賴氨酸發(fā)酵畢業(yè)設計說明

目錄TOC\o"1-4"\h\z\u摘要 VIAbstract VII第一章緒論 11.1賴氨酸簡介 11.2賴氨酸的性質 11.3賴氨酸的發(fā)展現狀 21.4賴氨酸的作用及缺乏癥 21.5賴氨酸的生產方法 21.4.1二步發(fā)酵法 21.4.2直接發(fā)酵法 31.6賴氨酸的提取與精制 31.7電滲析的原理 31.8生物工業(yè)下游技術的一般工藝過程 4第二章賴氨酸的生產工藝流程 62.1賴氨酸生產工藝概述 62.2賴氨酸生產工藝流程圖 62.3原料預處理及淀粉水解糖的制備 62.3.1賴氨酸的發(fā)酵生產法 62.3.2原料的預處理 82.3.3淀粉水解糖的制備 82.4種子擴大培養(yǎng) 82.5賴氨酸發(fā)酵工藝條件控制 92.6賴氨酸的提取 102.7賴氨酸的精制 10第三章工藝計算 113.1物料衡算 113.1.1工藝技術指標 113.1.2賴氨酸發(fā)酵車間物料衡算 123.1.3年產4000t賴氨酸廠發(fā)酵車間物料衡算結果匯總 143.1.4年產4000t賴氨酸提取車間物料衡算 163.2熱量衡算 173.2.1淀粉液化工序的熱量衡算 173.2.2液化液糖化過程的熱量衡算 183.2.3發(fā)酵車間熱量衡算 193.2.4賴氨酸溶液濃縮結晶過程的熱量衡算 213.2.5賴氨酸干燥過程的熱量衡算 233.2.6年產4000t賴氨酸廠熱量衡算結果匯總 243.3過程水的衡算 253.3.1糖化工序用水量 253.3.2連續(xù)滅菌工序的用水量 253.3.3發(fā)酵工序的用水量 263.3.4提取工序的用水量 263.3.5中和脫色工序的用水量 263.3.6精制工序的用水量 263.3.7動力工序的用水量 263.3.8年產4000t賴氨酸水量衡算結果匯總 263.4無菌空氣消耗量的計算 273.4.1無菌空氣消耗量計算的方法和步驟 273.4.2年產4000t賴氨酸廠無菌空氣計算 293.4.3年產4000t賴氨酸廠無菌空氣衡算結果匯總 30第四章設備設計與選型 314.1設備設計與選型的任務和原則 314.1.1設備設計與選型的任務 314.1.2設備設計與選型的原則 314.1.3專業(yè)設備設計與選型的依據 314.1.4專業(yè)設備設計與選型的程序和內容 324.2發(fā)酵罐的選型 324.2.1發(fā)酵罐的選型及容積的確定 324.2.2發(fā)酵罐個數的確定 324.2.3主要尺寸設計 334.2.4冷卻面積的確定 344.2.5攪拌器及攪拌軸功率的設計 354.2.6設備結構的設計 374.2.7設備材料的選擇 404.2.8發(fā)酵罐壁厚的計算 404.2.9接管設計 414.2.10支座的選擇 434.3種子罐的選型 434.3.1種子罐容積和數量的確定 434.3.2冷卻面積的計算 434.3.3種子罐壁厚的計算 444.3.4設備結構的工藝設計 444.3.5支座的選擇 464.4糖化鍋的選型 464.4.1設備主要尺寸設計 464.4.2設備材料的選擇 474.4.3糖化鍋壁厚的計算 474.4.4發(fā)酵車間主要設備參數一覽表 474.5消泡劑貯罐的選型 484.6空氣過濾器的選型 494.6.1發(fā)酵罐分過濾器 494.6.2種子罐分過濾器 504.7部分輔助設備的選型 504.8電滲析裝置的選型 524.9年產4000t賴氨酸廠主要設備一覽表 53第五章廠址選擇與工廠總平面設計 545.1廠址選擇的重要性及原則 545.2工廠總平面設計 54第六章清潔生產與三廢處理 576.1概述 576.1.1清潔生產的定義 576.1.2賴氨酸廠污染物的特點 576.1.3賴氨酸廠的清潔生產 586.2末端治理 58第七章公用工程概述 607.1給排水工程 607.2供熱工程 617.3供電工程 61第八章車間生產管理制度 628.1生產管理概述 628.2信息化生產管理 628.3賴氨酸廠車間管理制度 63致謝 64參考文獻 65附錄 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，能促進人體發(fā)育、增強免疫功能，并有提高中樞神經組織功能的作用。目前，賴氨酸主要靠發(fā)酵法進行工業(yè)生產。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。整個設計內容包括了解賴氨酸生產中的原料預處理、發(fā)酵、提取部分的生產方法和生產流程。根據實際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產流程，并對流程中的原料進行物料衡算、熱量衡算及設備的選型、整個發(fā)酵過程的環(huán)境保護問題等。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖及發(fā)酵設備圖。關鍵詞：賴氨酸；工藝計算；設備選型；工藝流程；發(fā)酵

AbstractLysine(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第一章緒論1.1賴氨酸簡介L-賴氨酸(L-Lysine，本設計中所提到的賴氨酸都指L-賴氨酸)，化學式為H2N(CH2)4CH(NH2)COOH，結構簡式如圖1.1[1]。賴氨酸是構成蛋白質的基本單位，是組成人體蛋白質的20種氨基酸之一。OHOHONH2H2N圖1.1L-賴氨酸化學結構式L-賴氨酸是人體必需氨基酸之一，能促進人體發(fā)育、增強免疫功能，并有提高中樞神經組織功能的作用。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，國內外氨基酸的工業(yè)生產中，除谷氨酸外，產量最大的就是L-賴氨酸。