1、江西科技師范學院發酵工程課程設計報告書 專業： 生物工程 班級： 2007級1班 姓名： 王斌 歐清禮 龐勝 設計題目： 色氨酸發酵工藝設計 指導教師： 常軍 博士 2010年11月22日題目：色氨酸發酵工藝設計條件：年產量100噸要求：（1）分批發酵生產；（2）主發酵罐的尺寸及附件的設計；前言L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,為白色或略帶黃色葉片狀結晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25），溶于稀酸或稀堿，在堿液中較穩定，強酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人體和動物生命活動中必需氨基酸之一，對人和動物的生長發育、新陳代謝起著重要作用，被稱為第二必需氨基酸，在生物體內，從

2、L-色氨酸出發可以合成5-羥基色胺的激素以及色素、生物堿、輔酶、植物激素等生理活性物質，可以預防和治療糙皮病，同時具有消除精神緊張、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比較缺乏的氨基酸，用他強化食品和做飼料添加劑對提高植物蛋白質的利用率具有重要的作業，它是繼蛋氨酸和賴氨酸之后的第三大飼料添加氨基酸。1目前世界L-色氨酸的年產約為10000多噸，市場增長率超過10%，作為飼料添加劑使用的色氨酸有數百噸，中國主要是高價格限制了她的應用。世界上主要生產廠家是日本的昭和電工、協和發酵和三井化學公司采用發酵方法生產色氨酸，贏創德固賽則兼有發酵法和合成法生產色氨酸。2L-色氨酸的最早生產是靠化

3、學合成法和蛋白質水解法，隨著對微生物法生產L-色氨酸研究的不斷深入，這種方法已經處于主導地位。微生物法大體上可以分為直接發酵法、微生物轉化法和酶法。目錄1概述11.1色氨酸發酵工藝流程11.2色氨酸發酵菌種11.3發酵過程中的代謝參數11.3.1 物理參數11.3.2 化學參數31.3.3 生物參數4發酵終點的判斷5發酵過程的自動控制51.4 培養基配方的確定5種子罐培養基配方5發酵罐培養基配方6培養基的滅菌62發酵罐及其附屬設備72.1發酵罐的結構形式7物料衡算：7罐的幾何尺寸7通氣和攪拌92.1.4 攪拌器選型和攪拌功率計算10擋板數11傳熱11空氣處理系統12空氣的預處理12管道及閥門1

4、3蒸汽及空氣用量143部分符號說明14總結25參考文獻31概述1.1色氨酸發酵工藝流程色氨酸生產菌的選育一般是以大腸桿菌、黃色短桿菌、谷氨酸桿菌等作為出發菌株，通過基因操作定向改造生物合成途徑的正常調節。表1 色氨酸發酵工藝流程圖發酵液 板框過濾濾液 樹脂吸附與解析解析液 納濾濃縮濃縮液 洗滌洗滌液   活性炭脫色脫色液 噴霧干燥精粉1.2色氨酸發酵菌種本設計選用E.coli 基因工程菌，其發酵單位為25 g/L1.3發酵過程中的代謝參數 物理參數.1溫度對發酵的影響及調控大腸桿菌的最適生長溫度為37，溫度過高，會影響產物表達和乙酸等副產物的生產，同時，在基因工程菌高密度培養過程中，

5、溫度的變化還與質?？截悢档淖兓嘘P。在發酵前期，色氨酸的濃度隨著細胞的生長而逐漸提高，但進入生長穩定期后，影響色氨酸合成因素除了細胞生物量外，還有質粒的穩定性。當溫度為32時，產酸水平達到最大值，過低或過高的溫度均不利于色氨酸的合成；36時雖然獲得了最高的菌體量，但產酸卻不是最高，質粒丟失比較嚴重；28時，質粒基本不會丟失，但過低的溫度使菌體生長緩慢，產酸下降。因此，在本次設計中，色氨酸發酵過程中溫度控制策略為：016h發酵溫度為30，16h后緩慢升溫至36，升溫方式為每小時0.5，利用發酵罐的溫度順控模式進行自動控制。表2 色氨酸發酵過程中的溫度順序控制表時間（h）溫度（）時間（h）溫度（）

