產(chǎn)萬噸賴氨酸車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)

1、海南大學(xué)生物工程專業(yè)生物工藝課程設(shè)計(jì)說明書題 目： 年產(chǎn)6000萬噸賴氨酸車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì) 學(xué) 號： 姓 名： 年 級： 11級 生物工程 指導(dǎo)教師： 王 新 廣 老師 完成日期： 2014 年 05 月 28 日 目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)書32 設(shè)計(jì)說明書52.1 項(xiàng)目概述52.2 原材料選擇82.3 生產(chǎn)方法82.4 生產(chǎn)流程簡述92.5 工藝計(jì)算152.6 主要設(shè)備選型及一覽表192.7 廢料處理222.8 總結(jié)222.9 設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)23設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課程設(shè)計(jì)的性質(zhì)與目的生物工程課程設(shè)計(jì)是一門以生物工藝學(xué)、生物工程設(shè)備以及相關(guān)科學(xué)理論和工程技術(shù)為基礎(chǔ)的、綜合性與實(shí)踐性很強(qiáng)的應(yīng)用性工程訓(xùn)練。

2、課程設(shè)計(jì)旨在加強(qiáng)學(xué)生對本課程及相關(guān)課程理論及專業(yè)知識的理解和掌握，訓(xùn)練并提高其在理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程繪圖、資料文獻(xiàn)查閱、運(yùn)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范及計(jì)算機(jī)應(yīng)用等方面的能力；同時(shí)，為其它專業(yè)課程的學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）奠定良好的基礎(chǔ)。二、課程設(shè)計(jì)基本要求（一）通過生物工程課程設(shè)計(jì)的訓(xùn)練，提高學(xué)生以下幾方面的能力：1.搜集實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)，熟悉技術(shù)文獻(xiàn)、資料；2.合理設(shè)計(jì)工藝流程，準(zhǔn)確進(jìn)行工藝計(jì)算和設(shè)備設(shè)計(jì)選型計(jì)算；3.以精簡的文字、清晰的圖表來表達(dá)個(gè)人設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)結(jié)果；4.樹立科學(xué)、經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)思想，兼顧安全、勞保、環(huán)保等要求。（二）總體要求1.在設(shè)計(jì)過程中，要發(fā)揮獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力；2.

3、本課程設(shè)計(jì)的重點(diǎn)訓(xùn)練，是物料衡算和設(shè)備計(jì)算與選型；3.設(shè)計(jì)計(jì)算說明書，應(yīng)內(nèi)容完整，簡明扼要，文句通順，字跡端正。設(shè)計(jì)圖紙應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)繪制，內(nèi)容完整，主次分明。（三）課程設(shè)計(jì)過程中學(xué)生應(yīng)做到以下要求：1.樹立正確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，嚴(yán)謹(jǐn)負(fù)責(zé)、實(shí)事求是、刻苦鉆研、勇于探索的作風(fēng)和學(xué)風(fēng)。2.認(rèn)真查閱資料，并根據(jù)所給資料，按照任務(wù)書中提出的要求按時(shí)獨(dú)立完成，不得延誤，不得抄襲他人成果。3.遵守課程設(shè)計(jì)時(shí)間安排。學(xué)生要發(fā)揮自主學(xué)習(xí)的能力，充分利用時(shí)間，安排好課程設(shè)計(jì)進(jìn)程，并在設(shè)計(jì)過程中不斷檢查計(jì)劃完成情況，及時(shí)的向教師匯報(bào)。 4.認(rèn)真書寫報(bào)告，按照教學(xué)要求務(wù)必在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)并提交所有文檔及材料。三

4、、課程設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想1.在工藝上的選擇和設(shè)備的選用上為確保工藝穩(wěn)定、可靠和產(chǎn)品質(zhì)量，部分采用傳統(tǒng)式，同時(shí)進(jìn)行革新改造，引進(jìn)一部分國外較先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備。2.設(shè)計(jì)中考慮盡量降低操作費(fèi)用及產(chǎn)品的單耗量，使其具有上馬快、收效大的特點(diǎn)。3.設(shè)計(jì)考慮到工廠今后的發(fā)展趨勢（如增加品種、擴(kuò)大產(chǎn)量等），在建筑和平面布置上及設(shè)備選取上，都留有適當(dāng)?shù)挠嗟?，同時(shí)又不致于造成現(xiàn)有設(shè)備、場地的太大浪費(fèi)。4.設(shè)計(jì)考慮到工人勞動(dòng)條件的改善及勞動(dòng)強(qiáng)度的降低，采用一些新工藝、新設(shè)備，同時(shí)又確保產(chǎn)品質(zhì)量。5.考慮到工廠的環(huán)境，進(jìn)行了污水處理，改善環(huán)境污染。6.設(shè)計(jì)采用部分自動(dòng)化儀表控制，縮短本廠在機(jī)械化、自動(dòng)化水平上與國外先進(jìn)水

5、平差距。四、課程設(shè)計(jì)要點(diǎn)（一）確定生產(chǎn)工藝流程和工藝條件按照給定的設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱有關(guān)資料、文獻(xiàn)，搜集必要的技術(shù)資料，工藝參數(shù)和數(shù)據(jù)，進(jìn)行生產(chǎn)方法的選擇，工藝流程與工藝條件的確定。選擇、確定的原則主要有：合法性；技術(shù)先進(jìn)性和成熟可靠性；經(jīng)濟(jì)合理性；安全性；結(jié)合實(shí)際情況；并且要簡潔、簡單。并對所選工藝進(jìn)行說明。（2） 就設(shè)計(jì)題目、確定的生產(chǎn)方法和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)過程的總物料衡算，列出物料衡算表。(三) 繪制工藝流程圖 1.要求以圖解的形式表示出：設(shè)備形象示意圖、大小及相互位置與距離，定性地標(biāo)出物料去向，連接的管線，泵、閥門、電機(jī)的位置。 2.物料用粗實(shí)線，設(shè)備、管線用細(xì)實(shí)線。3.列出設(shè)備一覽表

