赖氨酸发酵工厂的设计.docx

1、赖氨酸发酵工厂的设计 目 录第1章 引 言 21.1 研究背景 21.2 设计的任务及主要设计内容 31.3 设计的规模及产品 31.4 工艺技术参数 31.4.1 生产基础数据 31.4.2 种子培养基 31.4.3 发酵培养基 4第2章 厂址的选择 42.1 厂址选择的重要性 52.2 厂址选择的原则 5第3章 工厂总平面设计 53.1总平面设计内容 53.2 总平面设计的原则 63.3 工厂建筑物面积设计 6第4章 赖氨酸生产工艺 74.1 赖氨酸生产工艺 74.1.1 赖氨酸生产工艺概述 74.1.2 工艺的选择： 84.2 原料预处理及淀粉水解糖制备 104.2.1 原料的预处理 1

2、04.2.2 淀粉水解糖制备 114.2.3 工艺操作规程 114.3 种子扩大培养及赖氨酸发酵 124.3.1 总体情况 124.3.2 车间操作规程 12第5章 物料衡算和能量衡算 145.1发酵车间的物料衡算 145.1.1发酵液量 145.1.2 发酵液配制需糖量 155.1.3 二级种子液量 155.1.4 二级种子培养液所需糖量 155.1.5生产一周期赖氨酸需总糖量 155.1.6 耗用淀粉的原料量 155.1.7 发酵培养基硫酸铵耗用量 155.1.8 二级种子硫酸铵耗用量 155.1.9 玉米浆耗用量 155.1.10 磷酸二氢钾耗用量 165.1.11 硫酸镁耗用量 165

3、.1.12 碳酸钙用量 165.1.13L-苏氨酸钠耗用量 165.1.14物料衡算总量 165.2 赖氨酸发酵车间的能量衡算 175.2.1蒸汽消耗量计算: 175.2.2冷却水消耗量计算 18第6章 设备选型 186.1 发酵罐的选择 186.2种子罐的选择 196.3搅拌器轴功率的计算 206.3.1发酵罐搅拌器 206.3.2种子罐搅拌器 216.4贮罐计算 216.5配料罐的计算 216.5.1发酵罐配料罐 216.5.2种子罐配料罐 216.6离心机计算 216.7主要设备一览表 22第7章 环境保护与安全生产 227.1 概述 227.1.1治理标准如下： 227.1.2环保设计

4、 227.2 三废处理 237.2.1废气的处理 237.2.2废水的处理 237.2.3废渣的处理 24第一章 引 言1.1 研究背景赖氨酸，2，6-二氨基己酸。蛋白质中唯一带有侧链伯氨基的氨基酸。L-赖氨酸是 组成蛋白质的常见20种氨基酸中的一种碱性氨基酸，是哺乳动物的必需氨基酸和生酮氨 基酸。在蛋白质中的赖氨酸可以被修饰为多种形式的衍生物。广泛存在于动植物蛋白质中，共含量以干酪素中最高，玉米胶蛋白中最少。过去一般 都自血粉中提取赖氨酸(猪血粉中赖氨酸含量约910舶)。但采用这种方法，需用酸将蛋白质水解后，再进一步用树脂分离提取，工艺比较复杂，其产量受到了限制，用途不能扩大。自1960年日

5、本用营养缺陷型的谷氨酸菌种直接发酵生产赖氨酸以来，产量有大幅度地增加，目前世界上赖氨酸的年产量已达到20，00030，000吨，在氨基酸生产中占第三位，仅次于年产200，000吨的谷氨酸与年产60，000一70，000吨的d1蛋氨酸(合成法生产)。日本的赖氨酸年产量约为15，000吨，其他如美国，法国，西德，意大利及巴西等国也有生产。1977年，日本东丽公司以合戍的氨基己内酰氨为原料，用酶法生产l赖氨酸已投入生产，赖氨酸被广泛地用于饲料、营养食品，食品强化剂及医药等方面，预计今后赖氨酸的产量还将有更大幅度地提高。我国赖氨酸市场呈现出的几个比较突出的特点：（一） 赖氨酸价格波动大，历史上两次冲向

