賴氨酸發(fā)酵畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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(jiǎn)介 11.2賴氨酸的性質(zhì) 11.3賴氨酸的發(fā)展現(xiàn)狀 21.4賴氨酸的作用及缺乏癥 21.5賴氨酸的生產(chǎn)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(shù)的一般工藝過(guò)程 4第二章賴氨酸的生產(chǎn)工藝流程 62.1賴氨酸生產(chǎn)工藝概述 62.2賴氨酸生產(chǎn)工藝流程圖 62.3原料預(yù)處理及淀粉水解糖的制備 62.3.1賴氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)法 62.3.2原料的預(yù)處理 82.3.3淀粉水解糖的制備 82.4種子擴(kuò)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(jì)算 113.1物料衡算 113.1.1工藝技術(shù)指標(biāo) 113.1.2賴氨酸發(fā)酵車間物料衡算 123.1.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠發(fā)酵車間物料衡算結(jié)果匯總 143.1.4年產(chǎn)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(guò)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(jié)晶過(guò)程的熱量衡算 213.2.5賴氨酸干燥過(guò)程的熱量衡算 233.2.6年產(chǎn)4000t賴氨酸廠熱量衡算結(jié)果匯總 243.3過(guò)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(dòng)力工序的用水量 263.3.8年產(chǎn)4000t賴氨酸水量衡算結(jié)果匯總 263.4無(wú)菌空氣消耗量的計(jì)算 273.4.1無(wú)菌空氣消耗量計(jì)算的方法和步驟 273.4.2年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無(wú)菌空氣計(jì)算 293.4.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無(wú)菌空氣衡算結(jié)果匯總 30第四章設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 314.1設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的任務(wù)和原則 314.1.1設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的任務(wù) 314.1.2設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的原則 314.1.3專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的依據(jù) 314.1.4專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的程序和內(nèi)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(gè)數(shù)的確定 324.2.3主要尺寸設(shè)計(jì) 334.2.4冷卻面積的確定 344.2.5攪拌器及攪拌軸功率的設(shè)計(jì) 354.2.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 374.2.7設(shè)備材料的選擇 404.2.8發(fā)酵罐壁厚的計(jì)算 404.2.9接管設(shè)計(jì) 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(shù)量的確定 434.3.2冷卻面積的計(jì)算 434.3.3種子罐壁厚的計(jì)算 444.3.4設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì) 444.3.5支座的選擇 464.4糖化鍋的選型 464.4.1設(shè)備主要尺寸設(shè)計(jì) 464.4.2設(shè)備材料的選擇 474.4.3糖化鍋壁厚的計(jì)算 474.4.4發(fā)酵車間主要設(shè)備參數(shù)一覽表 474.5消泡劑貯罐的選型 484.6空氣過(guò)濾器的選型 494.6.1發(fā)酵罐分過(guò)濾器 494.6.2種子罐分過(guò)濾器 504.7部分輔助設(shè)備的選型 504.8電滲析裝置的選型 524.9年產(chǎn)4000t賴氨酸廠主要設(shè)備一覽表 53第五章廠址選擇與工廠總平面設(shè)計(jì) 545.1廠址選擇的重要性及原則 545.2工廠總平面設(shè)計(jì) 54第六章清潔生產(chǎn)與三廢處理 576.1概述 576.1.1清潔生產(chǎn)的定義 576.1.2賴氨酸廠污染物的特點(diǎn) 576.1.3賴氨酸廠的清潔生產(chǎn) 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(chǎn)管理制度 628.1生產(chǎn)管理概述 628.2信息化生產(chǎn)管理 628.3賴氨酸廠車間管理制度 63致謝 64參考文獻(xiàn) 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(dòng)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(lái)廣泛地應(yīng)用于營(yíng)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(qiáng)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(gè)設(shè)計(jì)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(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選型、整個(gè)發(fā)酵過(guò)程的環(huán)境保護(hù)問(wèn)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(jì)算；設(shè)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(jiǎn)介L(zhǎng)-賴氨酸(L-Lysine，本設(shè)計(jì)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(jiǎn)式如圖1.1[1]。