1TPM赖氨酸分离提取工艺设计学生姓名：学号：指导教师：专业名称：生物工程完成时间： 2011年11月目录目录 (1)第一章项目总论 (3)1.1赖氨酸的简介 (3)1.2赖氨酸的性质 (3)1.3赖氨酸的作用 (3)1.4赖氨酸的生产方法 (4)1.4.1二步发酵法 (4)1.4.2直接发酵法 (4)1.5赖氨酸的提取精制 (4)1.6生物工业下游技术的一般工艺过程 (5)1.7离子交换原理 (5)第二章技术方案 (1)2.1产品方案 (1)2.2发酵工艺流程示意图 (1)2.3发酵过程工艺流程 (1)2.3.1发酵法 (1)2.3.2发酵液的预处理 (1)2.3.3赖氨酸的提取 (1)2.3.4浓缩和结晶 (1)2.4工艺技术指标及基础数据 (1)2.4.1主要技术指标如下表： (1)2.4.2主要原材料质量指标 (2)2.4.3二级种子培养基 (2)2.4.4发酵培养基 (2)2.5赖氨酸发酵车间的物料衡算 (2)2.6热量衡算 (1)2.6.1发酵过程中的冷却水耗量计算 (1)2.6.2发酵过程中的无菌空气耗用量的计算 (1)第三章发酵车间设备设计与选型 (1)3.1发酵罐的选型 (1)3.1.1发酵罐容积和台数的确定 (1)3.1.2主要尺寸的计算 (1)3.1.3发酵罐冷却面积的计算 (1)3.1.4发酵罐搅拌器的设计 (1)3.2电机的确定 (1)3.2.1 计算Re m (1)3.2.2计算不通气时的搅拌轴功率P O (1)3.2.3计算通风时的轴功率Pg (1)3.2.4求电机功率P电 (1)3.3发酵罐设备结构的工艺设计 (1)3.3.1空气分布器 (1)3.3.2档板 (1)3.3.3密封方式 (1)3.3.4 冷却管布置 (1)3.3.5发酵罐设备材料的选择 (1)3.4种子罐的选型 (1)3.4.1种子罐容积和数量的确定 (1)3.4.2种子罐主要尺寸确定 (1)3.4.3种子罐型号确定 (1)3.5赖氨酸提取的树脂设计 (1)第四章防污措施 (1)4.1废水的处理 (1)4.3废渣的处理 (1)第五章结语 (1)参考文献 (1)第一章项目总论1.1赖氨酸的简介赖氨酸，化学结构简式为H2N（CH2）4CH(NH2)COOH。
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，氨基酸除了脯氨酸为亚氨基酸外，其他氨基酸均为α氨基酸。
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。
如在小麦面粉中添加0.2肠的赖氨酸，则可使其蛋白质的营养价值从原来的47帕提高到71.1帕。
作为食品强化剂赖氨酸的营养强化作用已受人们的极大重视。
目前，国内外氨基酸的工业生产中，除谷氨酸外，产量最大的就数L—赖氨酸。
1.2赖氨酸的性质白色或近白色自由流动的结晶性粉末。
几乎无臭。
263～264℃熔化并分解。
通常较稳定，高温度下易结块，稍着色。
相对湿度60%以下时稳定，60%以上则生成二水合物。
与维生素C和维生素K3共存则着色。
碱性条件及直接与还原糖存在下加热则分解。
易溶于水（40g/100ml,35℃）,水溶液呈中性至微酸性，与磷酸、盐酸、氢氧化钠、离子交换树脂等一起加热，起外消旋作用。
1.3赖氨酸的作用赖氨酸的作用包括建立肌肉组织，从创伤或受伤恢复，并帮助更有效吸收钙。
它还有助于身体产生抗体，酶和激素。
有时候，赖氨酸补充剂也用于治疗疱疹病毒爆发。
其作用主要包括：(1)调节人体代谢平衡；(2)有助于身体产生抗体；(3)控制人体生长的重要物质；(4)有效吸收钙，防止骨质流失。
1.4赖氨酸的生产方法1.4.1二步发酵法又称前体添加法,50年代初开发的二步发酵法以赖氨酸的前体二氨基庚二酸为原料，借助微生物生产的酶（二氨基庚二酸脱羧酶），使其脱羧后转变为赖氨酸。
70年代后，日本采用固定化二氨基庚二酸脱羧酶或含此酶的菌体,使内消旋2，6-二氨基庚二酸脱羧连续生产赖氨酸，改进了这一工艺。
尽管这样,该工艺仍较复杂,现已被直接发酵法取代。
1.4.2直接发酵法一种广泛采用的赖氨酸生产法。
常用的原料为甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜、淀粉水解液等廉价糖质原料。