6、新高尽管赖氨酸生产厂家数量有大幅度增加，但赖氨酸市场价格并没有因此而相对平 稳。价格波动大：历史上两次冲向高位。2004年中国赖氨酸市场价格由15元/公斤暴涨到50元/公斤。当时一是由于赖氨酸国内与国际市场价格到挂，欧美市场价格比国内市场价格高出很多，导致进口酸到货量比去年同期大幅下降，同时也吸引了国产酸出口到国际市场，国内货源紧张，二是由于美国大豆暴涨，从而导致了今年3、4月份国内市场赖氨酸34元/公斤的价格。（二） 赖氨酸市场用量逐年增大据统计，国内赖氨酸用量每年以30%以上的速度递增。2000年国内赖氨酸的消费总量为7万吨，2003年便达到了13.8万吨，2004年将远远超过2003年的

7、水平，预计将达到18万吨左右。2004年用量之所以大幅度增加，一个重要原因是大成65%的赖氨酸硫酸盐的大量集中投放市场，并以与高含量赖氨酸相比自身所具有的明显的价格优势，有利于饲料企业降低生产成本，增强产品竞争力，因此，65%的赖氨酸硫酸盐刚刚上市就占据了很大的市场份额，并大大地提高了赖氨酸消费总量。1.2 设计的任务及主要设计内容赖氨酸生产全过程可划分为四个阶段：(1)培养基的配置；（2）菌种的扩大培养及赖氨酸发酵；（3）赖氨酸的提取与纯化；本设计的任务是对一个年产50吨赖氨酸厂的工艺设计，主要是赖氨酸的发酵阶段设计。设计的内容包括工艺流程：物料能量衡算；设备计算机选型；工艺设置及车间设计；

8、主要设备工艺设计；等等。1.3 设计的规模及产品 设计生产规模为年产50吨赖氨酸厂的发酵提取工段，成品为赖氨酸。1.4 工艺技术参数1 1.4.1 生产基础数据 生产规模： 50吨/年 生产方法： 使用大肠杆菌的赖氨酸缺陷型菌株、直接发酵法、 生产天数： 300天/年 倒灌率： 1% 生产周期： 72小时 赖氨酸提取率： 80% 1.4.2 种子培养基一级种子培养培养基：葡萄糖2.0；(NH4)2S 040.4； K2HP04 01；玉米浆l-2；豆饼水解液l-2；MgSO47H20 0.04-005； 尿素0.1；pH7.0-7.2在0.lMPa 压力下灭菌15min。培养条件：以1000m

9、l三角瓶装200ral，摇床为冲程76ml，频率100-120r/ min。 30-32培养516h。二级种子培养培养基：除以淀粉水解糖代替葡萄糖外，其余同一级种子培养基。培养条件：温度30320C，通风量1：0.2(m3/m3，min)，搅拌转速约200r/min， 培养时间：811h。根据发酵罐规模，必要时采用三级种子培养，其培养基和培养条件基本上与二级种子相同。 1.4.3 发酵培养基2培养基是供给赖氨酸产生菌生长、繁殖和合成赖氨酸的营养物质。培养基成分和配比的合适与否对菌的生长繁殖、赖氨酸合成、副产物生成，赖氨酸提取、精制，乃至产品质量都有很大的影响。赖氨酸发酵是由赖氨酸产生菌、发酵培

10、养基、工艺条件及发酵罐等几方面相互密切配合的结果。单就培养基来说，良好的培养基配比可以使生产菌充分发挥生物合成能力，达到最大的生产效果。倘若培养基组成、配比或原料不合适，发酵效果就很差。所以必须重视培养基组成。发酵培养基成分大致分为碳源、氮源、生长因子、无机盐和微量元素等。作为这些成分来源的原料的选择，既要考虑到菌体的生长繁殖的营养要求，更重要的要考虑到有利于大量积累赖氨酸，还要注意原料来源丰富，价格便宜，发酵周期短，对产物提炼无妨碍等。 黄色短杆菌AIII发酵培养基的组成 葡萄糖 15% 玉米浆 1% 豆饼水解液 2% 硫酸铵 2% 磷酸氢二钾 0.1% 硫酸镁 0.05% PH 7.0第二