6、。五、課程設(shè)計(jì)成果及要求課程設(shè)計(jì)說明書和設(shè)計(jì)圖紙，是反映設(shè)計(jì)成果的技術(shù)文件，課程設(shè)計(jì)應(yīng)滿足初步設(shè)計(jì)深度對設(shè)計(jì)文件的要求。設(shè)計(jì)完成后應(yīng)提交設(shè)計(jì)說明書(含計(jì)算書)一份，設(shè)計(jì)圖紙一份。設(shè)計(jì)說明書內(nèi)容(1) 設(shè)計(jì)任務(wù)；(2) 設(shè)計(jì)資料；(3) 流程確定。包括流程的闡述論證，物料衡算，繪出工藝流程示意圖； 設(shè)計(jì)要求1、 方案選擇應(yīng)論據(jù)充分，具有說服力。2、 設(shè)計(jì)參數(shù)選擇有根據(jù)，合理全面。3、 計(jì)算所選用的公式要有來源依據(jù)，計(jì)算應(yīng)有足夠的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)計(jì)算說明書應(yīng)層次清楚，語言簡練，書寫工整，說明問題。六、生物工藝課程設(shè)計(jì)題目 6200t/a賴氨酸車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)七、原始資料1、產(chǎn)品名稱：味精（L-谷氨

7、酸單鈉鹽-水化合物，Monosodium L-Glutamate，簡寫MSG）2、工廠廠址：?？诮肌?、生產(chǎn)原料：淀粉4、生產(chǎn)天數(shù)：全年生產(chǎn)300天。5、氣候條件：溫 度：極端高溫39，最低溫度6，平均溫度23.8。濕 度：最高濕度92%， 平均濕度85%。水 溫：河水（1米以下），最高30，最低10。自來水，最高30，最低10。深井水，18。風(fēng)頻率：年平均風(fēng)速：3.3m/s。降水量：年平均：1691mm/s。風(fēng) 向：東北風(fēng)和東風(fēng)。八、時(shí)間分配與計(jì)劃進(jìn)度1、 設(shè)計(jì)期限1.5周2、 時(shí)間分配 指導(dǎo)教師講解設(shè)計(jì)原則與程序，布置設(shè)計(jì)任務(wù) 0.5天 (1) 查閱資料，擬定工藝流程、制定方案、熟悉了解

8、和掌握設(shè)計(jì)原理 2天 (2) 物料衡算 1.5天 (3) 繪制設(shè)計(jì)圖 2天 (4) 整理編寫設(shè)計(jì)說明書 2天 合計(jì) 8天（1.5周） 設(shè)計(jì)說明書2.1 項(xiàng)目概述2.1.1賴氨酸的介紹賴氨酸（L-Lysine）：名稱2，6-二氨基己酸，化學(xué)結(jié)構(gòu)簡式為H2N（CH2）4CH(NH2)COOH，相對分子質(zhì)量：146.19。賴氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，是組成人體蛋白質(zhì)的21種氨基酸之一。L賴氨酸是人體必需氨基酸，能促進(jìn)人體發(fā)育、增強(qiáng)免疫功能，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用，而又是人體內(nèi)不能合成的八種氨基酸 (色氨酸，苯丙氨酸，賴氨酸，蘇氨酸，蛋氨酸，亮氨酸、異亮氨酸及纈氨酸等，這八種氨基酸稱營養(yǎng)必需

9、氨基酸)之一缺少時(shí)則產(chǎn)生蛋白質(zhì)代謝障礙和機(jī)能障礙。而且在人們的主食大米和面粉蛋白質(zhì)中賴氨酸含量極少。如缺乏則引起蛋白質(zhì)代謝障礙及功能障礙，導(dǎo)致生長障礙。由于谷物食品中的賴氨酸含量甚低，且在加工過程中易被破壞而缺乏，故稱為第一限制性氨基酸。飼料中添加的賴氨酸有兩種，即L賴氨酸和DL賴氨酸。因動(dòng)物只能利用L賴氨酸。作為商品的飼用級賴氨酸通常是純度為98.5以上的L賴氨酸鹽酸鹽， 相當(dāng)于含賴氨酸（有效成分）78.8以上，為白色一淡黃色顆粒狀粉末，稍有異味，易溶于水。90以上的L賴氨酸是以糖蜜為原料發(fā)酵生產(chǎn)的產(chǎn)品。此外， 日本、美國、德國等國已利用化學(xué)合成的2氨基己內(nèi)酰胺作原料， 通過微生物酶消旋和水

10、解生產(chǎn)L賴氨酸。2.1.2 賴氨酸的性質(zhì)純品為白色針狀結(jié)晶，無味或稍帶特殊臭味，易溶于水，溶液的PH值為5.06.0，難溶于有機(jī)溶液，有旋光性，熔點(diǎn)263264C。賴氨酸難于結(jié)晶，市售商品通常為98%的L-賴氨酸鹽酸鹽。具有旋光性。由于游離的L-賴氨酸極易潮解，因具有氨基酸而易發(fā)黃變質(zhì)，并具有刺激性腥味，難于長期保存。因此，一般商品都是L-賴氨酸鹽酸鹽。賴氨酸鹽酸通常較穩(wěn)定，高溫下易結(jié)塊，相對濕度60%以下穩(wěn)定，60%以上則生成二水合物，與維生素C和維生素K并存則著色。堿性條件及直接在還原糖存在加熱則分解，易溶于水，水溶液呈中性至微酸性，與磷酸、鹽酸、氫氧化鈉、離子交換樹脂等一起加熱，能起到外

11、消旋作用。2.1.3 賴氨酸的作用賴氨酸的作用包括建立肌肉組織，從創(chuàng)傷或受傷恢復(fù)，并幫助更有效吸收鈣。它還有助于身體產(chǎn)生抗體，酶和激素。其作用主要包括：(1)調(diào)節(jié)人體代謝平衡(2)有助于身體產(chǎn)生抗體(3)控制人體生長的重要物質(zhì)(4)有效吸收鈣，防止骨質(zhì)流失。缺乏賴氨酸的癥狀包括疲勞，虛弱，惡心，嘔吐，頭暈，沒有食欲，發(fā)育遲緩，貧血等?？梢栽卺t(yī)療專業(yè)人員建議下采取賴氨酸營養(yǎng)補(bǔ)品。賴氨酸每日的建議攝入量是兒童每磅體重10毫克，成年人每天在3000-9000毫克之間。 已經(jīng)證明它對一些特定疾病是有益的。已知賴氨酸的功效包括治療單純皰疹病毒和帶狀皰疹引起的唇皰疹。攝入賴氨酸可以大大縮短治愈的時(shí)間。研究

