噸年L谷氨酰胺生產(chǎn)工藝的設(shè)計計算書

1、學(xué)號：10439119常 州 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計計算書（2014屆）題 目 400噸/年L-谷氨酰胺生產(chǎn)工藝的設(shè)計 學(xué) 生 蔣宏偉 學(xué) 院 制藥與生命科學(xué)學(xué)院 專業(yè)班級 生物工程 校內(nèi)指導(dǎo)教師 王利群 專業(yè)技術(shù)職務(wù) 副教授 二一四年六月目 錄目 錄1 L-谷氨酰胺的生產(chǎn)工藝11.1 發(fā)酵工藝流程11.2 分離提取工藝流程21.3 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)32 物料衡算42.1 發(fā)酵罐的物料衡算42.2 種子罐的物料衡算92.3 提取工段的物料衡算122.3.1 發(fā)酵液預(yù)處理單元132.3.2 晶體干燥單元142.3.3 二次濃縮結(jié)晶單元162.3.4 陰離子交換182.3.5 電滲析脫鹽212.3.

2、6 一次濃縮結(jié)晶222.3.7 活性炭脫色243 能量衡算253.1 培養(yǎng)基實罐滅菌過程的蒸汽用量計算263.1.1 發(fā)酵罐滅菌蒸汽用量計算263.1.2 種子罐滅菌熱量計算283.2 冷卻水用量計算303.2.1 發(fā)酵罐冷卻水的計算303.2.2 種子罐冷卻水的計算313.2.3 維持發(fā)酵溫度所需冷卻水的計算313.3 分離工段的能量衡算323.3.1 濃縮結(jié)晶323.3.2 干燥334 設(shè)備設(shè)計與選型334.1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備選型334.1.1 儲罐的選擇334.1.2 計量罐的選擇354.1.3 泵的選擇354.1.4 分離設(shè)備的選擇374.2 發(fā)酵罐的設(shè)計384.2.1 發(fā)酵罐容積的確定38

3、4.2.2 發(fā)酵罐主要尺寸的計算384.2.3 發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計394.2.4 發(fā)酵罐設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計414.2.5 發(fā)酵罐設(shè)備材料的選擇444.2.6 發(fā)酵罐壁厚的計算444.2.7 發(fā)酵罐支座的選擇454.3 種子罐的選型454.3.1 二級種子罐容積和數(shù)量的確定454.3.2 主要尺寸的確定464.3.3 一級種子罐505 空氣預(yù)處理系統(tǒng)計算與設(shè)計505.1 吸風(fēng)塔505.2 前置過濾器515.3 空氣壓縮機525.4 壓縮空氣貯罐535.5 空氣冷卻器535.6 水滴分離設(shè)備555.6.1 旋風(fēng)分離器555.6.2 絲網(wǎng)除沫器555.7 空氣加熱器565.8 空氣除菌設(shè)備計算與設(shè)計57

4、5.8.1 空氣總過濾器的計算及設(shè)計575.8.2 空氣分過濾器576. 管道計算596.1 一級種子罐相關(guān)管道計算與選擇596.2 二級種子罐相關(guān)管道選擇606.3 發(fā)酵罐相關(guān)管道選擇616.3.1發(fā)酵罐接管設(shè)計616.3.2 通風(fēng)管計算616.4 提取階段的管徑選擇626.4.1發(fā)酵罐的出料管徑選擇626.4.2 過濾器管徑選擇626.4.3 活性炭脫色管徑選擇626.4.4 一次結(jié)晶管徑選擇636.4.5電滲析脫鹽管徑選擇636.4.6陰離子交換管徑選擇636.4.7 二次結(jié)晶管徑選擇647. 參考文獻64II常 州 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 計 算 書1 L-谷氨酰胺的生產(chǎn)工藝1

5、.1 發(fā)酵工藝流程本設(shè)計用發(fā)酵法生產(chǎn)L-谷氨酰胺，發(fā)酵生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。圖1 發(fā)酵法生產(chǎn)L-谷氨酰胺發(fā)酵工段工藝流程圖1發(fā)酵過程用的菌株為黃色短桿菌ATCC14067SGR突變株。黃色短桿菌ATCC14067SGR突變株是由黃色短桿菌ATCC14067為出發(fā)菌株，經(jīng)亞硝基胍（NTG）處理得SGR突變株2。發(fā)酵過程先將菌株置于斜面培養(yǎng)基培養(yǎng)，再轉(zhuǎn)到一級種子罐培養(yǎng)，然后到二級種子罐培養(yǎng)，最后到發(fā)酵罐進行生產(chǎn)。發(fā)酵過程中的空氣取自常州武進當(dāng)?shù)?，?jīng)空氣預(yù)處理后進入發(fā)酵系統(tǒng)。整個生產(chǎn)周期為48 h，其中發(fā)酵周期為36 h。一級種子罐的培養(yǎng)基為與二級種子罐培養(yǎng)基成分相同，種子罐培養(yǎng)基成分為：葡萄糖4

6、%，脲0.5%，KH2PO4 0.1%，K2HPO4·3H2O 0.3%，MgSO4·7H2O 0.05%，玉米漿（CSL）4%，pH7.07.2。發(fā)酵罐的培養(yǎng)基成分：葡萄糖14%，KH2PO4 0.25%，MgSO4 7H2O 0.05%，MnSO4 H2O 0.001%，ZnSO47H2O 0.0001%，CuSO4 5H2O 0.0001%，維生素B1HCl 0.0001%，玉米漿干粉1.0%，(NH4)2SO4 5.0%，泡敵0.02%3。發(fā)酵時菌株在一級種子罐中培養(yǎng)6 h，然后全部進入二級種子罐，培養(yǎng)3 h，最后全部接入發(fā)酵罐。1.2 分離提取工藝流程發(fā)酵液中L-