6、時間（h）溫度（）0302232.527351830.523332635.519312433.529362031.52534453621322634.5.2泡沫對發酵的影響及調控發酵過程中因通氣攪拌和代謝產生的氣體是產生泡沫的原因。產生少量泡沫是正常的，但是泡沫產生過多時會造成大量逃液，發酵液從排氣管路或軸封逃出而增加染菌機會，嚴重時還會影響通氣攪拌的正常進行，從而影響菌的呼吸。調控方法：使用消泡劑同時采用機械強烈震動或壓力變化進行消泡。.3發酵罐壓力發酵過程中發酵罐應維持一定的正壓力，這樣可以防止因外界空氣中的雜菌侵入而污染發酵液。同時罐壓的高低還與氧和二氧化碳在培養液中的溶解度有關，間接影

7、響代謝。罐內壓力一般維持在2×104 5×104 Pa。表3 發酵過程中物理參數的測量方法和意義名稱測定方法意義及主要作用發酵溫度/或K溫度計保證生長，繁殖和產物合成發酵罐壓力/Pa或·m-2壓力計維持正壓，增加溶氧量空氣流量/m3·min-1或L·min-1流量計供養、排出廢氣攪拌轉速/r·min-1轉速表使物料和氣體混合發酵液黏度/Pa·s粘度計反映菌生長情況發酵罐裝量/m3或L液位計反映發酵生產批量發酵液密度/g·L-1加消泡劑/密度計反映發酵液性質流量計反映發酵液性質和代謝情況 化學參數.1溶氧濃度對發酵的

8、影響及調控大腸桿菌為兼性厭氧菌，在其生長期時需要大量的氧氣，但是在發酵過程中，表現出厭氧的性質。所以在發酵前期應保持一定的通風量，在發酵時減少通風量。根據經驗值，在大腸桿菌生長階段，溶解氧濃度為30%，在產酸階段的溶解氧濃度為20%，有利于菌體的生長及以后的發酵。調控：氧濃度低，可以增大攪拌功率，增加通氣量或選用氧載體等，若氧濃度增高，則減慢攪拌速率，減小通氣量，同時控制補料速度。.2 pH對發酵的影響及調控pH對生產菌的生長具有非常明顯的影響，因其影響生產菌的酶活性，改變細胞膜的通透性，影響培養基中某些組分中間代謝產物的解離，從而影響菌體對營養物質的吸收，改變菌體的代謝途徑，從而使產物產量下

9、降。調控：在線檢測發酵液的pH，根據發酵的不同階段對發酵液PH值進行調控，在發酵液pH值不穩定的時候可以選擇加簡單的酸堿鹽，銨鹽，或同時加入碳氮源等方法來調節發酵液pH值。在本設計中，主要加入氨水來調節pH值。.3 CO2對發酵的影響及調控CO2對生產有抑制作用，當CO2濃度過高時將嚴重抑制菌體的生長， 影響產物的合成。同時CO2濃度過高生成大量的HCO3-，使溶液pH值降低，影響生產菌細胞膜通透性，從而影響產物產量。調控：調整攪拌速率與通氣量，定時檢測CO2 的釋放率。表4 發酵過程中化學參數的測量方法和意義名稱測定方法意義及主要作用酸堿度（pH）pH傳感器反映菌體的代謝情況溶解氧/mg&#

10、183;L-1溶氧傳感器反映氧的供給和消耗情況排氣氧濃度/Pa氧傳感器了解氧的消耗情況氧化還原電勢/mV電勢傳感器反映菌體的代謝情況排氣二氧化碳/紅外吸收了解菌體的呼吸情況氨基酸濃度/mg·mL-1取樣測定了解氨基酸的變換情況總糖和還原糖/g·L-1取樣測定了解糖的變化和消耗情況前體或中間體/ mg·mL-1取樣測定了解產物合成情況無機鹽濃度（Fe2+,NH4+）/mol或取樣測定了解無機離子對發酵的影響 生物參數.1菌體濃度對發酵的影響及調控菌體濃度的大小和變化速度對菌體的生化反應都有影響，更是對發酵產物的得率有著重要的影響。根據發酵產物產率P=QPmC(X)Q