12、已經(jīng)表明，它具有改善免疫系統(tǒng)，抵制單純皰疹和帶狀皰疹病毒的功效。2.1.4 賴氨酸研究出現(xiàn)的問題我國是世界上賴氨酸用量第一大國，第十個(gè)五年計(jì)劃末，我國賴氨酸年需求量將達(dá)到20萬噸。L-賴氨酸是玉米深加工的重要產(chǎn)品。產(chǎn)品的附加值高，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。但我國賴氨酸生產(chǎn)仍存在一些問題：（1）自動(dòng)化程度不高。目前我國賴氨酸生產(chǎn)中，大部分操作是人工完成的，因此不能對一些控制因素（如糖耗、pH、溫度）作出迅速反應(yīng)；另外，一些關(guān)鍵的儀表（如耐高溫的pH計(jì)、溶氧儀）、閥門等檢測儀器水平和設(shè)備水平也有待提高。賴氨酸生產(chǎn)是一項(xiàng)生物工程的高新技術(shù)，應(yīng)加強(qiáng)對賴氨酸發(fā)酵機(jī)理的理論研究，找出發(fā)酵中各影響因素關(guān)聯(lián)式，以便于

13、用計(jì)算機(jī)控制生產(chǎn)，提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化程度。（2）能耗問題。國外生產(chǎn)1t賴氨酸需要標(biāo)準(zhǔn)煤8t，而我國需要15-20t，因此開發(fā)低能耗的濃縮裝置十分必要。（3）培育高產(chǎn)新品種、加強(qiáng)賴氨酸結(jié)晶最佳條件的研究也是當(dāng)前生產(chǎn)中亟需解決的問題；另外，合成法和酶法都較為經(jīng)濟(jì)，又便于大規(guī)模生產(chǎn)，應(yīng)加大研究開發(fā)的力度。賴氨酸是世界上僅次于味精的第二大氨基酸，目前全球賴氨酸的生產(chǎn)能力近60萬噸。2.1.5 建設(shè)規(guī)模及產(chǎn)品方案1）建設(shè)規(guī)模：年產(chǎn)6000T。2）產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)：L賴氨酸鹽LYSINE·HCL分子式：C6H14N2O2·HCL3）生產(chǎn)方法：采用雙酶法，使淀粉先經(jīng)液化、糖化而轉(zhuǎn)化為葡萄糖，然后

14、再以糖類為發(fā)酵原料，日本多采用短桿菌誘發(fā)株為菌種，以通用的碳水化合物及其他營養(yǎng)素為培養(yǎng)基，經(jīng)過發(fā)酵、過濾、中和、精制、干燥而得成品，必要時(shí)進(jìn)行重結(jié)晶。4）工作制度：年工作日按300d計(jì)5）生產(chǎn)指標(biāo) 指標(biāo)名稱指標(biāo)數(shù)單位生產(chǎn)規(guī)模年工作日產(chǎn)品日產(chǎn)量發(fā)酵周期一周期產(chǎn)量提純收率（自發(fā)酵液計(jì)算）倒罐率質(zhì)量純度提取率糖酸轉(zhuǎn)化率產(chǎn)品純度 6000300209680000800.1998047.897t/adt/dhkg%2.2 原材料的選擇工業(yè)上選擇生產(chǎn)原料時(shí)，不但要考慮工藝上的要求，還要考慮生產(chǎn)管理和經(jīng)濟(jì)上的可行性。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中，選擇原料一般要考慮到下述要求： (1)因地制宜，就近取材，價(jià)格低廉； (

15、2)原料中可利用成分高，末嚴(yán)重污染，抑制生長和產(chǎn)酸的物質(zhì)要少或能夠去除，能滿足工藝上的要求； (3)原料資源豐富，便于采購運(yùn)輸，適于大規(guī)模儲藏，保證生產(chǎn)上的供應(yīng)。因此，我們通常采用玉米淀粉或糖蜜。2.3 生產(chǎn)方法1960年日本的木下祝郎等用紫外線照射谷氨酸柞桿菌得到一株?duì)I養(yǎng)缺陷型變異株，從此開始了發(fā)酵法工業(yè)生產(chǎn)商品賴氨酸。世界上生產(chǎn)的主要方法有微生物發(fā)酵法、化學(xué)酶法、提取法和合成法四種。其中最重要的是化學(xué)酶法和微生物發(fā)酵法。2.3.1 化學(xué)酶法 此法是借助于有機(jī)合成與生物化學(xué)工程相結(jié)合的生產(chǎn)技術(shù)，可以己內(nèi)酰胺或二氫呋喃為起始原料，或以糠醛為原料制取。  

16、   制取尼龍?jiān)霞簝?nèi)酰胺時(shí)，有大量的還己烯生成，用環(huán)己烯易于合成DL氨基己內(nèi)酰胺（DL-ACL），以此為原料采用水解酶法生產(chǎn)賴氨酸，分為兩步反應(yīng)進(jìn)行。先用LACL水解酶，不對稱水解L-ACL的環(huán)狀酰胺鏈，生成L賴氨酸，再用ACL消旋酶使殘存的D-ACL消旋化反應(yīng)。具體工藝中采用羅氏隱環(huán)酵母等進(jìn)行水解反應(yīng)，用奧巴無色桿菌進(jìn)行消旋反應(yīng)。100/L的DL-ACL幾乎全部轉(zhuǎn)化為L賴氨酸。 2.3.2 微生物發(fā)酵法     發(fā)酵法包括一步法和經(jīng)由二氨基庚二酸的二步法。通常以廢糖蜜，淀粉為原料，采用雙酶法，使淀粉先經(jīng)液化、糖化而轉(zhuǎn)化為

