赖糖化发酵车间设计.docx
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赖糖化发酵车间设计
目录
目录1
第一章项目总论2
1我国赖氨酸工业生产状况2
2我国赖氨酸工业生产技术的改进2
2.1合理利用原材料2
2.2利用高产的菌种3
2.3采用先进的工艺技术3
第二章项目的背景和意义5
第三章市场前景分析与建设规模6
1市场优势6
3.1首先从市场需求总体形势来看，全球赖氨酸的提价理所当然6
3.2欧洲市场强于中国的原因6
⑴两地赖氨酸厂家供应情况有较人差异6
⑵两地赖氨酸的进出曰通道没有以前顺畅6
⑶两地需求以及市场购销的差异7
2建设规模8
第四章建设条件与厂址选择9
4.1建设条件9
4.2厂址选择9
第五章工厂技术方案10
5.1产品产量及方案10
5.2经济技术指标10
5.3工艺流程设计11
5.3.1总工艺流程图11
5.3.2工艺条件12
5.4主要技术指标如下所示12
5.5生产中总物料衡算12
5.5.1生产能力12
5.5.2赖氨酸发酵车间的物料衡算12
5.6设备设计与选型15
5.6.1发酵罐15
5.6.2种子罐25
5.6.3空气分过滤器33
5.6.4赖氨酸食品添加剂厂发酵车间设备一览表35
第六章总结36
参考文献37
第一章项目总论
赖氨酸作为人与动物生长、发育所必须的一种氨基酸，L-赖氨酸是人体和动物所不能合成的八种必需氨基酸中最重要的一种，在人及动物的新陈代谢过程中起着非常重要的作用，通常被称为第一限制氨基酸。
赖氨酸作为一种食品和饲料的添加剂，起着平衡营养、能最大发挥食品及饲料营养价值的作用。
食品中添加0.5﹪左右的赖氨酸，可提高食品营养价值50﹪，饲料中添加0.5﹪左右的赖氨酸，可以加速禽畜的生长发育，改良肉质、增加产量、增加产肉率、增强抗病力、节约饲料、增加经济效益。
在医药方面赖氨酸可以作为复方氨基酸的主要组成，治疗蛋白质营养缺乏症。
赖氨酸泛酸盐、赖氨酸乳清盐等可治疗白细胞减少症、肝功能不全、脑血栓等疾病。
1我国赖氨酸工业生产状况
我国赖氨酸工业起步较晚，菌种、生产工艺、设备装置落后，生产规模小，产品成本高。
“六五”期间国内有赖氨酸生产厂几十家，但年产仅几百吨。
“七五”
期间，国家投资兴建4家1000吨饲料级赖氨酸厂，依靠自己的技术力量发展起来的只有广西一家，其他三家之中，一家（大泉）与国外合资，另外两家转产。
广西赖氨酸厂与广西化工生物研究所结成共同体后，进行科技攻关，接受了国家科委下达的“提高赖氨酸产酸率研究项目”。
在科技人员的刻苦钻研下，通过对赖氨酸菌种的选育。
发酵动力学及在线优化控制的研究、发酵工程技术的研究，是工业化生产赖氨酸的主要经济技术指标逐渐接近国际水平，成为我国赖氨酸行业的先驱。
2我国赖氨酸工业生产技术的改进
我国赖氨酸的生产技术仍处于起步阶段，现在随着人们对赖氨酸的逐渐认识，也对赖氨酸的生产起到了推动作用。
国内新兴企业竞相上马生产赖氨酸，仅东北地区就有几家生产赖氨酸，竞争十分激烈。
这些新兴的企业如何以高起点、高技术、提高经济效益来占领国内市场，我想应从以下几方面做好有机结合。
2.1合理利用原材料
应以玉米糖为原料，特别是在东北地区，玉米糖的制备，要用双酶法水解才能制得杂质少、DE值高的水解糖，才有利于发酵。
此外玉米糖有如下优势：
⑴我国种植玉米的地区广泛，尤其东北、华北地区。
⑵使用原料不受季节性限制，工厂可以全年生产。
⑶淀粉糖DE值为98﹪，而糖蜜为58﹪。
氨源以硫酸铵、氨水为主，辅助右击氮玉米浆，毛发水解液发酵效果最好。
有些赖氨酸厂就是通过原料改进，产酸率有所提高。
2.2利用高产的菌种
