赖氨酸发酵毕业设计Word下载.docx
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3.2.6年产4000t赖氨酸厂热量衡算结果汇总 24
3.3过程水的衡算 25
3.3.1糖化工序用水量 25
3.3.2连续灭菌工序的用水量 25
3.3.3发酵工序的用水量 26
3.3.4提取工序的用水量 26
3.3.5中和脱色工序的用水量 26
3.3.6精制工序的用水量 26
3.3.7动力工序的用水量 26
3.3.8年产4000t赖氨酸水量衡算结果汇总 26
3.4无菌空气消耗量的计算 27
3.4.1无菌空气消耗量计算的方法和步骤 27
3.4.2年产4000t赖氨酸厂无菌空气计算 29
3.4.3年产4000t赖氨酸厂无菌空气衡算结果汇总 30
第四章设备设计与选型 31
4.1设备设计与选型的任务和原则 31
4.1.1设备设计与选型的任务 31
4.1.2设备设计与选型的原则 31
4.1.3专业设备设计与选型的依据 31
4.1.4专业设备设计与选型的程序和内容 32
4.2发酵罐的选型 32
4.2.1发酵罐的选型及容积的确定 32
4.2.2发酵罐个数的确定 32
4.2.3主要尺寸设计 33
4.2.4冷却面积的确定 34
4.2.5搅拌器及搅拌轴功率的设计 35
4.2.6设备结构的设计 37
4.2.7设备材料的选择 40
4.2.8发酵罐壁厚的计算 40
4.2.9接管设计 41
4.2.10支座的选择 43
4.3种子罐的选型 43
4.3.1种子罐容积和数量的确定 43
4.3.2冷却面积的计算 43
4.3.3种子罐壁厚的计算 44
4.3.4设备结构的工艺设计 44
4.3.5支座的选择 46
4.4糖化锅的选型 46
4.4.1设备主要尺寸设计 46
4.4.2设备材料的选择 47
4.4.3糖化锅壁厚的计算 47
4.4.4发酵车间主要设备参数一览表 47
4.5消泡剂贮罐的选型 48
4.6空气过滤器的选型 49
4.6.1发酵罐分过滤器 49
4.6.2种子罐分过滤器 50
4.7部分辅助设备的选型 50
4.8电渗析装置的选型 52
4.9年产4000t赖氨酸厂主要设备一览表 53
第五章厂址选择与工厂总平面设计 54
5.1厂址选择的重要性及原则 54
5.2工厂总平面设计 54
第六章清洁生产与三废处理 57
6.1概述 57
6.1.1清洁生产的定义 57
6.1.2赖氨酸厂污染物的特点 57
6.1.3赖氨酸厂的清洁生产 58
6.2末端治理 58
第七章公用工程概述 60
7.1给排水工程 60
7.2供热工程 61
7.3供电工程 61
第八章车间生产管理制度 62
8.1生产管理概述 62
8.2信息化生产管理 62
8.3赖氨酸厂车间管理制度 63
致谢 64
参考文献 65
附录 67
摘要
赖氨酸（即2,6—二氨基己酸）于1889年首次从酪蛋白水解物中分离得到，是一种人体必需的氨基酸，人体和高等动物体内不能合成。
赖氨酸又是谷类粮食中最缺乏的一种氨基酸，近年来广泛地应用于营养食品，饲料添加剂等方面。
赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。
目前，赖氨酸主要靠发酵法进行工业生产。
常用的发酵法有二步发酵法和直接发酵法。
其中，直接发酵法是更加常用的发酵方法。
整个设计内容包括了解赖氨酸生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程。
根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选型、整个发酵过程的环境保护问题等。
最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图及发酵设备图。
关键词：
赖氨酸；
工艺计算；
设备选型；
工艺流程；
发酵
Abstract
Lysine（2,6-aminocaproicacid）,firstlyisolatedin1889fromacaseinhydrolyzate,isanessentialaminoacidswhichthebodyandhigheranimalscan’tsynthesize.Lysineisanaminoacidthatismostlackingincerealgrain.What’smore,itiswidelyusedinthenutritionalaspectsoffoodandfeedadditivesinrecentyears.Lysineisoneoftheessentialaminoacids,whichcanpromotehumandevelopment,enhanceimmunefunctionandimprovecentralnervoussystemfunction.Theindustrialsynthesisoflysineismainlybyfermentingnow.Therearetwostepfermentationmethodanddirectfermentation.Amongthem,thedirectfermentationmethodismorecommonlyusednow.