17、葡萄糖，然后再以糖類為發(fā)酵原料，日本多采用短桿菌誘發(fā)株為菌種，以通用的碳水化合物及其他營養(yǎng)素為培養(yǎng)基，經(jīng)過發(fā)酵、過濾、中和、精制、干燥而得成品，必要時(shí)進(jìn)行重結(jié)晶。成品對糖總得率為35%，每噸成品耗糖蜜8噸（或淀粉4.4噸），成本約1萬元(折人民幣)。L-賴氨酸的生產(chǎn)工藝與味精（谷氨酸鈉）類似，工藝較簡單，日本的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較先進(jìn)。     微生物發(fā)酵法為生產(chǎn)L-賴氨酸的最主要技術(shù)，反應(yīng)所用碳源為玉米、甘蔗等淀粉質(zhì)或葡萄糖母液、甘蔗糖蜜等廢料，所用高產(chǎn)菌種有BrevibacteriumSP、PIB、XQ89等，在優(yōu)選菌種配方中含有HPPKH2PO4、乙酸鈉

18、等組分，在添加2%硫酸銨后可獲得高產(chǎn)菌種。將適宜的配方組分注入500ml的三角燒瓶內(nèi)于120C加熱15min加壓滅菌后，在通氧下培養(yǎng)出菌種在高峰期內(nèi)接入種子培養(yǎng)液在常溫常壓下發(fā)酵，再用膜分離法或化學(xué)法分離。     制備L賴氨酸在14L的發(fā)酵器中進(jìn)行。通過菌種培養(yǎng)，生長菌體和發(fā)酵工藝生產(chǎn)賴氨酸，篩選出的FHI28高產(chǎn)菌株，遺傳性能穩(wěn)定，是一株適合工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)良菌種，在20ml發(fā)酵罐中產(chǎn)L賴氨酸8.59.2%，發(fā)酵周期5967h.     工藝的關(guān)鍵技術(shù)在于培養(yǎng)和優(yōu)選最適宜的菌種，采用不同的原料其結(jié)果會(huì)大不相同，甚

19、至同一原料也會(huì)因原料產(chǎn)地和產(chǎn)出時(shí)間的差異使結(jié)果有很大差別。     國內(nèi)的發(fā)酵法工藝提取率為80%85%,糖轉(zhuǎn)化率40%43%，產(chǎn)品收率大于90%。     在發(fā)酵和菌種培養(yǎng)中，必須有專人負(fù)責(zé)，在經(jīng)過對菌種培養(yǎng)和溶變處理，培養(yǎng)出變異菌種，經(jīng)篩選和最優(yōu)化選擇出最佳菌種，在培養(yǎng)高峰期加入碳源內(nèi)，經(jīng)調(diào)整PH后，在發(fā)酵期內(nèi)滅菌處理，在接入種子培養(yǎng)物使其發(fā)酵后，按照規(guī)定處理方法經(jīng)分離后得精品L賴氨酸。     微生物發(fā)酵法是利用微生物合成其自身所需的各種氨基酸的能力，通過菌株的溶變等處

20、理，選育出各種營養(yǎng)缺陷型及抗性的變異菌種，以解除代謝調(diào)節(jié)重的反饋與阻遏，達(dá)到過量合成某種氨基酸的一種方法。  發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸通常以淀粉、甘蔗或甜菜制糖后的廢糖蜜為原料，其工藝過程為：淀粉在酸或酶的作用下水解成淀粉糖，假如營養(yǎng)鹽調(diào)PH值后，進(jìn)入發(fā)酵罐進(jìn)行滅菌處理，然后接入種子培養(yǎng)物使其發(fā)酵，經(jīng)過微生物發(fā)酵后的濃縮液冷凍結(jié)晶、離心分離、烘干提純后即得產(chǎn)品。 制備L賴氨酸在14L的發(fā)酵器中進(jìn)行。通過菌種培養(yǎng)，生長菌體和發(fā)酵工藝生產(chǎn)賴氨酸，篩選出的FHI28高產(chǎn)菌株，遺傳性能穩(wěn)定，是一株適合工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)良菌種，在20ml發(fā)酵罐中產(chǎn)L賴氨酸8.59.2%，發(fā)酵周期5967h. 2

21、.3.3 其他方法     生產(chǎn)賴氨酸的方發(fā)出上述兩種方法外，還有由血粉、酪蛋白、脫脂大豆水解后，用離子交換樹脂分離而生產(chǎn)的蛋白質(zhì)水解法，以及用化學(xué)合成制得廉價(jià)中間體，借助酶的生物催化作用生產(chǎn)賴氨酸的化學(xué)合成法，但這些方法應(yīng)用較少。 2.4 生產(chǎn)流程簡述 L-賴氨酸最初是從蛋白質(zhì)（酪蛋白、血纖維蛋白或血漿）的酸水解物中分離得到。目前L-賴氨酸主要是以微生物發(fā)酵法生產(chǎn)。發(fā)酵法通常以各種淀粉水解湯或甘蔗糖蜜為碳源，以銨鹽，氨或尿素為氮源進(jìn)行的，PH值基本維持中性。一般通過流加氨或尿素的控制方式。賴氨酸生產(chǎn)工藝流程圖：空氣 菌種 水 淀粉加壓 -淀粉酶 液化

22、冷卻 糖化酶 糖化 除水 玉米漿 過濾 交換柱脫鐵棉花過濾 糖蜜 糖化液 濾渣 恢柱脫色 二級種子 無機(jī)鹽 配料 脫色液 補(bǔ)糖 連續(xù)滅菌 消泡劑 蒸發(fā)結(jié)晶 發(fā)酵 液氨 儲晶 等電點(diǎn) 分離 回收谷氨酸 分離 母液 賴氨酸 賴氨酸 母液 干燥 活性炭 中和 粉碎 脫色 賴氨酸 過濾 廢炭 過濾液2.4.1 空氣凈化除菌2.4.1.1 滅菌對于培養(yǎng)基的滅菌通常采用連續(xù)滅菌，也叫連消。其溫度一般以126132，57min為宜，總蒸汽壓力要求達(dá)到4.4*1044.9*194Pa。培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌時(shí)，需在培養(yǎng)基進(jìn)入發(fā)酵罐前，直接用蒸汽進(jìn)行空罐滅菌，用無菌空氣報(bào)壓，待培養(yǎng)基流入罐后，開始冷卻。其過程包括：

