賴氨酸工藝計算設(shè)備選型工藝流程發(fā)酵設(shè)計和實現(xiàn)

1、目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc390246190 摘 要 PAGEREF _Toc390246190 h VI HYPERLINK l _Toc390246191 Abstract PAGEREF _Toc390246191 h VII HYPERLINK l _Toc390246192 第一章 緒論 PAGEREF _Toc390246192 h 1 HYPERLINK l _Toc390246193 1.1賴氨酸簡介 PAGEREF _Toc390246193 h 1 HYPERLINK l _Toc390246194 1.2賴氨酸的性質(zhì) PAGE

2、REF _Toc390246194 h 1 HYPERLINK l _Toc390246195 1.3賴氨酸的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc390246195 h 2 HYPERLINK l _Toc390246196 1.4賴氨酸的作用及缺乏癥 PAGEREF _Toc390246196 h 2 HYPERLINK l _Toc390246198 1.5賴氨酸的生產(chǎn)方法 PAGEREF _Toc390246198 h 2 HYPERLINK l _Toc390246199 1.4.1二步發(fā)酵法 PAGEREF _Toc390246199 h 2 HYPERLINK l _Toc39024

3、6200 1.4.2直接發(fā)酵法 PAGEREF _Toc390246200 h 3 HYPERLINK l _Toc390246201 1.6賴氨酸的提取與精制 PAGEREF _Toc390246201 h 3 HYPERLINK l _Toc390246202 1.7電滲析的原理 PAGEREF _Toc390246202 h 3 HYPERLINK l _Toc390246203 1.8生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程 PAGEREF _Toc390246203 h 4 HYPERLINK l _Toc390246204 第二章 賴氨酸的生產(chǎn)工藝流程6 HYPERLINK l _Toc39

4、0246205 2.1賴氨酸生產(chǎn)工藝概述6 HYPERLINK l _Toc390246207 2.2賴氨酸生產(chǎn)工藝流程圖6 HYPERLINK l _Toc390246208 2.3原料預(yù)處理及淀粉水解糖的制備 PAGEREF _Toc390246208 h 6 HYPERLINK l _Toc390246209 2.3.1賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)法 PAGEREF _Toc390246209 h 6 HYPERLINK l _Toc390246210 2.3.2原料的預(yù)處理 PAGEREF _Toc390246210 h 8 HYPERLINK l _Toc390246211 2.3.3淀粉水解糖

5、的制備 PAGEREF _Toc390246211 h 8 HYPERLINK l _Toc390246212 2.4種子擴大培養(yǎng) PAGEREF _Toc390246212 h 8 HYPERLINK l _Toc390246218 2.5賴氨酸發(fā)酵工藝條件控制 PAGEREF _Toc390246218 h 9 HYPERLINK l _Toc390246225 2.6賴氨酸的提取 PAGEREF _Toc390246225 h 10 HYPERLINK l _Toc390246226 2.7賴氨酸的精制 PAGEREF _Toc390246226 h 10 HYPERLINK l _To

6、c390246227 第三章 工藝計算 PAGEREF _Toc390246227 h 11 HYPERLINK l _Toc390246228 3.1物料衡算 PAGEREF _Toc390246228 h 11 HYPERLINK l _Toc390246229 3.1.1工藝技術(shù)指標(biāo) PAGEREF _Toc390246229 h 11 HYPERLINK l _Toc390246274 3.1.2賴氨酸發(fā)酵車間物料衡算 PAGEREF _Toc390246274 h 12 HYPERLINK l _Toc390246275 3.1.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果匯總 PA

7、GEREF _Toc390246275 h 14 HYPERLINK l _Toc390246277 3.1.4年產(chǎn)4000t賴氨酸提取車間物料衡算 PAGEREF _Toc390246277 h 16 HYPERLINK l _Toc390246278 3.2熱量衡算 PAGEREF _Toc390246278 h 17 HYPERLINK l _Toc390246279 3.2.1淀粉液化工序的熱量衡算 PAGEREF _Toc390246279 h 17 HYPERLINK l _Toc390246280 3.2.2液化液糖化過程的熱量衡算 PAGEREF _Toc390246280 h

8、 18 HYPERLINK l _Toc390246281 3.2.3發(fā)酵車間熱量衡算 PAGEREF _Toc390246281 h 19 HYPERLINK l _Toc390246282 3.2.4賴氨酸溶液濃縮結(jié)晶過程的熱量衡算 PAGEREF _Toc390246282 h 21 HYPERLINK l _Toc390246283 3.2.5賴氨酸干燥過程的熱量衡算 PAGEREF _Toc390246283 h 23 HYPERLINK l _Toc390246284 3.2.6年產(chǎn)4000t賴氨酸廠熱量衡算結(jié)果匯總 PAGEREF _Toc390246284 h 24 HYPER

9、LINK l _Toc390246285 3.3過程水的衡算 PAGEREF _Toc390246285 h 25 HYPERLINK l _Toc390246286 3.3.1糖化工序用水量 PAGEREF _Toc390246286 h 25 HYPERLINK l _Toc390246287 3.3.2連續(xù)滅菌工序的用水量 PAGEREF _Toc390246287 h 25 HYPERLINK l _Toc390246288 3.3.3發(fā)酵工序的用水量 PAGEREF _Toc390246288 h 26 HYPERLINK l _Toc390246289 3.3.4提取工序的用水量

10、PAGEREF _Toc390246289 h 26 HYPERLINK l _Toc390246290 3.3.5中和脫色工序的用水量 PAGEREF _Toc390246290 h 26 HYPERLINK l _Toc390246291 3.3.6精制工序的用水量 PAGEREF _Toc390246291 h 26 HYPERLINK l _Toc390246292 3.3.7動力工序的用水量 PAGEREF _Toc390246292 h 26 HYPERLINK l _Toc390246293 3.3.8年產(chǎn)4000t賴氨酸水量衡算結(jié)果匯總 PAGEREF _Toc39024629