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。OHOHONH2H2N圖1.1L-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(qiáng)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(guò)程中易被破壞而缺乏，故稱為第一限制性氨基酸。目前，國(guó)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(dòng)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263—264℃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(shí)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(zhì)，難以長(zhǎng)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(zhǎng)-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(dòng)物血粉為原料，此法最大的特點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單，但是原料來(lái)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(jī)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(jiǎn)單、快捷。我國(guó)于20世紀(jì)60年代中期開(kāi)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(shí)現(xiàn)工業(yè)化后我國(guó)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(zhǎng)-型賴氨酸，生產(chǎn)工藝已經(jīng)基本成熟。近年來(lái)，賴氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80萬(wàn)t賴氨酸通過(guò)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(jī)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(méi)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(bǔ)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(kāi)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(jià)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(lái)，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(zhǎng)[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100～120g，提取率達(dá)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(jī)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(jì)采用電滲析法來(lái)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(duì)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、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(shí)間長(zhǎng)且只能分批操作，因此，有待完善和改進(jìn)，本次設(shè)計(jì)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(chǎng)的作用下，經(jīng)有選擇透過(guò)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(duì)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(duì)離子交換膜也有不同的要求[3]。在離子交換電滲析中，陽(yáng)極和陰極之間平行交替地排列著陰離子和陽(yáng)離子交換膜，形成許多獨(dú)立的小單元，當(dāng)加上電壓后，含離子溶液在電場(chǎng)下通過(guò)這些單元，有的單元里有正離子、負(fù)離子可透過(guò)陰離子、陽(yáng)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(chǎng)作用和膜電荷的排斥作用而留在單元里，加上遷移過(guò)來(lái)的離子生成濃鹽水。在這一過(guò)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(duì)膜組成，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)要求具體設(shè)置[8]，電滲析具體過(guò)程如圖1.2[7]。賴氨酸分子中同時(shí)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(diǎn)時(shí)，賴氨酸以中性分子形式存在，此時(shí)，賴氨酸溶液呈電中性，在直流電場(chǎng)的作用下不發(fā)生移動(dòng)；當(dāng)賴氨酸溶液的pH大于其等電點(diǎn)時(shí)，賴氨酸以堿性的負(fù)離子形式存在，在直流電場(chǎng)中可通過(guò)陰離子交換膜向陽(yáng)極移動(dòng)；而當(dāng)溶液的pH小于等電點(diǎn)時(shí)，賴氨酸則以酸性的正離子形式存在，在直流電場(chǎng)中可通過(guò)陽(yáng)離子交換膜向陰極移動(dòng)[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(duì)其進(jìn)行制備、分離和提純[7]。