【文档说明】L-丝氨酸酶法生产工艺放大试验_8课件.ppt，共(41)页，3.499 MB，由小橙橙上传

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L-丝氨酸酶法生产工艺放大试验目录•概述•制药工艺路线及研究阶段•原材料及产品的主要技术规格•生产流程简述•发酵工艺放大优化•分离纯化放大与优化•产品的检验与分析•主要设备的计算•种子罐•发酵罐•离子交换罐研究内容：L-丝氨酸•概述L-丝氨酸是一种脂肪族极性α氨基酸。L-丝氨酸是组成蛋

白质的常见20种氨基酸中的一种，是哺乳动物的非必需氨基酸，也是生酮氨基酸。在自然界中也有D-丝氨酸，如丝原蛋白中。在一些抗生素中也有D-丝氨酸。符号：S。•学名：2-氨基-3羟基丙酸。•英文名：L-Serine，缩写：L-Ser，•分子式：C3H7NO3，结构式

：CH2OHCH(NH2)COOH，分子量：105.09。•结构式：•药理作用：•磷脂酰丝氨酸补充剂能增加大脑皮层中的神经传递质乙酰胆碱的产量，乙酰胆碱与思维、推理和注意力集中有关联。磷脂酰丝氨酸也能刺激多巴胺的合成和释放。磷脂酰丝氨酸似乎和大脑对压力的反应有关联

。一项临床研究发现，在针对健康人施加压力的实验中，服用磷脂酰丝氨酸的人群对于压力的反应要比其他人群低。压力反应是通过衡量血液中促肾上腺皮质激素水平得出的，促肾上腺皮质激素是由脑下垂体分泌的一种激素，它随之促进肾上腺分泌应

激激素皮质醇。磷脂酰丝氨酸主要用于治疗痴呆症（包括阿兹海默症和非阿兹海默症的痴呆）和正常的老年记忆损失。国内外的生产情况•L-丝氨酸的主要生产方法有以下四种。•蛋白质水解法：L-丝氨酸在丝胶蛋白中的含量丰富，蚕茧衣中含量为13.64%，因此，可用水解蚕茧衣制取。•添加前体发酵

法：L-丝氨酸在生物体内代谢运转速度极快，直接发酵法生产困难。一般采用添加前体的发酵法。添加的前体主要有甘氨酸、甘氨酸三甲内盐或甘油酸，其中以甘氨酸为前体的已工业化。产生菌可分为两类：异养型和甲基营养型细菌。•化学合成法：DL-丝氨酸可有以羟基乙醛为原料的合成法等

，然后再拆分得L-丝氨酸。•酶法：利用丝氨酸羟甲基转移酶催化甲醛和甘氨酸（Gly）可逆的合成L-Ser，反应过程中SHMT需PLP和四氢叶酸（THFA）作为其辅因子，由于主要原料来源广泛、价格低廉，并可合成高浓度的产物，因此该法是目前最有应用前景的L-Ser生产方法。•

鉴于化学合成法和酶法各自的优势,可将二者结合起来,即先用化学合成法制备出DL-丝氨酸,将其氨基乙酰化,再用固定化酶法进行拆分。现用于氨基酸拆分的酶主要是氨基酰化酶,通常将酶固定在DEAE-葡聚糖凝胶A-25

、碘乙酰纤维素或聚丙烯胺凝胶上。将固定化酶均心地装入柱内,底物(乙酰化氨基酸)溶液在合适的柱温、pH条件下以一定的速度通过酶柱即可。过程如下：7用途与发展前景•L-丝氨酸虽属于非必需氨基酸但具有许多重要的生理功能和作用,因此,在医药、食品、化妆品中均有较为广泛的应用。丝氨酸是重要的自然保湿因子

(NMF)之一,皮肤角质层保持水分的主要角色,因此是很多高级化妆品中的关键添加剂,只是因其价格限制了它在化妆品中的应用。•L-丝氨酸广泛用于配置第三代复方氨基酸输液和营养增补剂，并用于合成多种丝氨基酸衍生物，如心血管、抗癌、爱滋病新药及基因工程用保护氨