23、加熱、維持和冷卻。對培養(yǎng)基進(jìn)行連續(xù)滅菌（連消）與實(shí)罐滅菌比較，優(yōu)越性在于：（1）培養(yǎng)基受熱時(shí)間短，營養(yǎng)成分破壞少；（2）發(fā)酵罐利用率高；（3）使用蒸汽均衡，可避免用汽高峰；（4）可采用自動(dòng)控制；（5）勞動(dòng)強(qiáng)度低；（6）可以減少蒸汽消耗，回收冷卻水量60%70%。對于種子罐、發(fā)酵罐、補(bǔ)料罐等的空罐滅菌及管道滅菌，需要從塔的有關(guān)管道通入蒸汽，使罐內(nèi)蒸汽壓力達(dá)到0.147MPa，維持45min，滅菌過程從閥門、邊閥排出空氣，并使蒸汽通過達(dá)到死角滅菌。滅菌完畢，關(guān)閉蒸汽后，待罐內(nèi)壓力低于空氣過濾器壓力時(shí)，通入無菌空氣保持罐壓0.098MPa。2.4.1.2 空氣凈化空氣（即大氣）是一種氣態(tài)物質(zhì)的混合物

24、，除氧和氮外，還含有惰性氣體、二氧化碳和水蒸氣等。此外，尚有懸浮在空氣中的灰塵，主要由構(gòu)成地殼的無機(jī)物質(zhì)微粒、煙灰、植物的花粉以及種類繁多的細(xì)菌和其他微生物所組成。空氣凈化一般是把吸氣口吸入的空氣先經(jīng)過壓縮前的過濾，然后進(jìn)入空氣壓縮機(jī)。從空壓機(jī)出來的空氣（一般壓力在1.96*105以上，溫度120150），先冷卻到適當(dāng)?shù)臏囟龋?025）除去油和水，再加熱至3035，最后通過總過濾器和分過濾器除菌，從而獲得潔凈度、壓力、溫度和流量都符合要求的無菌空氣?？諝鈨艋囊话懔鞒倘缦拢?.4.2菌種培養(yǎng)菌種對發(fā)酵生產(chǎn)十分重要，優(yōu)良的菌種是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的前提，是發(fā)酵生產(chǎn)的核心，使用優(yōu)良的菌種可以得到高級糖酸轉(zhuǎn)化

25、率，短的生產(chǎn)周期，有利于提高全長的經(jīng)濟(jì)效益。發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸的主要微生物有谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌、乳糖發(fā)酵短桿菌的突變株等3種。本設(shè)計(jì)采用黃色短桿菌。以黃色短桿菌為出發(fā)菌株，經(jīng)硫酸二乙酯和紫外線誘變處理，搖管初篩、搖瓶復(fù)篩、遺傳標(biāo)記驗(yàn)證、單菌落分離和連續(xù)傳代，篩選出一株L-賴氨酸產(chǎn)生菌株 BBCA-31。該菌株在搖瓶發(fā)酵條件下可產(chǎn)賴氨酸96.4 g/L。菌種的擴(kuò)大的培養(yǎng)室發(fā)酵生產(chǎn)的第一道工序，又稱為種子制備。種子制備不僅要使菌體數(shù)量增加，更重要的是，經(jīng)過種子制備培養(yǎng)出具有高質(zhì)量的生產(chǎn)種子供發(fā)酵生產(chǎn)使用。由于工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，每次發(fā)酵所需的種子就增多。要使小小的微生物在幾十小時(shí)的較短時(shí)間內(nèi)

26、，完成如此巨大的發(fā)酵轉(zhuǎn)化任務(wù)，那就必須具備數(shù)量巨大的微生物細(xì)胞才行。種子擴(kuò)大培養(yǎng)，不但要得到純而壯的培養(yǎng)物，還要獲得活力旺盛的、接種數(shù)量足夠的培養(yǎng)物。目前工廠中普遍采用的是二級擴(kuò)大培養(yǎng)流程，這樣的優(yōu)點(diǎn)是既保證有足夠的種子又可防止染菌。其基本流程如下：斜面培養(yǎng) 一級種子培養(yǎng) 二級種子培養(yǎng) 發(fā)酵罐種子培養(yǎng)基 ： 葡萄糖25g/L、硫胺5g/L、玉米漿35g/L、KH2PO4 1g/L、硫酸鎂0.5g/L、碳酸鈣15g/L滅菌條件 種子罐空消：夾套預(yù)熱到100，直接通入蒸汽升溫至115，保持10min12min，關(guān)閉所有進(jìn)氣閥，通冷卻水，迅速降溫至30-32整個(gè)過程用無菌空氣保壓1kgf/cm2。種

27、子罐實(shí)消：蒸汽壓力2.0kgf/cm2(表壓) 保壓30-40min與分過濾器一起進(jìn)行。采用種子培養(yǎng)工藝有下列優(yōu)點(diǎn)：1縮短了發(fā)酵罐的發(fā)酵時(shí)間，從而提高了設(shè)備利用率。雖然增設(shè)了種子罐，但包括種子罐在內(nèi)的總罐容量較小，節(jié)省設(shè)備投資。2種子培養(yǎng)的質(zhì)量易于控制。直接接種孢子到生產(chǎn)罐中時(shí)，相當(dāng)于在生產(chǎn)罐中進(jìn)行種子培養(yǎng)。由于受發(fā)酵條件的制約，生產(chǎn)罐中的營養(yǎng)物（如氮源，磷源等）不能過多，往往不能滿足孢子發(fā)芽和生長的需要，因此種子發(fā)育較慢。而在種子罐中可以添加適量營養(yǎng)物，以促進(jìn)種子快速發(fā)育，并提高其產(chǎn)酸能力。事實(shí)證明可以達(dá)到這種效果。3有利于防止雜菌污染。獨(dú)立的種子培養(yǎng)車間比發(fā)酵車間小的多，環(huán)境衛(wèi)生易于控制。