電滲析的優(yōu)點(diǎn)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(jiǎn)單；對(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng)；操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化；目前，電滲析技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)大規(guī)模的化工單元過(guò)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(guò)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(guó)稱為生物分離，已發(fā)展成化學(xué)工程學(xué)的一個(gè)領(lǐng)域。相對(duì)于采用微生物在發(fā)酵液中積累目的產(chǎn)物的發(fā)酵過(guò)程即上游過(guò)程來(lái)說(shuō)，將發(fā)酵液中目的產(chǎn)物制成產(chǎn)品的過(guò)程，通常稱為下游過(guò)程。下游過(guò)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(guò)程劃分，生物工業(yè)下游技術(shù)大致可分為4個(gè)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(yáng)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(guò)程可劃分為四個(gè)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(kuò)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(guò)流加氨水或尿素的控制方式來(lái)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(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株，通過(guò)代謝控制發(fā)酵，人為地改變和控制微生物的代謝途徑來(lái)實(shí)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(lái)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(bǔ)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(guò)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(méi)有副產(chǎn)物。若控制不當(dāng)，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(chǎn)物積累。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的壓縮空氣經(jīng)過(guò)預(yù)處理的壓縮空氣分過(guò)濾器預(yù)過(guò)慮、精過(guò)濾種子罐預(yù)過(guò)濾、精過(guò)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(guò)濾加鹽酸中和、脫色將母液再次過(guò)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(shí)間以16～20h為界，可分為前后兩個(gè)時(shí)期。前期為生長(zhǎng)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，菌體生長(zhǎng)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(gè)階段沒(méi)有谷氨酸發(fā)酵那么明顯，且工藝控制上也因兩個(gè)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(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)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(guò)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(guó)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、酸酶法等幾種。與傳統(tǒng)酸法水解淀粉相比，酶法具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)[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(jiǎn)化了設(shè)備，改善了勞動(dòng)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(wú)機(jī)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(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(duì)酸堿度極為敏感，故可簡(jiǎn)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(lái)控制反應(yīng)的進(jìn)行；酶的來(lái)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，現(xiàn)在生產(chǎn)中大多使用此法。2.4種子擴(kuò)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(qiáng)的純的種子。在賴氨酸發(fā)酵中，為了縮短發(fā)酵的調(diào)整期，一般采用相對(duì)高的接種量，為5%～10%。因此，根據(jù)發(fā)酵罐規(guī)模采用二級(jí)或三級(jí)種子培養(yǎng)。斜面種子的制備斜面菌種要求純，絕對(duì)沒(méi)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(wú)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(kuò)大培養(yǎng)培養(yǎng)基應(yīng)含有豐富的有機(jī)氮，不含糖或極少糖，必須利用菌體生長(zhǎng)繁殖，而不產(chǎn)酸。培養(yǎng)基中碳源含量較高時(shí)，易生成酸，使培養(yǎng)后期pH降低影響種子的活力。一級(jí)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(jí)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(jí)種子。