丝氨酸课程设计

生物制药工艺课程设计说明书论文题目年产100吨丝氨酸的车间工艺设计姓名学号班级指导教师二O一四年十一月摘要：本工艺设计全面综述了丝氨酸的发酵工艺路线，在此基础上，对100T/a丝氨酸发酵车间工艺进行了初步设计。本设计对工艺路线中出现的问题，包括车间的“三废”处理及综合利用，车间布置，工程经济等进行了较为合理地设计，并同时进行了主要的工艺计算和工艺设备选型，绘制了物料平衡图、工艺流程图等一系列图表。关键词：丝氨酸，车间工艺设计，工艺计算，工艺流程图，物料平衡图1.前言1.1产品介绍L-丝氨酸（L-Serine），简写：Ser，结构式：CH2OHCH(NH2)COOH分子量：105.09，等电点：5.68，密度：1.53，熔点：240°C白色结晶体或结晶粉末，味微甜，易溶于水和甲酸，不溶于乙醇和乙醚。丝氨酸是一种非必需氨基酸，富含于鸡蛋、鱼、大豆，人体亦可从甘氨酸中合成丝氨酸。丝氨酸可以从大豆、酿酒发酵剂、乳制品、鸡蛋、鱼、乳白蛋白、豆荚、肉、坚果、海鲜、种子、乳清和全麦获取。丝氨酸在医药上有着广泛用途。丝氨酸可促进脂肪和脂肪酸的新陈代谢，有助于维持免疫系统。磷脂酰丝氨酸(PS)是在人体中合成的丝氨酸化合物，意大利、斯堪的纳维亚半岛和其他欧洲国家都广泛应用磷脂酰丝氨酸补充剂来治疗年老引发的痴呆症和正常的老年记忆损失。1.2产品用途L-丝氨酸属于非必需氨基酸，具有许多重要的生理功能和作用1.合成嘌呤、胸腺嘧啶、胆碱的前体；2.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；3.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。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；1.3发展状况和研究意义丝氨酸是一种重要的生化试剂和药剂,在氨基酸输液和氨基酸胶囊以及多肽合成等方面发展迅速。同时丝氨酸的衍生物也具有优良的药用和生物活性,如α-取代丝氨酸被应用于设计肽,而且是免疫抑制剂ISP和免疫激活剂,神经鞘真菌素E等生物活性物质的有效组成部分；L-丝氨酸的磷酸脂具有解除疲劳,恢复体力等功效偶氮丝氨酸常用于治疗肿瘤。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，前体发酵法等生物法等。目前L-丝氨酸生产水平还较低,在世界氨基酸生产行业中L-丝氨酸是工业化生产难度较大的氨基酸。日本用前体发酵法生产L-丝氨酸,在1969年产量为4t,在1990年70t,在1996年100t,2002年280t。中国以前大多采用蛋白质水解法提取,然而分离困难,始终未能形成生产规模。四川南充药厂生产是用发酵法,生产周期长,收率低也不宜推广应用。而湖北八峰药化采用酶促法转化生产L-丝氨酸,2003年3月建成一条年产50t的生产线,产酸量及转化率均达到国际先进水平。2.产品方案2.1产品名称和性质：发酵丝氨酸，白色结晶体粉末2.2产品规模：100T/a2.3产品包装方式：桶装3.生产工艺3.1原材料及产品的主要技术规格培养基：LB培养基蛋白胨10g酵母浸出液5g氯化钠5g水1000ml3.2生产流程1.将LB培养基共0.25m3放入0.3m3的种子罐配料罐中，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25℃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12m3的发酵罐配料罐中加入8.35m3的LB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25℃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工艺流程的设计原则[6]进行工艺设计，必须考虑以下几项原则：1.保证产品质量符合国家标准，外销产品还必须满足销售地区的质量要求。2.尽量采用成熟的、先进的技术和设备。努力提高原料利用率，提高劳动生产率，降低水、电、汽及其他能量消耗，降低生产成本，使工厂建成后能够迅速投入生产，使短期内达到设计生产能力和产品质量要求，并做到生产稳定、安全、可靠。3.尽量减少三废排放量，有完善的三废治理措施，以减少或消除对环境的污染，并做好三废的回收和综合利用。4.确保安全生产，以保证人身和设备的安全。5.生产过程尽量采用机械化和自动化，实现稳产、高产。6.工艺流程方框图(见附图)4.工艺计算4.1物料衡算已知LB培养基的成分：酵母提取物5g，蛋白胨10g，NaCl5g，水1000ml4.1.1发酵罐发酵液G=8768kg，酵母提取物G1=87684310205kg蛋白胨G2=876886102010kgNaClG3=87684310205kg水G水=8768860010201000kg=8.6610ml4.1.2种子罐发酵液G=263.6kg酵母提取物G1=263.629.110205kg蛋白胨G2=263.658.2102010kgNaClG3=263.629.110205kg水G水=263.64.25810201000kg=2.58510ml4.2热量衡算4.2.1发酵罐（不锈钢蛇管传热）1.间接加热过程的蒸汽量（培养基温度从25℃升到90℃）已知G=1050876835.8kg，t1=25℃，t2=90℃c=4.18kJ/(kg·℃)st=138℃查表得r=2155.6kJ/kgK=1250~1900kJ/(m2·h·℃)取K=1674kJ/(m2·h·℃)=5%~10%，取10%)1()(12rttGcS=%)101(6.2155)2590(18.48768=1215.7kg已知=1~1.5h取=1hKFGc㏑Fttttss167418.4876821㏑9013825138=1F=18.7m22.