11、3 h 26 HYPERLINK l _Toc390246294 3.4無菌空氣消耗量的計算 PAGEREF _Toc390246294 h 27 HYPERLINK l _Toc390246295 3.4.1無菌空氣消耗量計算的方法和步驟 PAGEREF _Toc390246295 h 27 HYPERLINK l _Toc390246297 3.4.2年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無菌空氣計算 PAGEREF _Toc390246297 h 29 HYPERLINK l _Toc390246298 3.4.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無菌空氣衡算結(jié)果匯總 PAGEREF _Toc390246298 h

12、 30 HYPERLINK l _Toc390246300 第四章 設(shè)備設(shè)計與選型 PAGEREF _Toc390246300 h 31 HYPERLINK l _Toc390246301 4.1設(shè)備設(shè)計與選型的任務(wù)和原則 PAGEREF _Toc390246301 h 31 HYPERLINK l _Toc390246302 4.1.1設(shè)備設(shè)計與選型的任務(wù) PAGEREF _Toc390246302 h 31 HYPERLINK l _Toc390246303 4.1.2設(shè)備設(shè)計與選型的原則 PAGEREF _Toc390246303 h 31 HYPERLINK l _Toc3902463

13、04 4.1.3 專業(yè)設(shè)備設(shè)計與選型的依據(jù) PAGEREF _Toc390246304 h 31 HYPERLINK l _Toc390246305 4.1.4專業(yè)設(shè)備設(shè)計與選型的程序和內(nèi)容 PAGEREF _Toc390246305 h 32 HYPERLINK l _Toc390246306 4.2發(fā)酵罐的選型 PAGEREF _Toc390246306 h 32 HYPERLINK l _Toc390246307 4.2.1發(fā)酵罐的選型及容積的確定 PAGEREF _Toc390246307 h 32 HYPERLINK l _Toc390246308 4.2.2發(fā)酵罐個數(shù)的確定 PAG

14、EREF _Toc390246308 h 32 HYPERLINK l _Toc390246309 4.2.3主要尺寸設(shè)計 PAGEREF _Toc390246309 h 33 HYPERLINK l _Toc390246310 4.2.4冷卻面積的確定 PAGEREF _Toc390246310 h 34 HYPERLINK l _Toc390246311 4.2.5攪拌器及攪拌軸功率的設(shè)計 PAGEREF _Toc390246311 h 35 HYPERLINK l _Toc390246313 4.2.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計 PAGEREF _Toc390246313 h 37 HYPERLIN

15、K l _Toc390246314 4.2.7設(shè)備材料的選擇 PAGEREF _Toc390246314 h 40 HYPERLINK l _Toc390246315 4.2.8發(fā)酵罐壁厚的計算 PAGEREF _Toc390246315 h 40 HYPERLINK l _Toc390246316 4.2.9接管設(shè)計 PAGEREF _Toc390246316 h 41 HYPERLINK l _Toc390246317 4.2.10支座的選擇 PAGEREF _Toc390246317 h 43 HYPERLINK l _Toc390246318 4.3 種子罐的選型 PAGEREF _T

16、oc390246318 h 43 HYPERLINK l _Toc390246319 4.3.1種子罐容積和數(shù)量的確定 PAGEREF _Toc390246319 h 43 HYPERLINK l _Toc390246320 4.3.2冷卻面積的計算 PAGEREF _Toc390246320 h 43 HYPERLINK l _Toc390246321 4.3.3種子罐壁厚的計算 PAGEREF _Toc390246321 h 44 HYPERLINK l _Toc390246322 4.3.4設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計 PAGEREF _Toc390246322 h 44 HYPERLINK l

17、_Toc390246323 4.3.5支座的選擇 PAGEREF _Toc390246323 h 46 HYPERLINK l _Toc390246324 4.4糖化鍋的選型 PAGEREF _Toc390246324 h 46 HYPERLINK l _Toc390246325 4.4.1設(shè)備主要尺寸設(shè)計 PAGEREF _Toc390246325 h 46 HYPERLINK l _Toc390246326 4.4.2設(shè)備材料的選擇 PAGEREF _Toc390246326 h 47 HYPERLINK l _Toc390246327 4.4.3糖化鍋壁厚的計算 PAGEREF _Toc

18、390246327 h 47 HYPERLINK l _Toc390246328 4.4.4發(fā)酵車間主要設(shè)備參數(shù)一覽表 PAGEREF _Toc390246328 h 47 HYPERLINK l _Toc390246329 4.5消泡劑貯罐的選型 PAGEREF _Toc390246329 h 48 HYPERLINK l _Toc390246330 4.6空氣過濾器的選型 PAGEREF _Toc390246330 h 49 HYPERLINK l _Toc390246331 4.6.1發(fā)酵罐分過濾器 PAGEREF _Toc390246331 h 49 HYPERLINK l _Toc3

19、90246332 4.6.2種子罐分過濾器 PAGEREF _Toc390246332 h 50 HYPERLINK l _Toc390246333 4.7部分輔助設(shè)備的選型 PAGEREF _Toc390246333 h 50 HYPERLINK l _Toc390246334 4.8電滲析裝置的選型 PAGEREF _Toc390246334 h 52 HYPERLINK l _Toc390246335 4.9年產(chǎn)4000t賴氨酸廠主要設(shè)備一覽表 PAGEREF _Toc390246335 h 53 HYPERLINK l _Toc390246336 第五章 廠址選擇與工廠總平面設(shè)計 PA