28、4總能耗降低。因?yàn)榉N子單獨(dú)培養(yǎng)時(shí)，通氣攪拌的動(dòng)力消耗遠(yuǎn)低于在生產(chǎn)罐中培養(yǎng)。此外，由于受雜菌感染的可能性大大降低，從而生產(chǎn)培養(yǎng)基的滅菌強(qiáng)度要求較低，節(jié)省能耗，也避免了高強(qiáng)度滅菌帶來的一些不良后果。2.4.3發(fā)酵2.4.3.1發(fā)酵液的預(yù)處理廣泛采用的賴氨酸生產(chǎn)法常用的原料為甘蔗或甜菜制糖后的廢糖蜜、淀粉水解液等廉價(jià)糖質(zhì)原料目前國內(nèi)外生產(chǎn)上采用淀粉加工葡萄糖的液化、糖化方法主要有：酶解法、酶酸法、酸法、酸酶法等幾種，通常采用酶解法。酶解法是用專一性很強(qiáng)的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。與傳統(tǒng)酸法水解淀粉相比，酶法優(yōu)點(diǎn)如下：酶解反應(yīng)條件溫和。因此，不需耐高溫、高壓、耐酸的設(shè)備，便于就地取材，容

29、易運(yùn)作，簡化了設(shè)備，改善了勞動(dòng)條件和降低了成本。微生物酶作用的專一性強(qiáng)，淀粉水解的副反應(yīng)少，因而水解糖液的純度高，淀粉轉(zhuǎn)化率（出糖率）高。可在較高淀粉乳濃度下水解，而且可采用粗原料。用酶解法制得的糖液顏色淺，較純凈，無異味，質(zhì)量高，有利于糖液的充分利用。酶催化所需的活化能極低，催化效率遠(yuǎn)比無機(jī)酸高，-淀粉酶與糖化酶共同作用于淀粉，得到的葡萄糖液DE值達(dá)98以上酶的來源廣泛，許多動(dòng)植物和微生物都可作為某些酶的原料酶可以回收，重復(fù)利用發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖170 g/L、硫酸銨55 g/L、玉米漿18.6 g/L、KH2PO4 1.2 g/L、硫酸鎂0.6 g/L、碳酸鈣45 g/L、L-蘇氨酸 40

30、 g/L、接種量2 % 賴氨酸生產(chǎn)：2.4.3.2接種按種前必需對按種管道進(jìn)行滅菌，滅菌與大罐滅菌同時(shí)進(jìn)行。操作肘，打開生產(chǎn)罐按種口通大氣的閥門，由種子罐閥門站或底部通入蒸汽，使蒸汽經(jīng)過種子罐出料管和按種管道通到大罐按種口，排入大氣，這樣約20min后，關(guān)小蒸汽，但仍保持少量出汽，直等到大罐內(nèi)發(fā)酵按冷到35以下才關(guān)閉接種口通大氣的閥門，并關(guān)閉蒸汽閥。然后打開接種閥通發(fā)酵罐，關(guān)閉種子罐的閥門，并關(guān)閉蒸汽閥，用無菌空氣將種子培養(yǎng)液壓入發(fā)酵罐個(gè)，按種操作應(yīng)在半小時(shí)內(nèi)完成。如果種子顧的氣壓突然下降，則表示料液已經(jīng)排完，因?yàn)檫@時(shí)空氣直通到生產(chǎn)罐中，同的，控大罐中的壓力升高。接種后關(guān)閉接種閥，仍打開通大氣

31、的閥門。種子罐與接種管道要及時(shí)清洗，排除殘余料液。接種操作時(shí)應(yīng)該注意種子罐的氣壓不要超過0.2MPa表壓，以防泄漏等事故發(fā)生，同時(shí)要注意生產(chǎn)罐培養(yǎng)基冷卻到預(yù)定溫度后，冷卻水仍在暢開，造成培養(yǎng)基冷卻過度。2.4.3.3控制 溫度控制 為保持菌種發(fā)酵后期的活力，從斜面、一級至二級種子的培養(yǎng)溫度均應(yīng)控制在3334，不要超過35。采用三級控制，012h 34-35、1228h以36-37為宜、28h后可提高到37-38。后期適當(dāng)提高溫度可提高酶的活力。 罐壓控制 一般控制在表壓0.1MPa通風(fēng)系統(tǒng)壓力不足時(shí)，可降低罐壓，以維持適當(dāng)?shù)耐L(fēng)量。 風(fēng)量控制 50m3標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械攪拌發(fā)酵罐的參考通風(fēng)量如下： 01

32、8h：0.080.1 vvm 1830h：0.12 vvm 30h以后：0.15 vvm罐體積小于50m3時(shí)通風(fēng)量要適當(dāng)增大，大于50m3則要減小。通風(fēng)量還應(yīng)該根據(jù)發(fā)酵過程的產(chǎn)酸情況靈活掌握。加大風(fēng)量可使產(chǎn)酸速率加快，但菌體呼吸強(qiáng)度和雜酸生成量可能增加。減小風(fēng)量會(huì)降低產(chǎn)酸速率。 攪拌轉(zhuǎn)速 采用箭葉渦輪攪拌槳，轉(zhuǎn)速控制如下： 罐容積 5m3 150300rmin 2530m3 110120rmin 50m3 90115rmin 80m3 90110rmin pH控制 糖化完成后可適當(dāng)加大風(fēng)量使發(fā)酵進(jìn)入旺盛產(chǎn)酸期。在產(chǎn)酸期內(nèi)控制風(fēng)量使產(chǎn)酸速率維持在23gh1，不得過快，以進(jìn)一步利用糖化作用和防止菌

