曾华辉：年产1000吨色氨酸发酵工厂设计
V1=π/4 ×D2[H+2(Hb+D/6)]=120， 求得D
并取整D=3.6m，H=10.8m。
查表可得椭圆封头的容积V封头=6.62 m3，选用厚度为24mm，质量为2707kg。查表得，1m高筒节钢板重量为：2322.6kg。
则发酵罐筒体重量为：2322.6×10.8=25084.08kg
发酵罐重量=筒体重量+2*每个封头质量=25084.08+2×2707=30498kg。 根据列管设计原则，列管换热面积比为1:1.2 H列管=120×0.75×1.2÷(108π÷1000)=318.6m，
查表得，钢管的重量为10.26kg/m，列管的重量为3269kg。 7.3.7发酵罐基本情况一览表
表7-4 发酵罐尺寸一览表
发酵罐基本尺寸
发酵罐公称直径 发酵罐公称容积 发酵罐筒体高度 封头直边高度
厚度 每个封头容积 列管长度
3600mm 120 m3 10800mm 50mm 24mm 6.62 m3 318.6m
发酵罐相关质量
发酵罐筒体质量 每个封头质量 发酵罐总重 列管重量
25084.08kg 2707kg 30498kg 3269kg
在此次项目中，发酵罐为重点设备，其装配图见附录A。 7.4 种子车间
7.4.1 种子培养基空罐初步设计
每天需要的种子罐容积（75%的填装率）=17.64 m3÷75%=23.52 m3， 选择12m3的种子罐，则每天需要此容积的种子罐个数为：23.52/12=2个。 种子罐的操作周期比发酵周期短，即使连续操作也没必要外加种子罐。12m3的种子罐可装料为9 m3，完全可满足生产需要。
种子罐同样是H/D=3，即H=3D，带入V0=πD2H/4+0.15D3，得D=1685mm，取直边高度40mm，但在实际生产中，我们需要考虑Hb，则发酵罐全体积V1=π/4 ×D2[H+2(Hb+D/6)]=12，求得D，并取整D=1700mm，H=5100mm，查表得椭圆封头的容积V封头=0.7339 m3，选用厚度为14mm，质量是363.16kg。
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安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
查表得，1m高筒体钢板重量为3015kg，种子罐筒体重量为：3015×5.1=15376.5kg，种子罐质量是16103kg，取列管换热面积比为1:1.2，H列管=9×1.2÷(π×76×0.001)=45.24m，查表得:列管重量为7.10kg/m，总重量是321.16kg。归纳总结，见下表：
表7-5种子罐尺寸表
种子罐基本尺寸
种子罐公称直径 种子罐公称容积 种子罐筒体高度 封头直边高度
厚度 每个封头容积 列管长度
1700mm 12m3 5100mm 40mm 14mm 0.7339 m3 45.24m
种子罐相关质量
筒体质量 每个封头质量 种子罐总重 列管重量
15376.5kg 363.16kg 16103kg 321.16kg
7.5 提取车间 7.5.1提取工艺简述:
目的产物的提取，需要采用合理有效的提取手段，以提高目的产物的提取率，可以提高目的产物的产率，降低成本。色氨酸是人和动物生命活动中八种必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用。色氨酸的生产方法有多种，其中以发酵法最具发展前途。因此采取有效措施提高其提取率是目前亟待解决的问题。 L-色氨酸发酵液先用阴离子聚丙烯酰胺（温度：常温、剂量：100mg/L、搅拌速度20r/min、搅拌时间1～2min）絮凝后，过滤或离心去除菌体和杂蛋白。为了使L-色氨酸与其它杂氨基酸分离，本论文选用了14种树脂进行静态、动态实验，发现003×7强酸性阳离子交换树脂在pH为6～8之间、流速1mL/min、温度室温，对色氨酸有最大的吸附作用，将上清液流经003×7型阳离子交换树脂柱，再用0.025mol/L和2mol/L氨水梯度洗脱，流速1mL/min、温度室温，收集L-色氨酸流分。将其减压浓缩粗结晶，再用60％的热乙醇溶解，溶解液通过D3012型阴离子交换树脂脱色，条件为流速2mL/min、温度为室温，收集流出液，再将其减压浓缩。加入30％的无水乙醇，4℃放置24h，真空干燥得白色粉片状L-色氨酸晶体。总体取收率约为68％，纯度达98％。
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7.5.2 提取工艺流程图: 调节pH 盐酸 发酵液 絮凝剂 絮凝 板框过滤 菌体及固体杂质 离子交换
