色氨酸发酵设计-

江西科技师范学院

发酵工程课程设计报告书

专业：生物工程

班级：2007级1班

姓名：王斌欧清礼庞胜设计题目：色氨酸发酵工艺设计

指导教师：常军博士

2010年11月22日

题目：色氨酸发酵工艺设计

条件：年产量100吨

要求：

（1）分批发酵生产；

（2）主发酵罐的尺寸及附件的设计；

前言

L-色氨酸是含有吲哚基的中性芳香族氨基酸,为白色或略带黄色叶片状结晶或粉末，在水中溶解度1014 g（25℃），溶于稀酸或稀碱，在碱液中较稳定，强酸中分解。微溶于乙醇，不溶于氯仿、乙醚。它是人体和动物生命活动中必需氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起着重要作用，被称为第二必需氨基酸，在生物体内，从L-色氨酸出发可以合成5-羟基色胺的激素以及色素、生物碱、辅酶、植物激素等生理活性物质，可以预防和治疗糙皮病，同时具有消除精神紧张、改善睡眠等功效。另外，由于色氨酸是一些植物蛋白中比较缺乏的氨基酸，用他强化食品和做饲料添加剂对提高植物蛋白质的利用率具有重要的作业，它是继蛋氨酸和赖氨酸之后的第三大饲料添加氨基酸。[1]

目前世界L-色氨酸的年产约为10000多吨，市场增长率超过10%，作为饲料添加剂使用的色氨酸有数百吨，中国主要是高价格限制了她的应用。世界上主要生产厂家是日本的昭和电工、协和发酵和三井化学公司采用发酵方法生产色氨酸，赢创德固赛则兼有发酵法和合成法生产色氨酸。[2]

L-色氨酸的最早生产是靠化学合成法和蛋白质水解法，随着对微生物法生产L-色氨酸研究的不断深入，这种方法已经处于主导地位。微生物法大体上可以分为直接发酵法、微生物转化法和酶法。

目录

1概述 (1)

1.1色氨酸发酵工艺流程 (1)

1.2色氨酸发酵菌种 (1)

1.3发酵过程中的代谢参数 (1)

1.3.1 物理参数 (1)

1.3.2 化学参数 (3)

1.3.3 生物参数 (4)

1.3.4发酵终点的判断 (5)

1.3.5发酵过程的自动控制 (5)

1.4 培养基配方的确定 (5)

1.4.1种子罐培养基配方 (5)

1.4.2发酵罐培养基配方 (6)

1.4.3培养基的灭菌 (6)

2发酵罐及其附属设备 (7)

2.1发酵罐的结构形式 (7)

2.1.1物料衡算： (7)

2.1.2罐的几何尺寸 (7)

2.1.3通气和搅拌 (9)

2.1.4 搅拌器选型和搅拌功率计算 (9)

2.1.5挡板数 (10)

2.1.6传热 (10)

2.2.1空气处理系统 (11)

2.2.1.1空气的预处理 (11)

2.2.2管道及阀门 (13)

2.2.3蒸汽及空气用量 (13)

3部分符号说明 (1)

4总结 (2)

5参考文献 (3)