此外，醋酸、乙醇等也是可供选用的原料。
直接发酵法生产赖氨酸的主要微生物有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌的突变株等3种。
70年代以来，由于育种技术的进展，选育出一些具有多重遗传标记的突变株，使工艺日趋成熟，赖氨酸的产量也得到成倍增长。
工业生产中最高产酸率已提高到每升发酵液100～120g,提取率达到80～90％左右。
1.5赖氨酸的提取精制赖氨酸的提取精制主要方法有盐析法、有机溶剂萃取法和离子交换法。
通常情况下根据被提取物质的理化和生物学特性选择两种方法结合使用，赖氨酸采用离子交换和有机溶剂萃取的方法。
1.6生物工业下游技术的一般工艺过程由于工业生物技术产品众多，原料广泛，产品性质多样，用途各异，因而分离、提取、精制的技术，生产工艺及相关装备也是多种多样的。
根据不同的对象，可采用在生物工业中行之有效的化工单元操作技术，也可采用生物工业中特有的下游新技术。
按生产过程划分，生物工业下游技术大致可分为4个阶段，即预处理、提取(初步分离)、精制(高度纯化)、产品制作。
1.7离子交换原理离子交换技术长期以来用于水的处理、食品、生物制品的提取精制及金属的回收。
在生物工业中，离子交换广泛用于氨基酸、有机酸、抗生素等工业，尤其是在抗生素工业中，将发酵液中的抗生素通过离子交换的方法结合在离子交换树脂上，然后在适当的条件下洗脱下来，这样可以使目的分子从大量的溶液中浓缩到一个小的体积内，体积缩减到原液的几十分之一，同时杂质分子液大量的被除去，得到纯度较高的抗生素。
用离子交换法分离提纯各种生物活性代谢物质具有成本低，工艺操作方便，提炼效率较高，设备结构简单，以及节约大量的有机溶液等优点。
第二章技术方案2.1产品方案.本文要研究淀粉水解糖发酵液的预处理，离子换树脂提取，洗脱和脱色的工艺条件。
碳源直接发酵制取赖氨酸是当前赖氨酸工业生产的主要方法.赖氨酸发酵生产过程包括发酵产酸和产品提取精制两个步骤。
要增加赖氨酸的产量，设法提高分离精制收率是重要的一环。
赖氨酸的分离精制包括发酵液的预处理，离子交换树脂提取，洗脱，脱色，浓缩和结晶几个步骤。
2.2发酵工艺流程示意图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汤或甘蔗糖蜜为碳源，以铵盐，氨或尿素为氮源进行的，PH值基本维持中性。
一般通过流加氨或尿素的控制方式。
其生产工艺流程为：2.3发酵过程工艺流程2.3.1发酵法发酵法是工业生产赖氨酸最重要的方法。
其原理是利用微生物的某些营养缺陷型菌株，通过代谢控制发酵，人为地改变和控制微生物的代谢途径来实现L-赖氨酸的生产。
目前用于工业发酵生产的菌株主要是棒状杆菌和短杆菌等细菌的各种变异株，其诱变方法是以紫外线、x射线、氮芥和亚硝基酯等为主的处理方法，也有用细胞融合和基因工程等生物工程技术来育种的。
主要原料为淀粉、糖蜜，玉米等淀粉类原料需经糖化转化为葡萄糖后才可用，且发酵液配方中需再补充生物素。
2.3.2发酵液的预处理用硫酸酸化和常速离心沉降处理发酵液，上清液供离子交换树脂法提取，是较好的预处理方法.在pH1.5—2.0的吸附量可达80—8克/升树脂.与日本(考察资料)生产数据pH1.5—1.6吸附量65—110克/升树脂相比，居于中等水平.洗脱回收率在95%以上.2.3.3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碳酸钙。
全世界绝大多数赖氨酸生产厂都采用离子交换方法从发酵成熟液中提取赖氨酸，然后制成含量在98．5％以上的赖氨酸单盐酸盐成品。
离子交换树脂为强酸阳性离子交换树脂，洗脱剂为氨水。
2.3.4浓缩和结晶赖氨酸浓缩液经用盐酸调节pH后成为单盐酸盐溶液，在结晶器中结晶。
赖氨酸湿晶含有的结晶水须在干燥工序中除去。
本次生产中采用单层流化床干燥器生产，其中采用德国Vagon公司的床内设置加热器的流化床干燥器技术较为先进2.4工艺技术指标及基础数据2.4.1主要技术指标如下表：2.4.2主要原材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。
