年产4000吨赖氨酸厂发酵车间设计

武汉工程大学毕业设计（论文）目 录摘 要VIAbstractVII第一章 绪论11.1赖氨酸简介11.2赖氨酸的性质11.3赖氨酸的发展现状21.4赖氨酸的作用及缺乏症21.5赖氨酸的生产方法21.4.1二步发酵法21.4.2直接发酵法31.6赖氨酸的提取与精制31.7电渗析的原理31.8生物工业下游技术的一般工艺过程4第二章 赖氨酸的生产工艺流程62.1赖氨酸生产工艺概述62.2赖氨酸生产工艺流程图62.3原料预处理及淀粉水解糖的制备62.3.1赖氨酸的发酵生产法62.3.2原料的预处理82.3.3淀粉水解糖的制备82.4种子扩大培养82.5赖氨酸发酵工艺条件控制92.6赖氨酸的提取102.7赖氨酸的精制10第三章 工艺计算113.1物料衡算113.1.1工艺技术指标113.1.2赖氨酸发酵车间物料衡算123.1.3年产4000t赖氨酸厂发酵车间物料衡算结果汇总143.1.4年产4000t赖氨酸提取车间物料衡算163.2热量衡算173.2.1淀粉液化工序的热量衡算173.2.2液化液糖化过程的热量衡算183.2.3发酵车间热量衡算193.2.4赖氨酸溶液浓缩结晶过程的热量衡算213.2.5赖氨酸干燥过程的热量衡算233.2.6年产4000t赖氨酸厂热量衡算结果汇总243.3过程水的衡算253.3.1糖化工序用水量253.3.2连续灭菌工序的用水量253.3.3发酵工序的用水量263.3.4提取工序的用水量263.3.5中和脱色工序的用水量263.3.6精制工序的用水量263.3.7动力工序的用水量263.3.8年产4000t赖氨酸水量衡算结果汇总263.4无菌空气消耗量的计算273.4.1无菌空气消耗量计算的方法和步骤273.4.2年产4000t赖氨酸厂无菌空气计算293.4.3年产4000t赖氨酸厂无菌空气衡算结果汇总30第四章 设备设计与选型314.1设备设计与选型的任务和原则314.1.1设备设计与选型的任务314.1.2设备设计与选型的原则314.1.3 专业设备设计与选型的依据314.1.4专业设备设计与选型的程序和内容324.2发酵罐的选型324.2.1发酵罐的选型及容积的确定324.2.2发酵罐个数的确定324.2.3主要尺寸设计334.2.4冷却面积的确定344.2.5搅拌器及搅拌轴功率的设计354.2.6设备结构的设计374.2.7设备材料的选择404.2.8发酵罐壁厚的计算404.2.9接管设计414.2.10支座的选择434.3 种子罐的选型434.3.1种子罐容积和数量的确定434.3.2冷却面积的计算434.3.3种子罐壁厚的计算444.3.4设备结构的工艺设计444.3.5支座的选择464.4糖化锅的选型464.4.1设备主要尺寸设计464.4.2设备材料的选择474.4.3糖化锅壁厚的计算474.4.4发酵车间主要设备参数一览表474.5消泡剂贮罐的选型484.6空气过滤器的选型494.6.1发酵罐分过滤器494.6.2种子罐分过滤器504.7部分辅助设备的选型504.8电渗析装置的选型524.9年产4000t赖氨酸厂主要设备一览表53第五章 厂址选择与工厂总平面设计545.1厂址选择的重要性及原则545.2工厂总平面设计54第六章 清洁生产与三废处理576.1概述576.1.1清洁生产的定义576.1.2赖氨酸厂污染物的特点576.1.3赖氨酸厂的清洁生产586.2末端治理58第七章 公用工程概述607.1给排水工程607.2供热工程617.3供电工程61第八章 车间生产管理制度628.1生产管理概述628.2信息化生产管理628.3赖氨酸厂车间管理制度63致 谢64参考文献65附 录67摘 要赖氨酸（即2,6二氨基己酸）于1889年首次从酪蛋白水解物中分离得到，是一种人体必需的氨基酸，人体和高等动物体内不能合成。赖氨酸又是谷类粮食中最缺乏的一种氨基酸，近年来广泛地应用于营养食品，饲料添加剂等方面。赖氨酸是人体必需氨基酸之一，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。目前，赖氨酸主要靠发酵法进行工业生产。常用的发酵法有二步发酵法和直接发酵法。其中，直接发酵法是更加常用的发酵方法。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。