Thewholedesignincludestheunderstandingofrawmaterialpretreatmentoflysineproduction,fermentation,themethodsofextraction.Tochoosetheappropriatesectionoffermentationproductionprocessaccordingtotheactualsituation,andtheprocessofrawmaterialsformassbalance,heatSelectionaccountancyandequipment,theentirefermentationprocessandotherenvironmentalissues.Finally,weshoulddrawasectionofthefermentationprocessflowdiagramandlayoutplanandfermentationequipmentdiagram.
Keywords:
lysine;
processcalculation;
equipmentselection;
process;
fermentation
VII
66页，共67页
第一章绪论
1.1赖氨酸简介
L-赖氨酸（L-Lysine，本设计中所提到的赖氨酸都指L-赖氨酸），化学式为H2N（CH2）4CH（NH2）COOH，结构简式如图1.1[1]。
赖氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的20种氨基酸之一。
OH
O
NH2
H2N
图1.1L-赖氨酸化学结构式
L-赖氨酸是人体必需氨基酸之一，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用。
赖氨酸为碱性必需氨基酸,由于谷物食品中的赖氨酸含量甚低，且在加工过程中易被破坏而缺乏，故称为第一限制性氨基酸。
目前，国内外氨基酸的工业生产中，除谷氨酸外，产量最大的就是L-赖氨酸。
1.2赖氨酸的性质
L-赖氨酸是白色或近白色的自由流动结晶型粉末，易溶于水，水溶液为中性偏酸性，难溶于乙醇，在263—264℃熔化并分解。
L-赖氨酸在湿度为60%以下较为稳定，当湿度大于60%时生成二水合物。
在碱性条件或还原糖存在条件下加热分解。
游离的L-赖氨酸极易潮解，由于其具有游离氨基而容易发黄变质，难以长期保存。
L-赖氨酸盐酸盐比较稳定，不易潮解，便于保存，因此，生产上经常将L-赖氨酸转化为L-赖氨酸盐酸盐的形式以利于保存。
1.3赖氨酸的发展现状
L-赖氨酸最初是从蛋白质水解物中分离得到的，蛋白质水解法一般以动物血粉为原料，此法最大的特点是工艺流程简单，但是原料来源很有限，仅适合小规模生产。
此后又出现了化学合成法、水解法，酶法。
直到1960年，日本首先采用微生物发酵法生产赖氨酸。
微生物发酵生产氨基酸是人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制，使其积累大量所需氨基酸。
氨基酸的L-型立体专一性决定了发酵法生产氨基酸较化学合成的工艺更简单、快捷。
我国于20世纪60年代中期开始进行赖氨酸菌株选育和发酵的研究，但因产量较低难以工业化。
直到70年代未80年代初世界赖氨酸实现工业化后我国的研究才取得突破。
目前，世界约2/3的赖氨酸企业采用发酵法生产，生产的为L-型赖氨酸，生产工艺已经基本成熟。
近年来，赖氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80万t赖氨酸通过发酵生产的方式获得。
1.4赖氨酸的作用及缺乏症
赖氨酸的作用包括建立肌肉组织、从创伤或受伤中恢复，并帮助更有效地吸收钙离子。
它还有助于机体产生抗体、酶和激素等物质。
而且，赖氨酸还可用于食品工业与医药工业等，用途广泛。
缺乏赖氨酸的症状包括疲劳，虚弱，恶心，呕吐，头晕，没有食欲，发育迟缓，贫血等。
豆类食物含有丰富的赖氨酸，食物中添加豆类及其制品，可补充谷类中最缺乏的必需氨基酸，即赖氨酸。
1.5赖氨酸的生产方法
1.4.1二步发酵法