培養(yǎng)條件為：溫度30～32℃，通風(fēng)量1:0.2m3/(m3·min),攪拌轉(zhuǎn)速約200r/min，培養(yǎng)時(shí)間8～11h。當(dāng)采用二級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)，接種量較少，為2%～5%，種齡為12h。當(dāng)采用三級(jí)種子擴(kuò)大培養(yǎng)時(shí)，接種量較大，約10%時(shí)，種齡為6～8h。接種以對(duì)數(shù)生長(zhǎng)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(duì)溫度很敏感，在發(fā)酵前期，提高溫度，生長(zhǎng)代謝加快，產(chǎn)酸期提前，但菌體內(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(gè)發(fā)酵過(guò)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(zhǎng)良好從而合成賴氨酸。供氧不足時(shí)，賴氨酸產(chǎn)量降低；嚴(yán)重供氧不足時(shí)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(zhǎng)階段，菌體呼吸旺盛，對(duì)氧的需求大于產(chǎn)酸階段[12]，溶氧分壓PL控制在0.4×104~0.8×104Pa為宜。當(dāng)菌體生長(zhǎng)進(jìn)入穩(wěn)定期后，對(duì)氧的需求量降低，PL控制在0.4×104~0.5×104Pa，直至發(fā)酵結(jié)束[2]。2.6賴氨酸的提取要從成熟的發(fā)酵液中提取賴氨酸，必須對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾或離心分離除去菌體和無(wú)機(jī)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(jī)溶劑抽提法、離子交換樹(shù)脂吸附法和電滲析法[9]。本次設(shè)計(jì)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(duì)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(lái)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(guò)10℃，防止局部過(guò)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(shí)，保溫結(jié)晶10～12h。為了使晶體不太細(xì)，結(jié)晶過(guò)程應(yīng)控制溫度，最低溫度最好在5℃左右。在結(jié)晶過(guò)程中需適當(dāng)攪拌以促進(jìn)晶體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。結(jié)晶完畢后停止攪拌，用離心機(jī)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(jí)賴氨酸鹽酸鹽，純度為95%以上。第三章工藝計(jì)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3.14000t/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/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，F(xiàn)eSO4·7H2O0.015，MnSO4·H2O0.015，豆餅水解液30，VH140μg，VB11mg，Thr20mg，pH-7.5,接種量。二級(jí)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(jì)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150kg/m3V式中150——發(fā)酵培養(yǎng)基的最終糖濃度，kg/m340%——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(jí)種液量V2V(4)二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量G2G式中20——二級(jí)種液含糖量(kg/m3）(5)生產(chǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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37.72÷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(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36.5——HCl的相對(duì)分子質(zhì)量146.19——賴氨酸分子的相對(duì)分子質(zhì)量(22)發(fā)酵液賴氨酸含量G實(shí)際生產(chǎn)的賴氨酸(提取率為82%）為1219.48×82%=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)1000kg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(jì)算結(jié)果，具體計(jì)算結(jié)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(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(jí)種液量/m3發(fā)酵水解糖用量/kg二級(jí)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(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(kāi)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(jì)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(jì)算為756.7kg，分離提取前總賴氨酸的產(chǎn)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?yàn)樘崛÷蕿?2%，經(jīng)分離提取后，純賴氨酸量為1293.39×82%=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1060.6÷9%=11784.4母液回收過(guò)