11、Pm最大生成速率：C(X)菌體濃度3得出，菌濃度越大，產物的產量也就越大。但是如果菌體濃度過高，就會產生營養物質消耗過快，發酵液營養成分發生明顯變化。同時由于菌體濃度過高，發酵液粘度增加，溶氧量減少，進一步影響發酵的進行。調控：定時抽取發酵液，測量OD值。依靠調節發酵液各成分的的比例，將菌體濃度控制在合適范圍內，避免產生過濃的菌體量。.2基質溶度對發酵的影響及調控即發酵液中碳、氮重要營養物質濃度，他們的含量對生產菌的生長和產物的合成由著重要影響。若碳源過高，則容易造成較低的pH，抑制菌體生長，碳源不足，則容易引起菌體的衰老和自溶。若氮源過高，會是菌體生長過于旺盛，pH偏高，不利于代謝產物的積累

12、，氮源不足，則菌體繁殖量少，從而影響產量。調控：定時抽取發酵液，測定碳、氮等基質的濃度。.3染菌對發酵的影響及調控發酵過程中應嚴格防止污染雜菌，雜菌會造成發酵液營養物質的迅速消耗，同發酵菌產生競爭作用，降低產量。若是在發酵后期污染少量雜菌，則影響不大。調控：定時抽取發酵液進行檢測，檢查是否有雜菌污染。主要方法有：平板劃線培養或者斜面培養檢查法，顯微鏡檢查法，肉湯培養法。發現發酵液被雜菌污染，視發酵階段不同，處理方法也不同：若在種子培養期染菌，則經滅菌后棄之，然后對種子罐、管道等進行仔細檢查及徹底滅菌；若發酵前期染菌，則可將培養基重新滅菌，再接入種子進行發酵；若中后期染菌，如輕微染菌，則加入適當

13、的殺菌劑或抗生素及正常的發酵液等。發酵液中一般加入50µg/ml的四環素。發酵終點的判斷發酵時間需要考慮經濟因素，以最低的成本來獲得最大生產能力的時間為最適發酵時間。放罐過早，營養成分得不到有效利用，對成本造成浪費；放罐過晚，菌體自溶，加大后期產物的分離純化的難度，還會使產品的產量降低。一般判斷放罐時間的主要指標有產物濃度、氨基氮、菌體形態、pH值、培養液的外觀、粘度等。發酵過程的自動控制自動控制系統由控制器和被控對象兩個基本因素組成。發酵過程采用的基本自控主要有前饋控制，反饋控制和自適控制。本設計采用反饋控制。原理：被控過程的輸出量X (t)被傳感器檢測，以檢測量Y(t)反饋到控制

14、系統，控制器使之與預定的值r(t)（設定點）進行比較，得出偏差e，然后采用某種控制算法根據這一偏差e確定控制動作U(t)4。1.4 培養基配方的確定種子罐培養基配方表5 種子灌培養基配方葡萄糖硫酸銨玉米漿豆餅水解液MgSO4·7H2OFeSO4·7H2OKH2PO4MnSO4.H2OPH3%0.5%4.0ml2.0ml0.04%0.001%0.1%0.001%7.07.2發酵罐培養基配方表6 發酵培養基配方（g/l）葡萄糖130玉米漿22ml豆餅水解液25ml(NH4)2SO440Phe0.15Tyr0.15MgSO4·7H2O0.4MnSO4·H2O0