发酵水平高低，关键在菌种，根据计算在提取率不变的条件下，产酸率媒体高一个百分点，转化率提高两个百分点，赖氨酸的生产成本就降低1﹪～2﹪。
目前，在我国的赖氨酸菌种产算水平比较低的情况下，可以引进国外高产赖氨酸菌种，尽快掌握国外的高产技术，不断开发新菌种，保证产酸率的不断提高。
局限在所掌握的信息，美国的菌种和意大利的菌种比较适合我过的原材料，产酸率高，合适引进。
2.3采用先进的工艺技术
先进、合理的工艺技术是保证生产的稳定、高产、低消耗的关键，一次对于赖氨酸生产的主要工序发酵与提取应采取如下措施：
发酵罐的体积与生产规模的相匹配，发酵罐与之相关的上下游设备如空气压缩机、空气过滤系统、搅拌器应配套使用，做到设备与设备相配套，设备与技术相配套哦啊，才能保证最高的经济效益。
发酵过程应完全自动控制，避免因人工操作失误而引起发酵失败，保证交稿的产酸率，尤其是发酵的主要参数T、P、PH值、风量、流加糖、流加氨的自动控制室保证最经济的原材料消耗的手段之一。
发酵过程中空气压缩机国内普遍采用的事活塞式空压机，这种空气压缩机在汽缸中需要油作为润滑剂，空气中含有油，活塞更换频率高（每年一次）噪声高、占地面积大，而离心式空压机或螺杆式空压机，无油、供气量大、没有脉冲波动、使用寿命长、不易损坏、维修间隔期长、费用低、占地面积小、噪声低、可以群控。
是比较理想的发酵用空压机。
另外，发酵过程的空气净化系统国内传统工艺须将压缩空气冷却至20℃以下，以为旋风分离器除水分的分离效率为65﹪以下，通过降低温度已达到高的分离效果。
且采用丝网除油器的二次雾化比较严重，水雾和油雾的去除率＜20﹪，水雾和油雾的去除好坏直接影响后期无菌过滤的效果，且油雾对发酵有影响，由于水雾除去率低，后期徐较高的加热量和总空气过滤器来保证空气的无水、无油品质，国内的总空气过滤器采用棉花+活性炭+棉花，在使用后期由于大量的杂菌滞留在棉花上，同时过滤介质和气体之间接触不紧密，容易产生短路。
采用这种工艺，系统设备庞大，压降高，能源浪费严重，过滤效果低。
采用Dh的空气过滤系统的特点是空气冷却至30℃，通过水分离器除去水份，除湿效率达到98﹪，通过水雾过滤器水雾去处率达到99.99﹪，通过油雾过滤器油雾的去除率可达到0.5㎎/㎏以下，该系统设备简单，占地面积小，压降低，效率高，节省能源，大大降低空气使用成本。
此外，多明尼克的空气过滤系统还带有为其处理装置，为其处理系统是多明尼克公司的专利产品。
此装置处理发酵罐的尾气进行泡沫分离与普通使用的旋流分离器相比，不但减少逃液的损失，而且提高了发酵罐的装料系数，减少了消泡剂的用量，同时大大提高气液分离后的的效率，从而提高了产量，降低了成本，气液分离后的尾气再经尾气过滤器，避免了菌株的外泄及环境的污染。
提取工序
用连续式提取代替间歇式提取，提取设备用梁旭型离子交换系统（ISEP），ISEP系统能使赖氨酸提取的多级分离步骤同时进行，连续完成树脂填充，赖氨酸的吸附，PH值调节，赖氨酸洗脱，树脂再生氨的回收等单元的操作，大大简化了赖氨酸的提取工艺。
第二章项目的背景和意义
L-赖氨酸是一种人和动物体内自身不能合成的氨基酸，是人体8种必须氨基酸之一，营养学家把它列为“第一缺乏氨基酸”，必须从外界摄取。
植物蛋白中所含的赖氨酸很少它被称为“植物中第一限制氨基酸”，如它缺乏其它氨基酸的利用率将显著降低，导致蛋白质合成障碍，使人和动物的生长发育受到严重影响因此，L-赖氨酸在生物体内代谢中起着重要作用，而被广泛应用到饲料工业，食品工业和医药工业。
目前赖氨酸已成为世界上第二大氨基酸工业，仅仅次于谷氨酸。
全世界的生产能力大约为60～70万吨。
近年由于疯牛病的影响，不准在饲料中添加肉骨粉、血粉等动物蛋白，对赖氨酸的需求出现20％左右的缺口。
我们预计全球赖氨酸到2015年的需求量将达到150万吨以上。
