本科毕业设计开题报告
题目：年产3万吨赖氨酸发酵车间的初步设计
开题报告
课题类型： 工业设计
学生姓名： 郑日记
学 号： 3112106134
专业班级： 生物工程2111
学 院： 机电学院
指导教师： 魏胜华
开题时间： 2015年3 月
2015年 3月 18 日
一、本课题的研究意义、研究现状和发展趋势
引言：
赖氨酸（L-Lysine）：名称2，6-二氨基己酸，化学结构简式为H2N（CH2）4CH(NH2)COOH，相对分子质量：146.19。
赖氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的21种氨基酸之一。L—赖氨酸是人体必需氨基酸，能促进人体发育、增强免疫功能，并有提高中枢神经组织功能的作用，而又是人体内不能合成的八种氨基酸 (色氨酸，苯丙氨酸，赖氨酸，苏氨酸，蛋氨酸，亮氨酸、异亮氨酸及缬氨酸等，这八种氨基酸称营养必需氨基酸)之一缺少时则产生蛋白质代谢障碍和机能障碍。而且在人们的主食大米和面粉蛋白质中赖氨酸含量极少。如缺乏则引起蛋白质代谢障碍及功能障碍，导致生长障碍。由于谷物食品中的赖氨酸含量甚低，且在加工过程中易被破坏而缺乏，故称为第一限制性氨基酸。
饲料中添加的赖氨酸有两种，即L－赖氨酸和DL－赖氨酸。因动物只能利用L－赖氨酸。作为商品的饲用级赖氨酸通常是纯度为98.5％以上的L－赖氨酸盐酸盐， 相当于含赖氨酸（有效成分）78.8％以上，为白色~淡黄色颗粒状粉末，稍有异味，易溶于水。90％以上的L－赖氨酸是以糖蜜为原料发酵生产的产品。此外， 日本、美国、德国等国已利用化学合成的2－氨基ω－己内酰胺作原料， 通过微生物酶消旋和水解生产L－赖氨酸。
1.1研究目的及意义
我国是世界上赖氨酸用量第一大国，第十个五年计划末，我国赖氨酸年需求量将达到20万吨。L-赖氨酸是玉米深加工的重要产品。产品的附加值高，经济效益十分显著。但我国赖氨酸生产仍存在一些问题：
（1）自动化程度不高。目前我国赖氨酸生产中，大部分操作是人工完成的，因此不能对一些控制因素（如糖耗、pH、温度）做出迅速反应；另外，一些关键的仪表（如耐高温的pH计、溶氧仪）、阀门等检测仪器水平和设备水平也有待提高。赖氨酸生产是一项生物工程的高新技术，应加强对赖氨酸发酵机理的理论研究，找出发酵中各影响因素关联式，以便于用计算机控制生产，提高生产过程自动化程度。
（2）能耗问题。国外生产1t赖氨酸需要标准煤8t，而我国需要15-20t，因此开发低能耗的浓缩装置十分必要。
（3）培育高产新品种、加强赖氨酸结晶最佳条件的研究也是当前生产中亟需解决的问题；另外，合成法和酶法都较为经济，又便于大规模生产，应加大研究开发的力度。
赖氨酸是世界上仅次于赖氨酸的第二大氨基酸，目前全球赖氨酸的生产能力近60万吨。
1.2赖氨酸用途
L-赖氨酸产品主要应用于医药食品以及牲畜饲料等应用。结合市场调研结果估计，L-赖氨酸的实际应用比例为：食品和医药行业的总和仅占5%左右，其他所生产出来的赖氨酸基本全用于动物牲畜饲料行业 。
1.2.1 食品行业
随着科技的发展和人类的进步，人类对于赖氨酸的科学研究也变得越来越细致。人们发现，它对人的中枢神经和周围神经系统都起着重要作用。它是一种必需氨基酸，必需从外来的食物中摄取。 人类充分吸收其它营养物质的关键生物素就是赖氨酸。一般条件来说，只有生物体内储备了充足的赖氨酸含量，才可以很好地利用营养物质，提高蛋白质的吸收和利用，从而达到促进生物体生长和发育的目的。
1.2.2 医药行业
赖氨酸是人体最为需要的一种必需氨基酸，它对于促进伤口愈合、治疗病人营养不良、虚弱、疲劳、食欲不振、精神不佳等状况与病症。生殖细胞、。血红蛋白、脑神经细胞的合成与完成生物机能离不开赖氨酸。 如果人体内缺少了赖氨酸的存在，集体则会表现出蛋白质代谢不良和功能性障碍等症状。
实验以及临床已经表明，赖氨酸对于某些特定的疾病有着特殊的疗效。同时研究还表明，赖氨酸与某些兹体抗炎药结合，对于妇女经期综合症以及先关的经期疾病如偏头痛和腹部绞痛有着很好地治疗效果。
1.2.3 饲料行业
我国是一个畜牧业大国，因此对于牲畜饲料的需求变得尤为的紧迫和庞大，我国在世界上饲料的产量位居次席。而且近些年来产量仍然以很快的速度飞速增长，同时饲料的质量与成分配比也显得尤为重要。添加了赖氨酸的动物饲料有着很好地品质，能够提高牲畜的蛋白质利用率，增加肉料比，而且动物很容易消化。 我国畜牧业发展迅猛，在动物饲料中添加赖氨酸同样有着很严格的标准，一般比例在0.16-0.30%之间。低于0.16%，赖氨酸含量过于低，起不到很好地总用；高于0.30%，又会带来很高的附加成本。这样才能最好的利用添加了赖氨酸的饲料，做到养殖业利益最大化。
1.3发展趋势
现如今，国内生产赖氨酸的企业和厂家有：长春大成集团、四川川化味之素公司、福建泉州大泉赖氨酸公司、山东金玉米生化公司、安徽丰原生物化学股份公司和宁夏伊品生物工程集团股份公司等。在这其中，中国最大的赖氨酸生产厂家当属长春大成集团，它目前集团赖氨酸产品总产能已达到30万吨每年，赖氨酸盐酸盐的产量 （含量98.5％） 为15 万t吨每年、赖氨酸硫酸盐（含量65％）的产量为15万吨每年[5]。前几年，广东星湖科技公司3万吨每年赖氨酸生产线正式投产并投入使用，之后的几年不久，东方希望集团包头生物工程有限公司两万吨每年赖氨酸生产线正式改造完毕投产。