15、.01FeSO4·7H2O0.01VB1100µgVH50µg培養基的滅菌對于液體培養基，我國仍采用蒸汽加熱滅菌的較多。本設計采用薄板換熱器連續滅茵流程。培養液在設備中同時完成預熱、加熱滅菌、維持及冷卻的過程。待滅菌培養液的預熱過程同時為滅菌培養浪的冷卻過程，節約了加熱蒸汽及冷卻水的消耗5。2發酵罐及其附屬設備2.1發酵罐的結構形式物料衡算：已知相關參數：色氨酸的年產量：G= 100（噸）；發酵平均單位：25000 u/ ml； 一年的工作天數：T1=300（天）；發酵周期：T2=2天；發酵周期=每罐批發酵時間+輔助時間；輔助時間=進料時間+滅菌操作時間+移種時間

16、+放罐壓料時間+清洗檢修時間。所以，發酵周期數：N =T1 / T2= 150(個)提煉總收率：60%6每個發酵周期所產生的色氨酸的量為：g=G/N=100/150=0.67 t每個發酵生產周期所需發酵液體積為：V=0.67 t/25000 u/ ml=26.67 m³因總提煉率為0.6所以每個發酵生產周期中所需的發酵液體積為：VT=26.67/0.6=44.45 m³罐的幾何尺寸罐中的培養液因通氣和攪拌會引起液面上升和產生泡沫，因此罐中實際裝料量不能過大，一般取裝料系數為0.60.75。 取裝料系數為0.75 ,則需發酵罐體積為：V0=V/=44.45/0.75=59.2

17、6 m³則相對應得工業上所需發酵罐的體積應取60 m3。由于工業上發酵罐的容積多在5000L以上，大至200000L。因此我們選用10m³的發酵罐，故每個發酵生產周期所需發酵罐臺數：N罐=60 / 10=6（臺）(1)發酵罐實際年產量：G=100×60/59.26=101.24 噸/年(2)每個發酵罐的所需發酵液量：V=44.45/6=7.41 m3發酵罐尺寸確定發酵罐體部分的尺寸有一定的比例，罐的高度與直徑之比一般為1.74倍左右。新型的高位發酵隨高度與直徑之比在10倍以上，其優點是大大提高了空氣的利用率，但是壓縮空氣的壓力需要較高，原料不易混合均勻，廠房高，操

18、作不便。 確定發酵罐直徑和高度標準式發酵罐的筒體高度和直徑比：D < 1.2m時，一般H / D=1.72; D >1.2m時，一般 H / D = 24。發酵罐的容量一般指圓筒體的體積加橢園形底的體積。V0 = VC + VbVc=(/4) D2 HVb =0.785D2H1.5D3式中：V0-發酵罐全容量，m3；VC-筒體體積，m3；Vb-橢園底體積，m3；H-橢園直邊高度，m。因此： V0 = VC + Vb= (/4) D2 H+ 1.5D3取 H/D = 2V0 = (2/4)D3 + 1.5D3 = 3D3 可知：D=1.5m則有：H=2D=3.0 m Di=1/3D=

19、0.5 m S=3Di=3×0.5=1.5 m C=Di=0.5 m B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m ha=0.25D=0.25×1.5=0.375 m S1=1.5Di=0.75 m不同設備的厚度不同，可取30 mm、40 mm、50 mm。根據我們的發酵設備。取hb=30 mm。h=ha + hb =0.375+0.03=0.405 m 發酵罐圓筒壁厚的計算a計算發酵設備圓筒壁厚的一些參數如下：計算壁厚：PDi/ 2at-P 式中：-計算壁厚，m；P -計算壓力，kgf/cm2；Di-內徑，m；at-設計溫下的許用應力；- 焊封系數(與焊接方法及無