20、GEREF _Toc390246336 h 54 HYPERLINK l _Toc390246337 5.1廠址選擇的重要性及原則 PAGEREF _Toc390246337 h 54 HYPERLINK l _Toc390246338 5.2工廠總平面設(shè)計 PAGEREF _Toc390246338 h 54 HYPERLINK l _Toc390246339 第六章 清潔生產(chǎn)與三廢處理 PAGEREF _Toc390246339 h 57 HYPERLINK l _Toc390246340 6.1概述 PAGEREF _Toc390246340 h 57 HYPERLINK l _Toc3

21、90246341 6.1.1清潔生產(chǎn)的定義 PAGEREF _Toc390246341 h 57 HYPERLINK l _Toc390246342 6.1.2賴氨酸廠污染物的特點 PAGEREF _Toc390246342 h 57 HYPERLINK l _Toc390246343 6.1.3賴氨酸廠的清潔生產(chǎn) PAGEREF _Toc390246343 h 58 HYPERLINK l _Toc390246344 6.2末端治理 PAGEREF _Toc390246344 h 58 HYPERLINK l _Toc390246345 第七章 公用工程概述 PAGEREF _Toc3902

22、46345 h 60 HYPERLINK l _Toc390246346 7.1給排水工程 PAGEREF _Toc390246346 h 60 HYPERLINK l _Toc390246347 7.2供熱工程 PAGEREF _Toc390246347 h 61 HYPERLINK l _Toc390246348 7.3供電工程 PAGEREF _Toc390246348 h 61 HYPERLINK l _Toc390246349 第八章 車間生產(chǎn)管理制度 PAGEREF _Toc390246349 h 62 HYPERLINK l _Toc390246350 8.1生產(chǎn)管理概述 PAG

23、EREF _Toc390246350 h 62 HYPERLINK l _Toc390246351 8.2信息化生產(chǎn)管理 PAGEREF _Toc390246351 h 62 HYPERLINK l _Toc390246352 8.3賴氨酸廠車間管理制度 PAGEREF _Toc390246352 h 63 HYPERLINK l _Toc390246353 致 謝 PAGEREF _Toc390246353 h 64 HYPERLINK l _Toc390246354 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc390246354 h 65 HYPERLINK l _Toc390246355 附 錄

24、PAGEREF _Toc390246355 h 67摘 要賴氨酸（即2,6二氨基己酸）于1889年首次從酪蛋白水解物中分離得到，是一種人體必需的氨基酸，人體和高等動物體內(nèi)不能合成。賴氨酸又是谷類糧食中最缺乏的一種氨基酸，近年來廣泛地應(yīng)用于營養(yǎng)食品，飼料添加劑等方面。賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進(jìn)人體發(fā)育、增強免疫功能，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用。目前，賴氨酸主要靠發(fā)酵法進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)。常用的發(fā)酵法有二步發(fā)酵法和直接發(fā)酵法。其中，直接發(fā)酵法是更加常用的發(fā)酵方法。整個設(shè)計內(nèi)容包括了解賴氨酸生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程。根據(jù)實際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對流

25、程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選型、整個發(fā)酵過程的環(huán)境保護(hù)問題等。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖及發(fā)酵設(shè)備圖。關(guān)鍵詞：賴氨酸；工藝計算；設(shè)備選型；工藝流程；發(fā)酵AbstractLysine ( 2,6 - aminocaproic acid), firstly isolated in 1889 from a casein hydrolyzate, is an essential amino acids which the body and higher animals cant synthesize. Lysine is an amino acid that is mos

26、t lacking in cereal grain. Whats more, it is widely used in the nutritional aspects of food and feed additives in recent years. Lysine is one of the essential amino acids, which can promote human development, enhance immune function and improve central nervous system function. The industrial synthes

27、is of lysine is mainly by fermenting now. There are two step fermentation method and direct fermentation. Among them, the direct fermentation method is more commonly used now. The whole design includes the understanding of raw material pretreatment of lysine production, fermentation, the methods of

28、extraction. To choose the appropriate section of fermentation production process according to the actual situation, and the process of raw materials for mass balance, heat Selection accountancy and equipment, the entire fermentation process and other environmental issues. Finally, we should draw a s

29、ection of the fermentation process flow diagram and layout plan and fermentation equipment diagram. Keywords: lysine; process calculation; equipment selection; process; fermentation第一章 緒論1.1賴氨酸簡介 L-賴氨酸(L-Lysine，本設(shè)計中所提到的賴氨酸都指L-賴氨酸)，化學(xué)式為H2N(CH2)4CH(NH2)COOH，結(jié)構(gòu)簡式如圖1.11。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20種氨基酸之一。

30、OHOHONH2H2N圖1.1 L-賴氨酸化學(xué)結(jié)構(gòu)式L-賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進(jìn)人體發(fā)育、增強免疫功能，并有提高中樞神經(jīng)組織功能的作用。賴氨酸為堿性必需氨基酸,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。目前，國內(nèi)外氨基酸的工業(yè)生產(chǎn)中，除谷氨酸外，產(chǎn)量最大的就是L-賴氨酸。 1.2賴氨酸的性質(zhì)L-賴氨酸是白色或近白色的自由流動結(jié)晶型粉末，易溶于水，水溶液為中性偏酸性，難溶于乙醇，在263264熔化并分解。 L-賴氨酸在濕度為60%以下較為穩(wěn)定，當(dāng)濕度大于60%時生成二水合物。在堿性條件或還原糖存在條件下加熱分解。游離的L-賴氨酸極易潮解，由于