11、章 厂址的选择2.1 厂址选择的重要性厂址选择是基本建设前期工作的重要一环。在工厂设计中具有明显的政治经济技术的意义。厂址选择不仅关系到建厂过程中能否以最省的投资费用，按质按量按期完成工厂设计中所提出的各项指标，而且对投产后的长期生产、技术管理和发展远景，都有着很大的影响，并同国家地区的工业布局和城市的规划有着密切的关系。2.2 厂址概述厂址选择的总原则3： （1）、厂址的位置要符合城市规划（供气、供电、给排水、交通运输、职工文化生活、商业网点.）和微生物发酵工厂对环境的特殊要求。 （2）、厂址的地区要接近原料、燃料基地和产品销售市场，还要接近水源和电源。 （3）、具有良好的交通运输条件。 （

12、4）、场地有效利用系数较高，并有远景规划的最终总体布局。 （5）、有一定的基建施工条件和投产后的协作条件。 （6）、厂址选择要有利于三废处理，保证环境卫生。1、工厂应接近原料的产地或转运地赖氨酸生产的主要原料是玉米淀粉，应选择在靠近原料产地或转运港口的周边，便于组织原料。此厂址选择方案：将此工厂建在郑州郊区，郑州边缘三分之二是农村，并且河南也是玉米主产地之一，原料来源极其广泛，价格低廉，剩下了大量的运输费用。郑州是全国的交通枢纽，这对产品外运带了方便。设在此地既接近原料产地有接近转运地。2、水源和水质必须有保证发酵工厂的用水量是较大的，而郑州不算是缺水区，水源通过地下深井取水,地下水化学类型为

13、重碳酸钙镁型中质软水,矿化度为0.50.53g/l,地下水充足,上游无污染源. 在生产过程中注意水的循环利用。3、交通运输方便发酵工厂的运输较重，原材料、燃料及产成品的运输量很大，应选择陆路和水路交通都较便利的地方，便于原料和燃料的进厂，在郑州采用陆路主要是考虑产品的外输。4、必须有充足的电力保证5、地质条件必须符合要求发酵工厂有许多的大设备如发酵罐蒸馏塔等，对厂区的地耐力有一定的要求。而郑州属于中原地带，一般地方都能符合要求。6、有较好的废糟处理条件工厂每天要排放大量的废糟，应用环保治理措施后，还要准备处理后的糟液的去向。可以把废糟用作肥料，也可以密闭发酵产生沼气，以供日常生活加热食用热量。

14、7、所选建厂址郑州的地理自然条件郑州位于河南省中部偏北，黄河中游南岸。介于东经11242114 14，北纬34163458之间。西南部为嵩山山脉，西北沿黄河为岳山、广武山丘陵地带，东部是黄淮平原。境内有大小河流 35条，分属于黄河和准河两大水系，流域面积分别是2132平方公里和5313平方公里。属北温带大陆性气侯，年平均气温144，最高气温43，最低气温一179。年平均降雨量为6409 毫米。郑州属暖温带大陆性气候，年平均气温14.3摄氏度，降雨量640毫米，大部分集中在七、八、九三个月。绿化覆盖率达35.5%，被誉为中原绿城。郑州气候温和，四季分明。年平均气温14。3。七月份最热，月平均气温

15、27。3。一月份最冷，月平均气温为-02。项目建设地点选择在郑州市，其自然条件总结为下表： 年平均气温 16.3 历年平均最高气温 38 历年平均最低气温 -4.2 最热平均相对湿度 85% 最冷平均相对湿度 75% 年平均气压 1016.5mP 夏季平均气压 1004.5mP 年均风速 3.6m/s 年均降水量 1025.6mm 日最大降水量 219.6mm 第三章 工厂总平面设计3.1总平面设计内容3(1) 平面布置设计平面布置是总平面布置中的必要内容之一，布置时应根据厂址面积、地形、生产要求等方面，先进行厂区划分，然后合理确定全厂建筑物、构筑物、道路、管路管线及绿化美化设施等在厂区平面上