关键词：赖氨酸；工艺计算；设备选型；工艺流程；发酵AbstractLysine ( 2,6 - aminocaproic acid), firstly isolated in 1889 from a casein hydrolyzate, is an essential amino acids which the body and higher animals cant synthesize. Lysine is an amino acid that is most lacking in cereal grain. Whats more, it is widely used in the nutritional aspects of food and feed additives in recent years. Lysine is one of the essential amino acids, which can promote human development, enhance immune function and improve central nervous system function. The industrial synthesis of lysine is mainly by fermenting now. There are two step fermentation method and direct fermentation. Among them, the direct fermentation method is more commonly used now. The whole design includes the understanding of raw material pretreatment of lysine production, fermentation, the methods of extraction. To choose the appropriate section of fermentation production process according to the actual situation, and the process of raw materials for mass balance, heat Selection accountancy and equipment, the entire fermentation process and other environmental issues. Finally, we should draw a section of the fermentation process flow diagram and layout plan and fermentation equipment diagram. Keywords: lysine; process calculation; equipment selection; process; fermentationVII66页，共67页武汉工程大学毕业设计（论文）第一章 绪论1.1赖氨酸简介 L-赖氨酸(L-Lysine，本设计中所提到的赖氨酸都指L-赖氨酸)，化学式为H2N(CH2)4CH(NH2)COOH，结构简式如图1.11。赖氨酸是构成蛋白质的基本单位，是组成人体蛋白质的20种氨基酸之一。OHONH2H2N图1.1 L-赖氨酸化学结构式L-赖氨酸是人体必需氨基酸之一，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。赖氨酸为碱性必需氨基酸,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。目前，国内外氨基酸的工业生产中，除谷氨酸外，产量最大的就是L-赖氨酸。 1.2赖氨酸的性质L-赖氨酸是白色或近白色的自由流动结晶型粉末，易溶于水，水溶液为中性偏酸性，难溶于乙醇，在263264熔化并分解。 L-赖氨酸在湿度为60%以下较为稳定，当湿度大于60%时生成二水合物。在碱性条件或还原糖存在条件下加热分解。游离的L-赖氨酸极易潮解，由于其具有游离氨基而容易发黄变质，难以长期保存。L-赖氨酸盐酸盐比较稳定，不易潮解，便于保存，因此，生产上经常将L-赖氨酸转化为L-赖氨酸盐酸盐的形式以利于保存。1.3赖氨酸的发展现状L-赖氨酸最初是从蛋白质水解物中分离得到的，蛋白质水解法一般以动物血粉为原料，此法最大的特点是工艺流程简单，但是原料来源很有限，仅适合小规模生产。此后又出现了化学合成法、水解法，酶法。直到1960年，日本首先采用微生物发酵法生产赖氨酸。微生物发酵生产氨基酸是人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制，使其积累大量所需氨基酸。氨基酸的L-型立体专一性决定了发酵法生产氨基酸较化学合成的工艺更简单、快捷。