年产80吨L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计发.docx

序号:

学号: 08439103

课 程 设 计

设计课程名称： 发酵工程课程设计
题 目： 年产80吨L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计
学 生 姓 名： **
学 院（系）： 制药与生命科学学院 专 业 班 级： 生工081
指 导 教 师： 王利群 专业技术职务： 副教授

设计时间： 2011 年 12 月 19 日 ~ 2011年 12 月 30 日

目录

1.概述 1
1.1产品概述 1
1.1.1L-丝氨酸生产产品国内外生产情况 1
1.1.2用途与发展前景 2
1.2设计概述 2
1.2.1设计依据 3
1.2.2设计规模和范围 3
1.2.3指导思想 3
2. 原材料及产品的主要技术规格 3
2.1生产原料 3
2.2产品的主要技术规格 4
3.生产流程简述 4
3.1离子交换层析过程 4
3.2结晶过程 4
4.工艺分离 4
4.1物料衡算 5
4.1.1离子交换罐 5
4.1.2浓缩罐 6
4.1.3离心机 6
4.2能量衡算 6
4.2.1浓缩罐 6
4.2.2冷却器 7
5.主要设备的计算 8
5.1离子交换罐的计算 8
5.2浓缩罐设计 8
5.3冷却器 8
5.4离心机 9
5.5储罐 9
5.5.1高位槽 9
5.5.2废液储罐 10
6.心得体会 10
7.参考文献 11
8.致谢 11

年产80吨L—丝氨酸分离纯化车间的工艺设计
1.概述
1.1产品概述
1.1.1L-丝氨酸生产产品国内外生产情况
L-丝氨酸的主要生产方法有以下四种。
方法一、水解法：以蚕茧茧衣为原料进行酸水解，然后用离子交换水进行分离纯化。
方法二、添加前体发酵法：L-丝氨酸在生物体内代谢运转速度极快，直接发酵法生产困难。一般采用添加前体的发酵法。添加的前体主要有甘氨酸、甘氨酸三甲内盐或甘油酸，其中以甘氨酸为前体的已工业化。产生菌可分为两类：异养型和甲基营养型细菌。
方法三、化学合成法：DL-丝氨酸可有以羟基乙醛为原料的合成法等，然后再拆分得L-丝氨酸。
方法四、酶法：以化学合成DL-丝氨酸的中间体DL-2-氧代恶唑烷-4-羧酸（DL-OOC）为原料，使用睾丸酮假单胞菌生产的L-OOC水解酶或从枯草杆菌生产的OOC消旋酶作用，生产L-丝氨酸。
国外最早用生丝微菌属静息细胞生产L-丝氨酸。Yoshida,T.，Mitsunaga,T.，等考察了26 株甲基营养型细菌静息细胞以甲醇和甘氨酸为底物生产L-丝氨酸的能力。有七株菌的生产能力超过500mg/ml。其中NCIB10099 生产能力最强。
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。
1.1.2用途与发展前景
丝氨酸(简称Ser.)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。常用于组织培养基的制备，医药上用作氨基酸类营养药 。
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（多球壳菌素 Myriocin, 嗜热菌杀酵母素 Thermozymocidin）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。
1.2设计概述
1.2.1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）GB 12348—90《工业企业厂界噪声标准》
（5）《化工原理》
（6）《生物工艺原理》
（7）《生物工程设备》
1.2.2设计规模和范围
（1）L-丝氨酸分离纯化车间的工艺设计
（2）主要设备的计算和选型
（3）带控制点的工艺流程图
（4）主要设备图
1.2.3指导思想
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. 原材料及产品的主要技术规格
2.1生产原料
氢氧化钠溶液 用量66040L 浓度1M
盐酸 用量66040L pH=2
无水乙醇 用量2080L
去离子水 用量99060L
717型离子交换树脂 用量49530L
2.2产品的主要技术规格
生产规模：80 吨/年
生产方法：717型离子交换树脂 离子交换层析后，进行浓缩，之后添加乙醇结晶，离心分离
生产天数：300天
生产周期：1天
生产方式：间歇生产
3.生产流程简述
本设计采用离子交换层析对两种氨基酸（L-丝氨酸和L-甘氨酸）进行分离。
3.1离子交换层析过程
采用717型离子交换树脂，将其装入离子交换罐，保证其密实。然后用氢氧化钠水溶液处理（溶液浓度为1M，体积为66040L）使离子交换柱呈碱性，处理完之后上样。上样后，L-丝氨酸和L-甘氨酸吸附在交换树脂上，可用酸性溶液洗脱，本设计采用pH=2的Hcl溶液洗脱，用量为66040L，洗脱前需要用去离子水洗涤，最终可得氨基酸溶液为16510L，其中L-丝氨酸为6934L。
3.2结晶过程
离子交换层析完毕后，对料液进行浓缩。采用蒸汽加热，可将料液浓缩至原体积的1/10，待浓缩液冷却后，加入208L无水乙醇，使L-丝氨酸结晶，最后离心烘干可得产品267kg/天。年操作日为300天。
简述: 717型离子交换树脂→装入离子交换罐→用氢氧化钠溶液处理→上样→用去离子水洗涤→用Hcl溶液洗脱→浓缩→冷却→加入无水乙醇→结晶→离心过滤→烘干→产品
4.工艺分离
生产条件:
已知L-丝氨酸的小试纯化工艺为：717型离子交换树脂用1M的NaOH溶液处理成OH-型，水洗至中性后装柱（三根Φ25×500mm的柱子）。对第一根柱子上样，上样结束后水洗。然后连接另2根柱子，用pH=2的Hcl洗脱，分别收集只含L-丝氨酸、L-甘氨酸，以及同时含这两种氨基酸的洗脱液。假设一个柱子的体积为V，已知NaOH溶液用量为4V，洗涤水用量为2V，洗涤液用量为4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，含L-丝氨酸的洗脱液体积为0.42V。将含L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入3倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为77%。年操作日300天，生产方式：间歇生产。
水蒸气138℃，冷却水由27℃进，37℃出。
4.1物料衡算
已知柱子Φ25×500mm，一个柱子的体积为V，已知NaOH溶液用量为4V，洗涤水用量为2V，洗涤液用量为4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，含L-丝氨酸的洗脱液体积为0.42V。将含L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入3倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为77%。年操作日300天。
4.1.1离子交换罐
小试生产时：