我国是仅次于美国的第二大消费国，2003年的消费量达15万吨左右。
进口接近9万吨，自己生产了5万吨左右。
按饲料工业近年来每年增长8％的速度发展，到2015年我国赖氨酸需求量将达到37万吨以上，成为世界上第一大赖氨酸消费国。
我国赖氨酸产业在1990年—2000年由于技术水平低，因而发展受到限制。
目前，国内外赖氨酸需求的市场又给我国赖氨酸产业带来了难得的发展机遇和扩展空间。
本研究将以吉林市为研究对象，进行玉米淀粉为原料生产L-赖氨酸的工艺设计，以其为吉林省乃至全国赖氨酸产业的推广利用提供理论及实践数据，从而促进该项技术的商业化进程。
该项研究对缓解赖氨酸产品短缺有积极的推动作用。
第三章市场前景分析与建设规模
市场优势
3.1首先从市场需求总体形势来看，全球赖氨酸的提价理所当然
中国在过去10年中绝大部分年份的下半年饲料需求都好于上半年，包括刚刚过去的2009年，根据官方统计，上半年饲料产量低于2008年同期，下半年市场有所好转，全年饲料产量略为增长。
国外市场情况大致接近，欧美等发达国家
在2009年下半年有从金融危机的旋涡中初步恢复的迹象，饲料行业需求明显增加，这从中国2009年下半年赖氨酸的出口情况也可以看出来。
据统计，下半年赖氨酸出口总量较上半年增加50%左右!
由于2009年下半年市场的供应并无明显增加，因此全球范围内赖氨酸生产商出货好转、库存下降，并伴随价格的整体提升是理所当然的。
3.2欧洲市场强于中国的原因
在全球赖氨酸价格总体提升的大背景下，中国市场表现逊色于欧洲许多，我们认为原因主要有3点:
⑴两地赖氨酸厂家供应情况有较人差异
从全球市场来看，国外赖氨酸厂家除了韩国CJ产能在近年进一步扩张之外，其他厂家总体以调整结构为主，一些中小型生产商甚至有退出市场的迹象，总体上产能增加有限，在需求持续增加的情况下，主流厂家开工率偏高。
中国市场虽
然有不少企业陆续进出，但赖氨酸总体产能、产量还是保持较快增长，它意味着国内赖氨酸厂家的开工率总体低于国外厂家，这点在市场价格上涨到一定水平后将会产生不同的影响—前者新增供应有限，不能满足木地需求，而后者厂家的开工率可随时提高，并导致供应价格回落。
⑵两地赖氨酸的进出曰通道没有以前顺畅
欧洲地区一直是中国赖氨酸最主要的出口市场，2005年中国赖氨酸总出口6万吨左右，欧洲占据了50%以上，其中荷兰进口量就占中国总出口的30%以上。
2006年，中国出口量迅速增长并超过11万吨,欧洲的重要性没有丝毫下降，据统计，其中出口到荷兰、比利时、德国等西欧国家占出口总量的32%，以波兰为代表的东欧则为22%。
2007年赖氨酸出口量保持20%以上的增长，该年度仅出口到比利时、荷兰、德国、丹麦等西欧4国就己经超过出口总量的40%.而东欧的波兰进口量就超过1万吨。
2008年赖氨酸出口量创下历史新高，而西欧上述4国占总出口比重依然稳定在40%上，依然是最主要的出口地区。
2009年中国赖氨酸出口受金融危机的影响，总体下跌10%以上，出口到欧洲的数量更是明显下跌，占出口总比重的比例急剧卜降到35%以下。
在此背景下，我们不难理解欧洲市场供应由于中国货源有限，总体比较紧张，而中国市场在出口管道不畅的情况下，主要采取隔靴搔痒的办法，增加向其他地区的出口，强势自然不及欧洲，这点从2010年1月出口数据可以比较清楚地辨别，据海关统计，该月中国共出口赖氨酸及赖氨酸盐11604.0t，平均单价1473.8美元/t，较上月的1362.0美元/t明显提高8.2%,考虑到汇率及9%的出口退税后，出口价格折合人民币大约在13.5元/kg上下，明显高于中国市场12.0元/kg左右的售价，但和欧洲市场1750欧元/t左右的价格相比，差距甚远。
⑶两地需求以及市场购销的差异