我国于20世纪60年代中期开始进行赖氨酸菌株选育和发酵的研究，但因产量较低难以工业化。直到70年代未80年代初世界赖氨酸实现工业化后我国的研究才取得突破。目前，世界约2/3的赖氨酸企业采用发酵法生产，生产的为L-型赖氨酸，生产工艺已经基本成熟。近年来，赖氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80万t赖氨酸通过发酵生产的方式获得。1.4赖氨酸的作用及缺乏症赖氨酸的作用包括建立肌肉组织、从创伤或受伤中恢复，并帮助更有效地吸收钙离子。它还有助于机体产生抗体、酶和激素等物质。而且，赖氨酸还可用于食品工业与医药工业等，用途广泛。缺乏赖氨酸的症状包括疲劳，虚弱，恶心，呕吐，头晕，没有食欲，发育迟缓，贫血等。豆类食物含有丰富的赖氨酸，食物中添加豆类及其制品，可补充谷类中最缺乏的必需氨基酸，即赖氨酸。1.5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2，改进了这一工艺8。尽管这样，该工艺仍较复杂，现已被直接发酵法取代，很少使用。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4。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5。工业生产中赖氨酸的最高产率已经提高到每升发酵液100120g，提取率达到8090左右。1.6赖氨酸的提取与精制赖氨酸的提取方法主要有盐析法、有机溶剂萃取法、离子交换法和电渗析法。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，本次设计采用电渗析法来分离提取赖氨酸。赖氨酸的精制技术主要包括结晶和干燥技术。对于生物活性物质，可根据其热稳定性的不同，分别采用喷雾干燥、热风干燥、真空干燥、冷冻干燥的技术。其中，冷冻干燥技术广泛应用于蛋白质产品的干燥，但其能耗高、设备复杂、操作时间长且只能分批操作，因此，有待完善和改进，本次设计采用热风干燥。1.7电渗析的原理电渗析法又称离子交换膜电渗析技术，是利用可离解基团，在外电场的作用下，经有选择透过性的高分子膜，使各种带电性物质分离的技术6，其关键是离子交换膜。对于不同的应用要求，即使同一类型的离子交换膜也在性能和结构上有很大的差异，所以因应用不同，对离子交换膜也有不同的要求3。在离子交换电渗析中，阳极和阴极之间平行交替地排列着阴离子和阳离子交换膜，形成许多独立的小单元，当加上电压后，含离子溶液在电场下通过这些单元，有的单元里有正离子、负离子可透过阴离子、阳离子交换膜进入另一单元而变成脱盐水，另一些单元中正离子、负离子因电场作用和膜电荷的排斥作用而留在单元里，加上迁移过来的离子生成浓盐水。在这一过程中，由于电极的还原反应和氧化反应还分别在电极室和电极表面形成氢气、氧气或氯气。工业上电渗析装置多由几百对膜组成，在实际应用中可根据要求具体设置8，电渗析具体过程如图1.27。赖氨酸分子中同时包含羧基和羟基，因此，赖氨酸为两性电解质1。当赖氨酸溶液pH在其等电点时，赖氨酸以中性分子形式存在，此时，赖氨酸溶液呈电中性，在直流电场的作用下不发生移动；当赖氨酸溶液的pH大于其等电点时，赖氨酸以碱性的负离子形式存在，在直流电场中可通过阴离子交换膜向阳极移动；而当溶液的pH小于等电点时，赖氨酸则以酸性的正离子形式存在，在直流电场中可通过阳离子交换膜向阴极移动1。由于赖氨酸具有此种特性，因此可以采用电渗析技术对其进行制备、分离和提纯7。电渗析的优点有：环境污染小、原料消耗少、能耗低；设备紧凑耐用，预处理简单；对原水含盐量变化适应性强；操作简单，易于实现机械化、自动化；目前，电渗析技术已经发展成为一个大规模的化工单元过程，在膜分离领域占有重要地位7。1.8生物工业下游技术的一般工艺过程生物技术生产的有用物质的提取、精制技术在美国称为生物分离，已发展成化学工程学的一个领域。相对于采用微生物在发酵液中积累目的产物的发酵过程即上游过程来说，将发酵液中目的产物制成产品的过程，通常称为下游过程。下游过程中采用的分离提取技术称为下游技术8。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。按生产过程划分，生物工业下游技术大致可分为4个阶段，即发酵液预处理、产物的提取(初步分离)、产物的精制(高度纯化)、成品加工。H2ONaClH2ONaOH稀NaClHClOH-H+Na+Na+Cl-Cl-ACAC浓缩室淡化室浓缩室图1.2 电渗析原理示意图A：阴离子交换膜； C：阳离子交换膜(+)(-)第二章 赖氨酸的生产工艺流程2.1赖氨酸生产工艺概述赖氨酸生产全过程可划分为四个工艺阶段10:(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)赖氨酸的分离提取；(4)赖氨酸的精制加工。