第一，赖氨酸在饲料行业的应用呈现了逐年递增的趋势，在饲料中添加赖氨酸、维生素以及各种生物素可以大大的提高牲畜对于饲料的利用率，以达到利益的最大化，而这其中赖氨酸的市场份额占到了将近20%，不容小视。第二是在其他领域如医药、食品和化妆品行业，赖氨酸也越来越得到了人们的重视，赖氨酸被添加到临床病人的输液中。21世纪以来，一些西方国家乃至日本、韩国等一些亚洲国家发展了赖氨酸饮品的产生，把赖氨酸添加到了饮料当中，如果发展到了中国，势必会引起一阵潮流，加大赖氨酸产量的需求，赖氨酸产业前景看好。
赖氨酸添加到化妆品中是一个不错的选择。中国是一个化妆品消费大国，添加了赖氨酸的化妆品受到了广大消费者的一致好评，在此行业可以占到一定的市场份额，也是一个很好地发展方向[8]。
二、主要设计（研究）内容
1、研究内容
整个设计内容包括了解赖氨酸生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程。根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选型、整个发酵过程的环境保护问题等。最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图及发酵设备图
2、研究方法
L-赖氨酸最初是蛋白质（酪蛋白、血纤维蛋白或血浆）的酸水解物中分离得到。目前L-赖氨酸主要是以微生物发酵法生产。发酵法通常以各种淀粉水解液或甘蔗糖蜜为碳源，以铵盐、氨或尿素作为氮源进行的，pH值基本维持中性。一般通过流加氨水或尿素的控制方式来控制发酵液的pH，其生产工艺流程如图2.1。
3赖氨酸生产设备选择
3.1生产工艺概述
赖氨酸生产过程可划分为四个工艺阶段：（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（4）赖氨酸制取成品加工。与这四个工艺阶段相对应的赖氨酸生产厂家一般都设置的糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为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，并通过工期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，通过供水管路输送到各个生产需求部位。
3.2 原料预处理及淀粉水解糖制备
3.2.1 原料的预处理
此工艺操作的目的在于初步破坏原料的结构，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，豆类等物料，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料的中碎和细碎。
3.2.2 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，所制得的糖液成为淀粉水解糖。由于赖氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多赖氨酸厂采用双酶法制糖工艺。双酶法制糖工艺，具有明显的淀粉转化率高，有利于发酵和提取的特点。双酶法制糖工艺过程基本分为两种：两次喷射工艺、一次喷射工艺。两次喷射工艺过程存在着明显的弱点。一次喷射工艺过程明显改变了两次喷射的弱点，具有蒸汽消耗和动力消耗小，容易控制，糖液质量稳定，设备数量少，占地面积小，生产环境好，可实现计算机控制等优点[6]。主要工艺操作 及2.3 种子扩大培养及赖氨酸发酵 。
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，完成生产菌种的扩大培养任务。从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。
赖氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。用于灭菌的工艺除采用连消塔-维持罐-喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器-维持管-真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。但由于糖液粘度较大，流动性差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少。现阶段我国赖氨酸发酵三种工艺并行。对不同工艺的评价在于节能降耗，节能的关键为发酵过程通风的总耗电量，既每吨发酵赖氨酸所耗的KWH总量。设备生产强度以每立方米发酵罐总容积每小时所产赖氨酸的数量进行比较。由此得出 目前的三种工艺没有一种是合理或者是不合理的。在于设计和生产过程的把握。