20、損探傷有關)，取0.85；設計壁厚設壁厚+壁厚附加量C式中：C = C1 + C2；C1-鋼板負偏差(質星加工偏差系數)；C2-腐蝕量(每年腐蝕的量)。b計算發酵設備橢圓封頭壁厚的一些參數如下： + C -名義壁厚，查鋼板樣本，m；-有效壁厚，=-C。GB 150-89鋼制焊接壓力容器，許用應力標準為：at137Mpa（150）。c計算結果圓筒壁厚：橢圓封頭壁厚：許用壓力：P=1.704MP。通氣和攪拌(1)通氣要求由于大腸桿菌是兼性厭氧菌，在生長階段是需要大量的氧氣，而在產酸階段，需氧量下降，因此要求有一定的通風量。在設計及安裝吸風塔時應注意：空氣壓縮機吸風盡量減少壓力損失；來源空氣盡量要求

21、潔凈，減少壓縮機氣缸的摩擦。所以在設計時，考慮一下兩個方面來解決發酵時對吸風塔的要求：a吸風塔進氣管至空氣壓縮機一段的管路，要求直管連接，避免彎管或多彎管。b地面以上10 m之外的高度含塵埃量及微生物含量均在百萬級以上。因而吸風口高度應高出地面10 m以上。(2)發酵罐發酵過程需要的壓縮空氣量根據某些湖北武漢某家色氨酸發酵廠給出的數據，在菌種生長階段，以3 L/min的通風量通氣，在菌種產酸階段，以2 L/min的通風量通氣。 攪拌器選型和攪拌功率計算發酵罐的攪拌器一般都采用具有圓盤的渦輪攪拌器, 攪拌葉的型式有平葉、彎葉、箭葉三種, 通常有六個葉片均勻排列在圓盤上。我國普遍采用六彎葉或六箭葉

22、園盤渦輪式, 本設計因罐小要求加強軸向混合, 故選用六平直葉園盤渦輪式。攪拌器功率計算不通氣時的攪拌功率：P=NpN3Di5選用的攪拌器械為圓盤六平直葉渦輪，根據資料可知，發酵罐物料流動屬湍流，圓盤六平直葉渦輪的Np6.0，Di=0.5 m。根據廠家提示，攪拌轉速選取500 r/min，液體密度選取4.6 g/L。P0=NpN3Di5=6.0×0.55×(5000/60)3×4.6=498.73 KW校正后的實際功率：P實= 705.30 KW根據一般攪拌器之間的距離 S = 3 Di攪拌器個數=發酵罐筒體高度/攪拌器間距：3.0/(3.0×0.5)=2

23、(個）故取兩個攪拌器，二個攪拌器的功率一般為單個的1.5倍,則P實=705.301.5=1057.95 KW通風條件下攪拌軸功率計算在通風情況下, 攪拌功率將下降, 在通風速度大于30m3/ h時, 攪拌功率僅為不通風的40%。則 P實=1057.950.4=423.18 KW。故現取電動機功率500 KW。發酵罐的能量消耗機械攪拌通風發酵罐能量消耗主要包括攪拌器電的消耗、蒸汽消耗和壓縮空氣消耗。其中壓縮空氣為耗能工質，視為消耗能源。攪拌器電的消耗計算攪拌器電功率為500KW，其年電耗為：（年運轉率=0.765）發酵罐年電耗=年運轉率×年工作日×24小時×P實=0

24、.765×300×24×500=2.75×106 KWh擋板數擋板可以有效地阻止罐內液體的圓周運動，減少或阻止液體下凹現像。培養液在擋板的作用下會產生小旋渦，這些旋渦隨主體流動遍及整個副產品養液中，提高了混合效果。 一般選取全擋板。選用擋板寬度：B=0.1D=0.1×1.5=0.15 m根據全擋板的計算公式：B/D=0.4/mb 得擋板塊數：mb=4塊傳熱發酵罐的傳熱裝置有夾套、內蛇管、外盤管。一般容積較小的發酵罐采用夾套為傳熱裝置，所以本設計選用夾套為傳熱裝置。通常將發酵過程中產生的凈熱稱為發酵熱，其熱平衡方程可如下表示： 換熱面積發酵熱效應