2.2赖氨酸生产工艺流程图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液或甘蔗糖蜜为碳源，以铵盐、氨或尿素作为氮源进行的14，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。2.3原料预处理及淀粉水解糖的制备2.3.1赖氨酸的发酵生产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9。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。赖氨酸发酵是一种典型的代谢控制发酵。通过控制培养物中的生物素，L-苏氨酸和L-甲硫氨酸的含量、温度、溶氧量（通风量和搅拌速度）等条件，可使L-赖氨酸产生菌大量积累赖氨酸，可使糖质原料的35%40%转化成L-赖氨酸，几乎没有副产物。若控制不当，赖氨酸的生成量减少，发酵液中有乳酸、丙氨酸、缬氨酸等副产物积累。经过预处理的压缩空气分过滤器预过虑、精过滤种子罐预过滤、精过滤发 酵 罐浓糖流加硫铵连消底料小料连消液氨底料、小料液氨浓糖连消消泡剂发酵液贮槽排风接种排风浓糖流加硫铵流加底料、小料浓糖连消移种淀粉液化淀粉液糖化图2.1 赖氨酸生产工艺流程图发酵液预处理过滤加盐酸中和、脱色将母液再次过滤并进行电渗析结晶锅中结晶离心分离用清水洗涤晶体后干燥重结晶赖氨酸成品放料赖氨酸发酵时间以1620h为界，可分为前后两个时期。前期为生长期，菌体增殖迅速，有少量赖氨酸生成糖和氮的消耗主要用于合成细胞物质及供给菌体的能量代谢；后期为赖氨酸生成期，菌体生长速度明显减慢9，L-赖氨酸大量积累，糖和氮的消耗主要用于合成L-赖氨酸。但这两个阶段没有谷氨酸发酵那么明显，且工艺控制上也因两个阶段的不同而异5。2.3.2原料的预处理此工艺操作的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。2.3.3淀粉水解糖的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，所制得的糖液即淀粉水解糖。由于赖氨酸生产菌株不能直接利用淀粉或糊精作为碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前国内外生产上采用的糖化方法主要有：双酶法、酶酸法、酸法、酸酶法等几种。与传统酸法水解淀粉相比，酶法具有独特的优点5：可在常温常压和温和酸度下，高效地进行催化反应，简化了设备，改善了劳动条件和降低了成本；酶催化所需的活化能极低，催化效率远比无机酸高，-淀粉酶与糖化酶共同作用于淀粉，得到的葡萄糖液DE值达98%以上；酶水解具有专一性，制得的产品的纯度高；酶本身是蛋白质，对酸碱度极为敏感，故可简单地采用调节酸碱度、改变反应温度或添加抑制剂等方法来控制反应的进行；酶的来源广泛，许多动植物和微生物都可作为某些酶的原料；酶可以回收，重复利用，现在生产中大多使用此法。2.4种子扩大培养为了满足工业大生产的需要，必须要有足够量的、活力强的纯的种子。在赖氨酸发酵中，为了缩短发酵的调整期，一般采用相对高的接种量，为5%10%。因此，根据发酵罐规模采用二级或三级种子培养。 斜面种子的制备斜面菌种要求纯，绝对没有杂菌和噬菌体污染。斜面培养基灭菌后，须在30保温24h,检查无菌后，放冰箱备用。培养基：牛肉膏1%，蛋白胨1%，NaCl0.5%，葡萄糖0.5%（保藏斜面不添加），琼脂2%，pH7.07.2。斜面种子的培养条件为：3032，培养1824h。 种子的扩大培养培养基应含有丰富的有机氮，不含糖或极少糖，必须利用菌体生长繁殖，而不产酸。培养基中碳源含量较高时，易生成酸，使培养后期pH降低影响种子的活力。一级种子的培养基为：葡萄糖2.0%，（NH4）2SO40.4%，K2HPO40.1%，玉米浆1%2%，豆饼水解液1%2%，MgSO47H2O0.04%0.05%，尿素0.1%，pH7.07.2。培养条件为：3032，培养1516h。二级种子的培养基除以淀粉水解液代替葡萄糖外，其余同一级种子。培养条件为：温度3032，通风量1:0.2m3/(m3min),搅拌转速约200r/min，培养时间811h。当采用二级种子扩大培养时，接种量较少，为2%5%，种龄为12h。当采用三级种子扩大培养时，接种量较大，约10%时，种龄为68h。接种以对数生长期种子为好。