发酵设备国内赖氨酸厂大多数采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50立方米到200立方米之间。对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化。 由于赖氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。
3.4 赖氨酸的提取
要从成熟的发酵液中提取赖氨酸，必须对发酵液进行过滤或离心分离除去菌体和无机盐。从发酵液中提取赖氨酸通常有4种方法，即沉淀法、有机溶剂抽提法、离子交换树脂吸附法和电渗析法[9]。本次设计采用电渗析法从发酵液中提取赖氨酸。
3.5 设备设计与选型的任务
我们通常把生物工程工厂所涉及的设备分为专业设备、通用设备和非标准设备。专业设备系指发酵罐、糖化锅等专业性较强、仅为生物工程工厂使用的设备；泵、风机等各行各业都可以使用的设备称为通用设备；非标准设备是指生产车间的贮藏、池子等设施。设备工艺设计与选型的任务是在工艺计算的基础上，确定车间内所有工艺设备的台数、型式和主要尺寸。为车间布置设计，施工图设计以及其他非工艺设计项目提供足够的有关条件，为设备的制作、订购等提供必要的资料。
三．计划安排（论文进展的时间安排）
四．阅读的主要参考文献
[1] 胡红波, 彭华松, 张雪洪. 生物工程产品工艺学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006.
[2] 王镜岩, 朱圣庚, 徐长法. 生物化学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002. [3]姚汝华. 微生物工程工艺原理[M]. 广州: 华南理工大学出版社, 2005.
[4] 王凯军, 秦人伟. 发酵工业废水处理[M]. 北京: 科学出版社, 2000.
[5] 诸葛健, 李华钟. 微生物学[M]. 北京: 科学出版社, 2004.
[6] 张克旭. 氨基酸发酵工艺学[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 1992.
[7]陈艳. 电渗析法由L-赖氨酸盐酸盐制备L-赖氨酸[D]. 四川: 西南科技大学生命科学与工程学院, 2011, 2-5.
[8] 姚玉英. 化工原理[M]. 天津: 天津大学出版社, 1999.
[9] 梁世中. 生物工程设备[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2002. [10] 邓毛超. 氨基酸发酵生产技术[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2007.
[11] 余龙江. 发酵工程原理与技术应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2008.
[12] 严希康, 俞俊棠. 生物物质分离工程[M]. 北京: 化学工业出版社, 2012.
[13]高福成. 新型发酵食品[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2005.
[14] 刘晓兰. 生化工程[M]. 北京: 清华大学出版社, 1999.
[15]吴思方. 发酵工厂工艺设计概论[M]. 北京: 中国轻工业出版社, 2008.
[16]梅乐和, 姚善泾, 林东强. 生化生产工艺学[M]. 北京: 科学出版社, 2007.
[17] 赵伟刚, 高年发, 李丽等. 氨基酸发酵中的提取精制技术[J]. 发酵科技通讯, 2009, 38（2）, 16-21.
[18] Newki Y., Yoshima F., Hamude S., et al. Sequential production of two biopolymers-levan and poly-e-lysine by microbial fermentation[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(6), 3966-3969.
[19] Andreas N., Ines W., Tim S., et al. Production of l-lysine on different silage juices using genetically engineered Corynebacterium glutamicum[J]. Journal of Biotechnology, 2013, 35(2), 217-224.
[20] Eliseeva T. V., Krisilova E. V., Chernikov M. A., et al. Concentration of basic amino acids by electrodialysis[J]. Petroleum Chemistry, 2011, 51(8), 626-633.
五、指导教师意见（签名）
2015 年 月 日