从欧洲市场来看，除了饲料需求增长对赖氨酸需求有所提振外，不得不提出，由于全球蛋白质类原料供应紧张、价格持续上升，导致一些饲料企业增加了对赖氨酸的使用，使得其需求一直比较旺盛。
中国市场在2009年秋季需求转好也毋庸质疑，不过在此之前，由于赖氨酸价格长期停留在10～10.5元/kg,在长期趋势看好的情况下，我们了解到一些饲料企业一次性做了2～3月甚至史长时间的库存。
众所周知，随着饲料企业集约化水平的提高，其在赖氨酸购销格局中的市场地位更加重要，而经销商也嗅到近年来不多见的商机，努力增加库存，结果导致赖氨酸厂家库存急速降低、流通环节及终端库存则明显增加，这在此轮上涨中前期利于厂家急速提价，另外，下半年出口的良好表现以及德固赛美国工厂的阶段性意外停产增加了国内生产商的信心，使2009年10月前后部分厂家在提价中更加自信。
我省建设年产3000t赖氨酸食品添加剂项目，可以拉动4653t玉米的转化。
大量玉米的转化，推动了种植业的发展，带动了农业的产业化。
所以赖氨酸食品添加剂的开发，对吉林省的经济发展将发挥巨大的拉动作用，是吉林省的希望所在。
赖氨酸食品添加剂完全国产化的技术和装备，在技术上也是切实可行的。
2建设规模
新建年产为3000吨的赖氨酸生产车间。
采用领先国际水平的生产设备，优秀的科技型人才。
厂区面积大约占20000平方米。
第四章建设条件与厂址选择
4.1建设条件
吉林省具有得天独厚的玉米种植条件，年均产玉米1900万吨。
最近几年有频频创历史新高。
玉米产业发展趋势已势不可挡。
项目对环境的影响：
该项目的生产用水水源为自来水，生产主要原料为玉米，另添加酵母、液化酶、糖化酶等辅料，生产过程中无有毒、有害物质。
生产过程中排出的废气、废水、废渣均采取了有效的处理措施，项目的建设对周边环境产生不良影响较小。
生产废水主要为发酵废醪液及冷凝器冷凝水、设备冷却水、设备和地坪清洗水、锅炉排污等。
冷凝、冷却水经冷却后85%以上循环使用。
生产废水及废醪液在污水处理站利用厌氧发酵——好氧曝气的二步生物处理，达到国家《污水综合排放标准》GB8978-2001一级排放标准后排放。
通过废醪液治理可产生大量的湿糟渣和沼气，湿糟渣和沼气提供给锅炉作为燃料，以节约能量。
废醪液治理产生的污泥添加钙、钾、氮等无机盐后每年可生产有机复合肥2300吨，供种植基地使用。
锅炉渣用于填坑铺路，改善种植区的路况。
废气为锅炉烟气、赖氨酸生产中产生的CO2气体和在赖氨酸发酵废醪液处理中产生的沼气。
锅炉烟气采用除尘效率为90%的高效干式斜多管除尘器除尘，除尘后达标排放。
CO2气体采用中压法工艺进行回收，生产液体二氧化碳。
沼气全部用于锅炉燃料，以节约燃煤。
噪声为设备运行产生的噪声，采取设置吸音、隔声措施降低对环境的污染。
4.2厂址选择
建设赖氨酸发酵工厂根据项目要求，车间选择于吉林北部郊区，南邻吉江高速公路及牤牛河，西为G202公路，东邻黎明路，厂区主导风向为东北风，电由城市电网供电，厂址所用水采用自来水，工厂占地总面积为20000㎡，厂址选在城市的下风口，远离了市区及居民区。
第五章工厂技术方案
5.1产品产量及方案
1、产品品种：
赖氨酸
2、生产规模：
3000t/a赖氨酸食品添加剂
3、发酵成熟时间：
40h
5.2经济技术指标
1、生产方法：
双酶糖化、连续发酵、三塔蒸馏
2、生产天数：
330d，每天工作24h
3、日产量：
9t
4、年产量：
3000t
5、产品质量：
成品赖氨酸
5.3工艺流程设计
5.3.1总工艺流程图
5.3.2工艺条件
一、试验材料
试验材料：
淀粉酶、糖化酶、尿素、高丝氨酸缺陷性谷氨酸棒状杆菌、活性干酵母粉、氨水（或烧碱）、磷酸盐、硫酸镁、钾盐、微量元素、生物素、维生素B1等。