2.5赖氨酸发酵工艺条件控制1) 温度幼龄菌对温度很敏感，在发酵前期，提高温度，生长代谢加快，产酸期提前，但菌体内酶容易失活，菌体衰老，赖氨酸产量少。赖氨酸发酵前期温度控制在32，中后期控制在3413。2) pH赖氨酸发酵pH控制在6.57.5为好，最好在6.57.0,。在整个发酵过程pH的控制以平稳为好3) 供氧赖氨酸产生菌是好气性微生物，它们只有在供氧充足的条件下才能生长良好从而合成赖氨酸。供氧不足时，赖氨酸产量降低；严重供氧不足时赖氨酸产量很少而积累乳酸。在赖氨酸发酵的菌体生长阶段，菌体呼吸旺盛，对氧的需求大于产酸阶段12，溶氧分压PL控制在0.41040.8104Pa为宜。当菌体生长进入稳定期后，对氧的需求量降低，PL控制在0.41040.5104Pa，直至发酵结束2。2.6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。2.7赖氨酸的精制(1)浓缩和除氨2用电渗析法提取赖氨酸后，溶液中赖氨酸含量不是特别高，而且，铵离子浓度较高。因此，需要对溶液进行浓缩和除氨。可采用中央循环管蒸发器、膜式蒸发器及双效蒸发器进行蒸发，收集蒸发出来的氨气。(2)赖氨酸盐酸盐的结晶和分离将赖氨酸盐酸盐浓缩液放入中和罐，边搅拌边加入工业盐酸，调节pH至4.8；然后将中和液放入结晶罐，夹套内通入冷水，缓慢冷却，使冷却面和液体间的温差不超过10，防止局部过饱和而使晶体沉积在结晶罐内壁上。当溶液温度降至10时，保温结晶1012h。为了使晶体不太细，结晶过程应控制温度，最低温度最好在5左右。在结晶过程中需适当搅拌以促进晶体的相对运动。 结晶完毕后停止搅拌，用离心机分离，用少量水洗涤晶体表面附着母液。母液经浓缩后再结晶，直至不能结晶。所得的晶体为赖氨酸盐酸盐的粗晶体，干燥后即得饲料级赖氨酸盐酸盐，纯度为95%以上。第三章 工艺计算3.1物料衡算3.1.1工艺技术指标(1)赖氨酸发酵工厂发酵车间的发酵工艺技术指标如下表3.1表3.1 4000t/a赖氨酸厂发酵工艺技术指标指标名称单位指标数指标名称单位 指标数生产规模生产方法年生产天数产品日产量产品质量倒罐率发酵周期t/a4000发酵初糖淀粉糖转化率糖酸转化率产酸水平赖氨酸提取率流加高浓度糖kg/m3 90% 96% 40g/L 60% 82kg/m3 220双酶法中糖发酵，电渗析提取dt/d33012.12纯度99%h140(2)主要原材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。(3)培养基组成本次设计采用黄色短杆菌进行发酵生产赖氨酸，发酵生产过程所使用的培养基如下：发酵初始培养基（g/L）：葡萄糖（水解糖）90，硫酸铵 20，KH2PO43H2O 4.5，MgSO47H2O 0.5， FeSO47H2O 0.015，MnSO4H2O 0.015，豆饼水解液 30，VH 140 g，VB1 1 mg，Thr 20mg，pH 7.2-7.5,接种量8%，消泡剂（泡敌）1.0。二级种子培养基（g/L）：葡萄糖 20，(NH4)2SO4 4，K2HPO4 1，玉米浆 20，豆饼水解液 20，MgSO47H2O 0.4，尿素 1，pH7.07.2。3.1.2赖氨酸发酵车间物料衡算 首先计算生产1000kg纯度为100%的赖氨酸需耗用的原辅材料及其它物料量(1)发酵液量设发酵初始糖和流加高浓度糖后最终发酵液总糖浓度为150 kg/m3V1=100015040%82%99%=20.53m3式中 150发酵培养基的最终糖浓度，kg/m3 40%糖酸转化率 82%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G1 以纯糖算， G1=V1150=3079.50kg(3)二级种液量V2V2=V18%=1.64m3(4)二级种子培养液所需水解糖量G2G2=20V2=32.85kg式中 20二级种液含糖量(kg/m3）(5)生产1000kg赖氨酸需水解糖总量G G=G1+G2=3112.35kg(6)耗用淀粉原料量 理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：G淀粉=3112.35111%80%96%=3650.94kg式中 80%淀粉原料含纯淀粉量 96%淀粉糖转化率(7)糖化液量糖化液中纯糖量为：44.2580%1.1196%=37.72t式中 80%淀粉原料含纯淀粉量 96%淀粉糖转化率 44.25每日淀粉的投料量，t则每天产15%的糖液量为37.7215%=251.47t(8)硫酸铵用量G3G3=20V1+4V2=417.16kg(9)KH2PO43H2O 