又称前体添加法，50年代初开发的二步发酵法以赖氨酸的前体二氨基庚二酸为原料，借助微生物生产的酶（二氨基庚二酸脱羧酶），使其脱羧后转变为赖氨酸。
70年代后，日本采用固定化二氨基庚二酸脱羧酶或含此酶的菌体，使内消旋2，6-二氨基庚二酸脱羧连续生产赖氨酸[2]，改进了这一工艺[8]。
尽管这样，该工艺仍较复杂，现已被直接发酵法取代，很少使用。
1.4.2直接发酵法
一种广泛采用的赖氨酸生产法。
常用的原料为甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜、淀粉水解液等廉价糖质原料[4]。
此外，醋酸、乙醇等也是可供选用的原料。
直接发酵法生产赖氨酸的主要微生物有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌的突变株等3种。
70年代以来，由于育种技术的进展，选育出一些具有多重遗传标记的突变株，使工艺日趋成熟，赖氨酸的产量也得到成倍增长[5]。
工业生产中赖氨酸的最高产率已经提高到每升发酵液100～120g，提取率达到80～90％左右。
1.6赖氨酸的提取与精制
赖氨酸的提取方法主要有盐析法、有机溶剂萃取法、离子交换法和电渗析法。
通常情况下根据被提取物质的理化和生物学特性选择两种方法结合使用，本次设计采用
电渗析法来分离提取赖氨酸。
赖氨酸的精制技术主要包括结晶和干燥技术。
对于生物活性物质，可根据其热稳定性的不同，分别采用喷雾干燥、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥的技术。
其中，冷冻干燥技术广泛应用于蛋白质产品的干燥，但其能耗高、设备复杂、操作时间长且只能分批操作，因此，有待完善和改进，本次设计采用热风干燥。
1.7电渗析的原理
电渗析法又称离子交换膜电渗析技术，是利用可离解基团，在外电场的作用下，经有选择透过性的高分子膜，使各种带电性物质分离的技术[6]，其关键是离子交换膜。
对于不同的应用要求，即使同一类型的离子交换膜也在性能和结构上有很大的差异，所以因应用不同，对离子交换膜也有不同的要求[3]。
在离子交换电渗析中，阳极和阴极之间平行交替地排列着阴离子和阳离子交换膜，形成许多独立的小单元，当加上电压后，含离子溶液在电场下通过这些单元，有的单元里有正离子、负离子可透过阴离子、阳离子交换膜进入另一单元而变成脱盐水，另一些单元中正离子、负离子因电场作用和膜电荷的排斥作用而留在单元里，加上迁移过来的离子生成浓盐水。
在这一过程中，由于电极的还原反应和氧化反应还分别在电极室和电极表面形成氢气、氧气或氯气。
工业上电渗析装置多由几百对膜组成，在实际应用中可根据要求具体设置[8]，电渗析具体过程如图1.2[7]。
赖氨酸分子中同时包含羧基和羟基，因此，赖氨酸为两性电解质[1]。
当赖氨酸溶液pH在其等电点时，赖氨酸以中性分子形式存在，此时，赖氨酸溶液呈电中性，在直流电场的作用下不发生移动；
当赖氨酸溶液的pH大于其等电点时，赖氨酸以碱性的负离子形式存在，在直流电场中可通过阴离子交换膜向阳极移动；
而当溶液的pH小于等电点时，赖氨酸则以酸性的正离子形式存在，在直流电场中可通过阳离子交换膜向阴极移动[1]。
由于赖氨酸具有此种特性，因此可以采用电渗析技术对其进行制备、分离和提纯[7]。
电渗析的优点有：
环境污染小、原料消耗少、能耗低；
设备紧凑耐用，预处理简单；
对原水含盐量变化适应性强；
操作简单，易于实现机械化、自动化；
目前，电渗析技术已经发展成为一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位[7]。
1.8生物工业下游技术的一般工艺过程
生物技术生产的有用物质的提取、精制技术在美国称为生物分离，已发展成化学工程学的一个领域。
相对于采用微生物在发酵液中积累目的产物的发酵过程即上游过程来说，将发酵液中目的产物制成产品的过程，通常称为下游过程。
下游过程中采用的分离提取技术称为下游技术[8]。
由于工业生物技术产品众多，原料广泛，产品性质多样，用途各异，因而分离、提取、精制的技术，生产工艺及相关装备也是多种多样的。