33、體過早衰老。 發(fā)酵過程監(jiān)測 發(fā)酵過程的上述參數(shù)可以通過儀表檢測，而酸度和殘被一般靠化學(xué)方法檢測。這兩項(xiàng)參數(shù)是撿驗(yàn)發(fā)酵過程好壞的目的指標(biāo)。接種后半小時(shí)測總糖一次，以后8h測殘?zhí)呛退岫纫淮危詈竺?h測一次。 放罐條件 以酸度不再增加或殘?zhí)遣辉俳档蜑榉殴迼l件，正常發(fā)酵能達(dá)到頂定的產(chǎn)酸度和須定的殘?zhí)橇?，否則為不正常發(fā)酵。不正常發(fā)酵時(shí)該兩次指標(biāo)達(dá)不到，但只要不升酸或不降糖就要放罐。2.4.4賴氨酸的提取要從成熟的發(fā)酵液中提取賴氨酸，必須對發(fā)酵液進(jìn)行過濾或離心分離除去菌體和碳酸鈣。全世界絕大多數(shù)賴氨酸生產(chǎn)廠都采用離子交換方法從發(fā)酵成熟液中提取賴氨酸，然后制成含量在985 以上的賴氨酸單鹽酸鹽成品。離子交

34、換樹脂為強(qiáng)酸陽性離子交換樹脂，洗脫劑為氨水。濾渣中含有大量的蛋白質(zhì)及菌絲等營養(yǎng)物質(zhì)，烘干后作飼料，可進(jìn)行包裝銷售。整個(gè)工藝過程除了最終產(chǎn)品賴氨酸和副產(chǎn)品飼料、硫酸銨外，無多余廢水排放。2.4.5濃縮和結(jié)晶賴氨酸濃縮液經(jīng)用鹽酸調(diào)節(jié)pH后成為單鹽酸鹽溶液，在結(jié)晶器中結(jié)晶。賴氨酸濕晶含有的結(jié)晶水須在干燥工序中除去。本次生產(chǎn)中采用單層流化床干燥器生產(chǎn)，其中采用德國Vagon公司的床內(nèi)設(shè)置加熱器的流化床干燥器技術(shù)較為先進(jìn)。2.5工藝計(jì)算生產(chǎn)指標(biāo)表3-1 生產(chǎn)指標(biāo)指標(biāo)名稱指標(biāo)數(shù)單位生產(chǎn)規(guī)模年工作日產(chǎn)品日產(chǎn)量發(fā)酵周期一周期產(chǎn)量提純收率（自發(fā)酵液計(jì)算）倒罐率質(zhì)量純度提取率糖酸轉(zhuǎn)化率產(chǎn)品純度 600030020

35、9680000800.1998047.897t/adt/dhkg%T=發(fā)酵時(shí)間+間歇時(shí)間=72+24=96(h)=4(d)周期數(shù)=300/4=75(個(gè))2.5.1 物料衡算（一周期）以下以一周期為例，計(jì)算生產(chǎn) L-賴氨酸耗用的原料及其他物料的量21-25。2. 種子培養(yǎng)基配方表 （g/L）葡萄糖25硫胺5玉米漿35KH2PO41硫酸鎂0.5碳酸鈣15 發(fā)酵培養(yǎng)基(g/L)配方表葡萄糖170硫酸銨55玉米漿18.6KH2PO41.2硫酸鎂0.6L-蘇氨酸40碳酸鈣45接種量2%（1）發(fā)酵液量V1=80000÷（170×47.8×80%×99）1243.05

36、m3式中： 170發(fā)酵培養(yǎng)基中糖的含量kg/m3 47.8糖轉(zhuǎn)化成酸的比率 80%提取率 99除去倒罐率后發(fā)酵成功率（2）配置發(fā)酵液需求的糖 純糖汁m1= V1×170=211318.5kg（3）種子液量 V2=2%×V1=24.86 m3（4）種子培養(yǎng)液需求的糖量 m2=25×V2=621.5kg式中:25二級種液含糖量(kg/ m3)（5）一個(gè)周期內(nèi)L-賴氨酸需總糖量 m= m1+ m2=211940kg（6）耗用淀粉的原料量 理論上100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg故理論上耗用淀粉量為: m淀粉=211940/(80%×95%×1

37、11%)=251232.81kg式中: 80%純淀粉的含量95%淀粉轉(zhuǎn)化率（7）培養(yǎng)基所需要硫酸銨用量發(fā)酵培養(yǎng)基耗硫酸銨量為 55×V1=55×1243.05=68367.75kg（8）二級種子硫酸銨所需要的量二級種子液耗硫酸銨量為 5×V2=5×24.86=124.3kg（9）玉米漿耗用量 發(fā)酵培養(yǎng)基耗玉米漿量為 18.6×V1=18.6×1243.05=23120.73kg二級種子液耗玉米漿量為 35×V2=35×24.86=870.1kg共耗 870.1+23120.73=23990.83kg（10）需要磷酸

38、二氫鉀的用量 發(fā)酵培養(yǎng)基需要磷酸二氫鉀量為 1.2×V1=1.2×1243.05=1491.66kg種子液需要磷酸二氫鉀量為 1×V2=1×24.86=24.86kg共耗1491.66+24.86=1516.52kg（11）硫酸鎂耗用量 發(fā)酵培養(yǎng)基需要硫酸鎂耗用量為0.6×V1=0.6×1243.05=745.83kg種子液需要硫酸鎂耗用量為0.5×V2=0.5×24.86=12.43kg共耗745.83+12.43=758.26kg（12）碳酸鈣用量 發(fā)酵培養(yǎng)基耗碳酸鈣量為 45×V1=45×

39、1243.05=55937.25kg二級種子液耗碳酸鈣量為 15×V2=15×24.86=372.9kg共耗 55937.25+372.9=56310.15kg（13）所需要的L-蘇氨酸鈉量 m L-蘇氨酸=40×V1=40×1243.05=49722kg2.5.2物料衡算總量（一年）(1) 發(fā)酵液賴氨酸含量為 m1×47.8%×99.9%=211318.5×47.8%×99.9%=100909.23kg(2) 實(shí)際生產(chǎn)的賴氨酸（提取率為80%）量 100909.23×80%=80727.38kg表3-2