用量G4 G4=4.5V1=92.38kg(10)硫酸镁(MgSO47H2O)用量G5 G5=0.5V1+0.4V2=10.92kg(11)硫酸铁(FeSO47H2O)用量G6 G6=0.015V1=0.31kg(12)硫酸锰(MnSO4H2O)用量G7 G7=0.015V1=0.31kg(13)玉米浆用量G8G8=20V2=32.8kg(14)豆饼水解液用量G9G9=30V1+20V2=648.70kg(15)尿素用量G尿素G尿素=1V2=1.64kg(16)K2HPO4 用量G10G10=1V2=1.64kg(17)生物素(VH)用量G生物素G生物素=14010-6V1=2.87g(18)维生素B1用量GB1GB1=0.001V1=20.53g(19)苏氨酸用量G苏氨酸G苏氨酸=0.02V1=0.41kg(20)消泡剂（泡敌）用量G11G11=1.0V1=1.020.53=20.53kg(21)盐酸用量G盐酸由于赖氨酸最终的存在形式为赖氨酸盐酸盐，因此，发酵液预处理阶段需要使用盐酸调节pH并引入氯离子，则盐酸（选用质量浓度为33%的工业盐酸）的理论用量(在不考虑氯离子损失的情况下)为：G盐酸=100036.5146.1933%=756.7kg式中 36.5HCl的相对分子质量 146.19赖氨酸分子的相对分子质量(22)发酵液赖氨酸含量G140%1-1%=1219.48kg实际生产的赖氨酸(提取率为82%）为1219.4882%=999.98kg3.1.3年产4000t赖氨酸厂发酵车间物料衡算结果汇总 由上述生产1000kg赖氨酸（100%纯度）的物料衡算结果，可求得4000t/a赖氨酸厂发酵车间的物料平衡计算结果，具体计算结果如表3.2表3.2 4000t/a赖氨酸厂发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t赖氨酸（100%）的物料量4000t/a赖氨酸生产的物料量每日物料量发酵液量/m3二级种液量/m3发酵水解糖用量/kg二级种子培养水解糖量/kg水解糖总量/kg淀粉用量/kg硫酸铵用量/kgKH2PO43H2O 用量/kg硫酸镁用量/kg硫酸铁用量/kg硫酸锰用量/kg玉米浆用量/kg豆饼水解液用量/kg尿素用量/kgK2HPO4 用量/kg生物素（VH）用量/g维生素B1用量/g苏氨酸用量/kg消泡剂用量/kg盐酸用量/kg20.531.643079.5032.853112.353650.94417.1692.3810.920.310.3132.8648.701.641.642.8720.530.4120.53756.78.2121046.5601031.2321071.3141051.2451071.4601071.6691063.6951054.3681041.2401031.2401031.3121052.5951066.5601036.5601031.1481048.2121041.6401038.2121043.03106248.82419.8773.732104398.1423.7721044.4251045.0561031.120103132.3503.7573.757397.5367.86210319.87719.87734.784248.8244.969248.8249.171033.1.4年产4000t赖氨酸提取车间物料衡算当发酵结束后，发酵液从发酵罐中排出，然后进行发酵液预处理。发酵液预处理后开始进行电渗析分离提取。电渗析分离提取的原理前面已经叙述了，在此，不再赘述。按电渗析分离提取工艺进行物料衡算，以生产1000kg纯度为100%的赖氨酸为标准进行物料衡算。发酵液的量，有前面计算已知为20.53m3。调节发酵液的pH需要的盐酸量前面已经计算为756.7kg，分离提取前总赖氨酸的产量为20.536%1050=1293.39kg式中，6%赖氨酸提取率 1050发酵液的密度因为提取率为82%，经分离提取后，纯赖氨酸量为1293.3982%=1060.6kg通常经初提取后母液中赖氨酸含量为9%，则初提取后母液量为1060.69%=11784.4kg母液回收过程用水量为11784.4-756.7=11027.7kg以1000kg纯度为100%赖氨酸为基准，衡算结果如表3.3表3.3 