曾华辉：年产1000吨色氨酸发酵工厂设计
控制减少，发酵液中乙酸的生成。
L-色氨酸发酵过程中产大量的热，为了维持发酵温度的稳定必须采取适当的降温措施在发酵罐外部加上冷却盘管采用冰水降温，控制发酵温度33度左右，L-色氨酸发酵过程中由于无机盐的消耗及产酸引起PH变化所以发酵过程中适当流加氨水或液氨调节PH控制最佳PH值在6.9左右。
L-色氨酸发酵为耗氧发酵并且产酸过程中用氧量比较大，溶氧的多少直接影响着代谢的方向 进而影响产酸和转化率 溶氧低于20%容易发生菌体自溶、乙酸产量增加，所以在主发酵过程中必须控制溶氧大于20%，这要求我们采用先进的通风搅拌装置设计合理的发酵罐径高比增加通气量提高溶解氧。
L-色氨酸发酵过程中采用高糖流加技术，使发酵糖浓度始终处于低浓度从而有效减少残糖对发酵产生的抑制作用避免发酵后期产生乙酸上升的现象保证高产酸及转化率。 此外L-色氨酸发酵生产可采用先进的培养基连消技术，高精度空气膜滤技术使发酵污染程度控制最低水平，确保发酵产酸水平。对发酵车间的环境定期进行消毒提高环境清洁度。对排污要控制对排污口要用漂白粉处理对空气过滤系统要定期清理减少染菌机率。 2.3.4精制工艺条件及控制
发酵液的质量高低决定着精制收率与产品质量所以发酵液必须经过处理。 首先发酵结束后要对发酵液加热并调到合适的PH，采用先进的陶瓷膜或纳滤分离技术去除发酵液中L-色氨酸菌体及部分蛋白质大分子色素、杂质等此时料液的透光率越高越好以利提高提取收得率和提高L-色氨酸质量。[4]
过滤后的发酵液加热到适当温度，经过活性炭处理进一步脱色与纯化脱色过程中控制活性炭用量，过多，影响收率。过少，又达不到脱色效果。
脱色后的发酵液要进一步分离纯化，主要方法有离交交换法、有机溶液萃取法、乳状液膜提取法等。其中离子交换法具有工艺简便、投资少、节能、污染小的优点，适合于工业应用用离交交换法分离纯化L-色氨酸进一步去除物料中杂质、色素及其它离子。
分离纯化后的发酵液经浓缩结晶处理。因为L-色氨酸具有热不稳定性，因此浓缩结晶时要严格控制温度条件防止温度过高导致L-色氨酸分解。浓缩结晶后的发酵液经离心分离干燥包装等工序得到成品L-色氨酸。
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第三章 工艺论证
3.1 无菌空气系统
微生物在繁殖和耗氧发酵过程中都需要氧气，通常以空气作为氧源。空气中含有各式各样的微生物，这些微生物随着空气进入培养液，在适宜的条件下，它们会大量繁殖，消耗大量的营养物质，以及产生各种代谢产物，干扰甚至破坏预定发酵的正常进行，使发酵产品的效价降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故。为保证纯种培养，必须将空气中的微生物除去或杀死。此外还要求一定的相对湿度和具有一定的温度。供给发酵用的无菌空气因需克服过滤介质的阻力、发酵液的静压力和管道阻力，所以常用空气压缩机加压后供给。
过滤除菌是目前生物工业生产中最常用、适用的空气除菌方法。生物加工过程中最常用的获得大量无菌空气的常规方法 ：一类是介质间孔隙大于微生物直径，故必须有一定厚度的介质滤层才能达到过滤除菌的目的，称为介质过滤或相对过滤或深层过滤。这类过滤介质有棉花、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维、烧结材料（烧结金属、烧结陶瓷、烧结塑料）；而另一类介质的孔隙小于细菌，含细菌等微生物的空气通过介质，微生物就被截留于介质上而实现过滤除菌，有时称之为绝对过滤。但常用介质过滤法。此外，空气经过压缩和在管道输送及经过滤器时的压力和温度的变化，会引起空气相对湿度改变，一旦发生凝露析水，就会使过滤介质（如棉花）吸湿，使过滤介质除菌效率大为降低。因此，应把压缩空气中可能析出的水，在接近过滤介质之前除去。
空气过滤除菌流程：
（图3-1）选用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程
空气 冷却水 压缩机 冷却器 分离器 加热器
粗过滤器 冷却水 冷却器 分离器 空气过滤器
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注： 第一级冷却：可使大部分水、油结成较大雾粒（通常冷却到30～35 ℃）； 第二级冷却：可使空气析出较小的雾粒（通常冷却到20～25 ℃）； 第一次分离：分离直径较大，浓度较大的雾粒（直径在10 um以上）； 第二次分离：分离直径较小的雾粒（直径在5 um以下）； 其优点：
a. 比较完善的空气除菌流程，可适应各种气候条件，尤其适用潮湿的地区，其他地区可根据当地的情况，对流程中的设备作适当的增减。能充分地分离油水，使空气达到低的相对湿度下进入过滤器，以提高过滤效率。 b. 特点：两次冷却、两次分离、适当加热。
2次冷却：可以减少油膜污染对传热的影响，能提高传热系数，节约冷却用水 2次分离：可使油、水、雾分离得比较完全。