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3.34000t/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(kāi)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(shí)加熱需要消耗的蒸汽量W蒸汽可按下式[5]計(jì)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(jié)水的熱焓，363K時(shí)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4.425×104kg/h，24h連續(xù)液化，即每小時(shí)的處理量為1843.75kg/h，液化調(diào)漿時(shí)淀粉與水的比例關(guān)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(jì)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(jì)算：滅酶時(shí)需將液化液由90℃加熱至100℃，100℃時(shí)蒸汽的λ為419kJ/kg，則W滅酶過(guò)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(guò)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(shí)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(guò)程完成后，需將物料由100℃降溫至65℃，假設(shè)冷卻水的進(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：5519.48×243.2.2液化液糖化過(guò)程的熱量衡算年產(chǎn)4000噸賴氨酸的工廠，按前面的計(jì)算，日產(chǎn)含糖15%的糖液251.47t，按相對(duì)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：6102.96由于每天同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)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(shè)發(fā)酵過(guò)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：218×0.7×6%×÷99%=9.25因日產(chǎn)賴氨酸為12.12t，一般來(lái)說(shuō)，發(fā)酵的操作時(shí)間需要48h（其中發(fā)酵時(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)2.6×4048=2.17罐，每罐的初始體積為152.6m其質(zhì)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(guò)程略。滅菌過(guò)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(yù)熱到75℃，再加熱到120℃，而冷卻水的溫度由20℃升至45℃，設(shè)每罐的滅菌時(shí)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(guò)與生料進(jìn)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(jì)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(shí)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?yàn)?00m3的發(fā)酵罐的容積實(shí)際上大于200m3，考慮到罐內(nèi)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(jì)算，充滿罐內(nèi)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(guò)程中的熱損失設(shè)發(fā)酵罐的外壁溫度為70℃，此時(shí)輻射與對(duì)流的聯(lián)合給熱系數(shù)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(guò)程的蒸汽：滲透消耗的蒸汽一般滅菌過(guò)程的蒸汽滲透可取總蒸汽消耗量的5%，因此，空罐滅菌時(shí)的蒸汽消耗量為：W每次空罐滅菌的時(shí)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(guò)程產(chǎn)生的熱量計(jì)算根據(jù)部分賴氨酸工廠的實(shí)測(cè)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，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(jìn)行冷卻，假設(shè)冷卻水的進(jìn)口溫度是10℃，出口溫度為20℃，則冷卻水用量W=因?yàn)槊刻爝\(yùn)轉(zhuǎn)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(shù)），平均用水量為：3.2.4賴氨酸溶液濃縮結(jié)晶過(guò)程的熱量衡算由前面可知，日產(chǎn)99%的賴氨酸的產(chǎn)量是12.12t，如選用25m3的強(qiáng)制內(nèi)循環(huán)結(jié)晶罐，濃縮結(jié)晶的操作周期是24h，其中輔助時(shí)間為4h，每罐可產(chǎn)99%賴氨酸10t，需結(jié)晶罐的個(gè)數(shù)為：12.12取2罐次，式中數(shù)值1.6是每罐投入的晶種量濃縮時(shí)，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(guò)程中加水6m3，在700℃下真空蒸發(fā)結(jié)晶，濃縮3h以后，再育晶17h，放料數(shù)量是20m3，熱量衡算物料帶入的熱量，進(jìn)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(duì)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(jié)晶罐放罐的結(jié)晶液量，m3需要外界供給的熱量為:Q=蒸汽用量的計(jì)算按熱損失為5%計(jì)算，每罐次的蒸汽用量：W=前已指出，每罐的濃縮結(jié)晶時(shí)間是20h，那么每小時(shí)蒸汽耗量的高峰是45830÷24=2292kg/h實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