年产200吨l丝氨酸发酵和无菌空气车间的工艺设计毕设论文.doc

学号: 11439108 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 Pas。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，K2HPO43H2O 1.0，MgSO47H2O 0.1，MnSO44H2O 0.001，FeSO47H2O 0.001，pH 7.07.2。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51.1 L-丝氨酸的简介51.2 L-丝氨酸的主要功能51.3 L-丝氨酸应用 51.4 国内外生产L-丝氨酸的方法52. 设计说明62.1设计依据62.2设计范围73. 发酵车间的工艺设计73.1原材料及产品的主要技术规格73.2生产流程简述83.3物料衡算83.3.1发酵罐的物料衡算83.3.2种子罐的物料衡算93.4能量衡算93.4.1发酵罐能量衡算93.4.2种子罐的能量衡算103.5主要设备计算113.5.1发酵罐尺寸的计算113.5.2搅拌器轴功率计算123.6种子罐的计算133.6.1种子罐的尺寸计算133.6.2种子罐轴功率计算143.7贮罐计算143.8配料罐的计算143.8.1发酵罐配料罐的计算143.8.2种子罐配料罐的计算144. 无菌空气的工艺设计154.1空气用量154.2压缩空气的温度154.3空气冷却器的传热量164.4空气加热器的传热量174.5空气预处理系统计算与设计184.5.1吸风塔184.5.2前置过滤器184.5.3空气压缩机194.5.4压缩空气贮罐194.5.5空气冷却器194.5.6水滴分离设备204.5.7空气加热器214.6 空气除菌设备计算与设计214.6.1空气总过滤器的计算及设计214.6.2 10m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计214.6.3 0.3m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计225. 总结236参考文献247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DEAESephadeA25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 501032001 总图制图标准（3）GB5018793 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 1.0K2HPO43H2O 1.0MgSO47H2O 0.1MgSO44H2O 0.001FeSO47H2O 0.0013.2生产流程简述1.向0.6m3的种子罐配料罐中加入0.31m3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 m3的发酵罐配料罐中加入 6.79m3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，KH2PO4 1.0g，K2HPO43H2O 1.0g，MgSO47H2O 0.1g，MgSO44H2O 0.001g，FeSO47H2O 0.001g，水 1000ml3.3.1发酵罐的物料衡算 发酵液 G=1050，葡萄糖 G1=7129.5kg硫酸铵 G2=7129.5kg玉米浆 G3=7129.5kgKH2PO4 G4=7129.5kgK2HPO43H2O G5=7129.5kgMgSO47H2O G6=7129.5kgMgSO44H2O G7=7129.5kgFeSO47H2O G8=7129.5kg水 G水=7129.5kg3.3.2种子罐的物料衡算 发酵液 G=0.31kg，葡萄糖 G1=325.5kg硫酸铵 G2=325.5kg玉米浆 G3=325.5kgKH2PO4 G4=325.5kgK2HPO43H2O G5=325.5kgMgSO47H2O G6kg=31gMgSO44H2O G7=325.5kg=0.31gFeSO47H2O G8=325.5kg=0.31g水 G水=325.5kg3.4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（培养基温度从20升到90）已知G=1050kg， t1=20 ，t2=90 c=4.18kJ/(kg) ts=138 查表得r=2155.6 kJ/kgK=12501900 kJ/(m2h) 取K=1674 kJ/(m2h)=5%10%，取10% =1064.53kg已知=11.5h 取=1h=1F=16.0m22. 