400吨年L谷氨酰胺生产工艺的设计毕业设计说明书Word格式文档下载.docx
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导师签名：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性；
技术线路的可行性；
设计方案的合理性
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
建议成绩：
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
二、论文（设计）水平
评阅教师：
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩：
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
教学系意见：
系主任：
年产400吨L-谷氨酰胺生产工艺的设计
摘要：
L-谷氨酰胺是构成人体蛋白质所必需的20种氨基酸之一。
作为体内游离氨基酸中含量最丰富的条件氨基酸，L-谷氨酰胺主要储存在脑、骨骼肌和血液中，且具有很广泛的生理作用。
比较目前国际国内各种L-谷氨酰胺生产方法和工艺流程之后，我们选择黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株发酵生成L-谷氨酰胺，发酵液经絮凝和过滤后，进入活性炭柱脱色，接着进行第一次浓缩结晶，晶体溶解后进行电渗析脱盐，再利用D330树脂进行离子交换，洗脱液输送至浓缩结晶罐中，进行第二次浓缩结晶，通过过滤得到晶体，晶体干燥后得到L-谷氨酰胺成品，总提取率为73%。
本设计在查阅大量资料的基础上，进行了工艺物料计算、能量衡算、设备选型、管道计算、投资估算及经济分析，结果表明总投资为1999.32万元，投资回收期为3.41年。
在此基础上，还绘制了物料流程图、带控制点工艺流程图、车间平面布置图和主要设备条件图。
关键词：
L-谷氨酰胺；
发酵法；
工艺设计；
经济分析
Thedesignof400T/aL-glutamineproductionprocess
Abstract:
L-glutamineisoneofthe20essentialaminoacidsinconstitutinghumanproteins.Asthemostabundantessentialaminoacidsoffreeaminoacidsinhumanbody,L-glutamineismainlystoredinthebrain,skeletalmuscles,bloodandithasawiderangeofphysiologicaleffects.AftercomparingthecurrentinternationalanddomesticL-glutamineproducingmethodsandprocesses,amutantstrainofBrebvibacterium（BrebvibacteriumATCC14067SGR）waschosentofermenteL-glutamine.Afterflocculationandfiltration,fermentationbrothwastransportintoactivecarboncolumntodecolor,thentheeluentwasprocessedbyconcentrationandcrystallizationforthefirsttime.Afterthecrystalsdissolved,electrodialysisdesalinizationwascarriedout.thereactionfluidwasabsorbedbyionexchangeresinD330.ThentheeluentwithL-glutaminewastransportedtotheconcentrationcrystaltankforthesecondconcentrationandcrystallization.Filtertogetcrystals,dry,getfinishedproductL-valine.Theoverallyieldis73%.
Inthispaper,thematerialbalance,theenergybalance,equipmentselection,pipelinecalculation,investmentestimateandeconomicanalysiswereconductedbasedonalargenumberofdocumentsandpapersaboutL-valineproduction.ThefinancialanalysisandevaluationindicatedthatthetotalinvestmentisRMB19.9932millionyuanandtheinvestmentreturmperiodis3.41years.Basedonabovecalculationandanalysis,amaterialflowchart,aprocesschartwithcontrolpoints,afloorplanofworkshopandainstallationofmajorequipmentweredrawn.