2.4.3二级种子培养基水解糖25，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.5，玉米浆5～10，泡敌0.6，硫酸锰2mg/l,硫酸亚铁2mg/l。
2.4.4发酵培养基水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸氢二钠0.2，硫酸亚铁2mg/l，硫酸锰2mg/l，尿素（总尿）40，植物油1.0。
接种量为2%。
2.5赖氨酸发酵车间的物料衡算（1）发酵液量V1=1000÷(150×48%×80%×99%)=17.54(m3)式中150—发酵培养基初糖浓度（kg/m3）48%—糖酸转化率80%—赖氨酸提取率99%—除去倒罐率1%后的发酵成功率（2）发酵液配制需水解糖量以纯糖算，G1=V1×150=2631(kg)（3）二级种液量V2=2%V1=0.351(m3)（4）二级种子培养液所需水解糖量G2=25V2=25×0.351=8.775(kg)式中25—二级种液含糖量（kg/m3）（5）生产1000kg赖氨酸需水总量G=G1+G2=2639.8（kg）（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用淀粉量为G淀粉=2639.8÷（80%×95×111%）=2793.3（kg）式中80%—淀粉原料含纯淀粉量95%—淀粉糖化转化率（7）尿素耗用量二级种液耗尿素量为 3.3V2=3.3×0.351=1.23（kg）发酵培养基耗尿素量为40V1=40×17.54=701.6（Kg）故共耗尿素量为702.83（kg）（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为20V2=20×0.351=7.02（Kg）发酵培养基耗用糖蜜量为4V1=4×17.54=70.2（kg）合计耗糖蜜77.22kg。
（9）氯化钾耗量G kcl=0.8V1=0.8×17.54=14.032(kg)（10）磷酸氢二钾耗量G3=0.2V1=3.508(kg)（11）硫酸镁用量0.6（V1+V2）=10.73(kg)（12）消泡剂用量0.6V1=10.524（kg）（13）植物油耗用量1.5V1=26.31（kg）（14）发酵液赖氨酸含量G1×48%×（1-1%）=1250.3（kg）实际生产的赖氨酸（提取率为80%）为：1250.3×80%=1000.24（kg）满足生产2.6热量衡算2.6.1发酵过程中的冷却水耗量计算已知发酵过程中的发酵热为600018.4⨯ kJ/m 3·h ，1 m 3的发酵罐一般装料量为0.9 m 3（填充系数为0.9），则21Q C )W t t =-酵水（ =a t d t h kg /558/86.1/1.7720-2714.49.0600018.4===⨯⨯⨯）（已知0.01m 3的种子罐（填充系数0.85），装料量为 0.0085m 3()[]at d t h kg W /5.52/17.0/24.7202718.40085.0600018.4===-⨯÷⨯⨯=种子将发酵段水衡算列入下表发酵车间冷却水衡算表生产工序 平均耗水量(Kg/h)日耗水量(t/d)年耗水量(t/a)发酵罐用水 77.1 1.86 558 种子罐用水 7.24 0.17 52.5 合计84.342.03610.52.6.2发酵过程中的无菌空气耗用量的计算 （1）单罐发酵罐用无菌空气量：根据无菌空气用量的计算公式：V=发酵罐体积×通气速率×填充系数 已知：发酵罐体积为1m 3 通气速率为0.18vvm 填充系数为90%则：162.0%9018.01=⨯⨯=V m 3/h （2）单个种子罐用无菌空气量：取种子罐的空气消耗量为发酵过程空气耗量的30%， 则：049.0162.0%30%25=⨯==V V m 3/h （3）将发酵车间蒸汽衡算列入下表发酵车间无菌空气用量衡算表设备名称单罐每小时用气(m3/h)单罐每日用气量(m3/d)单罐每年总用气量(m3/a)发酵罐0.162 3.89 1167 种子罐0.049 1.18 354 总用量0.21 5.07 1521第三章 发酵车间设备设计与选型3.1发酵罐的选型机械搅拌通风式发酵罐。