1.2賴氨酸的性質L-賴氨酸是白色或近白色的自由流動結晶型粉末，易溶于水，水溶液為中性偏酸性，難溶于乙醇，在263—264℃熔化并分解。L-賴氨酸在濕度為60%以下較為穩(wěn)定，當濕度大于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，由于其具有游離氨基而容易發(fā)黃變質，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，生產上經常將L-賴氨酸轉化為L-賴氨酸鹽酸鹽的形式以利于保存。1.3賴氨酸的發(fā)展現狀L-賴氨酸最初是從蛋白質水解物中分離得到的，蛋白質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。此后又出現了化學合成法、水解法，酶法。直到1960年，日本首先采用微生物發(fā)酵法生產賴氨酸。微生物發(fā)酵生產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)酵法生產氨基酸較化學合成的工藝更簡單、快捷。我國于20世紀60年代中期開始進行賴氨酸菌株選育和發(fā)酵的研究，但因產量較低難以工業(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，生產的為L-型賴氨酸，生產工藝已經基本成熟。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，并幫助更有效地吸收鈣離子。它還有助于機體產生抗體、酶和激素等物質。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，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，借助微生物生產的酶（二氨基庚二酸脫羧酶），使其脫羧后轉變?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，使內消旋2，6-二氨基庚二酸脫羧連續(xù)生產賴氨酸[2]，改進了這一工藝[8]。盡管這樣，該工藝仍較復雜，現已被直接發(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原料[4]。此外，醋酸、乙醇等也是可供選用的原料。直接發(fā)酵法生產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，由于育種技術的進展，選育出一些具有多重遺傳標記的突變株，使工藝日趨成熟，賴氨酸的產量也得到成倍增長[5]。工業(yè)生產中賴氨酸的最高產率已經提高到每升發(fā)酵液100～120g，提取率達到80～90％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。通常情況下根據被提取物質的理化和生物學特性選擇兩種方法結合使用，本次設計采用電滲析法來分離提取賴氨酸。賴氨酸的精制技術主要包括結晶和干燥技術。對于生物活性物質，可根據其熱穩(wěn)定性的不同，分別采用噴霧干燥、熱風干燥、真空干燥、冷凍干燥的技術。其中，冷凍干燥技術廣泛應用于蛋白質產品的干燥，但其能耗高、設備復雜、操作時間長且只能分批操作，因此，有待完善和改進，本次設計采用熱風干燥。1.7電滲析的原理電滲析法又稱離子交換膜電滲析技術，是利用可離解基團，在外電場的作用下，經有選擇透過性的高分子膜，使各種帶電性物質分離的技術[6]，其關鍵是離子交換膜。對于不同的應用要求，即使同一類型的離子交換膜也在性能和結構上有很大的差異，所以因應用不同，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、負離子可透過陰離子、陽離子交換膜進入另一單元而變成脫鹽水，另一些單元中正離子、負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和氧化反應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，在實際應用中可根據要求具體設置[8]，電滲析具體過程如圖1.2[7]。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[1]。當賴氨酸溶液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；當賴氨酸溶液的pH大于其等電點時，賴氨酸以堿性的負離子形式存在，在直流電場中可通過陰離子交換膜向陽極移動；而當溶液的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對其進行制備、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；設備緊湊耐用，預處理簡單；對原水含鹽量變化適應性強；操作簡單，易于實現機械化、自動化；目前，電滲析技術已經發(fā)展成為一個大規(guī)模的化工單元過程，在膜分離領域占有重要地位[7]。1.8生物工業(yè)下游技術的一般工藝過程生物技術生產的有用物質的提取、精制技術在美國稱為生物分離，已發(fā)展成化學工程學的一個領域。相對于采用微生物在發(fā)酵液中積累目的產物的發(fā)酵過程即上游過程來說，將發(fā)酵液中目的產物制成產品的過程，通常稱為下游過程。下游過程中采用的分離提取技術稱為下游技術[8]。由于工業(yè)生物技術產品眾多，原料廣泛，產品性質多樣，用途各異，因而分離、提取、精制的技術，生產工藝及相關裝備也是多種多樣的。按生產過程劃分，生物工業(yè)下游技術大致可分為4個階段，即發(fā)酵液預處理、產物的提取(初步分離)、產物的精制(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工藝流程2.1賴氨酸生產工藝概述賴氨酸生產全過程可劃分為四個工藝階段[10]:(1)原料的預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?。?4)賴氨酸的精制加工。