31、其具有游離氨基而容易發(fā)黃變質(zhì)，難以長期保存。L-賴氨酸鹽酸鹽比較穩(wěn)定，不易潮解，便于保存，因此，生產(chǎn)上經(jīng)常將L-賴氨酸轉(zhuǎn)化為L-賴氨酸鹽酸鹽的形式以利于保存。1.3賴氨酸的發(fā)展現(xiàn)狀L-賴氨酸最初是從蛋白質(zhì)水解物中分離得到的，蛋白質(zhì)水解法一般以動物血粉為原料，此法最大的特點是工藝流程簡單，但是原料來源很有限，僅適合小規(guī)模生產(chǎn)。此后又出現(xiàn)了化學(xué)合成法、水解法，酶法。直到1960年，日本首先采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸。微生物發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸是人為地解除氨基酸生物合成的代謝控制機制，使其積累大量所需氨基酸。氨基酸的L-型立體專一性決定了發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸較化學(xué)合成的工藝更簡單、快捷。我國于20世紀(jì)60年代

32、中期開始進(jìn)行賴氨酸菌株選育和發(fā)酵的研究，但因產(chǎn)量較低難以工業(yè)化。直到70年代未80年代初世界賴氨酸實現(xiàn)工業(yè)化后我國的研究才取得突破。目前，世界約2/3的賴氨酸企業(yè)采用發(fā)酵法生產(chǎn)，生產(chǎn)的為L-型賴氨酸，生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本成熟。近年來，賴氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80萬t賴氨酸通過發(fā)酵生產(chǎn)的方式獲得。1.4賴氨酸的作用及缺乏癥賴氨酸的作用包括建立肌肉組織、從創(chuàng)傷或受傷中恢復(fù)，并幫助更有效地吸收鈣離子。它還有助于機體產(chǎn)生抗體、酶和激素等物質(zhì)。而且，賴氨酸還可用于食品工業(yè)與醫(yī)藥工業(yè)等，用途廣泛。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。豆類食物含有豐富的賴氨酸

33、，食物中添加豆類及其制品，可補充谷類中最缺乏的必需氨基酸，即賴氨酸。1.5賴氨酸的生產(chǎn)方法1.4.1二步發(fā)酵法又稱前體添加法，50年代初開發(fā)的二步發(fā)酵法以賴氨酸的前體二氨基庚二酸為原料，借助微生物生產(chǎn)的酶（二氨基庚二酸脫羧酶）， 使其脫羧后轉(zhuǎn)變?yōu)橘嚢彼帷?0年代后，日本采用固定化二氨基庚二酸脫羧酶或含此酶的菌體，使內(nèi)消旋2，6-二氨基庚二酸脫羧連續(xù)生產(chǎn)賴氨酸2，改進(jìn)了這一工藝8。盡管這樣，該工藝仍較復(fù)雜，現(xiàn)已被直接發(fā)酵法取代，很少使用。1.4.2直接發(fā)酵法一種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、淀粉水解液等廉價糖質(zhì)原料4。此外，醋酸、乙醇等也是可供選用的原料。直接發(fā)酵

34、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。70年代以來，由于育種技術(shù)的進(jìn)展，選育出一些具有多重遺傳標(biāo)記的突變株，使工藝日趨成熟，賴氨酸的產(chǎn)量也得到成倍增長5。工業(yè)生產(chǎn)中賴氨酸的最高產(chǎn)率已經(jīng)提高到每升發(fā)酵液100120g，提取率達(dá)到8090左右。1.6賴氨酸的提取與精制賴氨酸的提取方法主要有鹽析法、有機溶劑萃取法、離子交換法和電滲析法。通常情況下根據(jù)被提取物質(zhì)的理化和生物學(xué)特性選擇兩種方法結(jié)合使用，本次設(shè)計采用電滲析法來分離提取賴氨酸。賴氨酸的精制技術(shù)主要包括結(jié)晶和干燥技術(shù)。對于生物活性物質(zhì)，可根據(jù)其熱穩(wěn)定性的不同，分別采用噴霧干燥、熱風(fēng)干燥、真空干燥、

35、冷凍干燥的技術(shù)。其中，冷凍干燥技術(shù)廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)產(chǎn)品的干燥，但其能耗高、設(shè)備復(fù)雜、操作時間長且只能分批操作，因此，有待完善和改進(jìn)，本次設(shè)計采用熱風(fēng)干燥。1.7電滲析的原理電滲析法又稱離子交換膜電滲析技術(shù)，是利用可離解基團(tuán)，在外電場的作用下，經(jīng)有選擇透過性的高分子膜，使各種帶電性物質(zhì)分離的技術(shù)6，其關(guān)鍵是離子交換膜。對于不同的應(yīng)用要求，即使同一類型的離子交換膜也在性能和結(jié)構(gòu)上有很大的差異，所以因應(yīng)用不同，對離子交換膜也有不同的要求3。在離子交換電滲析中，陽極和陰極之間平行交替地排列著陰離子和陽離子交換膜，形成許多獨立的小單元，當(dāng)加上電壓后，含離子溶液在電場下通過這些單元，有的單元里有正離子、負(fù)

36、離子可透過陰離子、陽離子交換膜進(jìn)入另一單元而變成脫鹽水，另一些單元中正離子、負(fù)離子因電場作用和膜電荷的排斥作用而留在單元里，加上遷移過來的離子生成濃鹽水。在這一過程中，由于電極的還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)還分別在電極室和電極表面形成氫氣、氧氣或氯氣。工業(yè)上電滲析裝置多由幾百對膜組成，在實際應(yīng)用中可根據(jù)要求具體設(shè)置8，電滲析具體過程如圖1.27。賴氨酸分子中同時包含羧基和羥基，因此，賴氨酸為兩性電解質(zhì)1。當(dāng)賴氨酸溶液pH在其等電點時，賴氨酸以中性分子形式存在，此時，賴氨酸溶液呈電中性，在直流電場的作用下不發(fā)生移動；當(dāng)賴氨酸溶液的pH大于其等電點時，賴氨酸以堿性的負(fù)離子形式存在，在直流電場中可通過陰離子交