薄膜浓缩
离心 母液
粗心
溶解脱色
等电结晶
离心 母液
精品
烘干
成品
图7-5 色氨酸提取工艺流程图
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7.5.3色氨酸提取过程控制[13] a.板框过滤
板框过滤机有四个输入管道，分别为进料管道、空气管道、清水管道和淡酸水管道。板框过滤机过滤操作主要步骤为：(1）首先关闭其他管路，由进料管道打入发酵液进行过滤，由空气管道通入蒸汽对发酵液进行加热，加热至70℃左右；(2)过滤完毕通入空气进行压滤；（3）通入淡色氨酸水进行冲滤；（4）再次通入空气进行压滤；（5）最后通入清水冲滤，滤下的淡酸水返回用于第三阶段的过滤。 b.离子交换
首先使色氨酸发酵液以一定流量流过离子交换树脂柱，流过的发酵液再返回树脂柱重吸附，使色氨酸吸附于离子交换树脂上。同时，色氨酸发酵液中的残留微生物极大部分在树脂柱中变性生成凝集物，物理性地保持在树脂上，同时一部分微生物从树脂柱的下部与废水一起流出。上述操作完毕后，从离子交换树脂柱底部以一定流量通水逆洗，使附着在树脂上的凝集微生物浮游从柱上部流出除去。 c.浓缩结晶
离子交换柱的洗脱液进入双效浓缩系统进行真空加热浓缩，使洗脱液浓度升高，然后打入结晶罐。结晶罐采用夹套式，在结晶罐中用草酸调节pH至色氨酸的等电点5.89 附近，然后在夹套中通入冷冻水，使色氨酸溶液温度降低而结晶。 d.离心干燥包装
结晶罐中的晶体及溶液一起送入三足离心机进行离心，离心后的晶体送入烘箱进行干燥，从而得到产品色氨酸。然后按照不同需求进行包装。由于提取方法是离子交换柱法，所得产品色氨酸含量可达到99%，完全能够达到要求，因此不再需要精制步骤。 7.5.4 提取车间布置图
本项目中，提取车间为重点车间，我们需要认真设计，在发酵产率相同的情况下尽量提供提取率，以提高色氨酸产率，降低生产成本，实现效益最大化。该厂的提取车间是借鉴已建成的兄弟工厂，其实际布置图见附录A。
第八章 设备选型
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8.1 重点设备——发酵罐
色氨酸发酵为好氧发酵，则所用发酵罐为通气发酵罐，在前面我们已经初步对发酵罐进行了设计，我们选用的是120m3的六弯叶机械搅拌通气发酵罐。在设计各种规格的发酵设备时，做到设计结构严密，有足够的强度和使用寿命，力求设备内部附件少，表面光滑，注意到要有良好的气枣汽接触和气枣固混和性能，使物质传递，气体换有效地进行。有足够的热交换面积，以保证发酵能在最适宜的温度下进行。重视设备的密封性能以保证灭菌操作。此次发酵罐材质为碳钢。
搅拌器是发酵设备的主要装置，通过搅拌汽体，使新鲜培养基成份、空气、菌丝体充分混合达到传质量和传热效果。目前搅拌器的基本形式有三种：平叶（直叶）、弯叶、箭叶。选用弯叶涡轮搅拌器是因为弯叶蜗轮搅拌器对发酵汽有剪切作用，发酵汽有以向和轴向流动，已直叶蜗轮搅拌器相比，在相同直径、转速、叶宽等条件下，弯叶搅拌器所消耗的功率较小，但效果很好，目前在国内已被普遍采用。
罐内设置的挡板，用于提高搅拌效率，罐内有无挡板直接影响发酵汽翻动的状况，所以罐内按装挡板显得十分重要，根据有关资料对设置的挡板数量的增减及叶宽尺寸的变化测得的数据来看，罐内采用4块或6块挡板，板宽度在1/12-1/10块，对提高搅拌效率最为理想。
发酵气的冷却由立式排管来担负，在罐内排管的连接方面我们作了改进。这主要避免在罐体多开孔，开成死角。这种连续方式在实际使用中得到满意的效果。发酵罐设计图可见附录A。 8.2 主要设备
（1）调浆罐：耐温，圆柱锥底，径高比H=2D，罐规格：20m3；搅拌选用六弯叶涡轮搅
拌器。为保证正常生产，需要3个调浆罐。
（2）维持罐：尽量采用高而瘦的圆柱型，高径比为（5～8）：1，串联形式连接，3个。 （3）连消塔：连消塔的形式有喷孔型、螺旋形、气液混合型等一般，操作条件：培养基
在塔内停留时间，根据实际操作经验，一般取15~20s，而长度在1m至1.5m均可。结构：采用两段加热的混合式连消塔
（4）糖化罐：定100m3，材质：OCr18Ni11Ti或OCr17Ni12Mo2或碳钢衬玻璃钢均可； 搅
拌形式：六弯叶涡轮搅拌器。
（5）板框压滤机：发酵工厂大多采用明流式，因为能直接观察每组板框的工作情况及泄
露情况；滤板和滤框通常为正方形；板框数从10～60块不等；型号：BAY40-635/25明流式油压压紧板框压滤机；过滤面积为：40m2，框内尺寸为635mm×635mm，滤
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