按生产过程划分，生物工业下游技术大致可分为4个阶段，即发酵液预处理、产物的提取（初步分离）、产物的精制（高度纯化）、成品加工。
H2O
NaCl
NaOH
稀NaCl
HCl
OH-
H+
Na+
Cl-
A
C
浓缩室
淡化室
图1.2电渗析原理示意图
A：
阴离子交换膜；
C：
阳离子交换膜
（+）
（-）
第二章赖氨酸的生产工艺流程
2.1赖氨酸生产工艺概述
赖氨酸生产全过程可划分为四个工艺阶段[10]:
（1）原料的预处理及淀粉水解糖的制备；
（2）种子扩大培养及赖氨酸发酵；
（3）赖氨酸的分离提取；
（4）赖氨酸的精制加工。
2.2赖氨酸生产工艺流程图
L-赖氨酸最初是蛋白质（酪蛋白、血纤维蛋白或血浆）的酸水解物中分离得到。
目前L-赖氨酸主要是以微生物发酵法生产。
发酵法通常以各种淀粉水解液或甘蔗糖蜜为碳源，以铵盐、氨或尿素作为氮源进行的[14]，pH值基本维持中性。
一般通过流加氨水或尿素的控制方式来控制发酵液的pH，其生产工艺流程如图2.1。
2.3原料预处理及淀粉水解糖的制备
2.3.1赖氨酸的发酵生产法
发酵法是工业生产赖氨酸最重要的方法。
其原理是利用微生物的某些营养缺陷型菌株，通过代谢控制发酵，人为地改变和控制微生物的代谢途径来实现L-赖氨酸的生产。
目前用于工业发酵生产的菌株主要是棒状杆菌和短杆菌等细菌的各种变异株，其诱变方法是以紫外线、X射线、氮芥和亚硝基酯等为主的处理方法，也有用细胞融合和基因工程等生物工程技术来育种的[9]。
主要原料为淀粉、糖蜜、玉米等淀粉类原料需经糖化转化为葡萄糖后才可用，且发酵液配方中需再补充生物素。
赖氨酸发酵是一种典型的代谢控制发酵。
通过控制培养物中的生物素，L-苏氨酸和L-甲硫氨酸的含量、温度、溶氧量（通风量和搅拌速度）等条件，可使L-赖氨酸产生菌大量积累赖氨酸，可使糖质原料的35%～40%转化成L-赖氨酸，几乎没有副产物。
若控制不当，赖氨酸的生成量减少，发酵液中有乳酸、丙氨酸、缬氨酸等副产物积累。
经过预处理的压缩空气
分过滤器
预过虑、精过滤
种子罐
预过滤、精过滤
发酵罐
浓糖流加
硫铵连消
底料小料连消
液氨
底料、小料
浓糖连消
消泡剂
发酵液贮槽
排风
接
种
硫铵流加
移种
淀粉液化
淀粉液糖化
图2.1赖氨酸生产工艺流程图
发酵液预处理
过滤
加盐酸中和、脱色
将母液再次过滤并进行电渗析
结晶锅中结晶
离心分离
用清水洗涤晶体后干燥
重结晶
赖氨酸成品
放料
赖氨酸发酵时间以16～20h为界，可分为前后两个时期。
前期为生长期，菌体增殖迅速，有少量赖氨酸生成糖和氮的消耗主要用于合成细胞物质及供给菌体的能量代谢；
后期为赖氨酸生成期，菌体生长速度明显减慢[9]，L-赖氨酸大量积累，糖和氮的消耗主要用于合成L-赖氨酸。
但这两个阶段没有谷氨酸发酵那么明显，且工艺控制上也因两个阶段的不同而异[5]。
2.3.2原料的预处理
此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。
用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。
2.3.3淀粉水解糖的制备
在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液即淀粉水解糖。
由于赖氨酸生产菌株不能直接利用淀粉或糊精作为碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。
目前国内外生产上采用的糖化方法主要有：
双酶法、酶酸法、酸法、酸酶法等几种。
与传统酸法水解淀粉相比，酶法具有独特的优点[5]：
可在常温常压和温和酸度下，高效地进行催化反应，简化了设备，改善了劳动条件和降低了成本；
酶催化所需的活化能极低，催化效率远比无机酸高，α-淀粉酶与糖化酶共同作用于淀粉，得到的葡萄糖液DE值达98%以上；
酶水解具有专一性，制得的产品的纯度高；
酶本身是蛋白质，对酸碱度极为敏感，故可简单地采用调节酸碱度、改变反应温度或添加抑制剂等方法来控制反应的进行；
酶的来源广泛，许多动植物和微生物都可作为某些酶的原料；
酶可以回收，重复利用，现在生产中大多使用此法。
2.4种子扩大培养