2.2賴氨酸生產工藝流程圖L-賴氨酸最初是蛋白質（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。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，其生產工藝流程如圖2.1。2.3原料預處理及淀粉水解糖的制備2.3.1賴氨酸的發(fā)酵生產法發(fā)酵法是工業(yè)生產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，通過代謝控制發(fā)酵，人為地改變和控制微生物的代謝途徑來實現L-賴氨酸的生產。目前用于工業(yè)發(fā)酵生產的菌株主要是棒狀桿菌和短桿菌等細菌的各種變異株，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，也有用細胞融合和基因工程等生物工程技術來育種的[9]。主要原料為淀粉、糖蜜、玉米等淀粉類原料需經糖化轉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（通風量和攪拌速度）等條件，可使L-賴氨酸產生菌大量積累賴氨酸，可使糖質原料的35%～40%轉化成L-賴氨酸，幾乎沒有副產物。若控制不當，賴氨酸的生成量減少，發(fā)酵液中有乳酸、丙氨酸、纈氨酸等副產物積累。經過預處理的壓縮空氣經過預處理的壓縮空氣分過濾器預過慮、精過濾種子罐預過濾、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)酵液貯槽排風接種排風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賴氨酸生產工藝流程圖發(fā)酵液預處理過濾加鹽酸中和、脫色將母液再次過濾并進行電滲析結晶鍋中結晶離心分離用清水洗滌晶體后干燥重結晶賴氨酸成品放料賴氨酸發(fā)酵時間以16～20h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胞物質及供給菌體的能量代謝；后期為賴氨酸生成期，菌體生長速度明顯減慢[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原料的預處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料結構，以便提高原料的利用率，同時去除固體雜質，防止機器磨損。用于除雜的設備為篩選機，常用的是振動篩和轉筒篩，其中振動篩結構較為簡單，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。目前國內外生產上采用的糖化方法主要有：雙酶法、酶酸法、酸法、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，高效地進行催化反應，簡化了設備，改善了勞動條件和降低了成本；酶催化所需的活化能極低，催化效率遠比無機酸高，α-淀粉酶與糖化酶共同作用于淀粉，得到的葡萄糖液DE值達98%以上；酶水解具有專一性，制得的產品的純度高；酶本身是蛋白質，對酸堿度極為敏感，故可簡單地采用調節(jié)酸堿度、改變反應溫度或添加抑制劑等方法來控制反應的進行；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，重復利用，現在生產中大多使用此法。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，為了縮短發(fā)酵的調整期，一般采用相對高的接種量，為5%～10%。因此，根據發(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%，pH7.0～7.2。斜面種子的培養(yǎng)條件為：30～32℃，培養(yǎng)18～24h。種子的擴大培養(yǎng)培養(yǎng)基應含有豐富的有機氮，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%，K2HPO40.1%，玉米漿1%～2%，豆餅水解液1%～2%，MgSO4·7H2O0.04%～0.05%，尿素0.1%，pH7.0～7.2。培養(yǎng)條件為：30～32℃，培養(yǎng)15～16h。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30～32℃，通風量1:0.2m3/(m3·min),攪拌轉速約200r/min，培養(yǎng)時間8～11h。當采用二級種子擴大培養(yǎng)時，接種量較少，為2%～5%，種齡為12h。當采用三級種子擴大培養(yǎng)時，接種量較大，約10%時，種齡為6～8h。接種以對數生長期種子為好。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，產酸期提前，但菌體內酶容易失活，菌體衰老，賴氨酸產量少。賴氨酸發(fā)酵前期溫度控制在32℃，中后期控制在34℃[13]。pH賴氨酸發(fā)酵pH控制在6.5~7.5為好，最好在6.5~7.0,。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，賴氨酸產量降低；嚴重供氧不足時賴氨酸產量很少而積累乳酸。在賴氨酸發(fā)酵的菌體生長階段，菌體呼吸旺盛，對氧的需求大于產酸階段[12]，溶氧分壓PL控制在0.4×104~0.8×104Pa為宜。當菌體生長進入穩(wěn)定期后，對氧的需求量降低，PL控制在0.4×104~0.5×104Pa，直至發(fā)酵結束[2]。