适当加热：可使除水后的空气相对湿度由100%降到50%～60%。
c .首先将进入空气压缩机的空气粗滤。滤去尘灰等固体微粒，这对空气压缩机正常运行、介质除菌有很大帮助。
d. 为防止往复压缩机产生脉动，在流程中需要设置一个或数个贮气罐。
e. 无菌过滤，空气除菌系统一般常用两台总过滤器（便于交叉使用）和分过滤器（每个发酵罐一台）相结合的二级过滤装置，以确保空气的“无菌”。 3.2 淀粉的液化和糖化：
色氨酸发酵过程中用的是葡萄糖，而所采用的发酵菌种没有分解淀粉的功能，所以在微生物发酵之前必须将淀粉分解成葡萄糖。目前采用的是喷射液化法和双酶法葡萄糖生产工艺。工艺流程包括调浆、液化、糖化和过滤。 3.2.1 调浆：
搅拌速度为10 – 20 r/min，加入工艺水和淀粉原料到淀粉浓度为25%，升温到50-55 ℃，调节pH保持在6.0-6.5之间，加入耐高温的α-淀粉酶，用量为10 U/(g淀粉）。 3.2.2 液化：
通入蒸汽到喷射器和维持柱中，预热到90-95 ℃后，将淀粉乳泵入喷射器，调节物料与蒸汽的压力，保持平衡。保持出口的温度在100-105 ℃之间，液化的淀粉乳由喷射器下方卸出，引入维持罐。维持过程的温始终要控制在95-98 ℃之间，持续时间为30分钟，最终淀粉乳的碘反应呈棕红色，且能迅速扩散。
淀粉乳经糖化后，通过螺旋版换热器降温，降至60-62 ℃，然后进入糖化罐，用10%的硫酸调节来pH至4.2-4.5，再加入糖化酶，其用量为100 U/(g淀粉）。糖化时间约为
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24-48小时，终点前DE值达到最高，提前15-20 min升温至85 ℃，灭酶5-10 min. 3.2.4 过滤：
由于糖化过程中的条件比较温和，所以脂肪、蛋白质基本没发生变化，可以用板框压滤机配上12-16涤纶过滤布加以过滤。 3.3 发酵工艺：
色氨酸发酵采用大肠杆菌深层发酵的方式 3.3.1 工艺流程
斜面培养 → 三角瓶麸曲→孢子悬浮液→种子罐→发酵罐→升温絮凝蛋白→发酵液贮罐
3.3.2 培养基成份原料
a : 斜面培养基（g/l） 牛肉膏 3g , 蛋白胨 10g , Nacl 10g , 琼脂 15～20g , PH7.4～7.6 b : 麸曲培养基 麸曲：水 = 1：1
C : 种子培养基（g/l) (NH4)2SO4 50, 淀粉糖 50，玉米浆 4ml，豆饼水解液2ml，MgSO4·7H2O 4, KH2PO4 0.1 ,，FeSO4·7H2O 0.01，MnSO4.H2O 0.01， PH 7.0~7.2 d : 发酵培养基 （g/l) 淀粉糖 50 ，玉米浆 22ml，(NH4)2SO4 40 ，Phe 0.15 ，Tyr 0.15，MgSO4·7H2O 0.4，MnSO4·H2O 0.01，FeSO4·7H2O 0.01，VB1 100μg 3.3.3 工艺条件： ?制备孢子悬液：
在1000 ml三角瓶内装入麸皮40 g和水40 ml，混匀，121 ℃灭菌30 min。然后接种，再放入30 ℃培菌室内进行培养3-4 d，前2天每天混匀2次，孢子完全成熟时就不用混匀。使用前用无菌水将麸曲中的孢子洗去，倒入接种瓶，接入种子罐。 ? 种子罐：
灭菌条件121 ℃、10 min。罐溫冷却至37.5 ℃接入孢子悬浮液。 培养条件：
风量 0.3 m3/(m3·min) 搅拌转速 200r/min 温度 37.5 ℃ 罐压 0.03 MPa 移种条件：
培养时间为18 h；pH下降到2.0以下，产酸50 g/l ；镜检菌丝，保证生长良好，无孢子、无杂菌
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③ 发酵罐：
先投料，再间接用蒸汽加热，等罐溫升至80-90 ℃后，改用3路直接蒸汽，85 ℃保持10 min，待料液温度至37.5 ℃接入种子，接种量4%。 培养条件：
风量 0.18 m3/（m3·min) 搅拌转速 80-90 r/min 培养温度 37.5 ℃ 罐压 0.07 MPa 放罐条件：
发酵后期进行两次产酸测定，如果相近或有下降趋势即可；且还原糖基本耗完（小于0.5 g/l)或者不再消耗还原糖。 3.3.4 生产技术指标：
糖化过程中淀粉糖转化率（%） ：108 发酵周期（h) ： 45 发酵糖酸转化率（%） ：12-15 发酵液产酸量（g/l） ：80 提取收率 （%） ： 85 精制纯度（%） ： 99 每吨成品消耗淀粉量（吨） ： 8.444
生产工作制度：全年按300天工作日计算，连续生产。 3.4 提取工艺
工业上通常采用三效浓缩的方法来提取色氨酸。三效浓缩是通过蒸发过程中二次蒸汽的利用减少蒸汽的消耗和减少二次蒸汽量，相应地节约大量的冷却水，从而提高了蒸发装置的经济效益。[5]
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