7、谷氨酰胺的分離提取采用如圖2所示工藝流程。圖2 L-谷氨酰胺分離提取工段工藝流程圖4發(fā)酵料液經(jīng)絮凝過濾處理后進行活性炭脫色，然后濃縮結(jié)晶，結(jié)晶采用冷卻-溶析結(jié)晶，具體操作如下：將飽和溶液放入冰水中緩慢降溫到15，在15養(yǎng)晶1小時；降溫的同時以一定的速率逐滴加入乙醇，使溶液重結(jié)晶；當(dāng)有大量晶體析出時停止加入乙醇，繼續(xù)養(yǎng)晶一定時間；將結(jié)晶溶液用低速離心機進行離心分離，母液回流與過濾液一起進行脫色，廢棄母液排除系統(tǒng)。接著進行電滲析脫鹽，主要出去料液中的SO42-。在進行陰離子交換，讓料液通過D330離子交換柱，然后再次濃縮結(jié)晶，同樣母液需回流。最后烘干出成品。烘干操作：將晶體在氣流干燥箱內(nèi)干燥，控制

8、干燥溫度45，干燥10小時，冷卻后得 L-谷氨酰胺成品，計算收率。提取過程中第一次調(diào)節(jié)pH調(diào)到5.5左右，第二次調(diào)節(jié)pH到4.5左右。提取階段的總得率為73%。1.3 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（1）生產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)量400噸的純度為99%的L-谷氨酰胺；（2）生產(chǎn)方式：發(fā)酵工段為間歇式操作；（3）生產(chǎn)方法：用黃色短桿菌SGRNO18進行發(fā)酵生產(chǎn)，谷氨酰胺產(chǎn)率80 g/L；（4）生產(chǎn)天數(shù)：每年300天；（5）操作參數(shù)：以工業(yè)級葡萄糖為原料，含量為99%，發(fā)酵液的密度為1050 kg/m3，葡萄糖對產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率為63.6%，分離階段得率為73%，生產(chǎn)周期為48 h，按一年300天計算，共生產(chǎn)150個周

9、期，生產(chǎn)裕度為20%。L-谷氨酰胺發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)匯總?cè)绫?所示，所以原輔材料規(guī)格如表2所示。表1 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a400發(fā)酵周期h48生產(chǎn)方法間歇式發(fā)酵操作發(fā)酵液的密度kg/m31050年生產(chǎn)天數(shù)d/a300葡萄糖對產(chǎn)物轉(zhuǎn)化率%63.6產(chǎn)品質(zhì)量純度99%生產(chǎn)裕度%20表2 原材料及輔助材料主要規(guī)格序號名 稱規(guī) 格國標(biāo)、部標(biāo)或企標(biāo)備 注1葡萄糖99%GB/T20880-2007桶式2玉米漿干粉粉狀 蛋白48%，水分10%，灰分5%桶式2 物料衡算2.1 發(fā)酵罐的物料衡算以一個周期為基準(zhǔn)進行計算。年產(chǎn)量為400 t，生產(chǎn)裕度為20%，全年生

10、產(chǎn)150個周期，產(chǎn)品純度為99%，故一個周期需生產(chǎn)的純L-谷氨酰胺量為：提取階段總得率為73%，故發(fā)酵結(jié)束時發(fā)酵液中L-谷氨酰胺的量為：葡萄糖在發(fā)酵過程中參與的反應(yīng)有合成菌體、產(chǎn)物及部分副產(chǎn)物，并有一部分用于合成ATP及維持菌體等。（1）合成產(chǎn)品L-谷氨酰胺 63.6%的葡萄糖轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物，生成的產(chǎn)物量為4.34 t。反應(yīng)方程如下：根據(jù)以上方程計算合成產(chǎn)物L(fēng)-谷氨酰胺過程中底物的消耗和產(chǎn)物生成量。其中葡萄糖的消耗量為：3×180×4.34÷(2×187) = 6.27（t）根據(jù)葡萄糖對產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，計算培養(yǎng)基中葡萄糖的總量為：6.27÷63.6%

11、 = 9.86（t）消耗的氧氣為：9×32×4.34÷(2×187) = 3.34（t）生成的二氧化碳量為：44×8×4.32÷(187×2) = 4.08（t）生成的水量為：14×18×4.32÷(187×2) = 2.92（t）（2）合成菌體 菌體化學(xué)組成的經(jīng)驗式為C8H13O4N，18%的葡萄糖轉(zhuǎn)化為菌體，反應(yīng)方程如下：用于菌體合成的葡萄糖為：9.86×18% = 1.77（t）消耗的氧氣為：3.5×32×1.77÷(2×

12、;180) = 0.55（t）生成菌體的量為：187×1.77÷(2×180) = 0.92（t）生成的二氧化碳量為：44×4×1.77÷(180×2) = 0.87（t）生成的水量為：7×18×1.77÷(180×2) = 0.62（t）（3）其他 主要用于合成副產(chǎn)物和維持菌體存活，其中合成谷氨酸耗糖占總葡萄糖的3.8%，合成ATP耗糖2.4%，維持菌體存活耗糖約為12.2%，合計為18.4%，為計算方便，全部計入菌體維持耗糖。菌體維持的反應(yīng)方程如下：葡萄糖消耗量為：9.86

13、5;18.4% = 1.82（t）消耗的氧氣為：6×32×1.82÷180 = 1.94（t）生成的二氧化碳量為：44×6×1.82÷180= 2.67（t）生成的水量為：6×18×1.82÷180 = 1.09（t）整個發(fā)酵過程中，共消耗氧氣5.83 t，生產(chǎn)二氧化碳7.62 t，生成水4.63 t6。根據(jù)發(fā)酵培養(yǎng)基組成計算各組分用量如下：發(fā)酵開始時發(fā)酵液總量：KH2PO4用量：MgSO4·7H2O用量：MnSO4·H2O用量：，由于用量很小，在物料流程圖中可忽略不計。ZnSO4&#