4000t/a赖氨酸厂提取车间物料衡算表进入提取分离系统离开提取分离系统发酵液/m320.56赖氨酸/kg1060.6盐酸/kg回收用水/kg756.711027.73.2热量衡算3.2.1淀粉液化工序的热量衡算(1)液化加热蒸汽用量淀粉液化时加热需要消耗的蒸汽量W蒸汽可按下式5计算：W蒸汽=GC(t2-t1)I-式中，G为淀粉浆的重量kg/h；C为淀粉浆的比热容，kJ/(kgK)；t1为淀粉浆的初始温度，；t2为液化温度，；I为加热蒸汽的热焓，2738kJ/kg0.3MPa，表压）；为加热蒸汽凝结水的热焓，363K时为377kJ/kg(2)淀粉浆量G根据物料衡算知，日投工业淀粉量为4.425104kg/h，24h连续液化，即每小时的处理量为1843.75kg/h，液化调浆时淀粉与水的比例关系为1：2.5，淀粉浆量就为 1843.753.5=6453.13kg/h ，淀粉浆中淀粉的浓度为：1843.7580%6453.13=22.86%淀粉浆的比热容C可按下式计算C=C0x100+C水100-x100=1.5522.86100+4.18100-22.86100=3.53kJ/kgK式中C0为淀粉的比热容，kJ/(kgK)；x为淀粉浆中淀粉的含量（浓度）；C水为水的比热容，kJ/(kgK)。(3)糖化蒸汽用量 W蒸汽1W蒸汽1=6453.133.5390-202738-377=675.38kg/h灭酶蒸汽用量的计算：灭酶时需将液化液由90加热至100，100时蒸汽的为419kJ/kg，则W蒸汽2=6453.133.53100-902738-419=98.23kg/h灭酶过程要求在20min内使液化液由90加热至100，则蒸汽的高峰用量为：98.236020=294.69kg/h因此，液化过程的平均用蒸汽量为：675.38+98.23=773.61kg/h每日蒸汽平均用量为30.3t/d，而高峰时用气量为：675.38+294.69=970.07kg/h(4)液化液的冷却水用量液化、灭酶过程完成后，需将物料由100降温至65，假设冷却水的进口温度是20，出水温度是58.7，那么需要的冷却水用量即为：W冷却水=6453.13+773.613.53100-6558.7-204.18=5519.48kg/h每天的用水量为：5519.48241000=132.47t3.2.2液化液糖化过程的热量衡算年产4000吨赖氨酸的工厂，按前面的计算，日产含糖15%的糖液251.47t，按相对密度1.09，其体积为274.1m3，糖化操作的周期是30h，选用100的糖化锅，装料75，生产上需要的糖化罐的只数为：274.1753024=4.5只圆整取用5只糖化锅按生产上的流程使用板式换热器，使糖化液（经灭菌后）由85降至60，用二次水冷却，冷却水的进口温度20，出口温度为45，其平均用水量为： 6453.13+773.613.5385-6045-204.18=6102.96kg/h生产上一般要求在2h内把75的糖液冷却至40，其高峰用水量为：6102.966453.13+773.61750001.092=34518.81kg/h由于每天同时运转的糖化罐有4.52430=3.6只每天冷却水用量是： 234.53.6=248.4t 3.2.3发酵车间热量衡算(1)培养液连续灭菌用蒸汽量假设发酵过程所用的发酵罐为200m3 ，（全容积为218m3），装料系数为0.7 ，产酸水平为60g/L（即6%），那么每只发酵罐产99%赖氨酸的量为：2180.76%99%=9.25t因日产赖氨酸为12.12t，一般来说，发酵的操作时间需要48h（其中发酵时间40h），这样生产需发酵罐应为12.129.254824=2.6只取整后为3只，每日投罐次为12.129.25=1.31罐，日运转2.64048=2.17罐，每罐的初始体积为152.6m3 ，糖浓度是15g/100ml ，灭菌前培养基的含糖量为9%其质量为：152.615%9%=254.3t培养液的灭菌采用板式换热器灭菌流程，其过程略。灭菌过程用0.4mpa蒸汽（表压），其I = 2743 kJ/kg ，分两步升温，先用板式换热器将物料由20预热到75，再加热到120，而冷却水的温度由20升至45 ，设每罐的灭菌时间为3h，需要的输料流量为254.33=87.8t/h，灭菌所用的蒸汽量： W蒸汽3=878003.7120-751.072743-1204.18=6978.7kg/h=6.98t/h其中，3.7为糖的比热容，kJ/(kg/K)每天的灭菌蒸汽量就是 62.82 t ,其中高峰用量为6.98t/h ，平均用量为：62.8224=2.62t/h(2) 培养液冷却水用量由培养液板式换热器灭菌流程可知，120 的热料先通过与生料进行热交换 ，降温至 80后，再用冷却水冷却至35 ，而冷却水由20升温至45 ，由此计算出冷却水的用量为W冷却=878003.9780-3545-204.18=150100kg/h=150.1t/h全天冷却水用量为： 