基酸等。•抗衰老作用。•食品：L-丝氨酸用于运动饮料、氨基酸减肥饮料等。•饲料：L-丝氨酸用于动物饲料，可促进动物生长发育；制备工艺路线发酵过程•原材料及产品的主要技术规格•培养基：LB培养基•蛋白胨10g•酵母浸出液5g•氯化钠5g水1L•发酵流程•1.将LB培养基共0.2

5m3放入0.3m3的种子罐配料罐中，待搅拌均匀后，用泵打入种子罐中，种子罐用138℃水蒸气进行夹套加热灭菌（使培养基从25℃升至121℃），再用冷却水使之冷却到37℃，接入菌种后培养到对数期待用。2022/11/15•2．在12m3的发酵罐配料罐中加

入8.35m3的LB培养基，开启搅拌待混匀后，用泵打入发酵罐中，进行灭菌，用138℃水蒸气先进行间接加热（使培养基从25℃升至90℃），再用蒸汽直接加热（使培养基从90℃升至121℃），然后用冷却水使

之冷却到37℃，待用。•3.将种子罐中的料液放入发酵罐中发酵14h，再用离心机进行离心分离，收集菌体，废液放入贮罐中。2022/11/15发酵放大主要过程示意图2022/11/15•生产原料•氢氧化钠溶液用量66040L浓度1M•盐酸用量66040LpH=2•无水乙醇

用量2080L•去离子水用量99060L•717型离子交换树脂用量49530L•产品的主要技术规格•生产规模：80吨/年•生产方法：717型离子交换树脂离子交换层析后，进行浓缩，之后添加乙醇结晶，离心分离•生产天数：300天•生产周期：1天•生产方式：间

歇生产分离纯化所需原材料及产品的主要技术规格•生产流程简述:•本设计采用离子交换层析对两种氨基酸（L-丝氨酸和L-甘氨酸）进行分离。•基本流程：•反应液→离子交换层析→浓缩→结晶→过滤干燥→产品•反应过程:发酵结束后收

集菌体，菌体沉淀中加入蒸馏水制成菌悬液，细胞破碎后加入5-磷酸吡哆醛（PLP，终浓度为2mmol/L），37℃温育24h。然后加入四氢叶酸（终浓度为25mmol/L）、甘氨酸（终浓度为2mol/L）、37％的甲醛溶液（终浓度为50mmol/L）进行酶反应72

h2022/11/15•离子交换层析过程•采用717型离子交换树脂，将其装入离子交换罐，保证其密实。然后用氢氧化钠水溶液处理（溶液浓度为1M，体积为66040L）使离子交换柱呈碱性，处理完之后上样。上样后，L-丝氨酸和L-甘氨酸吸附在交换树脂上，可用酸性溶液洗脱，本设计采用

pH=2的Hcl溶液洗脱，用量为66040L，洗脱前需要用去离子水洗涤，最终可得氨基酸溶液为16510L，其中L-丝氨酸为6934L。•结晶过程•离子交换层析完毕后，对料液进行浓缩。采用蒸汽加热，可将料液浓缩至原体积的1/10。•浓缩过程：•待浓

缩液冷却后，加入208L无水乙醇，使L-丝氨酸结晶，最后离心烘干可得产品267kg/天。年操作日为300天。•简述:717型离子交换树脂→装入离子交换罐→用氢氧化钠溶液处理→上样→用去离子水洗涤→用Hcl溶液洗脱→浓缩→冷却→加入无水乙醇→结晶→离心过滤→烘干→产品2022

/11/15•工艺分离•生产条件:•已知L-丝氨酸的小试纯化工艺为：717型离子交换树脂用1M的NaOH溶液处理成OH-型，水洗至中性后装柱（三根Φ25×500mm的柱子）。对第一根柱子上样，上样结束后水洗。然后连接另2根柱子，用pH=2的H

cl洗脱，分别收集只含L-丝氨酸、L-甘氨酸，以及同时含这两种氨基酸的洗脱液。假设一个柱子的体积为V，已知NaOH溶液用量为4V，洗涤水用量为2V，洗涤液用量为4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，含L-丝氨酸的洗脱液体