二、仪器设备：
玉米浸渍罐、糖化罐、练消罐、一级种子罐、二级种子罐、空气过滤器、尿素罐、消泡剂罐、通风搅拌发酵罐、等点罐、离子交换罐、赖氨酸结晶罐、贮晶槽。
5.4主要技术指标如下所示
生产规模3000t∕a发酵初糖150％
生产天数330d∕a淀粉糖化转化率98.5–99％
产品质量纯度99％发酵产酸率11％（浓度）
倒灌率1％赖氨酸提取率80％
生产周期48h发酵罐接种量3％
发酵对糖转化率60％商品淀粉中淀粉含量86％
培养菌种耗糖为发酵耗糖的1.5％精制收率95％
5.5生产中总物料衡算
5.5.1生产能力
以年产商品赖氨酸食品添加剂（99％）3000吨，折算为100％的赖氨酸为2970t/a。
日产商品赖氨酸食品添加剂（99％）：
3000/330=9t/d，折算为100％的赖氨酸食品添加剂为9t/d。
5.5.2赖氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg纯度为100%的赖氨酸食品添加剂需耗用的原辅材料及其他物料量。
（1）发酵液量V1
式中150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）
48%——糖酸转化率
80%——赖氨酸提取率
99%——除去倒灌率1%后的发酵成功率
112%——食品添加剂对赖氨酸的精制产率
（2）发酵液配制需水解糖量G1
以纯糖算，
（3）二级种液量V2
（4）二级种子培养液所需水解糖量G2
式中25——二级种液含糖量（kg/m3）
（5）生产1000kg赖氨酸食品添加剂需水解糖总量G为：
（6）耗用淀粉原料量
理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：
式中80%——淀粉原料含纯淀粉量
95%——淀粉糖转化率
（7）尿素耗用量
二级种液耗尿素量为V3
发酵培养基耗尿素为V4
故共耗尿素量为627.5kg
（8）糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量V5
发酵培养基耗糖蜜量V6
合计耗糖蜜69.9kg
（9）氯化钾耗量GKCl
（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量G3
（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4
（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5
（13）植物油耗用量G6
（14）赖氨酸（麸酸）量
发酵液赖氨酸含量为：
实际生产的赖氨酸（提取率80%）为：
3000t/a赖氨酸食品添加剂厂发酵车间的物料衡算结果
由上述生产1000kg赖氨酸食品添加剂（100%纯度）的物料衡算结果，可求得3000t/a赖氨酸食品添加剂厂发酵车间的物料平衡计算。
具体计算结果如表1
物料名称
生产1t赖氨酸食品添加剂（100%）的物料量
3000t/a赖氨酸食品添加剂生产的物料量
每日物料量
发酵液（m3）
15.66
46980
140
二级种液（m3）
0.313
939
2.85
发酵水解用糖（kg）
2349
7.05×107
2.14×105
二级种培养用糖（kg）
7.83
2.35×105
71.18
水解糖总量（kg）
2356.8
7.07×107
2.14×105
淀粉（kg）
2793.7
8.38×107
2.54×105
尿素（或液氨）
627.5
1.88×106
5.70×103
糖蜜（kg）
69.9
2.10×106
635.45
氯化钾（kg）
12.53