1概述

1.1色氨酸发酵工艺流程

色氨酸生产菌的选育一般是以大肠杆菌、黄色短杆菌、谷氨酸杆菌等作为出发菌株，通过基因操作定向改造生物合成途径的正常调节。

表1 色氨酸发酵工艺流程图

发酵液

↓板框过滤

滤液

↓树脂吸附与解析

解析液

↓纳滤浓缩

浓缩液

↓洗涤

洗涤液

↓活性炭脱色

脱色液

↓喷雾干燥

精粉

1.2色氨酸发酵菌种

本设计选用E.coli 基因工程菌，其发酵单位为25 g/L

1.3发酵过程中的代谢参数

1.3.1 物理参数

1.3.1.1温度对发酵的影响及调控

大肠杆菌的最适生长温度为37℃，温度过高，会影响产物表达和乙酸等副产物的生产，同时，在基因工程菌高密度培养过程中，温度的变化还与质粒拷贝数的变化有关。

在发酵前期，色氨酸的浓度随着细胞的生长而逐渐提高，但进入生长稳定期后，影响色氨酸合成因素除了细胞生物量外，还有质粒的稳定性。当温度为32℃

时，产酸水平达到最大值，过低或过高的温度均不利于色氨酸的合成；36℃时虽然获得了最高的菌体量，但产酸却不是最高，质粒丢失比较严重；28℃时，质粒基本不会丢失，但过低的温度使菌体生长缓慢，产酸下降。

因此，在本次设计中，色氨酸发酵过程中温度控制策略为：0~16h发酵温度为30℃，16h后缓慢升温至36℃，升温方式为每小时0.5℃，利用发酵罐的温度顺控模式进行自动控制。

表2 色氨酸发酵过程中的温度顺序控制表

时间（h）温度（℃）时间（h）温度（℃）时间（h）温度（℃）0 30 22 32.5 27 35

18 30.5 23 33 26 35.5

19 31 24 33.5 29 36

20 31.5 25 34 45 36

21 32 26 34.5

1.3.1.2泡沫对发酵的影响及调控

发酵过程中因通气搅拌和代谢产生的气体是产生泡沫的原因。产生少量泡沫是正常的，但是泡沫产生过多时会造成大量逃液，发酵液从排气管路或轴封逃出而增加染菌机会，严重时还会影响通气搅拌的正常进行，从而影响菌的呼吸。

调控方法：使用消泡剂同时采用机械强烈震动或压力变化进行消泡。

1.3.1.3发酵罐压力

发酵过程中发酵罐应维持一定的正压力，这样可以防止因外界空气中的杂菌侵入而污染发酵液。同时罐压的高低还与氧和二氧化碳在培养液中的溶解度有关，间接影响代谢。罐内压力一般维持在2×104 ～5×104 Pa。

1.3.2 化学参数

1.3.

2.1溶氧浓度对发酵的影响及调控

大肠杆菌为兼性厌氧菌，在其生长期时需要大量的氧气，但是在发酵过程中，表现出厌氧的性质。所以在发酵前期应保持一定的通风量，在发酵时减少通风量。根据经验值，在大肠杆菌生长阶段，溶解氧浓度为30%，在产酸阶段的溶解氧浓度为20%，有利于菌体的生长及以后的发酵。

调控：氧浓度低，可以增大搅拌功率，增加通气量或选用氧载体等，若氧浓度增高，则减慢搅拌速率，减小通气量，同时控制补料速度。

1.3.

2.2 pH 对发酵的影响及调控

pH 对生产菌的生长具有非常明显的影响，因其影响生产菌的酶活性，改变细胞膜的通透性，影响培养基中某些组分中间代谢产物的解离，从而影响菌体对营养物质的吸收，改变菌体的代谢途径，从而使产物产量下降。

调控：在线检测发酵液的pH ，根据发酵的不同阶段对发酵液PH 值进行调控，在发酵液pH 值不稳定的时候可以选择加简单的酸碱盐，铵盐，或同时加入表3 发酵过程中物理参数的测量方法和意义

名称

测定方法 意义及主要作用 发酵温度/℃或K

温度计 保证生长，繁殖和产物合成 发酵罐压力/Pa 或㎏·m -2

压力计 维持正压，增加溶氧量 空气流量/m 3·min-1或L·min -1

流量计 供养、排出废气 搅拌转速/r·min -1

转速表 使物料和气体混合 发酵液黏度/Pa·s

粘度计 反映菌生长情况 发酵罐装量/m 3或L

液位计 反映发酵生产批量 发酵液密度/g·L -1

加消泡剂/㎏ 密度计 反映发酵液性质 流量计 反映发酵液性质和代谢情况