14、183;7H2O用量：，由于用量很小，在物料流程圖中可忽略不計。CuSO4·5H2O用量：，由于用量很小，在物料流程圖中可忽略不計。維生素B1·HCl用量：，由于用量很小，在物料流程圖中可忽略不計。玉米漿干粉用量：(NH4)2SO4用量：泡敵用量：由于發(fā)酵開始時的發(fā)酵液包括加入的培養(yǎng)基和接種的二級種子液，發(fā)酵罐接種量為7%，即二級種子液的量為：故發(fā)酵培養(yǎng)基的量為：其中水的用量為：65.50-0.014-3.52-0.70-0.035-0.176-9.86=51.20 (t)二級種子液中菌體含量為5%，則菌體量為：其余為水，水量為：經(jīng)整理，一個生產(chǎn)周期所需發(fā)酵培養(yǎng)基各組分的量

15、如表3所示。表3 一個生產(chǎn)周期所需發(fā)酵培養(yǎng)基各組分的量培養(yǎng)基組分培養(yǎng)基中濃度所需質(zhì)量（t）葡萄糖 14% 9.86KH2PO4 0.25% 0.176MgSO47H2O 0.05% 0.035MnSO4H2O0.001% 7.04×10-4ZnSO47H2O 0.0001%7.04×10-5CuSO45H2O 0.0001%7.04×10-5維生素B1HCl 0.0001%7.04×10-5玉米漿干粉 1.0% 0.70(NH4)2SO45.0% 3.52泡敵0.02%0.014水56.12氧氣消耗量5.83一個發(fā)酵周期中形成產(chǎn)物的量如表4所示。產(chǎn)物質(zhì)量

16、（t）L-谷氨酰胺4.34菌體1.17二氧化碳7.62水4.63表4 一個發(fā)酵周期中產(chǎn)物的生成量加入發(fā)酵罐的料液總重為70.43 t，包括發(fā)酵培養(yǎng)基和二級種子液，其中含水51.19+4.83=56.02 t。由于發(fā)酵過程中微生物的生長和產(chǎn)物合成需要消耗氧氣，釋放二氧化碳，發(fā)酵結(jié)束時，發(fā)酵液的質(zhì)量為70.43-7.62+5.83=68.64噸，由于發(fā)酵過程中生成4.63噸水，所以發(fā)酵液中含水56.02+4.63=60.65噸。發(fā)酵液中含菌體0.92+0.10= 1.02 t。發(fā)酵液中含L-谷氨酰胺的量為4.34 t，據(jù)此可計算發(fā)酵液中雜質(zhì)的含量68.64-60.65-1.02-4.34=2.63

17、 t。綜上可得發(fā)酵罐的物料衡算結(jié)果，如表5所示。表5 發(fā)酵罐物料衡算表物料名稱引入物料（t）排出物料（t）二級種子液發(fā)酵培養(yǎng)基葡萄糖 0.009.860.00KH2PO4 0.000.180.00MgSO47H2O 0.000.040.00玉米漿干粉 0.000.700.00(NH4)2SO40.003.520.00泡敵0.000.010.00H2O4.8351.1960.65O20.005.830.00CO20.000.007.62L-Gln0.000.004.34菌體0.100.001.02雜質(zhì)0.000.002.63合計4.9371.3376.26根據(jù)發(fā)酵罐加料量和裝料系數(shù)計算發(fā)酵罐容積

18、，培養(yǎng)基的密度為1050 kg/m3，則培養(yǎng)基的體積為：取發(fā)酵罐裝罐系數(shù)為0.7，所以發(fā)酵罐的容積為應(yīng)選取兩個50 m3的發(fā)酵罐。2.2 種子罐的物料衡算種子罐采取一級種子罐和二級種子罐，培養(yǎng)基的成分相同，先進行二級種子罐的計算。根據(jù)發(fā)酵罐物料衡算結(jié)果，二級種子液質(zhì)量為4.93 t，由二級種子液密度1050 kg/m3計算其體積：取裝罐系數(shù)為0.7，二級種子罐所需容積為4.69÷0.7=6.70，考慮到二級種子培養(yǎng)時間僅需3 h，而24 h內(nèi)僅一個發(fā)酵罐需要接種，故選取3.5m3二級種子罐1個即可滿足生產(chǎn)需求。一級種子罐接種量為10%，所以一級種子液質(zhì)量為0.49 t，二級種子培養(yǎng)基

19、質(zhì)量為4.44 t。二級種子罐培養(yǎng)基成分為：葡萄糖3%4%，脲0.3%0.5%，KH2PO4 0.1%，K2HPO4·3H2O 0.3%，MgSO4·7H2O 0.05%，玉米漿（CSL）3%4%，pH7.07.2。故一個生產(chǎn)周期中，二級種子培養(yǎng)基各組分所需量為：葡萄糖：脲：KH2PO4：K2HPO4·3H2O：。玉米漿（CSL）：二級種子培養(yǎng)基中加水量為：4.44-0.20-0.02-0.02-0.20=4.00 t。接入的一級種子液中菌體濃度為3%，故一級種子液中菌體質(zhì)量為：0.49×3%=0.01 t一級種子液中水的質(zhì)量為：0.49-0.01=0.