2.6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)器進行蒸發(fā)，收集蒸發(fā)出來的氨氣。(2)賴氨酸鹽酸鹽的結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，調節(jié)pH至4.8；然后將中和液放入結晶罐，夾套內通入冷水，緩慢冷卻，使冷卻面和液體間的溫差不超過10℃，防止局部過飽和而使晶體沉積在結晶罐內壁上。當溶液溫度降至10℃時，保溫結晶10～12h。為了使晶體不太細，結晶過程應控制溫度，最低溫度最好在5℃左右。在結晶過程中需適當攪拌以促進晶體的相對運動。結晶完畢后停止攪拌，用離心機分離，用少量水洗滌晶體表面附著母液。母液經濃縮后再結晶，直至不能結晶。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工藝技術指標(1)賴氨酸發(fā)酵工廠發(fā)酵車間的發(fā)酵工藝技術指標如下表3.1表3.14000t/a賴氨酸廠發(fā)酵工藝技術指標指標名稱單位指標數指標名稱單位指標數生產規(guī)模生產方法年生產天數產品日產量產品質量倒罐率發(fā)酵周期t/a4000發(fā)酵初糖淀粉糖轉化率糖酸轉化率產酸水平賴氨酸提取率流加高濃度糖kg/m390%96%40g/L60%82kg/m3220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，KH2PO4·3H2O4.5，MgSO4·7H2O0.5，FeSO4·7H2O0.015，MnSO4·H2O0.015，豆餅水解液30，VH140μg，VB11mg，Thr20mg，pH-7.5,接種量。二級種子培養(yǎng)基葡萄糖20，(NH4)2SO44，K2HPO41，玉米漿20，豆餅水解液20，MgSO4·7H2O0.4，尿素1，pH7.0～7.2。3.1.2賴氨酸發(fā)酵車間物料衡算首先計算生產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150kg/m3V式中150——發(fā)酵培養(yǎng)基的最終糖濃度，kg/m340%——糖酸轉化率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1000kg賴氨酸需水解糖總量GG(6)耗用淀粉原料量理論上，100kg淀粉轉化生成葡萄糖量為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%——淀粉糖轉化率(7)糖化液量糖化液中純糖量為：44.25×80%×1.11×96%=37.72式中80%——淀粉原料含純淀粉量96%——淀粉糖轉化率44.25——每日淀粉的投料量，t則每天產15%的糖液量為37.72÷15%=251.47(8)硫酸銨用量G3G(9)KH2PO4·3H2O用量G4G(10)硫酸鎂(MgSO4·7H2O)用量G5G(11)硫酸鐵(FeSO4·7H2O)用量G6G(12)硫酸錳(MnSO4·H2O)用量G7G(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)K2HPO4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)酵液預處理階段需要使用鹽酸調節(jié)pH并引入氯離子，則鹽酸（選用質量濃度為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36.5——HCl的相對分子質量146.19——賴氨酸分子的相對分子質量(22)發(fā)酵液賴氨酸含量G實際生產的賴氨酸(提取率為82%）為1219.48×82%=999.983.1.3年產4000t賴氨酸廠發(fā)酵車間物料衡算結果匯總由上述生產1000kg賴氨酸（100%純度）的物料衡算結果，可求得4000t/a賴氨酸廠發(fā)酵車間的物料平衡計算結果，具體計算結果如表3.2表3.24000t/a賴氨酸廠發(fā)酵車間的物料衡算表物料名稱生產1t賴氨酸（100%）的物料量4000t/a賴氨酸生產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/kgKH2PO4·3H2O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/kg鹽酸用量/kg20.531.643079.5032.853112.353650.94417.1692.3810.920.310.3132.8648.701.641.642.8720.530.4120.53756.78.212×1046.560×1031.232×1071.314×1051.245×1071.460×1071.669×1063.695×1054.368×1041.240×1031.240×1031.312×1052.595×1066.560×1036.560×1031.148×1048.212×1041.640×1038.212×1043.03×106248.82419.8773.732×104398.1423.772×1044.425×1045.056×1031.120×103132.3503.7573.757397.5367.862×10319.87719.87734.784248.8244.969248.8249.17×1033.1.4年產4000t賴氨酸提取車間物料衡算當發(fā)酵結束后，發(fā)酵液從發(fā)酵罐中排出，然后進行發(fā)酵液預處理。發(fā)酵液預處理后開始進行電滲析分離提取。電滲析分離提取的原理前面已經敘述了，在此，不再贅述。按電滲析分離提取工藝進行物料衡算，以生產1000kg純度為100%的賴氨酸為標準進行物料衡算。發(fā)酵液的量，有前面計算已知為20.53m3。