Keywords:
L-glutamine;
Fermentation;
ProcessDesign;
EconomicAnalysis
1总论
1.1设计依据
根据常州大学毕业设计任务书，本课题是年产400吨L-谷氨酰胺生产工艺的设计，每年生产300天。
需主要完成发酵罐、种子罐、泵、贮罐等设备的计算以及生产车间的设计。
生产车间设计的好坏决定了能否有良好的操作条件，使生产正常、安全的运行，以及对建设投资、经济效益等都有着极大的影响。
车间主要的设计依据有：
（1）《总图制图标准》（GB/T50103-2001）；
（2）《工业企业总平面设计规范》（GB50187-93）；
（3）过程检测和控制系统用文字代号和图形符号（HG20505-92）；
（4）工业企业厂界噪声标准（GB12348-90）；
（5）自动化仪表选型规定（HG20507-92）；
（6）防静电事故通用导则（GB12158-90）；
（7）工业管道工程施工及验收规范（GBJ235-82）；
（8）建筑设计防火规范（GBJ16－87）；
（9）石油化工企业工艺装置设备布置设计通则（SHJ11－89）。
1.2设计地区的自然条件
建设地点位于常州市郊区，常州有着十分优越的区位条件和便捷的水陆空交通条件，市区北临长江，南濒太湖，沪宁铁路、沪宁高速公路、312国道、京杭大运河穿境而过。
全市水网纵横交织，连江通海。
该地区自然环境优越，空气清新，气候湿润，空气湿度符合空气预处理对空气的要求；
环境温度适宜符合发酵生产要求；
水资源丰富，便于发酵生产；
地处平原，产房设于郊区，环境污染小，交通便利，原料采购方便且价格低廉。
1.2.1地貌、地质
常州地处长江三角洲平原，地形平坦，地面标高一般在4-5.5米（青岛标高）。
工程地址条件较好，土质主要为黏土、亚黏土和沙性土地，土层较厚，地基承载力一般为150-170kPa。
1.2.2水位
设计常年水位（青岛标高）2.7米，设计最低水位0.6米，最高洪水水位4.1米。
1.2.3气候
常州气候属于北亚热带海洋性季风气候，四季分明，温和湿润，年平均气温18.4℃。
夏季一般最高气温35℃，冬季一般最低气温-2℃。
夏季主导风向为东南风，冬季主导风向为西北风。
年平均总降雨量：
1074mm；
年平均湿度：
78%；
常年最大积雪深度：
22cm；
常年最大冻土深度：
12cm；
常年平均雷暴日数：
34.2天；
全年无霜期：
250天；
常年平均风速：
2.5m/s；
常年最大风速：
11.5m/s（10年平均）。
1.3生产方法，流程特点，技术的先进性和经济合理性
1.3.1生产方法
采用黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株进行液体发酵，絮凝过滤、电渗析脱盐、阴离子交换柱、结晶相耦合的方法提取。
1.3.2流程特点
1.3.2.1发酵工段流程特点
图1发酵法生产L-谷氨酰胺发酵工段工艺流程图[1]
以黄色短杆菌ATCC14067为亲本菌株，利用亚硝基胍（NTG）对其进行诱变处理后，在不同浓度磺胺胍的基本培养平板上筛选得到SG抗性突变株。
并在此菌的基础上，进行低糖流加法培养及富集培养、UV和DES诱变处理选育得菌株。
将菌株置于斜面培养基培养18h，再将菌种加入到一级种子罐中进行培养，培养7h的时间；
紧接着将种子液接种到二级培养基继续培养，接种量7%，培养3h的时间；
然后接种发酵罐中进行深层液体发酵，接种量10%，碳源转化率63.6%，发酵36h时间，最后可得到发酵液68.64t，其中L-Gln的量为4.34t。
1.3.2.1提取工段流程特点
图2发酵法生产L-谷氨酰胺提取工段工艺流程图[2]
电渗析脱盐与单阴离子交换柱相耦合提取发酵液中谷氨酰胺的分离工艺，是将发酵液pH调节到谷氨酰胺等电点附近，通过电渗析将其中的无机盐脱除95%左右时，仍然能保证谷氨酰胺收率达到76%，电流效率为85%。