37、換膜向陽極移動；而當(dāng)溶液的pH小于等電點時，賴氨酸則以酸性的正離子形式存在，在直流電場中可通過陽離子交換膜向陰極移動1。由于賴氨酸具有此種特性，因此可以采用電滲析技術(shù)對其進(jìn)行制備、分離和提純7。電滲析的優(yōu)點有：環(huán)境污染小、原料消耗少、能耗低；設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡單；對原水含鹽量變化適應(yīng)性強；操作簡單，易于實現(xiàn)機械化、自動化；目前，電滲析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領(lǐng)域占有重要地位7。1.8生物工業(yè)下游技術(shù)的一般工藝過程生物技術(shù)生產(chǎn)的有用物質(zhì)的提取、精制技術(shù)在美國稱為生物分離，已發(fā)展成化學(xué)工程學(xué)的一個領(lǐng)域。相對于采用微生物在發(fā)酵液中積累目的產(chǎn)物的發(fā)酵過程即上游過程來說，將

38、發(fā)酵液中目的產(chǎn)物制成產(chǎn)品的過程，通常稱為下游過程。下游過程中采用的分離提取技術(shù)稱為下游技術(shù)8。由于工業(yè)生物技術(shù)產(chǎn)品眾多，原料廣泛，產(chǎn)品性質(zhì)多樣，用途各異，因而分離、提取、精制的技術(shù)，生產(chǎn)工藝及相關(guān)裝備也是多種多樣的。按生產(chǎn)過程劃分，生物工業(yè)下游技術(shù)大致可分為4個階段，即發(fā)酵液預(yù)處理、產(chǎn)物的提取(初步分離)、產(chǎn)物的精制(高度純化)、成品加工。HH2ONaClH2ONaOH稀NaClHClOH-H+Na+Na+Cl-Cl-ACAC濃縮室淡化室濃縮室圖1.2 電滲析原理示意圖A：陰離子交換膜； C：陽離子交換膜(+)(-)第二章 賴氨酸的生產(chǎn)工藝流程2.1賴氨酸生產(chǎn)工藝概述賴氨酸生產(chǎn)全過程可劃分為四

39、個工藝階段10:(1)原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備；(2)種子擴大培養(yǎng)及賴氨酸發(fā)酵；(3)賴氨酸的分離提取；(4)賴氨酸的精制加工。2.2賴氨酸生產(chǎn)工藝流程圖L-賴氨酸最初是蛋白質(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液或甘蔗糖蜜為碳源，以銨鹽、氨或尿素作為氮源進(jìn)行的14，pH值基本維持中性。一般通過流加氨水或尿素的控制方式來控制發(fā)酵液的pH，其生產(chǎn)工藝流程如圖2.1。2.3原料預(yù)處理及淀粉水解糖的制備2.3.1賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)法發(fā)酵法是工業(yè)生產(chǎn)賴氨酸最重要的方法。其原理是利用微生物的某些營養(yǎng)缺陷型菌株，通過代謝控制

40、發(fā)酵，人為地改變和控制微生物的代謝途徑來實現(xiàn)L-賴氨酸的生產(chǎn)。目前用于工業(yè)發(fā)酵生產(chǎn)的菌株主要是棒狀桿菌和短桿菌等細(xì)菌的各種變異株，其誘變方法是以紫外線、X射線、氮芥和亞硝基酯等為主的處理方法，也有用細(xì)胞融合和基因工程等生物工程技術(shù)來育種的9。主要原料為淀粉、糖蜜、玉米等淀粉類原料需經(jīng)糖化轉(zhuǎn)化為葡萄糖后才可用，且發(fā)酵液配方中需再補充生物素。賴氨酸發(fā)酵是一種典型的代謝控制發(fā)酵。通過控制培養(yǎng)物中的生物素，L-蘇氨酸和L-甲硫氨酸的含量、溫度、溶氧量（通風(fēng)量和攪拌速度）等條件，可使L-賴氨酸產(chǎn)生菌大量積累賴氨酸，可使糖質(zhì)原料的35%40%轉(zhuǎn)化成L-賴氨酸，幾乎沒有副產(chǎn)物。若控制不當(dāng)，賴氨酸的生成量減少

41、，發(fā)酵液中有乳酸、丙氨酸、纈氨酸等副產(chǎn)物積累。經(jīng)過預(yù)處理的壓縮空氣經(jīng)過預(yù)處理的壓縮空氣分過濾器預(yù)過慮、精過濾種子罐預(yù)過濾、精過濾發(fā) 酵 罐濃糖流加硫銨連消底料小料連消液氨底料、小料液氨濃糖連消消泡劑發(fā)酵液貯槽排風(fēng)接種排風(fēng)濃糖流加硫銨流加底料、小料濃糖連消移種淀粉液化淀粉液糖化圖2.1 賴氨酸生產(chǎn)工藝流程圖發(fā)酵液預(yù)處理過濾加鹽酸中和、脫色將母液再次過濾并進(jìn)行電滲析結(jié)晶鍋中結(jié)晶離心分離用清水洗滌晶體后干燥重結(jié)晶賴氨酸成品放料賴氨酸發(fā)酵時間以1620h為界，可分為前后兩個時期。前期為生長期，菌體增殖迅速，有少量賴氨酸生成糖和氮的消耗主要用于合成細(xì)胞物質(zhì)及供給菌體的能量代謝；后期為賴氨酸生成期，菌體生