調節(jié)發(fā)酵液的pH需要的鹽酸量前面已經計算為756.7kg，分離提取前總賴氨酸的產量為20.53×6%×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%，經分離提取后，純賴氨酸量為1293.39×82%=1060.6通常經初提取后母液中賴氨酸含量為9%，則初提取后母液量為1060.6÷9%=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，衡算結果如表3.3表3.34000t/a賴氨酸廠提取車間物料衡算表進入提取分離系統(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/(kg·K)；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/kg﹙0.3MPa，表壓）；λ為加熱蒸汽凝結水的熱焓，363K時為377kJ/kg(2)淀粉漿量G根據物料衡算知，日投工業(yè)淀粉量為4.425×104kg/h，24h連續(xù)液化，即每小時的處理量為1843.75kg/h，液化調漿時淀粉與水的比例關系為1：2.5，淀粉漿量就為1843.75×3.5=6453.13kg/h，淀粉漿中淀粉的濃度為：1843.75×80%淀粉漿的比熱容C可按下式計算C==1.55×式中C0為淀粉的比熱容，kJ/(kg·K)；x為淀粉漿中淀粉的含量（濃度）；C水為水的比熱容，kJ/(kg·K)。(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λ為419kJ/kg，則W滅酶過程要求在20min內使液化液由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℃，假設冷卻水的進口溫度是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：5519.48×243.2.2液化液糖化過程的熱量衡算年產4000噸賴氨酸的工廠，按前面的計算，日產含糖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，生產上需要的糖化罐的只數為：274.1圓整取用5只糖化鍋按生產上的流程使用板式換熱器，使糖化液（經滅菌后）由85℃降至60℃，用二次水冷卻，冷卻水的進口溫度20℃，出口溫度為45℃，其平均用水量為：6453.13+773.61生產上一般要求在2h內把75的糖液冷卻至40℃，其高峰用水量為：6102.96由于每天同時運轉的糖化罐有4.5×每天冷卻水用量是：2×34.5×3.6=248.4t3.2.3發(fā)酵車間熱量衡算(1)培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量假設發(fā)酵過程所用的發(fā)酵罐為200m3，（全容積為218m3），裝料系數為0.7，產酸水平為60g/L（即6%），那么每只發(fā)酵罐產99%賴氨酸的量為：218×0.7×6%×÷99%=9.25因日產賴氨酸為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），這樣生產需發(fā)酵罐應為12.12取整后為3只，每日投罐次為12.129.25=1.31罐，日運轉2.6×4048=2.17罐，每罐的初始體積為152.6m其質量為：152.6×15%培養(yǎng)液的滅菌采用板式換熱器滅菌流程，其過程略。滅菌過程用0.4mpa蒸汽（表壓），其I=2743kJ/kg，分兩步升溫，先用板式換熱器將物料由20℃預熱到75℃，再加熱到120℃，而冷卻水的溫度由20℃升至45℃，設每罐的滅菌時間為3h，需要的輸料流量為254.3÷3=87.8t/hW其中，3.7為糖的比熱容，kJ/(kg/K)每天的滅菌蒸汽量就是62.82t,其中高峰用量為6.98t/h，平均用量為：62.82÷24=2.62(2)培養(yǎng)液冷卻水用量由培養(yǎng)液板式換熱器滅菌流程可知，120℃的熱料先通過與生料進行熱交換，降溫至80℃后，再用冷卻水冷卻至35℃，而冷卻水由20℃升溫至45℃，由此計算出冷卻水的用量為W全天冷卻水用量為：150.1×3×3=1350.9(3)發(fā)酵罐空罐滅菌的蒸汽用量發(fā)酵罐罐體的體積為200m3，發(fā)酵罐體是由不銹鋼1Cr18Ni9Ti制造而成，此時罐體重為34.3t，冷卻排管重6t，不銹鋼1Cr18Ni9Ti的比熱容是0.5kJ/(kg.K)，用0.2MPa（表壓）蒸汽滅菌，使發(fā)酵罐在0.15MPa（表壓下），由20℃升溫至127℃，蒸汽的用量為：34300+6000因為200m3的發(fā)酵罐的容積實際上大于200m3，考慮到罐內有排管和攪拌器等配件所占有的空間，罐的自由體積仍按200m3計算，充滿罐內空間需要的蒸汽量為：W式中：V發(fā)酵罐為發(fā)酵罐自由空間，即全容積，m3；ρ為加熱蒸汽的密度，kg/m3，0.2MPa（表壓）的蒸氣的密度為1.622kg/m3滅菌過程中的熱損失設發(fā)酵罐的外壁溫度為70℃，此時輻射與對流的聯(lián)合給熱系數α為：α=33.9+0.19×200m3發(fā)酵罐的表面積為201m2，耗用蒸汽量為：W罐壁附著洗滌水升溫的蒸汽消耗量為：W式中，0.001為罐壁附著洗滌水的平均的厚度，m。滅菌過程的蒸汽：滲透消耗的蒸汽一般滅菌過程的蒸汽滲透可取總蒸汽消耗量的5%，因此，空罐滅菌時的蒸汽消耗量為：W每次空罐滅菌的時間是1.5h，耗用的蒸汽量為：1632×1.5=2448每日耗用的蒸汽量為：2448×3=7344平均耗用的蒸汽量為：7344÷24=306發(fā)酵過程產生的熱量計算根據部分賴氨酸工廠的實測和經驗數據，賴氨酸發(fā)酵熱[11]約為3.4×104kJ/(m3·h)。