25、Q熱= QpV液Q熱-發酵熱效應,KJ/h；Qp-發酵熱，17500KJ/m3h（L-色氨酸）V液-發酵液體積，m3。則 Q熱= 17500(100.75)=1.3125105 KJ/h。(1)冷卻水量計算發酵過程, 冷卻水系統按季節氣溫不同, 采用冷卻水系統也不同，為了保證發酵生產, 夏季必須使用冰水。冬季：采用循環水進口水溫15, 出口水溫20；夏季：采用冰水進口水溫10, 出口水溫20。冬季冷卻用循環水用量計算：（取裕量系數1.2）=7.5噸/小時取8噸/小時夏季冷卻用循環水用量計算：W2=3.75 噸/小時取4噸/小時(2)冷卻器面積計算Q-發酵熱效應,KJ/h;夾套的傳熱系數通常為6

26、301050 KJ/(m2·h·)，取傳熱系數K為850 KJ/(m2·h·)。tm對數平均溫差： m2空氣處理系統.1空氣的預處理(1)空氣預處理系統及除菌設備無菌空氣是微生物呼吸的氧源，大量的無菌空氣是整個發酵生產過程的首要條件?？諝膺^濾器能防止空氣把雜菌帶入發酵過程，保證發酵從接種到放罐的整個過程為純種培養。而且在進入總過濾器之前要把壓縮空氣中夾帶的水滴、油滴除去。因此空氣在進入空氣總過濾器之前一定要經過降溫、除水、除油的預處理。(2)空氣預處理系統的設備流程吸風塔前置過濾器空氣壓縮機空氣貯罐第一冷卻器旋風分離器第二冷卻器旋風分離器絲網除沫器空氣加

27、熱器總過濾器進入車間發酵罐上空氣過濾器.2空氣過濾器空氣除菌流程應按實際發酵生產對無菌空氣的要求而定。例如發酵條件所要求的無菌程度、空氣壓力、溫度和濕度等，并結合采氣環境的空氣條件和所用除菌設備的特性而制定?？諝膺^濾器尺寸計算設計通風量為136.5 m3/min空氣過濾器，選用直徑df16 m的棉花纖維，填充系數8，空氣流速0.1 m/ s，空氣壓強為392 kPa(絕對壓強) ，進入過濾器的空氣含菌量是5000個/ m3，發酵周期為48 h，要求倒罐牢為0.1，工作溫度30。查得過濾常數K13.5 /m。(1)計算過濾層厚度L：L=每批發酵通風過濾前含菌總數為：N1=5000×13

28、6.5×60×48=1.97×109(個)過濾后含菌數為N210-3 個/m3 代入上式計算的L =0.67 m。(2)計算過濾器直徑D：進口空氣壓強P198070Pa過濾工作壓強P2392000Pa通風為136.5m3/min=2.28m3/s 過濾器空氣流量Q2：Q2=0.590 m/s因此，過濾層直徑(即過濾器內徑)D：D=2.24 m管道及閥門在發酵工業生產過程中，管道與閥門的滅菌比發酵罐要難。而且各類閥門的使用數量要比發酵主體設備要多，在閥門處還有可能產生滅菌死角，所以在實際的生產過程中，應對它們的關注要比發酵罐多，防止閥門本身出現的滴、漏、跑以及其他脫桿掉頭的現象發生。在安裝管道及閥門時，應注意盡量避免拐角、連接，減少產生滅菌死角的幾率。蒸汽及空氣用量蒸汽消耗（一個發酵周期內）（1）直接蒸汽混合加熱蒸汽消耗量計算D1=(1+)式中：D1-蒸汽消耗量，kg/h；G-被加熱料液量，已知，59.26 m3；C-料液比熱容，取C=4.2 KJ/kg；t2-加熱結束時的料液溫度，取120t1-加熱開始時的料液溫度，取35i-蒸汽焓，0.4MP蒸汽焓為2717KJ/kg-熱損失，取5%噸(2)滅菌保溫時間內的蒸汽用量D2D2=0.5D1=8.640.5=4.32噸(3)蒸汽總用量DD = D1 + D2=12.96 噸發酵罐發酵過程需要的壓縮空氣量