42、長速度明顯減慢9，L-賴氨酸大量積累，糖和氮的消耗主要用于合成L-賴氨酸。但這兩個階段沒有谷氨酸發(fā)酵那么明顯，且工藝控制上也因兩個階段的不同而異5。2.3.2原料的預(yù)處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時去除固體雜質(zhì)，防止機器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機，常用的是振動篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動篩結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便。2.3.3淀粉水解糖的制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液即淀粉水解糖。由于賴氨酸生產(chǎn)菌株不能直接利用淀粉或糊精作為碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用。目前國內(nèi)外生產(chǎn)上采用的糖化方法主要有：雙酶法、酶酸法、酸法

43、、酸酶法等幾種。與傳統(tǒng)酸法水解淀粉相比，酶法具有獨特的優(yōu)點5：可在常溫常壓和溫和酸度下，高效地進(jìn)行催化反應(yīng)，簡化了設(shè)備，改善了勞動條件和降低了成本；酶催化所需的活化能極低，催化效率遠(yuǎn)比無機酸高，-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；酶水解具有專一性，制得的產(chǎn)品的純度高；酶本身是蛋白質(zhì)，對酸堿度極為敏感，故可簡單地采用調(diào)節(jié)酸堿度、改變反應(yīng)溫度或添加抑制劑等方法來控制反應(yīng)的進(jìn)行；酶的來源廣泛，許多動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，現(xiàn)在生產(chǎn)中大多使用此法。2.4種子擴大培養(yǎng)為了滿足工業(yè)大生產(chǎn)的需要，必須要有足夠量的、活力強的純的種子。在賴氨酸發(fā)酵中

44、，為了縮短發(fā)酵的調(diào)整期，一般采用相對高的接種量，為5%10%。因此，根據(jù)發(fā)酵罐規(guī)模采用二級或三級種子培養(yǎng)。斜面種子的制備斜面菌種要求純，絕對沒有雜菌和噬菌體污染。斜面培養(yǎng)基滅菌后，須在30保溫24h,檢查無菌后，放冰箱備用。培養(yǎng)基：牛肉膏1%，蛋白胨1%，NaCl0.5%，葡萄糖0.5%（保藏斜面不添加），瓊脂2%，pH7.07.2。斜面種子的培養(yǎng)條件為：3032，培養(yǎng)1824h。種子的擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基應(yīng)含有豐富的有機氮，不含糖或極少糖，必須利用菌體生長繁殖，而不產(chǎn)酸。培養(yǎng)基中碳源含量較高時，易生成酸，使培養(yǎng)后期pH降低影響種子的活力。一級種子的培養(yǎng)基為：葡萄糖2.0%，（NH4）2SO40.4

45、%，K2HPO40.1%，玉米漿1%2%，豆餅水解液1%2%，MgSO47H2O0.04%0.05%，尿素0.1%，pH7.07.2。培養(yǎng)條件為：3032，培養(yǎng)1516h。二級種子的培養(yǎng)基除以淀粉水解液代替葡萄糖外，其余同一級種子。培養(yǎng)條件為：溫度3032，通風(fēng)量1:0.2m3/(m3min),攪拌轉(zhuǎn)速約200r/min，培養(yǎng)時間811h。當(dāng)采用二級種子擴大培養(yǎng)時，接種量較少，為2%5%，種齡為12h。當(dāng)采用三級種子擴大培養(yǎng)時，接種量較大，約10%時，種齡為68h。接種以對數(shù)生長期種子為好。2.5賴氨酸發(fā)酵工藝條件控制溫度幼齡菌對溫度很敏感，在發(fā)酵前期，提高溫度，生長代謝加快，產(chǎn)酸期提前，但菌

46、體內(nèi)酶容易失活，菌體衰老，賴氨酸產(chǎn)量少。賴氨酸發(fā)酵前期溫度控制在32，中后期控制在3413。pH賴氨酸發(fā)酵pH控制在6.57.5為好，最好在6.57.0,。在整個發(fā)酵過程pH的控制以平穩(wěn)為好供氧賴氨酸產(chǎn)生菌是好氣性微生物，它們只有在供氧充足的條件下才能生長良好從而合成賴氨酸。供氧不足時，賴氨酸產(chǎn)量降低；嚴(yán)重供氧不足時賴氨酸產(chǎn)量很少而積累乳酸。在賴氨酸發(fā)酵的菌體生長階段，菌體呼吸旺盛，對氧的需求大于產(chǎn)酸階段12，溶氧分壓PL控制在0.41040.8104Pa為宜。當(dāng)菌體生長進(jìn)入穩(wěn)定期后，對氧的需求量降低，PL控制在0.41040.5104Pa，直至發(fā)酵結(jié)束2。2.6賴氨酸的提取要從成熟的發(fā)酵液中

47、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無機鹽。從發(fā)酵液中提取賴氨酸通常有4種方法，即沉淀法、有機溶劑抽提法、離子交換樹脂吸附法和電滲析法9。本次設(shè)計采用電滲析法從發(fā)酵液中提取賴氨酸。2.7賴氨酸的精制濃縮和除氨2用電滲析法提取賴氨酸后，溶液中賴氨酸含量不是特別高，而且，銨離子濃度較高。因此，需要對溶液進(jìn)行濃縮和除氨?？刹捎弥醒胙h(huán)管蒸發(fā)器、膜式蒸發(fā)器及雙效蒸發(fā)器進(jìn)行蒸發(fā)，收集蒸發(fā)出來的氨氣。(2)賴氨酸鹽酸鹽的結(jié)晶和分離將賴氨酸鹽酸鹽濃縮液放入中和罐，邊攪拌邊加入工業(yè)鹽酸，調(diào)節(jié)pH至4.8；然后將中和液放入結(jié)晶罐，夾套內(nèi)通入冷水，緩慢冷卻，使冷卻面和液體間的溫差不超過10，防止局