200m3的發(fā)酵罐，裝料量是152.6m3，使用新鮮的冷卻水進行冷卻，假設冷卻水的進口溫度是10℃，出口溫度為20℃，則冷卻水用量W=因為每天運轉的發(fā)酵罐是2.17次，高峰用水量為：2.17×124.12=269.4t/h,日用水量為269.4×0.8×24=5172.48t/d（注：式中的0.8是各罐發(fā)熱狀況均衡系數），平均用水量為：3.2.4賴氨酸溶液濃縮結晶過程的熱量衡算由前面可知，日產99%的賴氨酸的產量是12.12t，如選用25m3的強制內循環(huán)結晶罐，濃縮結晶的操作周期是24h，其中輔助時間為4h，每罐可產99%賴氨酸10t，需結晶罐的個數為：12.12取2罐次，式中數值1.6是每罐投入的晶種量濃縮時，每罐投入含賴氨酸40g/100ml的中和脫色液是23m3，流加含賴氨酸30g/100ml的母液32m3，過程中加水6m3，在700℃下真空蒸發(fā)結晶，濃縮3h以后，再育晶17h，放料數量是20m3，熱量衡算物料帶入的熱量，進料溫度為350℃，比熱為3.5kJ/（kg·K）Q加水帶入的熱量：Q晶種帶入的熱量：Q母液帶走的熱量，分離后的母液為12m33，相對密度是1.26，即母液為15t，其比熱容是2.83kJ/(kg·K)Q隨二次蒸氣帶走的熱量Q式中，20為結晶罐放罐的結晶液量，m3需要外界供給的熱量為:Q=蒸汽用量的計算按熱損失為5%計算，每罐次的蒸汽用量：W=前已指出，每罐的濃縮結晶時間是20h，那么每小時蒸汽耗量的高峰是45830÷24=2292kg/h實際運轉時有1.44罐同時進行，高峰時用蒸汽量就為2292×1.44=3300.48kg/h每天的蒸汽用量是1.44×45830=65347.2冷卻二次蒸汽所消耗的冷卻水計算二次蒸汽的數量即水的蒸發(fā)速度是：23+32+6-冷卻水用量假使使用循環(huán)水，水的進口溫度是30℃，70℃的水蒸氣的熱焓是2626.8kJ/kg，需要的冷卻水量是：W當2只罐同時運行時，高峰用水量為80×2=160t/h，每天的用水量為80×20×3.5=56003.2.5賴氨酸干燥過程的熱量衡算經分離后的濕賴氨酸含水2%，干燥后含水應小于0.2%，用熱空氣進行干燥，進入空氣加熱器出來的空氣為18℃，相對濕度為70%加熱升溫到80℃，從干燥器出來的空氣為60℃，年產4000噸賴氨酸的工廠，需日產濕賴氨酸12.37t，二班生產，即12.37÷16=0.77t/h。干燥后失去水分量為12370×2%-12147×0.2%查閱有關手冊可知，18℃的空氣，當相對濕度為70%時，絕對濕度是X0=0.009kg/kg干空氣，熱焓I0=41.8kJ/kg干空氣；加熱到80℃時，空氣的熱焓I1=104.5kJ/kg干空氣。根據熱量平衡可以列出下列方程：?式中，Δ為空氣經過干燥后的熱量變化，kJ/kg；I0、I1和I2為冷空氣、出空氣加熱器和出干燥器的空氣熱焓；X0、X1和X2為冷空氣、出空氣加熱器和出干燥器的空氣的濕含量，kg/kg干空氣；Q初溫為物料初始溫度時中每kg的熱含量，J/kg，Q物料為加熱物料所耗的熱量，kJ/(kg·K)；Q損失為損失的熱量，通常為有效熱量的10%QQ此時，?=18×4.18-3878.94-641.46=-4445.16假使X2=0.0108I此時空氣的耗量為：13.9480℃的空氣的比容為0.83m3/kg，那么實際消耗的空氣體積量為：V=7744.44×0.83=6427.89若使用0.1MPa(表壓)的蒸汽進行加熱，熱損失按15%進行計算，耗用的蒸汽量是：W=每天用的蒸汽量：253.59×16=4057.49平均每小時用的蒸汽量：4057.49÷24=169.063.2.6年產4000t賴氨酸廠熱量衡算結果匯總由上述賴氨酸生產熱量衡算結果，可求得4000t/a賴氨酸廠蒸汽耗用量。具體計算結果如表3.43.3過程水的衡算3.3.1糖化工序用水量(1)配料用水量年產4000噸賴氨酸的生產工廠日投工業(yè)淀粉量為4.425×104kg，配料時的加水比例是1：2.5，用水量就可以計算出來為：44.25×2.5=110.63即每小時用水量為4.61t表3.44000t/a賴氨酸廠蒸汽耗用匯總表生產工序日用蒸汽量/(t/d)平均蒸汽用量/(kg/h)高峰蒸汽用量/(t/h)淀粉液化培養(yǎng)液滅菌發(fā)酵罐滅菌濃縮結晶干燥30.362.827.34465.354.0677526203062700169.060.972.62—3.3—(2)液化液冷卻用水量前面已經計算出液化液冷卻水用量為132.47t/d5或5.52t/h(3)糖化液冷卻水用量前面已經計算出糖化液冷卻水用量為248.4t/d，高峰時用水量34.52t/h。3.3.2連續(xù)滅菌工序的用水量(1)配料用水量由于糖化后的糖液含糖量是15%，而培養(yǎng)基的含糖量是9%，配成的糖液有251.47t。那么每罐料所需要的水量是251.47×每日按3罐計算，配料需要的水量為3×100.6=301.8(2)滅菌后料液的冷卻水用量前以計算出每日冷卻滅菌后料液的冷卻水用量是1350.9t/d3.3.3發(fā)酵工序的用水量前以計算出發(fā)酵工序平均用水量是215.52t/h，即5172.48t/d3.3.4提取工序的用水量用于Lys分離和沖洗水的用量是50t/d3.3.5中和脫色工序的用水量配料用水量，由于日產100%的Lys是12.12t/d，配制成40%濃度時需要用水量12.123.3.6精制工序的用水量(1)結晶過程的加水量，使用2臺結晶罐，每臺需加水量為6t，供需要12t/d的用水量。(2)結晶冷卻用水量，前以計算出用水量5600t/d。3.3.7動力工序的用水量鍋爐用水量840t/d，冷凍機及其他循環(huán)水用量是4000t/d通過上述計算并匯總后，可以得出用水量的衡算表3.5。