20、48 t。綜上可得二級種子罐的物料衡算結(jié)果，如表6所示。表6 發(fā)酵罐物料衡算表物料名稱引入物料（t）排出物料（t）一級種子液二級種子培養(yǎng)基葡萄糖0.000.200.00KH2PO47H2O0.000.020.00脲0.000.020.00玉米漿干粉0.000.200.00H2O0.484.004.83菌體0.010.000.10合計0.494.444.93一級種子液的密度為1050 kg/m3，則一級種子液體積為：裝罐系數(shù)為0.8，故一級種子罐所需容積為：0.47÷0.8=0.59 m3，由于24 h內(nèi)二級種子培養(yǎng)僅需接種1次，故選擇0.3 m3一級種子罐1個即可滿足生產(chǎn)需求。一級種

21、子培養(yǎng)基組成與二級種子培養(yǎng)基組成相同，一個生產(chǎn)周期中，一級種子培養(yǎng)基各組分所需量為：葡萄糖：脲：KH2PO4：K2HPO4·3H2O：玉米漿（CSL）：整理得一個生產(chǎn)周期中，種子培養(yǎng)所需各組分用量如表7所示。表7 種子培養(yǎng)基組分及一個生產(chǎn)周期的用量培養(yǎng)基組分組分濃度一級種子罐所需用量（t）二級種子罐所需用量（t）用量匯總（t）葡萄糖3%4% 0.0190.200.219脲0.3%0.5%0.0020.020.022KH2PO40.1%0.00050.0050.0055K2HPO43H2O0.3%0.00140.0150.0164玉米漿干粉3%4%0.0190.200.219以上數(shù)據(jù)中

22、小于0.01的指標(biāo)不列入物料衡算表。一級種子罐接種量為10%，即接入搖瓶種子0.05 t，由于菌體質(zhì)量小于0.01 t，故忽略不計，全部計入水的質(zhì)量。一級種子培養(yǎng)基的質(zhì)量為0.49-0.05=0.44 t，其中葡萄糖為0.02 t，玉米漿為0.02 t，其余計入水的質(zhì)量，即0.44-0.02-0.02=0.40 t。綜上可得一級種子罐的物料衡算結(jié)果，如表8所示。表8 一級種子罐的物料衡算表物料名稱引入物料（t）排出物料（t）搖瓶種子液一級種子培養(yǎng)基葡萄糖0.000.020.00玉米漿0.000.020.00H2O0.050.400.48菌體0.000.000.01合計0.050.440.492

23、.3 提取工段的物料衡算下面進行分離提取工段的物料衡算。由于分離提取工段有兩次結(jié)晶母液的回流，故在預(yù)處理單元物料衡算后，將根據(jù)各單元的分離得率，逆工藝流程進行計算。2.3.1 發(fā)酵液預(yù)處理單元反應(yīng)液的預(yù)處理采用絮凝、過濾耦合工藝，得率為98%。因此，預(yù)處理后得到的濾液中各組分的含量如下：L-谷氨酰胺：4.34×98%=4.25（t）雜質(zhì)：2.63×98%=2.58（t）濾餅中各組分的含量如下：L-谷氨酰胺：4.34-4.25=0.09（t）菌體的量：1.02 t（按菌體完全去除計算）雜質(zhì)：2.63-2.58=0.05（t）根據(jù)濾餅濕含量為49.1%，可計算濾餅的總質(zhì)量為：（

24、0.05+1.02+0.09）÷（1-49.1%）=2.28 t其中水的量為2.28×49.1%=1.12 t。所以濾液中水的量為60.65-1.12=59.53 t。綜上可得預(yù)處理單元的物料衡算結(jié)果如表9所示。表9 發(fā)酵液預(yù)處理單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）濾液廢渣L-谷氨酰胺4.344.250.09菌體1.020.001.02水60.6559.531.12雜質(zhì)2.632.580.05合計68.6466.362.282.3.2 晶體干燥單元由發(fā)酵工段物料衡算可知，一個生產(chǎn)周期可得到純L-谷氨酰胺3.17 t，純度為99%，水含量為1%，即一個生產(chǎn)周

25、期可得到產(chǎn)品3.20 t。晶體干燥單元的得率為99%，故濕晶中L-谷氨酰胺含量為3.20 t。濕晶中溶劑含量為25%，所以溶劑量為：結(jié)晶過程所用溶劑為水:乙醇（8:1）混合溶液，則溶劑中水量為：溶劑中乙醇量為：晶體干燥過程帶走水分：晶體干燥過程帶走乙醇的量為0.12 t。綜上可得產(chǎn)品干燥單元的物料衡算結(jié)果如表10所示。表10 產(chǎn)品干燥單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）溶劑蒸發(fā)和產(chǎn)物損失產(chǎn)品L-谷氨酰胺3.200.033.17水0.950.920.03乙醇0.120.120.00合計4.271.073.202.3.3 二次濃縮結(jié)晶單元圖3 二次濃縮結(jié)晶單元物料流向圖圖3為二次

26、濃縮結(jié)晶單元物料流向圖，離子交換洗脫液經(jīng)濃縮后降溫至15結(jié)晶，結(jié)晶過程中流加乙醇，水和乙醇的最終質(zhì)量比為8:1。計算中認為離子交換洗脫液中雜質(zhì)已全部去除，根據(jù)L-谷氨酰胺在15的水:乙醇（8:1）溶液中的溶解度進行物料衡算。由于結(jié)晶后母液回收，故重復(fù)結(jié)晶的得率為100%。二次濃縮結(jié)晶單元的單次結(jié)晶得率為94.1%，根據(jù)濕晶中產(chǎn)物的量求出濃縮液中L-谷氨酰胺的量：母液中L-谷氨酰胺的量為：L-谷氨酰胺在質(zhì)量比為8:1水和乙醇的混合溶劑中的溶解度及超溶解度如圖4所示。圖4 水:乙醇（8:1）混合溶劑中L-谷氨酰胺的溶解度及超溶解度7由圖可見，15時，水:乙醇（8:1）溶液中L-谷氨酰胺的溶解度為1

27、.75 g。因此二次結(jié)晶母液的總質(zhì)量為：其中，水的質(zhì)量為：乙醇的質(zhì)量為：離子交換液中L-Gln的濃度為70 g/L，所以洗脫液中水量為：濃縮過程蒸發(fā)水分：結(jié)晶過程中添加的乙醇量為：綜上可得二次濃縮結(jié)晶單元的物料衡算結(jié)果如表11所示。表11 二次濃縮結(jié)晶單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）離子交換液乙醇母液蒸發(fā)濕晶L-谷氨酰胺3.400.000.200.003.20水48.570.0010.3237.300.95乙醇0.161.231.110.160.12合計52.131.2311.6337.464.272.3.4 陰離子交換將電滲析脫鹽后的料液調(diào)pH至4.5左右，然后通過D3