有1.44罐同時(shí)進(jìn)行，高峰時(shí)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(jì)算二次蒸汽的數(shù)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(jìn)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(dāng)2只罐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，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(guò)程的熱量衡算經(jīng)分離后的濕賴氨酸含水2%，干燥后含水應(yīng)小于0.2%，用熱空氣進(jìn)行干燥，進(jìn)入空氣加熱器出來(lái)的空氣為18℃，相對(duì)濕度為70%加熱升溫到80℃，從干燥器出來(lái)的空氣為60℃，年產(chǎn)4000噸賴氨酸的工廠，需日產(chǎn)濕賴氨酸12.37t，二班生產(chǎn)，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(guān)手冊(cè)可知，18℃的空氣，當(dāng)相對(duì)濕度為70%時(shí)，絕對(duì)濕度是X0=0.009kg/kg干空氣，熱焓I0=41.8kJ/kg干空氣；加熱到80℃時(shí)，空氣的熱焓I1=104.5kJ/kg干空氣。根據(jù)熱量平衡可以列出下列方程：?式中，Δ為空氣經(jīng)過(guò)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(shí)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(shí)，?=18×4.18-3878.94-641.46=-4445.16假使X2=0.0108I此時(shí)空氣的耗量為：13.9480℃的空氣的比容為0.83m3/kg，那么實(shí)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(jìn)行加熱，熱損失按15%進(jìn)行計(jì)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(shí)用的蒸汽量：4057.49÷24=169.063.2.6年產(chǎn)4000t賴氨酸廠熱量衡算結(jié)果匯總由上述賴氨酸生產(chǎn)熱量衡算結(jié)果，可求得4000t/a賴氨酸廠蒸汽耗用量。具體計(jì)算結(jié)果如表3.43.3過(guò)程水的衡算3.3.1糖化工序用水量(1)配料用水量年產(chǎn)4000噸賴氨酸的生產(chǎn)工廠日投工業(yè)淀粉量為4.425×104kg，配料時(shí)的加水比例是1：2.5，用水量就可以計(jì)算出來(lái)為：44.25×2.5=110.63即每小時(shí)用水量為4.61t表3.44000t/a賴氨酸廠蒸汽耗用匯總表生產(chǎn)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(jié)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(jīng)計(jì)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(jīng)計(jì)算出糖化液冷卻水用量為248.4t/d，高峰時(shí)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(jì)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(jì)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(jì)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(chǎn)100%的Lys是12.12t/d，配制成40%濃度時(shí)需要用水量12.123.3.6精制工序的用水量(1)結(jié)晶過(guò)程的加水量，使用2臺(tái)結(jié)晶罐，每臺(tái)需加水量為6t，供需要12t/d的用水量。(2)結(jié)晶冷卻用水量，前以計(jì)算出用水量5600t/d。3.3.7動(dòng)力工序的用水量鍋爐用水量840t/d，冷凍機(jī)及其他循環(huán)水用量是4000t/d通過(guò)上述計(jì)算并匯總后，可以得出用水量的衡算表3.5。3.3.8年產(chǎn)4000t賴氨酸水量衡算結(jié)果匯總年產(chǎn)4000t賴氨酸廠水量衡算結(jié)果匯總?cè)缦?，?jiàn)表3.43.4無(wú)菌空氣消耗量的計(jì)算3.4.1無(wú)菌空氣消耗量計(jì)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(shè)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(jié)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(dòng)力、鍋爐冷凍、空壓合計(jì)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(fēng)量的計(jì)算[16]對(duì)于好氧發(fā)酵過(guò)程來(lái)說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài)時(shí)，溶氧與好氧達(dá)到平衡，此時(shí)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(xì)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(shí)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(kāi)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(dāng)過(guò)程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，通風(fēng)量應(yīng)為：Q式中，cin為大氣中的氧濃度；而cout則可根據(jù)氧的利用率來(lái)計(jì)算，一般可取cout=0.85~0.9?cin；QO2可由小型發(fā)酵罐實(shí)驗(yàn)確定；X通風(fēng)攪拌用的壓縮空氣的壓強(qiáng)計(jì)算通風(fēng)發(fā)酵罐或其它攪拌用的壓縮空氣必須有足夠的壓強(qiáng)，以克服液柱阻力、空氣分布器及其它管道阻力，壓強(qiáng)可按下式計(jì)算：P式中，P為通風(fēng)攪拌用的壓縮空氣的壓強(qiáng)，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(shù)，包括空氣分布器等的阻力。