根据谷氨酰胺和谷氨酸等电点差异，电渗析脱盐后的料液再通过单根阴离子树脂交换柱，可以去除其中的谷氨酸等杂质。
与其他提取方法相比，该工艺大幅度地减少了树脂用量，有效地解决了谷氨酰胺在强碱和强酸环境中的转化问题，生产成本明显降低。
谷氨酰胺的总提取收率达到70%左右，且产品纯度符合药典。
1.3.3技术的先进性和经济合理性
本设计采用微生物发酵法，菌种选用黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株，该菌株生产L-Gln具有原材料便宜、发酵周期合理、产量高等优点。
单阴离子交换柱法是目前谷氨酰胺工业化生产的一种新型分离工艺，将其与电渗析脱盐相耦合，与其他提取方法相比，该工艺大幅度地减少了树脂用量，有效地解决了谷氨酰胺在强碱和强酸环境中的转化问题，生产成本明显降低。
该方法生产L-Gln技术成熟，原材料价格低廉，厂房设备以及人力的投入都比较合理，最终产品回收率为73%，产量高，同时产品纯度高达99%，经济效益高。
根据投资估算和经济分析，可知，该生产方法设计较为合理。
1.4车间的组成
工厂车间包括发酵间、反应和分离车间、控制室、更衣室。
1.5生产制度
年操作日300天/年，生产方式：
发酵工段为间歇式操作，生产班数为3班。
1.6车间内水电汽气等公用工程，辅助工程需要量
生产中需要用蒸汽进行预热，使用132.9℃的蒸汽，由厂外供应。
生产中需要的冷却水为自来水，20℃进，27℃出，可以循环使用。
生产中产生的废水通过城市污水管网系统送到污水处理厂进行集中处理。
电（0.86元/kW·
h）规格为380V，50Hz。
1.7经济分析主要结论
工厂总投资：
1999.34万元
工厂成本：
232.64万元
增值税：
578.94万元
所得税：
275.75万元
全年利润：
661.72万元
投资回收期：
静态分析法：
（1）从国民经济角度2.17年
（2）从企业经济角度3.02年
动态分析法：
（1）从国民经济角度2.68年
（2）从企业经济角度3.41年
2文献评述
2.1简史概述
L-谷氨酰胺（L-Glutamine，L-Gln）是L-谷氨酸的γ-羧基酰胺化的一种氨基酸，其结构式为NH2OC-CH2-CH2-CH（NH2）COOH，分子量146.15，分解温度185℃，等电点5.65，属中性氨基酸。
作为20种构成蛋白质的基本氨基酸之一，谷氨酰胺占全身游离氨基酸的一半以上，是机体含量最丰富的氨基酸，在生物体代谢中起着举足轻重的作用，是一种“条件性必需”氨基酸。
自1952年用X光衍射确定了其分子结构后，对它的应用就日益引起人们的关注，被认为是目前所知道的最重要的氨基酸之一，也是一种极有发展前途的新药[1]。
L-Gln是各器官之间氮流动最重要的载体，被称为氮梭。
L-Gln是蛋白质、核酸、嘌呤、嘧啶、氨基酸、氨基糖、谷胱甘肽等生物分子合成的重要前体[3~4]，还是肾脏产氨的前体物质，对维持酸碱平衡起着至关重要的作用[5~6]。
L-Gln可以为小肠粘膜细胞及其它快速生长和分化细胞提供能源。
L-Gln还是蛋白质代谢的重要调节因子，如促进细胞内蛋白质等生物大分子的合成，减少骨骼肌中蛋白质的分解，对于调节应激状态下的细胞代谢和免疫细胞的功能具有重要的意义。
2.2工业生产方法的选择和论证
L-Gln的生产方法可分为3种：
化学合成法、酶促合成法和发酵法。
2.2.1化学合成法
C5H9NO4（Glu）
C6H11NO4
C7H20N4O4S2
C7H18N4O3S2
C5H9N2O3（L-Gln）
C5H9NO4（Glu）
C6H13N3O3
C6H10N2O3（L-Gln）
图2化学法合成L-Gln流程图
目前工业上主要有如图1所示两种化学合成法生产L-Gln。
由化学合成法流程图可见，两种方法均以Glu为原料，采用浓硫酸作为必需的催化剂，经过多步化学反应合成L-Gln。
主要有两种方法:
第一种方法是由Glu甲酯经缩合、加成、成盐、水解、活性炭脱色、重结晶得成品。
另一种方法是采用Glu合成甲酯后，与水合肼反应得酰肼，再用Raney镍将其还原为L-Gln。
合成法使用了大量的化学试剂，在产品中不同程度的会有所残留，L-Gln作为一种口服药，其纯度有较高的要求，使用合成法就限制了产品的质量以及使用范围。
而且采用合成法会对环境造成不良的影响，增加了产品的成本[7]。
2.2.2酶促合成法
酶促合成法生产L-Gln是以NH4+及谷氨酸作原料，经L-Gln合成酶（GS）催化而成，如图2所示。
图3酶法合成L-Gln流程图
与化学合成法相比，酶促合成法反应步骤相对简单，其中三磷酸腺苷（ATP）是必需的。
ATP价格昂贵，同时酶促反应底物NH4+、副产品二磷酸腺苷（ADP）都明显抑制L-Gln的生成，因此该生产方法不能满足大规模工业化生产的需要[8]。
2.2.3发酵法
发酵法是目前最常用的L-Gln生产方法。
1961年，Tsunoda等[9]首先发现，除了Glu以外，在Glu发酵液中还有L-Gln；
1963年，Oshima等[10]通过改变谷氨酸微球菌的发酵条件使Glu发酵转向L-Gln发酵；
70年代，Nakanishi等[11~12]进一步证实了，改变发酵条件可以使Glu产生菌从Glu发酵转向L-Gln发酵。
80年代后，我国在实验室小试或中试规模中进行了L-Gln发酵法生产，但L-Gln产量低。
1977年，L-Gln年产量达到100t；
1990年，L-Gln年产量上升为1200t；
截止至2000年，L-Gln每年仅用作药物及健康食品有效成分的需求量就达到2000t；
目前世界上只有少数几家生产L-Gln，均采用发酵法，日本的发酵水平为60g/L，韩国为50g/L；
我国目前只有少数几家以发酵法生产，生产规模较小，生产能力远不能满足市场需求，药品级L-Gln主要依赖进口。
本设计选用发酵法，具有原料来源广泛、生产成本低、产品质量可控、产物单一等优点，适宜于大规模工业化生产。
2.3产品的发展前景
近二十年前，科学家们只知道L-Gln的存在但并不十分了解它的作用。
一般将其视为治疗消化道溃疡药物之一。
但是十多年来这种情况有了巨大的改变[11]。
由于一系列的突破性发现，科学家们认为L-Gln是“不可或缺的非必需氨基酸”，它已经成为发展新型药物、临床治疗及运动营养保健的重要材料。
国内的医保药“谷参肠安”（四川成都蓉信医药科技有限公司），其主要成分谷氨酰胺，辅之以人参、茯苓等中药。
据估计，在消化道系统药物中谷氨酰胺的用量为500t/年以上。
在动物细胞培养生产新型生化药物及疫苗方面，谷氨酰胺作为原料，用量（去除热原的谷氨酰胺）早已超过1000t/年，且呈继续快速增长趋势。
在特殊营养保健品方面，谷氨酰胺对保护肌肉有明显作用，并能提高人体的激素水平。
目前，世界各国已广泛使用由L-谷氨酰胺、L-精氨酸、D-核糖等配伍而成的运动营养制剂，对提高运动成绩有着一定的作用。
在日本和欧美的发达国家把谷氨酰胺结晶（或粉末）胶囊、片剂或瓶装饮料作为营养保健品出售，这部分的用量每年约2000多吨。
综上所述，该行业正处于快速成长期，需求量大，有商机，最重要的是，通过设计研发出一种低成本，高产量的工艺流程，满足不同消费群体需求，造福各个收入人群。
3工艺叙述部分
3.1设计的生产方法及生产流程的选择与论证
3.1.1生产菌种的选择与论证
本设计以黄色短杆菌ATCC14067SGR突变株为供试菌株，葡萄糖为原料、玉米浆为辅助材料，发酵工段具体为：
以黄色短杆菌ATCC14067为亲本菌株，利用NTG对其进行诱变处理后，在不同浓度SG的基本培养平板上筛选得到SG抗性突变株[13]。
生产天数300天，共生产150个周期，先将置于斜面培养基培养的菌株加
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