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=2735.2 kJ/kg， =4.18kJ/(kg)=5%10%，取10% kg3.冷却阶段的冷却水用量 =10 （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=1674 kJ/(m2h)kJ/(kg)（Ac2）=1674(1.4=19043.6kg/h=19.0t/h3.4.2种子罐的能量衡算种子罐体积小于5 m3采用夹套加热1. 间接加热过程的蒸汽量已知V种=m3kgt1=20 ，t2=121 ，r=2155.6kJ/kg=5%10%，取10% =70.13kg取=0.5h K=8301250kJ/(m2h) 取K=1000kJ/(m2h)=0.5F=5.27 m22. 冷却阶段的冷却水用量 =10 （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=1000 kJ/(m2h)kJ/(kg)（Ac2）=1000(1.4=3747.0kg/h=3.747t/h3.5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,粘度为0.1Pas。每升发酵液可以纯化得到L-丝氨酸产品36g。年操作日300天，生产裕度为10%,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。发酵液中产物的浓度： 全年生产周期数：单个周期发酵液体积计算:m3装料系数 取=0.7=20.36/0.7=29.09m3所以我们选用3个10 m3的发酵罐，另选一个作为备用罐。实际装料系数：发酵罐装液量：H/D=1.73，取H/D=2.0=10D=1.8m, H=2D=3.6m已知 取d=0.4D=0.7m已知,取W=D=0.18m 圆整W=0.2m已知，取B=0.8d=0.56m 圆整B=0.6m已知, 取S=1.5d=1.05m 圆整S=1.1m假设用两层搅拌器，所以SL=HLBS=2.820.61.1=1.12m检验：SL/d=1.12/0.7=1.6在12范围内3.5.2搅拌器轴功率计算已知d=0.7m D=1.8m n=120rpm=2 r/s =1050kg/ m3 =0.1Pas ReM=104 （属湍流状态）采用六弯叶涡轮搅拌器，读图可知K=4.8P=kn3d5=KW校正系数f= =实际P*=f P=kw因为有两层搅拌器，kw标准状况下的通气量Q0=VLVVM= () = 5.6() =3.67m3/minNa=0.62-1.850.089=0.46 Pg=3.6种子罐的计算3.6.1种子罐的尺寸计算因为接种量为3%，故V种=m3装料系数 取=0.6=0.31/0.6=0.52m3应去2个0.6 m3的种子罐H/D=1.73，取H/D=2.0=0.6，D=0.7m, H=2D=1.4m已知 取d=D=0.35m ，圆整d=0.4m已知,取W=D=0.07m 圆整W=0.1m已知，取B=1.0d=0.4m 已知, 取S=1.5d=0.6m 假设用1层搅拌器，所以SL=0.69m检验：SL/d=0.69/0.4=1.7在12范围内3.6.2种子罐轴功率计算种子罐单位体积轴功率P=78kw/ m3 取P=8kw/ m3P种子=0.313.7贮罐计算V=20.36/3=6.79m3取=0.7=6.8/0.75=8.24m3故取3个10 m3的贮罐,选取JB1422-74查化工手册取罐为：公称直径DN= 2000mm，高度H=3000mm3.8配料罐的计算3.8.1发酵罐配料罐的计算V=20.36/3=6.79 m3取=0.7=6.79/0.7=9.7m3查表取3个10m3的配料罐，选取JB1422-74查化工手册取罐为：公称直径DN= 2000mm，高度H=3000mm3.8.2种子罐配料罐的计算V种=m3取=0.7=0.204/0.7=0.29 m3查表取3个0.3m3的配料罐,型号为JB1425-74公称直径DN=600mm，高度H=800mm4. 