28、30陰離子交換柱，陰離子交換過程得率為89.9%，電滲析脫鹽后的溶液中L-Gln的量為：離子交換后廢液中L-谷氨酰胺的量為：電滲析脫鹽液中L-Gln的濃度為70 g/L，所以電滲析脫鹽液中含水的量為：根據(jù)2.3.3的計算，離子交換液中水量為48.57 t，因此電滲析液經(jīng)離子交換后產(chǎn)生的廢水量為：54.00-48.57=5.43 t。為方便計算，設(shè)通過D330離子交換柱后，電滲析脫鹽殘留的雜質(zhì)全部除去。根據(jù)脫色、一次結(jié)晶和電滲析過程中雜質(zhì)的去除率，計算電滲析液中雜質(zhì)含量。已知脫色、一次結(jié)晶和電滲析過程雜質(zhì)去除率分別為10%、33%、75%，故脫色過程去除雜質(zhì)的量為：脫色液中所含雜質(zhì)的量為：一次結(jié)

29、晶除去雜質(zhì)的量為：濕晶中所含雜質(zhì)的量為：電滲析除去雜質(zhì)的量為：電滲析液中所含雜質(zhì)的量為：因此，離子交換去除雜質(zhì)0.39 t。D330離子交換柱的再生液為4% NaOH溶液，密度為1.045 g/cm3，需要的再生接觸時間為40 min，再生液流速為5 m3/h，所以再生液用量為其中NaOH的量為：其中水量為：再生液對離子交換柱進行處理后，全部排入廢液貯罐。加上離子交換過程中產(chǎn)生的1.43 t廢水，廢液中水的總量為3.34+5.43=8.77 t。綜上可得陰離子交換單元的物料衡算結(jié)果如表12所示。表12 陰離子交換單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）電滲析液再生液廢液離子交換液

30、L-谷氨酰胺3.780.000.383.40水54.003.348.7748.57NaOH0.000.140.140.00乙醇0.160.000.000.16雜質(zhì)0.390.000.390.00合計58.333.489.6852.132.3.5 電滲析脫鹽電滲析脫鹽過程得率為89%，故脫鹽前一次結(jié)晶中的L-Gln量為：脫鹽過程損失的L-Gln量為：濕晶中溶劑的質(zhì)量含量為25%，其中水:乙醇=8:1，故濕晶中含水：濕晶中含乙醇：由2.3.4計算可知，一次結(jié)晶的濕晶中雜質(zhì)含量為1.55 t，電滲析脫鹽除去雜質(zhì)1.16 t。一次結(jié)晶后的濕晶加水溶解后，L-Gln的濃度為70 g/L，所以溶解濕晶加水

31、量為：由此可以計算廢液中的水量為：綜上可得電滲析脫鹽單元的物料衡算結(jié)果如表13所示。表13 電滲析脫鹽單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）濕晶水廢液電滲析液L-谷氨酰胺4.300.000.523.78水1.2760.167.4354.00乙醇0.160.000.000.16雜質(zhì)1.550.001.160.39合計7.2860.169.1158.332.3.6 一次濃縮結(jié)晶圖5 一次濃縮結(jié)晶單元物料流向圖圖5為一次濃縮結(jié)晶單元物料流向圖，引入物料包括二次結(jié)晶母液和活性炭脫色液，引出物料有濕晶、一次結(jié)晶母液（部分回流至脫色柱脫色，部分因雜質(zhì)濃度高而廢棄），以及濃縮時蒸發(fā)水分，結(jié)晶

32、過程中添加乙醇。一次結(jié)晶與二次結(jié)晶操作條件相同。一次結(jié)晶因雜質(zhì)濃度較高，單次結(jié)晶得率較二次結(jié)晶低，約為91.3%，根據(jù)一次結(jié)晶中L-Gln的量計算結(jié)晶前濃縮液中L-Gln的量：其中二次結(jié)晶母液中L-Gln的量為0.20 t，所以活性炭脫色液中L-Gln的量為4.41 t。故一次結(jié)晶母液中L-Gln的量為：其中回流的一次結(jié)晶母液中含L-Gln 0.28 t，廢棄的母液中含L-Gln 0.03 t。由4.2.5計算可知一次結(jié)晶后得到的濕晶中，L-Gln的量為4.30 t，水量為1.27 t，乙醇量為0.16 t，雜質(zhì)量為1.55 t。母液中L-Gln的溶解度為1.75 g/100 g溶劑，故回流的

33、一次結(jié)晶母液質(zhì)量為：其中，水的質(zhì)量為：乙醇的質(zhì)量為：廢棄的一次母液質(zhì)量為：其中，水的質(zhì)量為：乙醇的質(zhì)量為：所以需要流加的乙醇量為：濃縮液中水的總量為：由于活性炭柱脫色后，脫色液中水量基本保持不變，包括濾液中水量和回流母液中的水量，所以脫色液中水量為59.53+14.22=73.75（t）。二次母液回流中含水10.32 t，由此計算濃縮過程需蒸發(fā)的水量為：73.75+10.32-15.74-1.27=67.06（t）一次母液中的乙醇，回流至活性炭脫色單元后，經(jīng)脫色后仍保留于脫色液中，因此濃縮過程需蒸發(fā)的乙醇量包括二次母液回流帶入體系中的乙醇量和一次母液回流帶入系統(tǒng)的乙醇量，即1.11+1.78=