积为0.42V。将含L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入3倍体积的无水乙醇，将晶体（湿含量15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为77%。年操作日300天，生产方式：间歇生产。•水蒸气138℃，冷却水由27℃进，37℃出。

•物料衡算•已知柱子Φ25×500mm，一个柱子的体积为V，已知NaOH溶液用量为4V，洗涤水用量为2V，洗涤液用量为4V，其中含氨基酸的洗脱液体积为1V，含L-丝氨酸的洗脱液体积为0.42V。将含L-丝氨酸的洗脱液浓缩液浓缩至原体积的1/10，加入3倍体积的无水

乙醇，将晶体（湿含量15%）离心烘干，L-丝氨酸的分离得率为77%。年操作日300天。2022/11/15•离子交换罐•小试生产时：g539.2105024178.0024178.077.00314.0mol0314.0157.02.0V2.0157

.0157000500220V-L32得丝得丝甘丝mmolnnnLmmL放大后：2022/11/15L95761651058.0V58.0VL69341651042.0V42.0VL99060165106V6VL16510V

VL66040165104V4VL66040165104V4105160mL495303105160157.0V105160539.251067.251067.2t267.030080HclNaoHV

放大甘放大丝放大水放大样品放大放大放大倍数放大总放大倍数丝记：倍gm•浓缩罐：•离心机：•能量衡算：查表得：L4.6936934101V101V丝丝，缩2

080.2L693.43V3V丝，缩乙醇KgCKKgKJCmp/KJ2258100)/(2.4C10011,水的气化潜热：水的比热容：KgKJCKKgKJCmp/2116:138)/(901.1C13

822,水蒸气的气化潜热水蒸气的比热容：•浓缩罐•采用间接蒸汽加热至沸腾（加热蒸汽为138℃）•根据能量守恒定律得：•其中：•代入公式：•求得:•ƞ=5%~10%，取10%•即:水蒸气的估计用量为7341Kg.21121,1

09C水蒸气水物mmTTmmp7281Kg1000105165100.269346934Kg16934水物水丝水丝物mVmmmm2116693410922582

7-1002.47281水蒸气mgmK6674水蒸气gmmK734166741.11.1水蒸气蒸汽，实•冷却器•假定物料冷却至37℃•根据能量守恒定律得：•其中•ƞ=5%~10%，取10%121m

p,321mp,CCttmTTm冷凝水料Kgmmm10401000105165102.06934101101丝氨酸水料2737371001040冷凝水mKgm5512冷凝水得：K

gm606355121.1冷凝水，实•主要设备的计算•离子交换罐的计算•选择反吸附离子交换罐•已知离子交换树脂总体积：•离子交换罐高径比（H/D）为3，即•树脂层高度占圆筒高度的50%,即•圆整得•浓

缩罐设计•进料体积：6934T•选择搪玻璃蒸发器10m3HG5-38-79L49530V放大总3/DHL49530V4DH5.02放大总3.47m34.7dmD10.5m3DH3.5mD•冷却器•假设冷却时间为0.5

h,即t=0.5h•查表得•换热系数：K=830~1250kJ/(m2·h·℃)取K=1000kJ/(m2·h·℃)•对数平均温度•根据换热面积选型得列管式石墨换热器HG5-1320-80•换热面积为20.7m2•有效管长为4000mm•根数为61•筒径为400mm

CtTtTtTtTmt8.28273737100ln273737100ln23122312AmttKATTm8.285.01000371002.41040C321mp,料211.19mA•离心机•已知

离心机分离物料为固液混合，所以采用过滤离心机.•其中•所以离心机所需容积•假设离心分5次进行，则每次进料量为554.7L•其中丝氨酸浓缩液每次进料138.7，乙醇进料416L。•选用SS1800过滤离心机•其转速为510r/m

in•有效容积为660L•过滤面积为2.7m2•外形尺寸为L2.20804.6933V3V丝，缩乙醇L6.27732.20804.693VVV,乙醇缩丝离心机mm120018002350储罐：高位槽•①NaOH总体积为66040L，分3个高位槽安放。•选型为F2