直接加热过程的蒸汽量（培养基温度从90℃升到121℃）t1=90℃，t2=121℃查表得138℃下i=2735.2kJ/kg，sc=4.18kJ/(kg·℃)=5%~10%，取10%1.560%)101(12118.42.2735)90121(18.48768)1()(212tcittGcSskg3.冷却阶段的冷却水用量1211st℃st2=10℃371ft℃（实测当培养基温度t1为80℃时，此时冷却水出口温度t2为30℃）K=1674kJ/(m2·h·℃)18.421cckJ/(kg·℃)4.1308010802121/2tttteAsWcKF/KFW（㏑Ac2）=1674/7.18(㏑1.4）8.14=22257.3kg/h=22.2573t/h4.2.2种子罐体积小于5m3采用夹套加热1.间接加热过程的蒸汽量已知V种=8.35251.0%3m3.6263105051.20种Gkgt1=25℃，t2=121℃，r=2155.6kJ/kg=5%~10%，取10%)1()(12rttGcS=%)101(6.2155)25121(18.46.263=53.98kg取=0.5hK=830~1250kJ/(m2·h·℃)取K=1000kJ/(m2·h·℃)KFGc㏑Fttttss100018.46.26321㏑12113825138=0.5F=4.2m22.冷却阶段的冷却水用量1211st℃st2=10℃371ft℃（实测当培养基温度t1为80℃时，此时冷却水出口温度t2为30℃）K=1000kJ/(m2·h·℃)18.421cckJ/(kg·℃)4.1308010802121/2tttteAsWcKF/KFW（㏑Ac2）=1000/2.4(㏑1.4）8.14=2986.2kg/h=2.9862t/h5.主要设备的计算主要工艺设备的设计和选型设备设计与选型的原则[6]从设备的设计选型情况，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。因此在设备的工艺设计和选型时应考虑如下原则：(1)保证工艺过程实施的安全可靠（包括设备材质对产品质量的安全可靠；设备材质强度的耐温、耐压、耐腐蚀的安全可靠；生产过程清洗、消毒的可靠性等）。(2)经济上合理，技术上先进。(3)投资省，耗材料少，加工方便，采购容易。(4)运行费用低，水电汽消耗少。(5)操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人劳动强度，实施机械化和自动化方便。(6)结构紧凑，尽量采用经过实践考验证明确定性能优良的设备。(7)考虑生产波动与设备平衡，留有一定裕量。(8)考虑设备故障及检修的备用。(9)发酵罐生产能力、数量和容积的确定。5.1发酵罐的设计生产条件：已知发酵培养接种量为3%，使用的培养基是LB培养基，发酵时间为14h，发酵罐的搅拌转速为180rpm，通气量为0.8VVM，发酵液密度为1050kg/m3,粘度为0.1Pa·s。每升发酵液可以纯化得到L-丝氨酸产品40g。年操作日300天，生产方式：间歇生产。水蒸气138℃，冷却水进出口温度根据实际情况确定。因为发酵时间为14h，再考虑发酵罐灭菌，降温，出料，清洗等辅助时间。确定发酵周期为24h。单个周期发酵液体积计算：461076.13004010200总VL=16.7m3装料系数75.0~6.0/00VV取0=0.77.0/0VV=16.7/0.7=23.86m3所以我们选用两个12m3的发酵罐，另选一个作为备用罐。H/D=1.7~3，取H/D=2.032015.04DHDV33015.02DDV=12D=1.91m,圆整D=2m,H=2D=4m已知31~21Dd取d=0.4D=0.8m已知121~81DW,取W=101D=0.2m已知0.1~8.0dB，取B=0.9d=0.72m圆整B=0.8m已知5.2~5.1dS,取S=1.5d=1.2m3213.04DhDVbb（bh取25mm）12.1213.0025.02432bVm3发酵液的圆柱体积V柱=16.7/2－1.12=7.23m3发酵液的柱体高h=mD3.2)2(23.72假设用两层搅拌器，所以S1=2.3－1.2=1.1m检验：S1/d=1.1/0.8=1.375在1~2范围内5.2搅拌器轴功率计算已知d=0.8m,D=2m液位高HL=Bh=2.3+0.8=3.1mn=90rpm=1.5r/sρ=1050kg/m3μ=0.1Pa•sMRe=42210008.11.010508.05.1nd104（属湍流状态）P=kn3d5ρ=4.81.5357.510508.05kW校正系数f=)/)(/(31dHdDL=04.1)8.0/1.3)(8.0/2(31实际P*=fP=1.0479.557.5kW因为有两层搅拌器26.9)26.04.0(79.5)26.04.0(*2PPkW标准状况下的通气量Q0=VLVVM=0.816.7/2=6.68m3/mingQ=0Q(273273t)LtHgP61021)1013.0(1013.0=6.68(27325273)1.31081.9105021)05.01013.0(1013.06=4.42m3/minNa=035.0096.08.09042.433ndQgagNPP85.162.0/Pg=5.7956.2)096.085.162.0(kW5.3接种罐的计算因为接种量为3%