3.3.8年產4000t賴氨酸水量衡算結果匯總年產4000t賴氨酸廠水量衡算結果匯總如下，見表3.43.4無菌空氣消耗量的計算3.4.1無菌空氣消耗量計算的方法和步驟表3.54000t/a賴氨酸廠的用水衡算表用水工序及設備新鮮水(10℃)給水量/(t/d)排水量/(t/d)二次水(20℃)循環(huán)水(30℃)凝結水(50℃)配料液化冷卻糖化冷卻滅菌配料滅菌冷卻發(fā)酵冷卻提取、洗滌中和、配料精制冷卻動力、鍋爐冷凍、空壓合計301.8——98.25—5172.4850———840—6462.53—132.47248.4—1350.9————5600—5287859.77—————————5600—4006000———————18.1812———30.18—132.47248.4——————5000—5285908.87發(fā)酵罐通風量的計算[16]對于好氧發(fā)酵過程來說，當系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)時，溶氧與好氧達到平衡，此時溶氧速率與耗氧速率相等，即OTROTROUR式中，OTR為溶氧速率，molO2/(m3·h)；OUR為耗氧速度，molO2/(m3·h)；QO2為微生物比耗氧速率，molO2/(m3·h)；X為微生物活細胞濃度，kg/m3；c*為氣相主體的氧分壓平衡的飽和濃度，耗氧速率，molO2/m3；c為發(fā)酵液的實際溶氧濃度，molO2/m3；Q為通氣量，m3/h；cin為通入發(fā)酵罐的空氣的氧濃度，molO2/m3；cout為離開發(fā)酵罐的空氣的氧濃度，molO2/m3；V為發(fā)酵罐的裝液量，m3。當過程達到穩(wěn)態(tài)時，通風量應為：Q式中，cin為大氣中的氧濃度；而cout則可根據氧的利用率來計算，一般可取cout=0.85~0.9?cin；QO2可由小型發(fā)酵罐實驗確定；X通風攪拌用的壓縮空氣的壓強計算通風發(fā)酵罐或其它攪拌用的壓縮空氣必須有足夠的壓強，以克服液柱阻力、空氣分布器及其它管道阻力，壓強可按下式計算：P式中，P為通風攪拌用的壓縮空氣的壓強，Pa；H為被攪拌液體的液柱高度，m；ρL為被攪拌液體的密度，kg/m3；W為管道中空氣的流速，m/s；g為重力加速度，9.8m/s2；∑ξ為總阻力系數，包括空氣分布器等的阻力。在特殊情況下，對普通液體的攪拌，壓強105kPa的空氣消耗量可以下式進行計算V式中，F為液體容器的截面積，m2；κ為攪拌強度系數，一般對于緩和攪拌，κ取42，中等攪拌，κ取48，劇烈攪拌，κ取60；t為每次攪拌所需時間，h壓送培養(yǎng)基等液體物料時無菌空氣的質量壓縮空氣的壓強可按下式計算P式中的符號除H為壓送靜壓高度或設備間液面的垂直距離(m)，ρ是被輸送液體的密度(kg/m3)，其余與上述的第二式相同。通常，壓送的高度H是已知的，可按下式估算ρ壓縮空氣的消耗量可分為兩種情況進行計算：設備中的液體要求在一次操作中全部壓完，這時消耗壓強105Pa的空氣量為：V每小時壓縮空氣的消耗量為：V式中，t為每次壓送液體的操作時間，h；V0為設備的容積，m3；P為所需壓縮空氣的壓強，Pa設備中的液體不要求在一次操作中全部壓完即部分壓出。對于每一次操作，折算成壓強為105Pa的壓縮空氣消耗量為：V如每次壓送的時間為t(h)，則每小時無菌空氣的消耗量是：V式中，Φ為設備的裝料系數；V0為設備的容積，m3；VL為一次壓送的液體體積，m3。3.4.2年產4000t賴氨酸廠無菌空氣計算(1)單罐發(fā)酵無菌空氣的消耗量根據生產情況，200m3規(guī)模的通氣攪拌發(fā)酵罐(全容積為218m3)的通氣速度0.15~0.18vvm，計算時取最大值0.18vvm的進行計算。單罐發(fā)酵過程的用氣量：V單個發(fā)酵罐年用氣量V式中，40為發(fā)酵周期，h；165為全年的單罐發(fā)酵批次。(2)種子培養(yǎng)等其他無菌空氣耗量一般取此類無菌空氣消耗量之和等于發(fā)酵過程空氣消耗量的25%。故這項無菌空氣用量為VV式中，3為發(fā)酵罐的個數(3)發(fā)酵車間高峰無菌空氣消耗量V(4)發(fā)酵車間年用氣量V3.4.3年產4000t賴氨酸廠無菌空氣衡算結果匯總根據上述計算結果，可得年產4000t賴氨酸廠無菌空氣用量衡算表3.6表3.64000t/a賴氨酸廠的無菌空氣衡算表發(fā)酵罐公稱容積/m3單罐空氣用量/(m3/h)種子培養(yǎng)及培養(yǎng)基壓送耗氣量/(m3/h)高峰空氣耗量/(m3/h)年空氣用量/m32001648.14126180.31.02×106

第四章設備設計與選型4.1設備設計與選型的任務和原則4.1.1設備設計與選型的任務我們通常把生物工程工廠所涉及的設備分為專業(yè)設備、通用設備和非標準設備。專業(yè)設備系指發(fā)酵罐、糖化鍋等專業(yè)性較強、僅為生物工程工廠使用的設備；泵、風機等各行各業(yè)都可以使用的設備稱為通用設備；非標準設備是指生產車間的貯藏、池子等設施。設備工藝設計與選型的任務是在工藝計算的基礎上，確定車間內所有工藝設備的臺數、型式和主要尺寸。為車間布置設計，施工圖設計以及其他非工藝設計項目提供足夠的有關條件，為設備的制作、訂購等提供必要的資料。4.1.2設備設計與選型的原則(1)保證工藝過程實施的安全可靠(包括設備材質對產品質量的安全可靠；設備材質強度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠；生產過程清洗、清毒的可靠性等)；(2)經濟上合理，技術上先進；(3)投資省，耗材料少，加工方便，采購容易；(4)運行費用低，水電汽消耗少；(5)操作清洗方便，耐用易維修，備品配件供應可靠，減輕工人勞動強度，實施機械化和自動化方便；(6)結構緊湊，盡量采用經過實踐考驗證明性能優(yōu)良的設備；(7)考慮生產波動與設備平衡，留有一定裕量；(8)考慮設備故障及檢修的備用。