5000HG/T2374-98•公称容积为25000L•实际容积为27790L•直径D为2800mm•高度H为5379mm•液位计直径为65/50mm•②HCl总体积为66040L，分3个高位槽安放。•选型为F25000HG/T2374-98•公称容积为2500

0L•实际容积为27790L•直径D为2800mm•高度H为5379mm•液位计直径为65/50mm•③洗脱水体积为99060，分4个高位槽安放•选型为F25000HG/T2374-98•实际容积为27790L•直径D为2800mm•高度H为5379

mm•液位计直径为65/50mm•④无水乙醇体积2080L•选型为F3000HG/T2374-88•公称容积为3000L•实际容积为3337L•直径D为1450mm•高度H为2933mm•液位计直径为65/50mm•废液储罐•已知此液总体

积为16510L•选用搪玻璃卧式储罐型号为HG/T237594•公称容积为20000L•实际容积为22332L•直径D为2400mm•长度L为5374mm•液位计直径为65/50mm产品的检验与分析•检验原理：•纸层析法是利用各物质不同的分配系数，使混合物随流动相时而得到分离的方

法。•纸层析法是以滤纸作为惰性支持物的。滤纸纤维与水亲和力较强，而与有机溶剂亲和力弱，所以纸层析以滤纸纤维和结合水为固定相，以有机溶剂为流动相。当有机相沿滤纸流动经过样品点时，样品点上的溶液在水相和有机相之间进行分配，样品移动速率与样品的极性及水亲和力有关，因此，极性氨基酸移动较慢，而非极性

氨基酸移动较快。2022/11/152022/11/15在一定的条件下某种物质的Rf值是常数。Rf值的大小与物质的结构、性质、溶剂系统、层析滤纸的质量和层析温度等因素有关。产品的检验与分析•实验器材与试剂•（1）实验器材：硅胶板，层析缸，毛细管，铅笔，展开剂，显色剂•（2）实验试剂•

展开剂:正丁醇：丙酮：氨水：水（10：10：2：1）100ml指示剂:茚三酮—丙酮（1→50）20ml•（3）待测溶液：L-丝氨酸反应液•实训步骤：•1.试剂准备:展开剂以及茚三酮显色剂配制。•2.划线:用铅笔在硅胶板上距末端一厘米出轻轻画一横线。2022/11/15•3.点样用毛细管分别

吸取待测样品溶液，在横线上轻轻点样，分别点三次。注：点完一次之后等到残余溶剂渗入之后再点样，点样不宜太多，否则会降低Rf值，斑点直径控制在2毫米，不宜超过5毫米。同时点样点之间距离在一厘米左右，防止边

缘效应。硅胶板在空气中放置时间要尽量短，否则会因吸潮而降低活性。•4.展层将点了样的硅胶板放在盛有展开剂（约0·5cm）的展开槽中。距离硅胶板上端二厘米处取出硅胶板。注：展开剂不能超过一厘米出画的线。由于毛细管作用，展开剂在硅胶板上缓慢前进，样品由于与展开剂的亲和力不同而分离。•

5.显色展开好后，取出，晾干，用装有茚三酮的喷雾器进行喷雾显色，多数在日光下可找到色点。用铅笔将各斑点框出，并找出斑点中心，用小尺量出各斑点到原点的距离和溶剂前沿到起始线的距离，然后计算出样品的比移值2022/1

1/15•“三废”治理及综合利用•废水处理•各类废水将经厂区污水站预处理达标后，可纳入污水管网，进污水处理厂集中处理，达标排放。•厂区生产废水预处理工艺图：2022/11/15调节池1气浮池生产浓废水旋转隔栅厌氧池中间水池兼氧池污

