安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）
第七章 主要车间设计
7.1 概述
色氨酸的生产主要经过以下4个重要工序：
（1）制糖：淀粉原料的糖化，使淀粉转化为可发酵性糖，调pH；
（2）色氨酸的发酵：利用色氨酸高产菌在适宜的发酵条件下发酵，生产色氨酸； （3）色氨酸的提取； （4）精制。
与这四个工艺阶段相对应，在色氨酸生产厂设置糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，设置锅炉房，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还需设置水泵房，所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。 7.1.2 制糖
因为色氨酸生产菌不能直接利用淀粉，需经糖化后生成葡萄糖，然后利用葡萄糖生产发酵。而可以用来制备淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类（山芋、木薯）、玉米、大米、小麦等含淀粉原料。但是因为考虑到含淀粉量和原料价格，我们采用淀粉含量较高、成本价较低的玉米作为原料[7]。玉米收购价大概在4元/公斤，且除去水分外，含淀粉约80%。玉米作为原料，先要经过预处理（主要是粉碎），然后液化、糖化。这些都是在糖化车间完成的。 7.1.3 色氨酸的发酵
色氨酸发酵过程：灭菌后的色氨酸培养液在流量监控下进入色氨酸发酵罐，经过罐内冷却蛇管将温度冷却至32℃ ，置入菌种，氯化钾、硫酸锰、消泡剂及维生素等，通入消毒空气，经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行。色氨酸发酵是一个复杂的微生物生长过程，色氨酸菌摄取原料的营养，并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，将反应物转化为色氨酸产物。整个发酵过程一般要经历3个时期，即适应期、对数增长期和衰亡期。每个时期对培养液浓度、温度、PH值及供风量都有不同的要求。因此，在发酵过程中，必须为菌体的生长代谢提供适宜的生长环境。经过45至48小时的培养，当产酸、残糖、光密度等指标均达到一定要求时即可放罐。这些发酵过程均在发酵车间完成，为了实现产业效益最大化，发酵过程的控制有着至关重要的作用。[9]
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曾华辉：年产1000吨色氨酸发酵工厂设计
7.1.4色氨酸的提取[12]
L-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。L-色氨酸的生产方法有多种，其中以发酵法最具发展前途。因此提高发酵液中L-色氨酸的产率，并将其提取精制出来，采取有效措施提高其收率是目前急待解决的问题。
本文着重研究了从L-色氨酸发酵液中提取L-色氨酸的工艺条件，详细讨论了各个分离纯化步骤和操作条件。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％。 7.1.5 精制
色氨酸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，只需要包装即可。 7.2 糖化车间 7.2.1糖化工艺的选择
糖化工艺的选择：采用双酶法（α-淀粉酶和糖化酶）生产葡萄糖，可提高淀粉原料的转化率及糖液浓度，改善了糖液质量，是目前最为理想的制糖方法。 7.2.2工艺流程简述：
在配料罐，用工艺循环水（温度50-55℃）把淀粉调到12-18’Be，pH用硫酸或者磷酸调至5.0-6.0，并加入0.2-0.25%氯化钙，作为淀粉酶的保护剂和激活剂，加入0.2%耐高温α-淀粉酶，聊也搅拌均匀后用泵把粉浆打入到液化喷射器，在喷射器中粉浆和蒸汽瞬间接触，温度自动控制在105-110℃，从喷射器中出来的液料，经过3-5min的高温维持后进入闪蒸罐，温度降到95-100℃，然后进入层流罐保温60-120min，DE值达到12-18%后，与糖化终了料液进行热交换进入糖化罐温度降低至58-62℃，并用酸调节pH至4.4，加入0.2%糖化酶保温30h，用无水酒精检测无糊精存在时，将料液pH调至4.8-5.0，同时将料液加热与液化料进行热交换至80℃，然后降温至60℃，添加0.15%助滤剂，视料液情况添