34、2.89 t。由2.3.4計算可得，活性炭脫色液中雜質(zhì)含量為2.32 t，一次結(jié)晶除去雜質(zhì)0.77 t，包括蛋白質(zhì)、無機鹽等雜質(zhì)。其中91%雜質(zhì)在回流母液中，即0.70 t，0.07 t雜質(zhì)隨廢液排出。綜上可得一次濃縮結(jié)晶單元的物料衡算結(jié)果如表14所示。2.3.7 活性炭脫色根據(jù)2.3.6節(jié)計算結(jié)果，活性炭脫色液中L-Gln含量為4.41 t?；钚蕴恐撋?，脫色液中水量基本保持不變，包括濾液中水量和回流母液中的水量，即59.53+ 14.22=73.75（t）。由2.3.4計算可知，活性炭脫色液中雜質(zhì)含量為2.32 t，而引入活性炭柱的物料中雜質(zhì)含量為2.58+0.70=3.28 t，故此過

35、程去除雜質(zhì)量為3.28-2.32=0.96 t。L-谷氨酰胺脫色消耗活性炭通常按料液質(zhì)量的2.5%計，則一周期消耗活性炭約81.56×2.5%=2.04（t）。綜上可得活性炭脫色單元的物料衡算結(jié)果如表15所示。表14 一次濃縮結(jié)晶單元物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）乙醇二次母液脫色液一次母液蒸發(fā)濕晶回流廢液L-谷氨酰胺0.000.204.410.280.030.004.30水0.0010.3273.7514.221.5267.061.27乙醇2.131.111.781.780.192.890.16雜質(zhì)0.000.002.320.700.070.001.55合計2.1

36、311.6382.2616.981.8169.957.28表15 活性炭脫色物料衡算表物料名稱引入物料量（t）排出物料量（t）濾液一次母液回流殘留于柱子脫色液L-谷氨酰胺4.250.280.124.41水59.5314.220.0073.75乙醇0.001.780.001.78雜質(zhì)2.580.700.962.32合計66.3616.981.0882.263 能量衡算本生產(chǎn)工藝流程中，培養(yǎng)基的滅菌與冷卻、發(fā)酵溫度的維持、濃縮結(jié)晶等過程涉及能量衡算，相關(guān)參數(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表16所示。表16 能量衡算參數(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)8項目指標(biāo)發(fā)酵罐體積50 m3發(fā)酵罐料液總量70.43 t發(fā)酵周期（含輔助時間）

37、48 h加熱蒸汽溫度132.9 加熱開始溫度25 間接加熱結(jié)束溫度90 最終加熱結(jié)束溫度121 發(fā)酵溫度30 傳熱系數(shù)1674 kJ/（m2·h·）培養(yǎng)基的比熱容4.18 kJ/(kg·)蒸汽的汽化熱2169 kJ/kg蒸汽的熱焓2728 kJ/kg冷卻水溫度20 3.1 培養(yǎng)基實罐滅菌過程的蒸汽用量計算3.1.1 發(fā)酵罐滅菌蒸汽用量計算發(fā)酵罐滅菌過程采用實罐滅菌法，先于夾套中通入蒸汽，將培養(yǎng)基間接加熱到90，然后再將蒸汽直接通入培養(yǎng)基加熱至滅菌溫度，保溫一定時間。3.1.1.1 間接加熱的計算（1）間接加熱蒸汽耗用量式中：G培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c培養(yǎng)基的比熱容，k

38、J/(kg·)；t1培養(yǎng)基加熱起始溫度，；t2培養(yǎng)基間接加熱結(jié)束溫度，；S加熱蒸汽用量，kg；r蒸汽的汽化熱，kJ/kg；加熱過程中熱損失，取5%。（2）換熱面積的計算根據(jù)工藝要求，間接加熱時間不超過2 h，由下式計算換熱面積：式中：間接加熱所需時間，h；G培養(yǎng)基質(zhì)量，kg；c培養(yǎng)基的比熱容kJ/(kg·)；K加熱過程中平均傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·）；F換熱面積，m2；ts 加熱蒸汽溫度，；t1開始加熱時培養(yǎng)基溫度，；t2加熱結(jié)束時培養(yǎng)基溫度，。計算得：F=42 m23.1.1.2 直接加熱蒸汽用量的計算 直接蒸汽加熱所需蒸汽用量用下式計算：式中：S

39、加熱蒸汽用量，kg；i蒸汽的熱焓，kJ/kg；cs冷凝水的比熱容，kJ/(kg·)。 3.1.1.3 保溫階段的計算保溫階段蒸汽用量根據(jù)經(jīng)驗估算，S=（30%50%）×直接加熱蒸汽消耗量，小于5m3發(fā)酵罐取50%，大于5m3發(fā)酵罐取30%左右。這里取30%。所以保溫階段蒸汽用量為30%×2.16=0.65（t）由此可以計算一個發(fā)酵罐一個生產(chǎn)周期用于培養(yǎng)基滅菌的蒸汽量：4.63+2.16+0.65=7.74 (t)故2個發(fā)酵罐一個生產(chǎn)周期用于培養(yǎng)基滅菌的蒸汽量為15.48 t。3.1.2 種子罐滅菌熱量計算（1） 二級種子罐冷卻面積的計算二級種子罐體積較小，故采用夾

40、套冷卻。首先計算維持發(fā)酵溫度所需的冷卻面積。發(fā)酵產(chǎn)生的總熱量：夾套傳熱系數(shù)：現(xiàn)取K=4.18×220kJ/（m2·h·）平均溫差：發(fā)酵溫度30；水初溫20 ；水終溫24 ，則平均溫差： 需冷卻面積F： 其次，核算夾套的有效冷卻面積。靜止液體浸沒筒體高度：液柱高度： 夾套的有效冷卻面積為封頭表標(biāo)面積S封與圓筒被液體浸沒的筒體表面積S筒之和：綜上，傳熱需要的面積F=3.2 m2，該設(shè)計夾套能提供的冷卻面積為S夾=3.46 m2，S夾F，可滿足工藝要求。 間接加熱所需時間 間接加熱蒸汽耗用量 保溫階段蒸汽用量為35%×0.448=0.157（t）（2） 一級種

