400吨年l-谷氨酰胺生产工艺的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)

400吨年l-谷氨酰胺生产工艺的设计毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

： 1074mm； 常州大学毕业 设计说明书 第 2 页 共 27 页 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： 天； 全年无霜期： 250 天； 常年平均风速： ； 常年最大风速： （ 10 年平均）。 生产方法，流程特点，技术的先进性和经济合理性 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。 流程特点 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 18 h，再 将菌种加入到一级种子罐中进行培养，培养 7 h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 3 h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 %，发酵 36 h时间， 最后可 得到 发酵液 t， 常州大学毕业 设计说明书 第 3 页 共 27 页 其中 LGln的量为 t。 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。 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 常州大学毕业 设计说明书 第 4 页 共 27 页 产 LGln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 LGln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。 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。 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。 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 ℃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 （ 元 /kW h） 规格 为 380V， 50Hz。 经济分析主要结论 工厂总投资： 万元 工厂成本： 万元 增值税： 万元 所得税： 万元 全年利润： 万元 投资回收期：静态分析法：（ 1）从国民经济角度 年 （ 2）从企业经济角度 年 动态分析法：（ 1）从国民经济角度 年 （ 2）从企业经济角度 年 2 文献评述 简史概述 L谷氨酰胺 (LGlutamine， LGln)是 L谷氨酸的 γ羧基酰胺化的一种氨基酸，其结构式为 NH2OCCH2CH2CH(NH2)COOH，分子量 ，分解温度 185 ℃ ，等电点 ，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 常州大学毕业 设计说明书 第 5 页 共 27 页 的新药 [1]。 LGln是各器官之间氮流动最重要的载体，被称为氮梭。 LGln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]。 LGln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。 LGln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。 工业生产方法的选择和论证 LGln的生产方法可分为 3种：化学合成法、 酶促合成法 和 发酵法。 化学合成法 C5H9NO4(Glu)   423 , SOHOHCH C6H11NO4   32,NHCS C7H20N4O4S2   3NH C7H18N4O3S2   HOAc C5H9N2O3(LGln) C5H9NO4(Glu)   423 , SOHOHCH C6H11NO4   22NHNH C6H13N3O3   镍Raney C6H10N2O3(LGln) 图 2 化学法合成 LGln 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 LGln。 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LGln。 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 LGln。 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， LGln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]。 酶促合成法 酶促合成法生产 LGln是以 NH4+及谷氨酸作原料，经 LGln合成酶 (GS)催化而成，如图 2所示。 OHPiA D PG lnLA T PNHG lu 24    GS 图 3 酶法合成 LGln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 LGln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]。 发酵法 常州大学毕业 设计说明书 第 6 页 共 27 页 发酵法是目前最常用的 LGln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 LGln； 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 LGln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 LGln发酵。 80年代后，我国在实验室小试或中试规模中进行了 LGln发酵法生产，但 LGln产量低。 1977年， LGln年产量达到 100 t； 1990年， LGln年产量上升为 1200 t；截止 至 2020年， LGln每年仅用作药物及健康食品有效成分的需求量就达到 2020 t；目前世界上只有少数几家生产 LGln，均采用发酵法，日本的发酵水平为 60 g/L，韩国为 50 g/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 LGln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。 产品的发展前景 近二十年前，科学家们只知道 LGln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 LGln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 500 t/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 1000 t/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 2020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 设计的生产方法及生产流程的选择与论证 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 加入到一级种子罐中进行培养，培养 7 h 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 3 h 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 常州大学毕业 设计说明书 第 7 页 共 27 页 转化率 %，发酵 72 h 时间，得到 LGln 的量为 t。 该方法属于用 Glu生产菌的代谢调控突变株生产 LGln，是目前较为成熟的生产方法。 一级 种 子培养基组成：葡萄糖 3%~4%，脲 %~%， KH2PO4 %， K2HPO4 3H2O %， MgSO4 7H2O %，玉米浆（ CSL） 3%~4%， ~。 二级 种子培养基组成：葡萄糖 3%~4%，脲 %~%， KH2PO4 %， K2HPO4 3H2O %， MgSO4 7H2O %，玉米浆（ CSL） 3%~4%， ~。 发酵培养基组成： 葡萄糖 14%， KH2PO4 %， MgSO4 •7H2O %， MnSO4 •H2O %， ZnSO4•7H2O %， CuSO4 •5H2O %， 维生素 B1•HCl %， 玉米浆干粉 %， (NH4)2SO4 %， 泡敌 %。 以 7% (NH4)2SO4为氮源通气搅拌 ， 发酵过程中用氨水控制 pH 为 6~7[14]。 分离纯化工艺的选择与论证 本设计提取工段具体为： 发酵料液经絮凝过滤处理后进行 活性炭脱色 ， 脱色后 进行第一次浓缩结晶，溶解晶体进行 电渗析脱盐 ， 然后 通过 阴离子交换柱进行洗脱 ， 洗脱后第二次 浓缩结晶 ， 接着离心， 固体送入干燥器烘干 ， 母液回流 ， 最后出成品。 这套分离纯化工艺的总得率是 73%[15]。 提取工段具体为：第一步，将 絮凝后 发酵料液打入过滤机进 行 凝过滤处理后，用滤液储罐进料泵将滤液泵入滤液贮罐；第二步，用活性炭 脱色 进料泵将滤液泵入活性炭柱中进行活性炭脱色，并将脱色液存入脱色液贮罐中；第三步，用浓缩结晶器进料泵将洗脱液泵入浓缩结晶器中，进行 第一次 浓缩结晶 ；第四步， 用电渗析装置进料泵将脱色液泵入电渗析装置中，将废液排出管道，电渗析液打入电渗析贮罐中脱盐；第四步，用阴离子交换柱进料泵将脱色液泵入阴离子交换柱中，洗脱液打入洗脱液贮罐中；第 五步，用浓缩结晶器进料泵将洗脱液泵入浓缩结晶器中，进行 第二次 浓缩结晶；第五步，浓缩结晶后紧接着用离心机进行离心，将母液用泵泵入母液贮。