48、部過飽和而使晶體沉積在結(jié)晶罐內(nèi)壁上。當(dāng)溶液溫度降至10時，保溫結(jié)晶1012h。為了使晶體不太細(xì)，結(jié)晶過程應(yīng)控制溫度，最低溫度最好在5左右。在結(jié)晶過程中需適當(dāng)攪拌以促進(jìn)晶體的相對運動。 結(jié)晶完畢后停止攪拌，用離心機分離，用少量水洗滌晶體表面附著母液。母液經(jīng)濃縮后再結(jié)晶，直至不能結(jié)晶。所得的晶體為賴氨酸鹽酸鹽的粗晶體，干燥后即得飼料級賴氨酸鹽酸鹽，純度為95%以上。第三章 工藝計算3.1物料衡算3.1.1工藝技術(shù)指標(biāo)(1)賴氨酸發(fā)酵工廠發(fā)酵車間的發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)如下表3.1表3.1 4000t/a賴氨酸廠發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位指標(biāo)數(shù)指標(biāo)名稱單位 指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模生產(chǎn)方法年生產(chǎn)天數(shù)產(chǎn)品日產(chǎn)量產(chǎn)品

49、質(zhì)量倒罐率發(fā)酵周期t/a4000發(fā)酵初糖淀粉糖轉(zhuǎn)化率糖酸轉(zhuǎn)化率產(chǎn)酸水平賴氨酸提取率流加高濃度糖kg/m3 90% 96% 40g/L 60% 82kg/m3 220雙酶法中糖發(fā)酵，電滲析提取dt/d33012.12純度99%h140葡萄糖（水解糖）90，硫酸銨 20，KH2PO43H2O 4.5，MgSO47H2O 0.5， FeSO47H2O 0.015，MnSO4H2O 0.015，豆餅水解液 30，VH 140 g，VB1 1 mg，Thr 20mg，pH -7.5,接種量。二級種子培養(yǎng)基葡萄糖 20，(NH4)2SO4 4，K2HPO4 1，玉米漿 20，豆餅水解液 20，MgSO47

50、H2O 0.4，尿素 1，pH7.07.2。3.1.2賴氨酸發(fā)酵車間物料衡算 首先計算生產(chǎn)1000kg純度為100%的賴氨酸需耗用的原輔材料及其它物料量(1)發(fā)酵液量設(shè)發(fā)酵初始糖和流加高濃度糖后最終發(fā)酵液總糖濃度為150 kg/m3V式中 150發(fā)酵培養(yǎng)基的最終糖濃度，kg/m3 40%糖酸轉(zhuǎn)化率 82%賴氨酸提取率 99%除去倒罐率1%后的發(fā)酵成功率(2)發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算， G(3)二級種液量V2V(4)二級種子培養(yǎng)液所需水解糖量G2G式中 20二級種液含糖量(kg/m3）(5)生產(chǎn)1000kg賴氨酸需水解糖總量G G(6)耗用淀粉原料量 理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄

51、糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：G式中 80%淀粉原料含純淀粉量 96%淀粉糖轉(zhuǎn)化率(7)糖化液量糖化液中純糖量為：44.2580%1.1196%=37.72式中 80%淀粉原料含純淀粉量 96%淀粉糖轉(zhuǎn)化率 44.25每日淀粉的投料量，t則每天產(chǎn)15%的糖液量為37.7215%=251.47(8)硫酸銨用量G3G(9)KH2PO43H2O 用量G4 G(10)硫酸鎂(MgSO47H2O)用量G5 G(11)硫酸鐵(FeSO47H2O)用量G6 G(12)硫酸錳(MnSO4H2O)用量G7 G(13)玉米漿用量G8G(14)豆餅水解液用量G9G(15)尿素用量G尿素G(16)K

52、2HPO4 用量G10G(17)生物素(VH)用量G生物素G(18)維生素B1用量GB1G(19)蘇氨酸用量G蘇氨酸G(20)消泡劑（泡敵）用量G11G(21)鹽酸用量G鹽酸由于賴氨酸最終的存在形式為賴氨酸鹽酸鹽，因此，發(fā)酵液預(yù)處理階段需要使用鹽酸調(diào)節(jié)pH并引入氯離子，則鹽酸（選用質(zhì)量濃度為33%的工業(yè)鹽酸）的理論用量(在不考慮氯離子損失的情況下)為：G式中 36.5HCl的相對分子質(zhì)量 146.19賴氨酸分子的相對分子質(zhì)量(22)發(fā)酵液賴氨酸含量G實際生產(chǎn)的賴氨酸(提取率為82%）為1219.4882%=999.983.1.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果匯總 由上述生產(chǎn)1000

53、kg賴氨酸（100%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得4000t/a賴氨酸廠發(fā)酵車間的物料平衡計算結(jié)果，具體計算結(jié)果如表3.2表3.2 4000t/a賴氨酸廠發(fā)酵車間的物料衡算表物料名稱生產(chǎn)1t賴氨酸（100%）的物料量4000t/a賴氨酸生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液量/m3二級種液量/m3發(fā)酵水解糖用量/kg二級種子培養(yǎng)水解糖量/kg水解糖總量/kg淀粉用量/kg硫酸銨用量/kgKH2PO43H2O 用量/kg硫酸鎂用量/kg硫酸鐵用量/kg硫酸錳用量/kg玉米漿用量/kg豆餅水解液用量/kg尿素用量/kgK2HPO4 用量/kg生物素（VH）用量/g維生素B1用量/g蘇氨酸用量/kg消泡劑用量/