16、的相对位置，使其适应生产工艺流程的要求，以便于生产管理和操作的需求。(2) 竖向布置根据地形、工艺要求确定厂区建、构筑物、道路、沟渠、管网的设计标高，使之相互协调，并充分利用厂区自然地势地形，减少土石方挖填量，使运输方便，排水顺利。(3) 运输设计 选择厂内外运送方式，分析厂内外输送量及厂内人流、物流组织管理问题。(4) 管线综合设计根据工艺、水、汽、电等工程管线的专业特点，综合规定其地上地下的各种管线的位置、占地宽度、标高及间距，使之布置经济合理、整齐。工艺、水、电、汽等各种工程管线的设计通常是由各部门专业设计人员负责设计的。设计时要尽量减少在平面布置或垂直布置上产生拥挤和交叉的现象。(5)

17、 绿化设计(6) 其他结合工厂实际情况及发展远景的规划，合理布置综合利用设施和扩建预留地等。3.2 总平面设计的原则3(1)总平面按设计任务书的要求进行，平面布置必须合理紧凑。(2)总平面设计必须符合生产流程要求，并能保证合理的生产作业线，避免原材料、半成品的运输交叉和往返运输。(3)总平面没计应将面积大、主要的生产厂房布置在厂区的中心地带，以便其他部门为其配套服务：辅助车间和动力车间应尽量配置在靠近其所服务的负荷中心；工厂大门及生活区应与生产主厂房相适应，便于工人上下班。(4)总平面设计应充分考虑地区主风向的影响，主风向可以从气象部门编制的各地风玫瑰图查得。散发煤烟灰尘的车间和易燃仓库及堆场

18、应尽可能集中布置在场地的边沿地带和主导的下风向。发酵工厂菌种各异，应防止环境染菌。(5)总平面设计应将人流、货流通道分开，避免交叉。工厂大门至少应设置两个以上。合理设计厂区对外运输系统，将运输量大的仓库尽量靠近对外运输主干线，保证良好运输条件和效益。(6)总平面设计应遵从城市规划要求。面向城市交通干道方向作出工厂的正布置。厂房布置要与所在城市建筑群保持协调，以利市容美观整齐。(7)总平面设计应符合国家有关规定和规范。如：建筑设计防火规范、厂矿道路设计规范、工业企业采暖通风和空气调节规范、工业锅炉房设计规范、工业企业卫生标准、工业“三废”排放试行标准规定，工业与民用通风设备电子装备设计规范等。3

19、.3 工厂建筑物面积设计4表1厂区建筑物面积一览表序号 建筑物 建筑面积（平方米） 占地面积（平方米）1发酵车间14163=6722242提取分离车间14163=6722243GMP车间68=48484原料库810=80805糖化车间1012=1201206制冷车间88=48487水处理车间1820=3603608供水站810=80809成品库810=808010饲料生产车间12143=50450411污水处理站2020=40040012(NH4) 2SO4储库68=484813变电所68=484814机修车间66=483615危险品存放库610=606016锅炉房34=121217饲料成品存

20、放库68=48918办公楼7104=707019车库56=303020宿舍楼6103=1806021活动中心10102=20010022餐厅10102=20010023门房33=9924总计40172750 第四章 赖氨酸生产工艺4.1 赖氨酸生产工艺44.1.1 赖氨酸生产工艺概述利用淀粉为原料，双酶水解制糖后，通过黄色短杆菌发酵、离子交换树脂提取法生产赖氨酸。赖氨酸生产过程可划分为三个工艺阶段：（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）赖氨酸的提取。赖氨酸发酵过程分为两个阶段，发酵前期（约024h）为长菌期，主要是菌体生长繁殖，很少产酸。当菌体生长一定时间

