+⨯-⨯⨯=70.13kg 取τ=0.5hK=830~1250kJ/(m 2·h ·℃) 取K=1000kJ/(m 2·h ·℃)KF Gc =τ㏑F t t t t s s ⨯⨯=--100018.45.32521㏑12113820138--=0.5 F=5.27 m 22. 冷却阶段的冷却水用量1211=s t ℃ s t 2=10℃ 371=f t ℃ （实测当培养基温度t 1为80℃时，此时冷却水出口温度t 2为30℃）K=1000 kJ/(m 2·h ·℃)18.421==c c kJ/(kg ·℃)4.1308010802121/2=--=-==-t t t t e A s Wc KF /KF W =（㏑Ac 2）=1000/27.5⨯(㏑1.4）8.14⨯=3747.0kg/h=3.747t/h 3.5主要设备计算3.5.1发酵罐尺寸的计算已知发酵培养接种量为3%，发酵时间为14h ，发酵罐的搅拌转速为120rpm ，通气量为0.8VVM ，发酵液密度为1050kg/m ³,粘度为0.1Pa ·s 。