在特殊情況下，對(duì)普通液體的攪拌，壓強(qiáng)105kPa的空氣消耗量可以下式進(jìn)行計(jì)算V式中，F(xiàn)為液體容器的截面積，m2；κ為攪拌強(qiáng)度系數(shù)，一般對(duì)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(shí)間，h壓送培養(yǎng)基等液體物料時(shí)無(wú)菌空氣的質(zhì)量壓縮空氣的壓強(qiáng)可按下式計(jì)算P式中的符號(hào)除H為壓送靜壓高度或設(shè)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(jìn)行計(jì)算：設(shè)備中的液體要求在一次操作中全部壓完，這時(shí)消耗壓強(qiáng)105Pa的空氣量為：V每小時(shí)壓縮空氣的消耗量為：V式中，t為每次壓送液體的操作時(shí)間，h；V0為設(shè)備的容積，m3；P為所需壓縮空氣的壓強(qiáng)，Pa設(shè)備中的液體不要求在一次操作中全部壓完即部分壓出。對(duì)于每一次操作，折算成壓強(qiáng)為105Pa的壓縮空氣消耗量為：V如每次壓送的時(shí)間為t(h)，則每小時(shí)無(wú)菌空氣的消耗量是：V式中，Φ為設(shè)備的裝料系數(shù)；V0為設(shè)備的容積，m3；VL為一次壓送的液體體積，m3。3.4.2年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無(wú)菌空氣計(jì)算(1)單罐發(fā)酵無(wú)菌空氣的消耗量根據(jù)生產(chǎn)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(jì)算時(shí)取最大值0.18vvm的進(jìn)行計(jì)算。單罐發(fā)酵過(guò)程的用氣量：V單個(gè)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(wú)菌空氣耗量一般取此類無(wú)菌空氣消耗量之和等于發(fā)酵過(guò)程空氣消耗量的25%。故這項(xiàng)無(wú)菌空氣用量為VV式中，3為發(fā)酵罐的個(gè)數(shù)(3)發(fā)酵車間高峰無(wú)菌空氣消耗量V(4)發(fā)酵車間年用氣量V3.4.3年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無(wú)菌空氣衡算結(jié)果匯總根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得年產(chǎn)4000t賴氨酸廠無(wú)菌空氣用量衡算表3.6表3.64000t/a賴氨酸廠的無(wú)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(shè)備設(shè)計(jì)與選型4.1設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的任務(wù)和原則4.1.1設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的任務(wù)我們通常把生物工程工廠所涉及的設(shè)備分為專業(yè)設(shè)備、通用設(shè)備和非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。專業(yè)設(shè)備系指發(fā)酵罐、糖化鍋等專業(yè)性較強(qiáng)、僅為生物工程工廠使用的設(shè)備；泵、風(fēng)機(jī)等各行各業(yè)都可以使用的設(shè)備稱為通用設(shè)備；非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備是指生產(chǎn)車間的貯藏、池子等設(shè)施。設(shè)備工藝設(shè)計(jì)與選型的任務(wù)是在工藝計(jì)算的基礎(chǔ)上，確定車間內(nèi)所有工藝設(shè)備的臺(tái)數(shù)、型式和主要尺寸。為車間布置設(shè)計(jì)，施工圖設(shè)計(jì)以及其他非工藝設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供足夠的有關(guān)條件，為設(shè)備的制作、訂購(gòu)等提供必要的資料。4.1.2設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的原則(1)保證工藝過(guò)程實(shí)施的安全可靠(包括設(shè)備材質(zhì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的安全可靠；設(shè)備材質(zhì)強(qiáng)度的耐溫、耐壓、耐腐蝕的安全可靠；生產(chǎn)過(guò)程清洗、清毒的可靠性等)；(2)經(jīng)濟(jì)上合理，技術(shù)上先進(jìn)；(3)投資省，耗材料少，加工方便，采購(gòu)容易；(4)運(yùn)行費(fèi)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(yīng)可靠，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)施機(jī)械化和自動(dòng)化方便；(6)結(jié)構(gòu)緊湊，盡量采用經(jīng)過(guò)實(shí)踐考驗(yàn)證明性能優(yōu)良的設(shè)備；(7)考慮生產(chǎn)波動(dòng)與設(shè)備平衡，留有一定裕量；(8)考慮設(shè)備故障及檢修的備用。4.1.3專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的依據(jù)(1)由工藝計(jì)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(shè)備的構(gòu)造類型和性能。