21、后，转入产酸期。与这四个工艺阶段相对应的赖氨酸生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要的生产车间。另外，为了保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管理输送到各个生产需求部位。本文只做前两个步骤，即（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；因此相对应的两个车间的工艺分别为：糖化车间和发酵车间。工艺流程： 发酵法生产赖氨酸通常以玉米、淀粉为原料，其工艺过程为：淀粉中的酸或酶经水解成淀粉糖，加入营养盐调p

22、H 值后，进入发酵罐进行灭菌处理，然后接入种子培养物便其发酵，经过微生物发酵后的浓缩液冷冻结晶、离心分离、烘干提纯后即得产品。4.1.2 工艺的选择： 选择原则：（1）原料物美价廉，易得（2）产品质量高（3）原料。辅助原料，佛你功力消耗低（4）技术成熟可靠，生产控制稳定，易于操作（5）对环境影响小（6）经济效益好，社会效益高 （1）传统工艺传统的赖氨酸生产工艺，一般是发酵液先酸化后，进入树脂柱中进行离交提取，用氨水进行解析后的赖氨酸（解析液）进行薄膜蒸发浓缩，经结晶分离后精制成品。流程图如下：赖氨酸传统工艺存在的问题5 ： 1） 发酵液处理问题赖氨酸发酵液不进行过滤直接上柱提取（混液吸附），由

23、之而产生的后果是显而易见的，即树脂吸附后进行洗涤，含大量的菌体、蛋白、胶体的废水将被洗涤下来形成难以治理的废水。事实上该废水是具有丰富营养资源的物质可做饲料使用的有价值的东西，但废水浓度很稀要将该废水浓缩成饲料要耗费大量的能源，经济上极不划算，这就是赖氨酸生产时废水难以治理的原因所在。由于混液吸附，树脂要频繁洗涤反冲，造成树脂破碎，树脂用量大更换频繁。更为重要的是杂质的吸附一定程度上影响了树脂的提取收率、解吸下的杂质及色素会带入下游工艺中影响产品的色泽、结晶质量。 2）蒸发浓缩的问题传统料液浓缩技术基本沿用减压蒸发浓缩的方法，能耗成本很高。平均一吨蒸汽的效率只有1.0-1.2之间，蒸发水的成本

24、将近100元。有工厂采用多效蒸发技术，能将蒸汽的利用效率提高很多，但多效蒸发器的投资同样相当高昂，且维护工作相对困难。蒸发由于是采用加热的方式同样带来一个问题是在加热蒸发过程中产品破坏使得产品的色泽加深影响质量。然而这一问题一直被赖氨酸生产企业所忽视。3）含硫酸铵的上柱废液处理问题由于赖氨酸利用其两性氨基酸的特性进行吸附与解析，因此要在上柱之前进行硫酸调酸处理，然后解析时通过加入一定流量的氨水改变PH解析赖氨酸。不可避免的将会产生含硫酸铵的废水。 新工艺： 发酵液放罐后直接经Ultra-flo超滤系统过滤，能使真正收率达到99%以上，滤渣中含有大量的蛋白质及菌丝等营养物质，烘干后作饲料，可进行

25、包装销售。整个工艺过程除了最终产品赖氨酸和副产品饲料、硫酸铵外，无多余废水排放。特点：1） 酵液超滤过滤无须任何预处理，节约成本。菌渣可直接做饲料，完全消除废液污染。滤液不含蛋白质量高，保证连续离交进料要求。过滤收率可达98-99%。2） 由于减少了蛋白对树脂的污染，可增加树脂的吸附容量10%以上，并有效延长树脂寿命。3） 减少悬浮物在连续离交树脂罐内的沉积，减少反冲次数，减少树脂破碎。4） 纳滤低成本的预浓缩，降低能耗。部分无机盐透过纳滤膜，减少产品灰份。纳滤透析水回用顶洗，闭路循环提高收率减低成本。（根据实践表明纳滤浓缩平均成本为20元/吨水）5） 纳滤废水处理系统能将硫酸铵废水处理成回用