放大后：

4.1.2浓缩罐

4.1.3离心机

4.2能量衡算
查表得：

4.2.1浓缩罐
采用间接蒸汽加热至沸腾：（加热蒸汽为138℃）
根据能量守恒定律得：

其中：

代入公式：

求得:
=5%~10%，取10%

即:水蒸气的估计用量为7341Kg.
4.2.2冷却器
假定物料冷却至37℃
根据能量守恒定律得：

其中：

、
=5%~10%，取10%

5.主要设备的计算
5.1离子交换罐的计算
选择反吸附离子交换罐
已知离子交换树脂总体积：
离子交换罐高径比（H/D）为3，即
树脂层高度占圆筒高度的50%,即

圆整得
5.2浓缩罐设计
进料体积
选择搪玻璃蒸发器10m3 HG5-38-79
假设
求得
5.3冷却器
假设冷却时间为0.5h,即t=0.5h
查表得
换热系数：K=830~1250kJ/(m2·h·℃) 取K=1000kJ/(m2·h·℃)
对数平均温度

根据换热面积选型得列管式石墨换热器HG5-1320-80
换热面积为20.7m2
有效管长为4000mm
根数为61
筒径为400mm
5.4离心机
已知离心机分离物料为固液混合，所以采用过滤离心机.
其中
所以离心机所需容积

假设离心分5次进行，则每次进料量为554.7L
其中丝氨酸浓缩液每次进料138.7，乙醇进料416L。
选用SS1800过滤离心机
其转速为510r/min
有效容积为660L
过滤面积为2.7m2
外形尺寸为
5.5储罐
5.5.1高位槽
①NaOH总体积为66040L，分3个高位槽安放。
选型为F25000 HG/T 2374-98
公称容积为25000L
实际容积为27790L
直径D为2800mm
高度H为5379mm
液位计直径为65/50mm
②HCl总体积为66040L，分3个高位槽安放。
选型为F25000 HG/T 2374-98
公称容积为25000L
实际容积为27790L
直径D为2800mm
高度H为5379mm
液位计直径为65/50mm
③洗脱水体积为99060，分4个高位槽安放
选型为F25000 HG/T 2374-98
实际容积为27790L
直径D为2800mm
高度H为5379mm
液位计直径为65/50mm
④无水乙醇体积2080L
选型为F3000 HG/T 2374-88
公称容积为3000L
实际容积为3337L
直径D为1450mm
高度H为2933mm
液位计直径为65/50mm
5.5.2废液储罐
已知此液总体积为16510L
选用搪玻璃卧式储罐型号为HG/T2375 94
公称容积为20000L
实际容积为22332L
直径D为2400mm
长度L为5374mm
液位计直径为65/50mm
6.心得体会
通过这一次的课程设计，我不仅仅学到了专业知识，更使我懂得如何做事,如何去思考问题。
这是我们第二次做课程设计，但这次课程设计与以前的化工课程设计不同，以前老师给我们模板，这次的课程设计全是靠自己思考整理思路。刚开始做课程设计时都不知道该从何着手，在拿到任务书后，花了很长时间来摸索讨论，在小组成员一起的努力下渐渐理清思路，开始步入正轨。中间也有很多次卡在那儿，不知道如何往下做，但在王老师的细心指导下，我们一层层拨开云雾，最后完成了设计。
这次课程设计使我进一步逇了解了自己，知道自己的专业知识还不够扎实，还存在着很多盲点，在以后有限的校园生活中，应该多注重扎实自己的专业知识。同时也知道了理论和实际相结合的重要性，在实际设计中提高了自己独立思考问题的能力。整个设计过程是我们小组一起完成的，这让我也感受到了团队协作的力量，也真正懂得了那句老话“团结就是力量”。
最后很感谢老师的辛苦指导和同学们的互相帮助，这将是我以后生活中的宝贵经验。这次的课程设计，让我们初步了解了做设计的一般要求，格式，内容和方法，既学到许多知识，又为今后的设计打下基础。
7.参考文献
[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，1996
[2]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，2004
[3]陈国豪主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，2007
[4]梁世中主编.生物工程设备（M）.北京：化学工业出版社，2002
[5]陈敏恒主编.化工原理（M）北京：化学工业出版社，2004
8.致谢
此次课程设计的制定、实施、完成到撰写都是在王利群老师的精心指导下完成的。整个课程设计过程中王老师给我们提供方法，答疑解难，纠正错误。短短的两个星期，王老师给了我们很大帮助，值此课程设计完成之际我向老师表示深深的谢意。同时还要感谢课程设计中帮助过我的同学们，没有大家的相互帮助与讨论，我根本不可能顺利完成课程设计。
通过这次的课程设计，我们不仅学到很多设计知识，锻炼了解决问题的能力，使自己的视野更加开阔。更重要的是我们体会到团队合作的重要。怎样以最高的效率去完成一件事。这些都是在课本上学不到的经验，对我来说相当宝贵。我想再一次对老师和同学们表示由衷的感谢。