40、物料衡算結(jié)果:物料名稱生產(chǎn)一周期L-賴氨酸物料量/kg生產(chǎn)一年L-賴氨酸物料量/kg發(fā)酵液量1243.05 m393228.75m3二級種子液量24.86 m31864.5m3發(fā)酵用糖211318.515848887.5二級種子液用糖621.546612.5糖液總量21194015895500淀粉251232.8118842460.75種子硫酸銨124.39322.5發(fā)酵硫酸銨68367.755127581.25玉米漿23990.831799312.25磷酸二氫鉀1516.52113739硫酸鎂758.2656869.5碳酸鈣56310.154223261.25L-蘇氨酸49722372915

41、0L-賴氨酸80727.386054553.52.5.3 熱量衡算2.5.3.1所需要的蒸汽量(1) 按直接蒸汽混合加熱估計(jì)升溫過程所需的蒸汽量D1: D1=G×C (t2-t1) (1+)/ (i-t2×C)式中: G液體量（培養(yǎng)基），kg C培養(yǎng)基料液比熱容,千焦/(千克×攝氏度) t2加熱到的料液溫度,攝氏度t1加熱開始的料液溫度,°Ci蒸汽熱焓,KJ/kg加熱過程中熱損失而增加的蒸汽消耗量5%10%,這里取10%D1升溫過程中所需蒸汽量,千克 D1周期= G×C (t2-t1 (1+)/ (i-t2×C) =1243.05&#

42、215;4.18× (121-23.8) (1+10%)/ (2725.3-121×4.18) =250.30(t) D1年= D1周期×75=250.30×75=18772.5 (t)(2) 發(fā)酵罐實(shí)罐滅菌保溫時(shí)的蒸汽量D2保溫時(shí)蒸汽消耗量D2與操作有很大關(guān)系,比較難計(jì)算.一般按直接蒸汽加熱時(shí)消耗量的30%-50%來估算, D2=（30%-50%）D1 D2周期=50%×D1周期=125.15 (t) D2年= D2周期×75=125.15×75=9386.25(t)(3) 發(fā)酵罐滅菌所需要的蒸汽量 D周期= D1周期+

43、D2周期=250.30+125.15=375.45(t) D年= D1年+ D2年=18772.5 +9386.25=28158.75 (t)(4) 種子罐滅菌所需要的蒸汽量所以根據(jù)種子罐的接種量為2%估算蒸汽消耗量為D0周期 =2%×D周期=2%×375.45=7.51(kg) D0年=2%×D年=2%×28158.75=563.18(t)(5)一共所消耗的蒸汽用量D總 D周期總=D周期+D0周期=375.45+7.51=382.96(t) D年總=D年+ D0年=28158.75 +563.18=28721.93(t)2.5.3.2需要的冷卻水的用量

44、已知發(fā)酵培養(yǎng)基需要從121降到30所需放出的熱量為Q=CM (t1-t2)=1243.05×1000×4.18×(121-23.8) =5.05×108 (kJ)C比熱容M培養(yǎng)基的質(zhì)量t1,t2培養(yǎng)基冷卻前后的溫度則冷卻水需吸收的熱量也為Q，需要冷卻用水的量為M=Q/C（t2-t1） =5.05×108/4.18×(10-5) =2.42x107 (kg) =2.42x104 (t)M冷卻水的質(zhì)量一年需要的冷卻水的用量 M×75=2.42×104×75=1.82×106(t)表3-3 能量衡算結(jié)

45、果列表總計(jì):生產(chǎn)一周期賴氨酸所需能量生產(chǎn)一年賴氨酸所需能量蒸汽/(t) 382.96 28721.93冷卻水/(t)2.42×104 1.82×1062.6 車間主要設(shè)備一覽表2.6.1發(fā)酵罐的選擇每個(gè)生產(chǎn)周期：發(fā)酵液體積為1243.05 m3，種子液體積為24.86 m3料液總體積為1267.73 m3，裝料系數(shù)為80%1267.73/80%=1584.66 m3所以我們選用7個(gè)公稱容積為250 m3的發(fā)酵罐，另選一個(gè)作為備用罐。H/D=1.73，取H/D=2.0D=5.26m, 圓整D=5.3m, H=2D=10.6m已知 取攪拌器直徑：，d=2.12m 圓整d=2.2

46、m已知,取擋板寬度：，B=0.53m 圓整B=0.6m已知，取下攪拌器距底邊間距：C=0.9d=1.98m 圓整C=2.0m已知, 取攪拌器間距：S=2d=10.6m（取25mm）發(fā)酵液的圓柱體積V柱 =1267.73/219.91=613.96 m3發(fā)酵液的柱體高假設(shè)用2層攪拌器，所以S1=27.8310.6=17.23m2.6.2種子罐的選擇每個(gè)周期的種子液為24.86 m3，裝料系數(shù)為80%24.86/80%=31.08 m3選擇公稱體積為20m3的種子罐兩個(gè)H/D=1.73，取H/D=2.0D=2.27m, 圓整D=2.3m, H=2D=4.6m已知 取攪拌器直徑：，d=0.92m 圓

47、整d=1.0已知,取擋板寬度：，B=0.23m 圓整B=0.3m已知，取下攪拌器距底邊間距：C=1.0d=1.0m 已知, 取攪拌器間距：S=2d=2.0m （取25mm）發(fā)酵液的圓柱體積V柱=24.861.69=23.17 m3發(fā)酵液的柱體高圓整h=5.6m假設(shè)用兩層攪拌器，所以S1=5.62.0=3.6m2.6.3貯罐計(jì)算V=1267.73/2=633.87 m3取查化工手冊取一個(gè)900m3的貯罐4.5配料罐的計(jì)算4.5.1發(fā)酵罐配料罐V=1267.73/2=633.87 m3取查化工手冊取900m3的配料罐4.5.2種子罐配料罐V種=24.86m3取查化工手冊取1個(gè)40m3的配料罐2.6.4主要設(shè)備一覽表 設(shè)備名稱規(guī)格/型號發(fā)酵罐250m3種子罐