无菌空气的工艺设计4.1空气用量发酵车间需要最大压缩空气用量为V=（100.70.83+0.60.612）1.2=21.02m3/min4.2压缩空气的温度1.以实际生产中空压机空气中的压强为表压0.2MPat2=377.5-273=104.5压缩空气的温度为104.5因此压缩机输出的高温压缩空气必须进行适当冷却，再进入总过滤器进行除菌处理。2.压缩空气的除水由任务书可知，空气的平均温度为20查表得，空气温度为20时，ps1=2340Pa3.当压缩到0.2MPa时，实际生产过程中的温度为120查表得，空气温度为120时，ps2=198653Pa，1=80%此时的压缩空气相对湿度为假设冷却至40，无水析出，需除水查表得查表得：露点温度即冷却到30.8时，开始有水生成。计算除水量：每千克空气析出水量为 4.3空气冷却器的传热量冷却时（逆流冷却），空气温度由12030.8，冷却水温度由2025空气在状态1时： 4.4空气加热器的传热量加热时，空气温度由30.840，加热蒸汽温度由保持138不变，压强不变。对于30.8的空气，由之前计算可知： 4.5空气预处理系统计算与设计4.5.1吸风塔空气压缩机车间要建在厂区的上风向外，还要求吸风塔的高度大于10m。为了防止雨水灌入，顶部设计有防雨罩。吸风塔内的空气流速不能太快，不然噪声过大，一般空气在吸风塔的界面流速设计8m/s。本设计选用：1.吸风塔高度H=15m。2.空气在吸风塔的界面流速v=6m/s。所以吸风塔规格为D0.48mH15m4.5.2前置过滤器通常采用无纺布作为过滤介质。空气在前置预过滤中流速不能过快，否则噪声很大。粗过滤空气流速控制在小于等于0.5m/s，亚高效过滤层控制在0.20.5m/s。本设计选取管径流速v=0.4m/s 空气过滤的进气口直径一般情况下与出去口直径相等，也可大于出气口直径，本设计选用4.5.3空气压缩机根据全场发酵工艺所需的空气流量、克服压缩空气输送过程的阻力和克服发酵罐的液柱高度所需的压强过来选用空气压缩机型号。本设计选用4L-20/8型空气压缩机1台。排气量为21.55m3/min，最终排气压力为0.3MPa。4.5.4压缩空气贮罐根据经验公式估算，贮罐容积可取V=10%15%的空压机每分钟的吸气量（m3），本设计中取V=10%的空压机每分钟的吸气量（m3）。，贮罐的设计H/D=2.2-2.5，取H/D=2.5所以压缩空气贮罐规格为D1.5mH3.75m4.5.5空气冷却器根据步骤4.3 空气冷却器计算的传热量冷却时（逆流冷却），当空气温度由12030.8，冷却水由2025时，因此，本设计选用固定管板式换热器，换热面积为43.1m，换热管长度为4500mm，公称直径DN=400mm，管程数2，管根数164，中心排管数15。4.5.6水滴分离设备4.5.6.1旋风分离器4.5.6.2丝网除沫器, 4.5.7空气加热器根据步骤4.4 空气加热器计算的传热量当空气温度由30.8至40，水蒸气温度不变 取传热系数K=100w/（m）因此，本设计选用固定管板式换热器，换热面积为1.3m，换热管长度为1500mm，公称直径DN=159mm，管程数1，管根数15，中心排管数5。4.6 空气除菌设备计算与设计4.6.1空气总过滤器的计算及设计设发酵车间需要最大压缩空气用量V=（100.70.83+0.60.612）1.2=21.02m3/min根据陈国豪主编生物工程设备P27表2-2，本设计选用YUD-z-3型空气总过滤器2台（其中1台备用）总过滤器1台，规格为1000mm1897mm滤芯配置：规格为350mm500mm/3芯 4.6.2 10m3发酵罐的空气分过滤系统设备的计算及设计确定发酵时间为14h，则通气工作时间亦为14h根据发酵工艺每个10m3发酵罐最大空气用量Vf=100.8=8m3/min查陈国豪主编生物工程设备P29表2-3，JPF型空气用量过滤器的规格型号本设计选用JPF-10型空气用量过滤器1台，规格为180mm1046mm过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C型号3支，滤芯长20in（1in=0.0254m，下同）空气预过滤器选型根据已选JPF-10型空气用量过滤器，空气通量10m3/min。