4.1.3專業(yè)設備設計與選型的依據(1)由工藝計算確定的成品量、物料量、耗汽量、耗水量、耗冷量等；(2)工藝操作的最適外部條件（溫度、壓力、真空度等）；(3)設備的構造類型和性能。4.1.4專業(yè)設備設計與選型的程序和內容(1)設備所擔負的工藝操作任務和工作性質，工作參數的確定；(2)設備選型及該型號設備的性能、特點評價；(3)設備生產能力的確定；(4)設備數量計算（考慮設備使用維修及必須的裕量）；(5)設備主要尺寸的確定；(6)設備化工過程（換熱、過濾、干燥面積、塔板數等）計算；(7)設備的傳動攪拌和動力消耗計算；(8)設備結構的工藝設計；(9)支撐方式的計算選型；(10)壁厚的計算選擇；(11)材質的選擇和用量計算4.2發(fā)酵罐的選型4.2.1發(fā)酵罐的選型及容積的確定(1)發(fā)酵罐的選型[15]當前，我國賴氨酸發(fā)酵中占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍然是機械渦輪攪拌通風發(fā)酵罐，即大家常說的通用罐。選用此種發(fā)酵罐的原因主要是：歷史悠久，資料齊全，在比擬放大方面積累了豐富的經驗，成功率高。(2)發(fā)酵罐容積的確定隨著科學技術的發(fā)展,生產發(fā)酵罐的專業(yè)廠家越來越多，現有的發(fā)酵罐容量如5、10、20、50、100、200、250，500m3等。一般來說單罐容量越大，經濟性能越好，但風險也越大，要求技術管理水平也越高?，F代發(fā)酵技術成熟，使得大型發(fā)酵罐使用越來越廣泛，而且大型發(fā)酵罐效益好。由前面計算結果，本次設計采用200m3的發(fā)酵罐。4.2.2發(fā)酵罐個數的確定生產每噸99%純度的賴氨酸需要的發(fā)酵液的體積為：V年產4000t賴氨酸所需要的發(fā)酵液體積為：V每年工作330天，每天需要的糖液體積為：V若取發(fā)酵罐的填充系數φ=70%，則每天需要發(fā)酵罐總容量為：V選用公稱體積200m3的發(fā)酵罐，其全容量為218m3。那么每天需要發(fā)酵罐個數為：N共需要的發(fā)酵罐數為：N取整后應該需要3個發(fā)酵罐，其中，τ為發(fā)酵周期，h，每天應有2個發(fā)酵罐出料，每年工作330天，實際產量檢驗算：218×70%×2×330設備富裕量為：4905.80-故能滿足生產要求。4.2.3主要尺寸設計按218m3的發(fā)酵罐計算，對此發(fā)酵罐，采用標準橢圓接頭，封頭折邊忽略不計：V全V式中，hb為橢圓封頭的直邊高度hb=0；ha為橢圓短半軸長度，m；D對于標準橢圓，h故發(fā)酵罐的全體積為V近似計算式為V式中，H為發(fā)酵罐的圓筒部分高度，m。令H=2π解得，DHh則發(fā)酵罐的總高度為：H封頭容積：V圓柱部分容積：V驗算發(fā)酵罐全容積：V設計合理，可以滿足實際生產要求。取裝料率為φ=70%，則實際裝液量為：218×70%=152.64.2.4冷卻面積的確定對賴氨酸發(fā)酵，每1m3發(fā)酵液、每1h傳給冷卻器的最大熱量約為4.18×6000kJ/(m3·h)。采用豎式蛇管換熱器，取經驗值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)[17]。發(fā)酵液：32℃32℃冷卻水：20℃27℃?代入數據得?對容積為218m3的發(fā)酵罐，每罐的實際裝液量為152.6m3，則換熱面積為：A4.2.5攪拌器及攪拌軸功率的設計機械攪拌通風發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，可根據發(fā)酵的特點、基質及菌體特性選用。由于賴氨酸發(fā)酵過程中間有補料操作，對混合要求較高，因此，選用六彎葉渦輪攪拌器。該攪拌器的各部分尺寸與發(fā)酵罐內徑D有一定比例關系[15]攪拌器葉徑：D葉寬：B弧長：l底距：C盤徑：d葉弦長：L葉距：Y彎葉板厚：δ取兩擋攪拌，攪拌轉速N2可根據50m3罐，攪拌直徑D1為1.05m，轉速N1=110r/min。以等P0/V為基準[18]放大求得：N(2)攪拌軸功率淀粉水解糖液為低濃度細菌醪，可視為牛頓流體。①計算RemRe式中D——攪拌器直徑，D=1.64mN——攪拌器轉速，Nρ——醪液密度，ρμ——醪液粘度，μ=1.3×10-3N?s/Re視為湍流[17]，則攪拌功率準數Np=4.7②計算不通氣時的攪拌軸功率P0[18]P式中Np——在湍流攪拌狀態(tài)時其值為常數4.7N——攪拌轉速，ND——攪拌器直徑，D=1.64mρ——醪液密度，ρ=1050kg/P=147.27×兩擋攪拌時攪拌功率為：P③計算通風時的軸功率Pg[18]P式中P0——不通風時攪拌軸功率(kW)，P0N——軸轉速，N=81.7r/minD——攪拌器直徑(cm)，DQ——通風量(ml/min)，設通風比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風量變大，Pg會變小，為安全，現取0.11；每罐實際裝液量為152.6m3，則QQ代入上式：P兩檔攪拌時功率為：P④電機功率P電P采用三角帶傳動η1=0.92；滾動軸承η2=0.99，滑動軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數值得：P4.2.6設備結構的設計(1)空氣分布器此發(fā)酵罐采用單管進風。(2)擋板此發(fā)酵罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設擋板。(3)密封方式此發(fā)酵罐采用雙面機械密封方式。(4)冷卻管布置：采用豎式蛇管[15]Ⅰ.最高負荷下的耗水量WW式中Q總——每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時，1h的發(fā)熱量與醪液總體積的乘積Ocp——冷卻水的比熱容，4.18kJ/（kg·K）t2——冷卻水