26、水，并且回收硫酸铵做肥料。膜系统适应性强，能随时跟上今后用户对处理后的污水排放水质进一步提高的要求。6） 本工艺膜系统运行平稳，维修容易。膜系统可分性强，可根据料液流量大小随时切换膜的运行数量，其余可进行清洗、保护或更换等操作，故膜系统无传统工艺的每年大修要求，在4045左右用低压力大流量对膜进行清洗，只需清洗一小时左右即能使膜通量恢复，而不用拆卸设备，可实现全自动运行与清洗。7） 本工艺的占地面积大大缩小。由于膜设备都是由膜元件叠加起来的，使膜设备占地极小。膜系统为全封闭系统，无物料和气体的泄漏，噪音小，并容易实现全自动化运行。发酵液放罐后直接经Ultra-flo超滤系统过滤，去除蛋白质、菌

27、丝、悬浮物、胶体、细菌及其他大分子有机物于滤渣中，通过加水进行透滤，使真正收率达到99%以上，滤渣中含有大量的蛋白质及菌丝等营养物质，烘干后作饲料，可进行包装销售。滤液经 SEPTOR 连续式离子柱进行离交吸附，此工序后赖氨酸洗脱液进入纳滤膜系统预浓缩，赖氨酸浓缩液进行活性炭脱色、薄膜蒸发再浓缩、结晶、分离后精制成品，分离出的结晶母液再回收进行离交浓缩循环操作。纳滤膜的透析液为氨水，可回收利用。 SEPTOR 上柱废液经纳滤膜系统进行浓缩后，浓缩液为硫酸铵，纳滤系统出水可用于Ultra-flo超滤过程的顶洗水再利用（套用）。整个工艺过程除了最终产品赖氨酸和副产品饲料、硫酸铵外，无多余废水排放。

28、工艺流程图如下： 4.2 原料预处理及淀粉水解糖制备4.2.1 原料的预处理此工艺操作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。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物科，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物科的中碎和细碎。4.2.2 淀粉水解糖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，所制得的糖化液称为淀粉糖化液。由于黄的短杆菌不能直接利用淀粉作碳源，因此必须将淀粉水

29、解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多赖氨酸厂家主要采用双酶法制糖工艺。4.2.3 工艺操作规程（a）液化配料过程首先配制粉浆浓度在11-140Be（开始阶段及最后阶段允许浓度较低）。再加入各种辅料，用Na2CO3水解液调PH5.5-5.6,以减少不可发酵糖的产生，CaCL2用量为干淀粉的0.15-0.3%，加入a-淀粉酶，加入量6-8u/g淀粉，搅拌均匀。（b）液化工段使用喷雾液化器，工作蒸汽压0.4MPa。保压维持在900C，液化时间60min，碘色反应呈棕色即可。然后130-1400C灭酶5-10min。经板式换热器冷却至700C以下，进入糖化罐。从换热器出来的热水供配料和洗滤渣用。

30、（c）糖化工段1）首先将液化液降温至600C,再用盐酸溶液调液化液PH4.0-4.4，加入糖化酶，加酶量与糖化时间有关，一般糖化时间是24-32h，加酶量为180-240u/g淀粉，一直保持搅拌。2）以上配料完成后，开始保温600C的糖化过程，采用间歇搅拌，既搅拌8小时，停止搅拌8小时，以此类推，直至糖化结束。3）糖化过程中按生产记录表中要求每隔2小时或4小时检查一下糖化液的糊精状况，直至无明显糊精为糖化结束，糊精检测用无水酒精。4）糖化完成后，开始升温灭酶，灭酶温度80-850C，保持搅拌，灭酶时间30min。用Na2CO3水溶液调PH4.8-5.0，并于糖化液70时加入助滤剂硅藻土，加量为0.15-0.18g/100ml糖液，保持搅拌30min以上。5）过滤：过滤前，先清洗贮糖罐。糖化完成后的糖液经半框过滤机过滤后的澄清糖液打入贮藏罐，保持糖液温度不低于600C存放。4.3 种子扩大培养及赖氨酸发酵4.3.1 总体情况种子扩大培养为保证赖氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成