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加活性炭，搅拌1小时开始过滤。
7.2.3糖化工艺流程图以及设备流程图：
图7-2 糖化工艺流程
图7-3 液化工艺设备流程图
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7.2.4糖化工艺技术参数
表7-2糖化工艺技术参数
液化工艺参数 调浆浓度 耐高温淀粉酶量
PH 温度 时间 灭酶温度 灭酶时间 液化DE
30-35% 0.25% 6.0~6.4 105~1100C 60--120 min 115~1200C 5~10min 12~18%
糖化工艺参数 糖化酶量 PH 温度 时间 灭酶温度 时间 糖化DE
0.25% 4.2~4.5 58~62C 25h 850C左右 5~10min 96%~98%
0
脱色参数
脱色PH 脱色时间
4.8~5.2 0.5~1h
7.3 发酵车间 7.3.1 发酵工艺简述：
糖化车间制备的糖化液和其他营养成分：工业淀粉、生物素等按要求配制成培养基，定容。经连消系统灭菌，降温至接种温度后进行接种。接着接种：菌种先经过一级种子扩大培养，再经过二级种子扩大培养后菌种量达到要求后再进入发酵罐进行接种，发酵。发酵时间为45h，发酵过程中通过流加液氨控制pH，通过冷却系统（冷却塔和冷机）控制温度，流加糖液控制残糖量，通过无菌空气控制通气量。发酵结束后，经泵进入发酵液贮罐，供提取车间用。发酵单位为30mg/L。 7.3.2发酵工艺流程图：
消泡剂 葡萄糖液 消泡剂 水 水 无机盐 配料罐 定容罐 配料罐 无机盐 玉米浆 玉米浆 维生素 发酵性
发酵糖 二级种子罐 蒸汽混合器 糖 实消 维持罐
降温 换热器 消泡剂
斜面 一级种子 培养 发酵罐 高浓度糖
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发酵菌种：大肠杆菌工程菌株（高产基因工程菌）。可利用葡萄糖为原料直接发酵生产L-色氨酸，糖酸转换率可达15%以上，发酵周期为40到48小时之间，发酵周期较短，工艺简单，适合大规模生产。发酵单位稳定在30mg/L左右，单位生产成本较低，该技术处于国际先进水平。 7.3.4发酵温度控制：采用分段控制
色氨酸发酵过程中的温度控制策略：0～16h发酵温度为30℃，16h后缓慢升温至36℃，升温方式为每小时提高0.5℃，利用发酵罐的温度顺控模式进行自动控制
表7-3 色氨酸发酵过程中的温度顺序控制表
时间h 温度℃
0 30
18 30.5
19 31
20 31.5
21 32
22 32.5
23 33
24 33.5
25 34
26 34.5
27 35
28 35.5
29 36
45 36
采用分阶段温度控制策略可使色氨酸产量达到最大值（30.19 g/L），比恒定温度（33℃）下最高产量（26.15 g/L）提高了15.4%；且色氨酸的比合成速率（1.07 h-1）比恒定温度（33℃）下最高比合成速率（0．88 h-1）提高了21.6%；质粒稳定性增加，未出现质粒丢失现象，质粒拷贝数保持在恒定水平[19]。 7.3.5发酵罐的初步设计
每天需发酵罐容积（填充率为75%）=176.42÷75%=235.23 m3，根据发酵罐容积选择原则，我们是新建工厂，应尽量减少设备数量，在技术管理水平允许的范围内，尽量取较大容积发酵罐，为满足需要，我们选择单罐公称容积为120 m3的六弯叶机械搅拌通气发酵罐。则每天需要120 m3的发酵罐N0=235.23/120=2个，此次项目中，色氨酸发酵周期为45h。共需要发酵罐数N=（235.23×45）/(120×24)=3.68个，即是4个。且每天应有2个发酵罐出料，每年工作300天，实际产量检验算：（120×75%）×2×300÷52.82=1022.3t，设备富裕量为（1022.3-1000）/1000=2.23%，能满足生产需要。综上所述，需要4个120m3的发酵罐，每天都有2个发酵罐出料。 7.3.6发酵罐尺寸计算
封头折边忽略不计，发酵罐近似计算式为：V0=π/4×D2H+0.15D3 根据常用机械搅拌通气发酵罐尺寸本次设计中
H/D=3，即H=3D，
带入V0=π/4×D2H+0.15D3=120， 得D=3630mm。
查表：中国人民共和国行业标准椭圆形封头JB/T4737-95，可得直边高度Hb=50mm。但在实际生产中，我们需要考虑Hb，则发酵罐全体积：
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