查陈国豪主编生物工程设备P31表2-5，JLS-YUD空气预过滤器规格型号本设计选用JLS-YUD-10空气预过滤器1台，规格为230mm965mm，并配置DGF规格为200mm330mm的滤芯蒸汽过滤器选型根据已选JPF-10型空气膜过滤器，查陈国豪主编生物工程设备P32表2-6，JLS-F蒸汽过滤器的规格型号本设计选用JLS-F-035型蒸汽过滤器1台，规格为89mm522mm，配置JLS-F滤芯3支，规格为22mm260mm4.6.3 0.3m3种子罐的空气分过滤系统设备的计算及设计确定发酵时间为14h，则通气工作时间亦为14h根据发酵工艺每个0.6m种子罐最大空气用量为 查陈国豪主编生物工程设备P29表2-3，JPF型空气膜过滤器的规格型号本设计选用JPF-2空气膜过滤器1台，规格为110mm549mm，过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C型号1支，滤芯长10in空气预过滤器选型根据已选JPF-2型空气膜过滤器，空气通量为2m/min，查陈国豪主编生物工程设备P31表2-5，JLS-YUD空气预过滤器规格型号本设计选用JLS-YUD-10空气预过滤器1台，规格为230mm965mm，并配置DGF规格为200mm330mm的滤芯蒸汽过滤器选型根据已选JPF-2型空气膜过滤器，查陈国豪主编生物工程设备P32表2-6，JLS-F蒸汽过滤器的规格型号本设计选用JLS-F-010型蒸汽过滤器1台，规格为89mm402mm，配置JLS-F滤芯3支，规格为22mm150mm5. 总结1) 发酵罐规格：D1.8mH3.6m。2) 种子罐规格：D0.7mH1.4m。3) 贮罐规格：DN2mH3m。4) 发酵罐配料罐规格：DN2.0mH3.0m。5) 种子罐配料罐规格：DN0.6mH0.8m。6) 泵型号：IS清水泵。7) 吸风塔规格：D0.48mH15m。8) 空气压缩机：4L-20/8型，1台。9) 压缩空气贮罐规格：D1.5mH3.75m。10) 空气冷却器：固定管板式换热器，换热面积为43.1m，换热管长度为4500mm，公称直径DN=400mm，管程数2，管根数164，中心排管数15。11) 空气加热器：固定管板式换热器，换热面积为1.3m，换热管长度为1500mm，公称直径DN=159mm，管程数1，管根数15，中心排管数5。12) 10m发酵罐的空气分过滤系统设备的选型有:JPF-10型空气用量过滤器1台，规格为180mm1046mm，过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C型号3支，滤芯长20in。JLS-YUD-10空气预过滤器1台，规格为230mm965mm，并配置DGF规格为200mm330mm的滤芯。JLS-F-035型蒸汽过滤器1台，规格为89mm522mm，配置JLS-F滤芯3支，规格为22mm260mm。13) 0.3m种子罐的空气分过滤系统设备的选型有：本设计选用JPF-2空气膜过滤器1台，规格为110mm549mm，过滤器配滤芯JPF-A或JPF-C型号1支，滤芯长10in。JLS-YUD-10空气预过滤器1台，规格为230mm965mm，并配置DGF规格为200mm330mm的滤芯。JLS-F-010型蒸汽过滤器1台，规格为89mm402mm，配置JLS-F滤芯3支，规格为22mm150mm。6参考文献 1国家医药管理局上海医药设计院编.化学工艺设计手册（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陈敏恒主编.化工原理（M）北京：化学工业出版社，2004 7致谢通过这几周的课程设计，让我对生物工程设备这门课有了更加深刻的认识，之前在课程中不够理解的地方有了更加深入的了解。巩固了所学习的书本知识，把之前遗漏的一些细节，都重新拾起。同时这次设计也让我明白了，团队合作的重要性，大家互相讨论，互相解答困惑，让知识点更加印象深刻，效率大大提高。同时也感谢老师的精心指导，增加了我们的实践能力，收益颇丰。24