4.1.4專業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)與選型的程序和內(nèi)容(1)設(shè)備所擔(dān)負(fù)的工藝操作任務(wù)和工作性質(zhì)，工作參數(shù)的確定；(2)設(shè)備選型及該型號(hào)設(shè)備的性能、特點(diǎn)評(píng)價(jià)；(3)設(shè)備生產(chǎn)能力的確定；(4)設(shè)備數(shù)量計(jì)算（考慮設(shè)備使用維修及必須的裕量）；(5)設(shè)備主要尺寸的確定；(6)設(shè)備化工過(guò)程（換熱、過(guò)濾、干燥面積、塔板數(shù)等）計(jì)算；(7)設(shè)備的傳動(dòng)攪拌和動(dòng)力消耗計(jì)算；(8)設(shè)備結(jié)構(gòu)的工藝設(shè)計(jì)；(9)支撐方式的計(jì)算選型；(10)壁厚的計(jì)算選擇；(11)材質(zhì)的選擇和用量計(jì)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(dāng)前，我國(guó)賴氨酸發(fā)酵中占統(tǒng)治地位的發(fā)酵罐仍然是機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐，即大家常說(shuō)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(jīng)驗(yàn)，成功率高。(2)發(fā)酵罐容積的確定隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,生產(chǎn)發(fā)酵罐的專業(yè)廠家越來(lái)越多，現(xiàn)有的發(fā)酵罐容量如5、10、20、50、100、200、250，500m3等。一般來(lái)說(shuō)單罐容量越大，經(jīng)濟(jì)性能越好，但風(fēng)險(xiǎn)也越大，要求技術(shù)管理水平也越高?，F(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)成熟，使得大型發(fā)酵罐使用越來(lái)越廣泛，而且大型發(fā)酵罐效益好。由前面計(jì)算結(jié)果，本次設(shè)計(jì)采用200m3的發(fā)酵罐。4.2.2發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定生產(chǎn)每噸99%純度的賴氨酸需要的發(fā)酵液的體積為：V年產(chǎn)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(shù)φ=70%，則每天需要發(fā)酵罐總?cè)萘繛椋篤選用公稱體積200m3的發(fā)酵罐，其全容量為218m3。那么每天需要發(fā)酵罐個(gè)數(shù)為：N共需要的發(fā)酵罐數(shù)為：N取整后應(yīng)該需要3個(gè)發(fā)酵罐，其中，τ為發(fā)酵周期，h，每天應(yīng)有2個(gè)發(fā)酵罐出料，每年工作330天，實(shí)際產(chǎn)量檢驗(yàn)算：218×70%×2×330設(shè)備富裕量為：4905.80-故能滿足生產(chǎn)要求。4.2.3主要尺寸設(shè)計(jì)按218m3的發(fā)酵罐計(jì)算，對(duì)此發(fā)酵罐，采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓接頭，封頭折邊忽略不計(jì)：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(zhǎng)度，m；D對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓，h故發(fā)酵罐的全體積為V近似計(jì)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(yàn)算發(fā)酵罐全容積：V設(shè)計(jì)合理，可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。取裝料率為φ=70%，則實(shí)際裝液量為：218×70%=152.64.2.4冷卻面積的確定對(duì)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(jīng)驗(yàn)值K=4.18×500kJ/(m3·h·℃)[17]。發(fā)酵液：32℃32℃冷卻水：20℃27℃?代入數(shù)據(jù)得?對(duì)容積為218m3的發(fā)酵罐，每罐的實(shí)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(shè)計(jì)機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐的攪拌渦輪有三種形式，可根據(jù)發(fā)酵的特點(diǎn)、基質(zhì)及菌體特性選用。由于賴氨酸發(fā)酵過(guò)程中間有補(bǔ)料操作，對(duì)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(nèi)徑D有一定比例關(guān)系[15]攪拌器葉徑：D葉寬：B弧長(zhǎng)：l底距：C盤徑：d葉弦長(zhǎng)：L葉距：Y彎葉板厚：δ取兩擋攪拌，攪拌轉(zhuǎn)速N2可根據(jù)50m3罐，攪拌直徑D1為1.05m，轉(zhuǎn)速N1=110r/min。以等P0/V為基準(zhǔn)[18]放大求得：N(2)攪拌軸功率淀粉水解糖液為低濃度細(xì)菌醪，可視為牛頓流體。①計(jì)算RemRe式中D——攪拌器直徑，D=1.64mN——攪拌器轉(zhuǎn)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(zhǔn)數(shù)Np=4.7②計(jì)算不通氣時(shí)的攪拌軸功率P0[18]P式中Np——在湍流攪拌狀態(tài)時(shí)其值為常數(shù)4.7N——攪拌轉(zhuǎn)速，ND——攪拌器直徑，D=1.64mρ——醪液密度，ρ=1050kg/P=147.27×兩擋攪拌時(shí)攪拌功率為：P③計(jì)算通風(fēng)時(shí)的軸功率Pg[18]P式中P0——不通風(fēng)時(shí)攪拌軸功率(kW)，P0N——軸轉(zhuǎn)速，N=81.7r/minD——攪拌器直徑(cm)，DQ——通風(fēng)量(ml/min)，設(shè)通風(fēng)比VVm=0.11~0.18，取低限，如通風(fēng)量變大，Pg會(huì)變小，為安全，現(xiàn)取0.11；每罐實(shí)際裝液量為152.6m3，則QQ代入上式：P兩檔攪拌時(shí)功率為：P④電機(jī)功率P電P采用三角帶傳動(dòng)η1=0.92；滾動(dòng)軸承η2=0.99，滑動(dòng)軸承η3=0.98；端面密封增加功率為1%；代入公式數(shù)值得：P4.2.6設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)(1)空氣分布器此發(fā)酵罐采用單管進(jìn)風(fēng)。(2)擋板此發(fā)酵罐因有扶梯和豎式冷卻蛇管，故不設(shè)擋板。(3)密封方式此發(fā)酵罐采用雙面機(jī)械密封方式。(4)冷卻管布置：采用豎式蛇管[15]Ⅰ.最高負(fù)荷下的耗水量WW式中Q總——每1m3醪液在發(fā)酵最旺盛時(shí)，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