3.75×104
626.5
磷酸氢二钠（kg）
3.13
4.70×104
113.9
硫酸镁（kg）
9.58
2.87×104
87
泡敌（kg）
9.4
2.82×104
85
植物油（kg）
23.5
7.05×104
213.6
赖氨酸（kg）
893
2.68×106
8118
表13000t/a赖氨酸食品添加剂厂发酵车间的物料衡算
5.6设备设计与选型
5.6.1发酵罐
（1）发酵罐的选型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐
（2）生产能力、数量和容积的确定
①发酵罐容积的确定：
选用100m3罐
②生产能力的计算：
现每天生产99%纯度的赖氨酸食品添加剂9t，赖氨酸的发酵周期为48h（包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间）。
则每天需糖液体积为V糖。
每天产纯度为99%的赖氨酸食品添加剂9t，每吨100%的赖氨酸食品添加剂需糖液15.66m3
设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。
③发酵罐个数的确定：
公称体积为100m3的发酵罐，总体积为118m3
取公称体积100m3发酵罐4个，其中一个留作备用。
实际产量验算：
富裕量
能满足产量要求
（3）主要尺寸的计算：
取高径比H：
D=2：
1
则有：
H=2D；
解方程得：
取D=4m
H=2D=8m；
封头高：
封头容积：
V封=8.95（m3）
圆柱部分容积：
V筒=100.48m3
验算全容积V全：
V全=V’全
符合设计要求，可行。
5.6.4赖氨酸食品添加剂厂发酵车间设备一览表
赖氨酸食品添加剂发酵车间设备见表2
表23000t/a赖氨酸食品添加剂厂发酵车间设备一览表
位号
设备名称
台数
规格与型号
材料
备注
F301-311
发酵罐
4
φ4000×8000mm
A3钢
专业设备
F321-326
二级种子罐
3
φ900×1800mm
A3钢
专业设备
F331-336
一级种子罐
3
φ400×800mm
A3钢
专业设备
R301-311
发酵罐分过滤器
4
φ1200×1800mm
A3钢
专业设备
R321-326
种子罐分过滤器
3
φ75×520mm
A3钢
专业设备
R331-336
种子罐分过滤器
3
φ22×150mm
A3钢
专业设备
第六章总结
本设计采用初糖浓度达150g/L的一次糖发酵工艺。
这种发酵的优点是操作方便，设备利用率高，赖氨酸浓度高，容易提取，并且要选育出耐高渗透压的菌种。
本设计的重点及难点是物料衡算及设备选型。
根据每天产99%纯度的赖氨酸食品添加剂量及赖氨酸发酵周期可算出每天需糖液体积，并根据糖液体积和发酵罐公称容积的选择可确定发酵罐数。
种子罐与发酵罐对应上料，由于分两批次糖化，因此发酵罐平均每天上2罐，需种子罐3个，发酵罐4个，其中各一个备用。
发酵罐与种子罐都采用机械搅拌通风发酵罐，并都选用六弯叶涡轮搅拌器，其各部尺寸与罐径有一定比例关系。
接管直径的确定，主要根据流体力学方程式计算。
已知物料的体积流量，又知各种物料在不同情况下的流速，即可求出管道截面积，计算出管径。
通过本次课程设计，我了解了赖氨酸食品添加剂工厂设计的工艺流程、设备设计和选型等知识。
许多国家为了避免高浓度糖液对微生物生长的抑制,均采用低糖流加的技术路线,但为了适合我国国情,应采用与国外不同的技术途径,以一次性水解糖的高糖发酵途径,克服初糖高的抑制效应,并且有效的控制发酵的代谢过程。
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