为了满足工业大生产的需要，必须要有足够量的、活力强的纯的种子。
在赖氨酸发酵中，为了缩短发酵的调整期，一般采用相对高的接种量，为5%～10%。
因此，根据发酵罐规模采用二级或三级种子培养。
①斜面种子的制备
斜面菌种要求纯，绝对没有杂菌和噬菌体污染。
斜面培养基灭菌后，须在30℃保温24h,检查无菌后，放冰箱备用。
培养基：
牛肉膏1%，蛋白胨1%，NaCl0.5%，葡萄糖0.5%（保藏斜面不添加），琼脂2%，pH7.0～7.2。
斜面种子的培养条件为：
30～32℃，培养18～24h。
②种子的扩大培养
培养基应含有丰富的有机氮，不含糖或极少糖，必须利用菌体生长繁殖，而不产酸。
培养基中碳源含量较高时，易生成酸，使培养后期pH降低影响种子的活力。
一级种子的培养基为：
葡萄糖2.0%，（NH4）2SO40.4%，K2HPO40.1%，玉米浆1%～2%，豆饼水解液1%～2%，MgSO4·
7H2O0.04%～0.05%，尿素0.1%，pH7.0～7.2。
培养条件为：
30～32℃，培养15～16h。
二级种子的培养基除以淀粉水解液代替葡萄糖外，其余同一级种子。
温度30～32℃，通风量1:
0.2m3/（m3·
min）,搅拌转速约200r/min，培养时间8～11h。
当采用二级种子扩大培养时，接种量较少，为2%～5%，种龄为12h。
当采用三级种子扩大培养时，接种量较大，约10%时，种龄为6～8h。
接种以对数生长期种子为好。
2.5赖氨酸发酵工艺条件控制
1）温度
幼龄菌对温度很敏感，在发酵前期，提高温度，生长代谢加快，产酸期提前，但菌体内酶容易失活，菌体衰老，赖氨酸产量少。
赖氨酸发酵前期温度控制在32℃，中后期控制在34℃[13]。
2）pH
赖氨酸发酵pH控制在6.5~7.5为好，最好在6.5~7.0,。
在整个发酵过程pH的控制以平稳为好
3）供氧
赖氨酸产生菌是好气性微生物，它们只有在供氧充足的条件下才能生长良好从而合成赖氨酸。
供氧不足时，赖氨酸产量降低；
严重供氧不足时赖氨酸产量很少而积累乳酸。
在赖氨酸发酵的菌体生长阶段，菌体呼吸旺盛，对氧的需求大于产酸阶段[12]，溶氧分压PL控制在0.4×
104~0.8×
104Pa为宜。
当菌体生长进入稳定期后，对氧的需求量降低，PL控制在0.4×
104~0.5×
104Pa，直至发酵结束[2]。
2.6赖氨酸的提取
要从成熟的发酵液中提取赖氨酸，必须对发酵液进行过滤或离心分离除去菌体和无机盐。
从发酵液中提取赖氨酸通常有4种方法，即沉淀法、有机溶剂抽提法、离子交换树脂吸附法和电渗析法[9]。
本次设计采用电渗析法从发酵液中提取赖氨酸。
2.7赖氨酸的精制
（1）浓缩和除氨[2]
用电渗析法提取赖氨酸后，溶液中赖氨酸含量不是特别高，而且，铵离子浓度较高。
因此，需要对溶液进行浓缩和除氨。
可采用中央循环管蒸发器、膜式蒸发器及双效蒸发器进行蒸发，收集蒸发出来的氨气。
（2）赖氨酸盐酸盐的结晶和分离
将赖氨酸盐酸盐浓缩液放入中和罐，边搅拌边加入工业盐酸，调节pH至4.8；
然后将中和液放入结晶罐，夹套内通入冷水，缓慢冷却，使冷却面和液体间的温差不超过10℃，防止局部过饱和而使晶体沉积在结晶罐内壁上。
当溶液温度降至10℃时，保温结晶10～12h。
为了使晶体不太细，结晶过程应控制温度，最低温度最好在5℃左右。
在结晶过程中需适当搅拌以促进晶体的相对运动。
结晶完毕后停止搅拌，用离心机分离，用少量水洗涤晶体表面附着母液。
母液经浓缩后再结晶，直至不能结晶。
所得的晶体为赖氨酸盐酸盐的粗晶体，干燥后即得饲料级赖氨酸盐酸盐，纯度为95%以上。
第三章工艺计算
3.1物料衡算
3.1.1工艺技术指标
（1）赖氨酸发酵工厂发酵车间的发酵工艺技术指标如下表3.1
表3.14000t/a赖氨酸厂发酵工艺技术指标
指标名称
单位
指标数
单位指标数
生产规模
生产方法
年生产天数
产品日产量
产品质量
倒罐率
发酵周期
t/a
4000
发酵初糖
淀粉糖转化率
糖酸转化率
产酸水平
赖氨酸提取率
流加高浓度糖
kg/m390
%
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