54、kg鹽酸用量/kg20.531.643079.5032.853112.353650.94417.1692.3810.920.310.3132.8648.701.641.642.8720.530.4120.53756.78.2121046.5601031.2321071.3141051.2451071.4601071.6691063.6951054.3681041.2401031.2401031.3121052.5951066.5601036.5601031.1481048.2121041.6401038.2121043.03106248.82419.8773.732104398.1423.77

55、21044.4251045.0561031.120103132.3503.7573.757397.5367.86210319.87719.87734.784248.8244.969248.8249.171033.1.4年產(chǎn)4000t賴氨酸提取車間物料衡算當(dāng)發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液從發(fā)酵罐中排出，然后進(jìn)行發(fā)酵液預(yù)處理。發(fā)酵液預(yù)處理后開始進(jìn)行電滲析分離提取。電滲析分離提取的原理前面已經(jīng)敘述了，在此，不再贅述。按電滲析分離提取工藝進(jìn)行物料衡算，以生產(chǎn)1000kg純度為100%的賴氨酸為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行物料衡算。發(fā)酵液的量，有前面計算已知為20.53m3。調(diào)節(jié)發(fā)酵液的pH需要的鹽酸量前面已經(jīng)計算為756.7kg，分

56、離提取前總賴氨酸的產(chǎn)量為20.536%1050=1293.39式中，6%賴氨酸提取率 1050發(fā)酵液的密度因為提取率為82%，經(jīng)分離提取后，純賴氨酸量為1293.3982%=1060.6通常經(jīng)初提取后母液中賴氨酸含量為9%，則初提取后母液量為1060.69%=11784.4母液回收過程用水量為11784.4-756.7=11027.7以1000kg純度為100%賴氨酸為基準(zhǔn)，衡算結(jié)果如表3.3表3.3 4000t/a賴氨酸廠提取車間物料衡算表進(jìn)入提取分離系統(tǒng)離開提取分離系統(tǒng)發(fā)酵液/m320.56賴氨酸/kg1060.6鹽酸/kg回收用水/kg756.711027.73.2熱量衡算3.2.1淀粉

57、液化工序的熱量衡算(1)液化加熱蒸汽用量淀粉液化時加熱需要消耗的蒸汽量W蒸汽可按下式5計算：W式中，G為淀粉漿的重量kg/h；C為淀粉漿的比熱容，kJ/(kgK)；t1為淀粉漿的初始溫度，；t2為液化溫度，；I為加熱蒸汽的熱焓，2738kJ/kg0.3MPa，表壓）；為加熱蒸汽凝結(jié)水的熱焓，363K時為377kJ/kg(2)淀粉漿量G根據(jù)物料衡算知，日投工業(yè)淀粉量為4.425104kg/h，24h連續(xù)液化，即每小時的處理量為1843.75kg/h，液化調(diào)漿時淀粉與水的比例關(guān)系為1：2.5，淀粉漿量就為 1843.753.5=6453.13kg/h ，淀粉漿中淀粉的濃度為：1843.7580%淀

58、粉漿的比熱容C可按下式計算C=1.55式中C0為淀粉的比熱容，kJ/(kgK)；x為淀粉漿中淀粉的含量（濃度）；C水為水的比熱容，kJ/(kgK)。(3)糖化蒸汽用量 W蒸汽1W滅酶蒸汽用量的計算：滅酶時需將液化液由90加熱至100，100時蒸汽的為419kJ/kg，則W滅酶過程要求在20min內(nèi)使液化液由90加熱至100，則蒸汽的高峰用量為：98.23因此，液化過程的平均用蒸汽量為：675.38+98.23=773.61每日蒸汽平均用量為30.3t/d，而高峰時用氣量為：675.38+294.69=970.07(4)液化液的冷卻水用量液化、滅酶過程完成后，需將物料由100降溫至65，假設(shè)冷卻

59、水的進(jìn)口溫度是20，出水溫度是58.7，那么需要的冷卻水用量即為：W每天的用水量為：5519.48243.2.2液化液糖化過程的熱量衡算年產(chǎn)4000噸賴氨酸的工廠，按前面的計算，日產(chǎn)含糖15%的糖液251.47t，按相對密度1.09，其體積為274.1m3，糖化操作的周期是30h，選用100的糖化鍋，裝料75，生產(chǎn)上需要的糖化罐的只數(shù)為：274.1圓整取用5只糖化鍋按生產(chǎn)上的流程使用板式換熱器，使糖化液（經(jīng)滅菌后）由85降至60，用二次水冷卻，冷卻水的進(jìn)口溫度20，出口溫度為45，其平均用水量為： 6453.13+773.61生產(chǎn)上一般要求在2h內(nèi)把75的糖液冷卻至40，其高峰用水量為：610

60、2.96由于每天同時運轉(zhuǎn)的糖化罐有4.5每天冷卻水用量是： 234.53.6=248.4t 3.2.3發(fā)酵車間熱量衡算(1)培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量假設(shè)發(fā)酵過程所用的發(fā)酵罐為200m3 ，（全容積為218m3），裝料系數(shù)為0.7 ，產(chǎn)酸水平為60g/L（即6%），那么每只發(fā)酵罐產(chǎn)99%賴氨酸的量為：2180.76%99%=9.25因日產(chǎn)賴氨酸為12.12t，一般來說，發(fā)酵的操作時間需要48h（其中發(fā)酵時間40h），這樣生產(chǎn)需發(fā)酵罐應(yīng)為12.12取整后為3只，每日投罐次為12.129.25=1.31罐，日運轉(zhuǎn)2.64048=2.17罐，每罐的初始體積為152.6m3 ，其質(zhì)量為：152.615%培