41、子罐由于一級種子罐比較小，為0.3m3，一級種子罐夾套換熱面積為柱體表面積與封頭表面積之和，查表得F=0.5 m2。 間接加熱所需時間 間接加熱蒸汽耗用量 保溫階段蒸汽用量為50%×0.041=0.020（t）一個生產(chǎn)周期中，培養(yǎng)基滅菌所需蒸汽用量匯總于表17。表17 一個生產(chǎn)周期培養(yǎng)基實罐滅菌過程的蒸汽用量設(shè)備發(fā)酵罐二級種子罐一級種子罐間接加熱蒸汽用量（t）9.260.450.04直接加熱蒸汽用量（t）4.320.000.00保溫階段蒸汽用量（t）1.300.1570.02蒸汽用量合計（t）14.880.610.06總計（t）15.55年用量（t）2332.503.2 冷卻水用量計

42、算本設(shè)計所用冷卻水的溫度為20，將培養(yǎng)基從121冷卻到30，實測當(dāng)培養(yǎng)基t1 為80時，冷卻水出口溫度t2 為37。3.2.1 發(fā)酵罐冷卻水的計算（1）冷卻水用量計算式中，W 為冷卻水的用量，kg/h；c2 為冷卻水的比熱容，kJ/(kg·)；t2s 為冷卻水進口溫度，；t1 為培養(yǎng)基冷卻過程中某時刻的溫度，；t2 為對應(yīng)培養(yǎng)基t1 溫度時冷卻水出口溫度，；K 為平均傳熱系數(shù)，kJ/（m2·h·）；F 為傳熱面積，m2。所以：（2）冷卻時間計算3.2.2 種子罐冷卻水的計算（1）二級種子罐冷卻水的計算 冷卻水用量計算 冷卻時間計算（2）一級種子罐冷卻水的計算 冷卻

43、水用量計算 冷卻時間計算3.2.3 維持發(fā)酵溫度所需冷卻水的計算采用豎式蛇管冷卻裝置，最高熱負荷下的冷卻水用量用下式計算：式中：Q總發(fā)酵最旺盛時，每m3醪液1 h的發(fā)酵熱與醪液總體積的乘積，Q總=35.22×26500=7.68×105 kJ；cp冷卻水的比熱容，4.18 kJ/h；t1冷卻水進水溫度，t1=20 ；t2冷卻水出水溫度，t2 =27 。代入上式得：W=7.68×105÷ 4.18×(27-20)=4.6×104（kg/h）一個生產(chǎn)周期中的冷卻水用量匯總于表18。為了節(jié)省能源，冷卻水可循環(huán)使用。表18 一個生產(chǎn)周期中的冷

44、卻冷卻水匯總表計算項發(fā)酵罐滅菌冷卻二級種子罐滅菌冷卻一級種子罐滅菌冷卻發(fā)酵罐溫度維持冷卻水流量(t/h)39.822.450.3546冷卻時間（h）4.764.773.7036冷卻水用量（t）189.5411.691.301656合計（t）1858.533.3 分離工段的能量衡算3.3.1 濃縮結(jié)晶根據(jù)物料衡算結(jié)果，第一次濃縮的蒸發(fā)量69.95 t，原料液量93.89 t，濃縮液量為23.94 t。第二次濃縮需要蒸發(fā)量37.46 t，原料液量52.13 t，濃縮液量為14.67 t。用下式計算濃縮所需熱量：式中：W蒸發(fā)水量，kg；L濃縮液量，kg；F原料液量，kg；H1蒸汽的焓，kJ/kg；H

45、2濃縮液的焓，kJ/kg；H3原料液的焓，kJ/kg；QL熱損失，kJ。查表得原料液的焓為126.28 kJ/kg，濃縮液的焓為251.67 kJ/kg，蒸汽的焓為2728 kJ/kg。所以第一次濃縮需要的熱量為：第二次濃縮需要的熱量為：3.3.2 干燥根據(jù)物料衡算結(jié)果，二次結(jié)晶干燥過程需要去除的水分為0.92 t。取空氣離開干燥管時的溫度為90，物料離開干燥管的溫度為58。汽化水分所需要的熱量：物料升溫所需要的熱量：熱損失為Q1+Q2的15%，則總熱量4 設(shè)備設(shè)計與選型4.1 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備選型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備選型是以化工工藝設(shè)計手冊第二版為參考依據(jù)的。4.1.1 儲罐的選擇（1） 濾液儲罐由物料衡算可知

46、，發(fā)酵罐總出料液有66.36 t，出料液密度為1050 kg/m3，因為每次放罐一個，所以需要的儲罐體積為：選擇一個公稱容積為35 m3的儲罐。選用鋼制臥式圓筒形固定頂儲罐，罐內(nèi)徑2700 mm，罐體總高6830 mm9。（2） 活性炭脫色液儲罐由物料衡算可知，活性炭脫色后總料液量有82.26 t，料液密度為1050 kg/m3，需要的儲罐體積為：選擇一個公稱容積為50 m3的儲罐。選用鋼制臥式圓筒形固定頂儲罐，罐內(nèi)徑3100 mm，罐體總高7830 mm。（3） 結(jié)晶母液儲罐由物料衡算得，第一次結(jié)晶母液總量有16.98 t，母液密度為1050 kg/m3，需要儲罐的體積為：選擇B型臥式橢圓封

47、頭儲罐，公稱容積為10 m3，罐內(nèi)徑1800 mm，罐體總高4550 mm。第二次結(jié)晶母液總量有11.63 t，同樣計算儲罐的體積為：選取10 m3的儲罐，罐內(nèi)徑1800 mm，罐體總高4550 mm。（4） 電滲析脫鹽液儲罐電滲析脫鹽之后總料液量有58.33 t，計算得需要的儲罐體積為：選擇B型臥式橢圓封頭儲罐，公稱容積為30 m3，罐內(nèi)徑2600 mm，罐體總高6530 mm。（5） 離子交換出料液儲罐離子交換柱總出料液有52.13 t，計算得需要的儲罐體積為選擇B型臥式橢圓封頭儲罐，公稱容積為30 m3，罐內(nèi)徑2600 mm，罐體總高6530 mm。4.1.2 計量罐的選擇（1） 乙醇計