泥回流出水污泥浓缩池外排集水池排入管网污泥干化、外运预处理后的各类生活污水配水—综合调节池调节池2生产稀废水旋转隔栅沼气收集及净化沼气储存两级好氧终沉池噪声、固废污染防治•（1）噪声•对高噪声设备如风机、水泵等进行消声、隔声处理，污水提升泵站在泵房内隔音。

•（2）固废•应按照固体废物的性质进行分类收集和暂存。本项目所有废物都必须储存于加盖密闭容器中。各种脚料及母液用钢质容器储存，脱水渣也采用聚氯乙烯容器储存。•发酵液板框压滤废渣干燥后可做生物复合肥原料综合利用；粗品溶解滤渣主要成分为硅藻土，干燥

后也可做生物复合肥原料综合利用。2022/11/15•对蒸馏残液以及废活性炭等危险固废，对其进行焚烧处理。烟气高空排放。•项目燃煤锅炉煤渣可外卖综合利用，由砖瓦厂制砖或用于铺路等。•厂区职工产生的生活垃圾

，可由环卫部门外运填埋处理。•具有刺激性、恶臭物料的包装材料储存于容器中并加盖密闭。•废包装箱、捆绑材料等则应及时收集，室内分类存放，可回收综合利用的尽量回用，少量不能回用的，应进行去毒或无害处理后一并由环卫部门外运填埋处理。2022/11/15主要设备：种子罐•不锈钢种子罐广泛用于

微生物生长的一种反应设备。在种子罐（发酵罐）中各种微生物在适当的环境中生长,新陈代谢和形成发酵产物。种子罐广义的理解为存储或产生种子的容器，发酵设备目前已广泛地用于制药、味精、酶制剂、食品等行业。•适用于酸奶及乳酸菌饮料母液发酵、酿造、佐料、制药、化工及真菌

培植，其作用可加热、保温及冷却，为全封闭卫生型发酵专用设备。2022/11/152022/11/15主要设备：发酵罐•发酵罐，指工业上用来进行微生物发酵的装置。其主体一般为用不锈钢板制成的主式圆筒，其容积在1m3至数百m3。在设

计和加工中应注意结构严密，合理。能耐受蒸汽灭菌、有一定操作弹性、内部附件尽量减少（避免死角）、物料与能量传递性能强，并可进行一定调节以便于清洗、减少污染，适合于多种产品的生产以及减少能量消耗。•用于厌气发酵(如生产酒精、溶剂)的发酵罐结构可以较简单

。用于好气发酵(如生产抗生素、氨基酸、有机酸、维生素等)的发酵罐因需向罐中连续通入大量无菌空气，并为考虑通入空气的利用率，故在发酵罐结构上较为复杂，常用的有机械搅拌式发酵罐、鼓泡式发酵罐和气升式发酵罐。2022/11/152022/11/15主要设备：离子交

换罐•离子交换法主要是基于一种合成的离子交换剂作为吸附剂，以吸附溶液中需要分离的离子。•在提取过程中，生物制品从发酵液中吸附在离子交换树脂上，然后在适宜的条件下用洗脱剂将吸附物从树脂上洗脱下来，达到分离、浓缩、提纯的目的

。•工作原理就是离子的交换。•运行时：阳树脂(H-R)+(M+)-->：(M-R)+(H+)•阴树脂(OH-R)+(X-)-->：(X-R)+(OH-)•其中M+为金属离子，X-为阴离子。•再生过程为其逆过程。•离子交换器常见故障及解决方法：•离子交换器

在环境介质的作用下会引起破坏和变质，即我们常说的腐蚀。离子变压器腐蚀的形态，可分为全面（均匀）腐蚀和局部腐蚀两大类。前者较均匀的发生在设备的全部高分子复合材料治理离子交换器腐蚀•表面，后者只是发生在局部，

例如孔蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀破裂、腐蚀疲劳、氢腐蚀破裂、磨损腐蚀、脱层腐蚀等，特别是石油、化工行业以及海洋大气环境尤为突出。•针对离子交换器腐蚀的问题，频繁更换设备部件是企业通常采用的方法，但设备受材质及加工工艺等方面的影响，

价值普遍较高。2022/11/15谢谢观看