48、量罐由物料衡算可知，結(jié)晶需要加入的乙醇量為，乙醇在常溫下的密度為0.985g/cm3。所以乙醇的體積為：選取一個5 m3的計量罐，罐內(nèi)徑1500 mm，罐體總高3800 mm。（2） 再生液計量罐由物料衡算知需要氫氧化鈉3.48 t，取4 m3的計量罐。4.1.3 泵的選擇（1） 一級種子培養(yǎng)基送料泵一級種子罐大小為0.3 m3，查通用式發(fā)酵罐尺寸表得，種子罐高1550 mm，由于樓層高度為4.5 m，一級種子罐泵置于廠房第四層頂部，料液輸送高度為20 m。料液比較均勻，5 min送完0.20 m3物料，則物料流量為：物料流速為v=0.51 m/s，現(xiàn)取v=1 m/s，則管道截面F為：管徑為：

49、管道的比阻：揚程：式中：Q噴射流量，m3/s；d管道內(nèi)徑，m；h噴射高度，m；Hf管道的沿程水頭損失，m；L管道起端至末端的長度，m；k阻力系數(shù)，取k=1.1。所以 選取離心泵，型號為DHY25-200D。（2） 二級種子培養(yǎng)基送料泵二級種子罐置于廠房第三層頂部，料液輸送高度為15 m，料液均勻，20min送完2.16 m3物料，則物料流量為：物料流速為v=0.51m/s，現(xiàn)取v=1m/s，則管道截面F為：設(shè)管徑為：比阻：揚程：選取離心泵，型號為DHY25-200D。（3） 發(fā)酵罐培養(yǎng)基送料泵發(fā)酵罐置于廠房第二層頂部，料液輸送高度為10 m，料液均勻，該罐實裝醪量35.22 m3，設(shè)1 h之內(nèi)

50、排空，則物料體積流量發(fā)酵醪流速取v=1 m/s;則排料管截面積為F物。管徑：管道的比阻：揚程：選取離心泵，型號為DHY32-160E。（4） 活性炭脫色進料泵 因為活性炭脫色的進料泵所輸送料液的高度與發(fā)酵罐同高，料液均勻，流量穩(wěn)定，所以選用與發(fā)酵罐進料送泵相同的泵，選取離心泵，型號為DHY32-160E。（5） 母液回流泵雖然第一次結(jié)晶母液回流到活性炭脫色工序，第二次結(jié)晶的母液回流到第一次結(jié)晶工序，而活性炭脫色柱與第一次結(jié)晶罐都與發(fā)酵罐同高，料液均勻，流量穩(wěn)定，所以選用與活性炭脫色進料送泵相同的泵，選取離心泵，型號為DHY32-160E。4.1.4 分離設(shè)備的選擇（1） 過濾器過濾器引入物料有

51、68.65 t，采用過濾器型號為B01F063FV1BM5R2，濾芯型號為B01E063FV1。（2） 陰離子交換柱根據(jù)2.3.4，采用D330陰離子交換柱。（3） 干燥器每周其需要干燥的物料量為3.20 t，選擇干燥器型號為MGT800，可滿足本設(shè)計提取階段的要求。4.2 發(fā)酵罐的設(shè)計隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量系列有：5，10，20，50，60，75，100，120，150，200，250，500 m3等等。一般來說單罐容量越大，經(jīng)濟性能越好，但風(fēng)險也越大，要求技術(shù)管理水平也越高。根據(jù)生產(chǎn)的規(guī)模和實用性，本設(shè)計選擇公稱容積為35 m3的六彎葉機械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，計算過程如下。4.2.1

52、 發(fā)酵罐容積的確定L-谷氨酰胺的生產(chǎn)周期為48h（包括發(fā)酵、發(fā)酵罐清洗、滅菌進出物料等輔助操作時間），根據(jù)物料衡算結(jié)果，一個周期所需生產(chǎn)的L-谷氨酰胺為3.17 t，加入發(fā)酵罐的料液總重為70.43 t，其中加入的水量為56.12 t。培養(yǎng)基的密度為1050 kg/m3，則培養(yǎng)基的體積為：取發(fā)酵罐裝罐系數(shù)為0.7，所以發(fā)酵罐的容積為應(yīng)選取兩個50 m3的發(fā)酵罐。4.2.2 發(fā)酵罐主要尺寸的計算 公稱容積為50 m3的發(fā)酵罐全容積為55.2 m3，則：取高徑比H:D=2:1，則有：解方程得： 圓整后取發(fā)酵罐直徑D=3.2 m，則H=2D=6.4 m。根據(jù)發(fā)酵工廠設(shè)計概論通用發(fā)酵罐系數(shù)表10，查得封頭高為： 驗算全容積：符合設(shè)計要求，可行。4.2.3 發(fā)酵罐攪拌器的設(shè)計選用六彎葉渦輪攪拌器。（1）主要尺寸：攪拌器的各部尺寸與罐徑D 有一定的比例關(guān)系，如下：攪拌器葉徑 d=D/3=3.2/3=1.07 m，取d=1.1 m下攪拌器距底間距 B=1.0d=1.1 m兩攪拌器間距 S=2d=2.2 m彎葉板厚 =12 mm（2）轉(zhuǎn)速：攪拌轉(zhuǎn)速N可根據(jù)50 m3罐，攪拌器直徑1.05 m，轉(zhuǎn)速n=110 r/min，以等P0/N 為標(biāo)準(zhǔn)縮小