150.133=1350.9t/d(3)发酵罐空罐灭菌的蒸汽用量发酵罐罐体的体积为200m3 ，发酵罐体是由不锈钢1Cr18Ni9Ti制造而成，此时罐体重为34.3t ，冷却排管重6t ，不锈钢1Cr18Ni9Ti的比热容是0.5kJ/(kg . K) ，用0.2MPa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15MPa（表压下） ，由20升温至127 ，蒸汽的用量为：34300+60000.5127-202718-1274.18=986kg因为200m3的发酵罐的容积实际上大于200m3，考虑到罐内有排管和搅拌器等配件所占有的空间，罐的自由体积仍按200m3计算，充满罐内空间需要的蒸汽量为：W蒸汽4=V发酵罐蒸汽=2001.622=324.4kg式中：V发酵罐为发酵罐自由空间，即全容积，m3；为加热蒸汽的密度，kg/m3，0.2MPa（表压）的蒸气的密度为1.622kg/m3灭菌过程中的热损失设发酵罐的外壁温度为70 ，此时辐射与对流的联合给热系数 为：=33.9+0.1970-20=43.4kJ/m2hK200 m3 发酵罐的表面积为201m2，耗用蒸汽量为：W蒸汽5=20143.470-202718-1274.18=199kg罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗量为：W蒸汽6=2010.0011000127-204.182718-1274.18=41kg式中，0.001为罐壁附着洗涤水的平均的厚度，m。灭菌过程的蒸汽：渗透消耗的蒸汽一般灭菌过程的蒸汽渗透可取总蒸汽消耗量的5%，因此，空罐灭菌时的蒸汽消耗量为：W蒸汽=986+324.4+199+411-0.05=1632kg/h每次空罐灭菌的时间是1.5h，耗用的蒸汽量为：16321.5=2448kg/罐每日耗用的蒸汽量为： 24483=7344kg/d平均耗用的蒸汽量为： 734424=306kg/h发酵过程产生的热量计算根据部分赖氨酸工厂的实测和经验数据，赖氨酸发酵热11约为3.4104kJ/(m3h)。200m3的发酵罐，装料量是152.6m3，使用新鲜的冷却水进行冷却，假设冷却水的进口温度是10，出口温度为20，则冷却水用量 W=3.4104152.6(20-10)4.18=124124.4kg/h=124.12t/h因为每天运转的发酵罐是2.17次，高峰用水量为：2.17124.12=269.4t/h ,日用水量为269.40.824=5172.48t/d （注： 式中的0.8是各罐发热状况均衡系数），平均用水量为：4744.3224=215.52t/h 3.2.4赖氨酸溶液浓缩结晶过程的热量衡算由前面可知，日产99%的赖氨酸的产量是12.12t，如选用25m3的强制内循环结晶罐，浓缩结晶的操作周期是24h，其中辅助时间为4h，每罐可产99%赖氨酸10t，需结晶罐的个数为：12.1210-1.6=1.44个取2罐次，式中数值1.6是每罐投入的晶种量浓缩时，每罐投入含赖氨酸40g/100ml的中和脱色液是23m3 ，流加含赖氨酸30g/100ml的母液32m3 ，过程中加水6m3，在700下真空蒸发结晶，浓缩3h以后，再育晶17h，放料数量是20m3，热量衡算物料带入的热量，进料温度为350，比热为3.5kJ/（kgK）Q物料=231.16+321.133.535103=7.7106kJ加水带入的热量：Q水=64.183.5103=8.8104kJ晶种带入的热量：Q晶种=16001.6720=5.3104kJ母液带走的热量，分离后的母液为12m3，相对密度是1.26，即母液为15t，其比热容是2.83kJ/(kgK)Q母液=151032.8370=3.0106kJ随二次蒸气带走的热量Q二蒸=23+32+6-202626106=1.08106kJ式中，20为结晶罐放罐的结晶液量，m3需要外界供给的热量为:Q=Q母液+Q二蒸+Q晶体-Q物料+Q水+Q晶种+Q结晶=9.5107kJ蒸汽用量的计算按热损失为5%计算，每罐次的蒸汽用量：W=9.51072717-5350.95=45830kg/罐前已指出，每罐的浓缩结晶时间是20h，那么每小时蒸汽耗量的高峰是4583024=2292kg/h实际运转时有1.44罐同时进行，高峰时用蒸汽量就为22921.44=3300.48kg/h 每天的蒸汽用量是1.4445830=65347.2kg/d每小时的平均蒸汽用量就为2.7t/h冷却二次蒸汽所消耗的冷却水计算二次蒸汽的数量即水的蒸发速度是：23+32+6-2020=2.05m3/h冷却水用量假使使用循环水，水的进口温度是30， 70的水蒸气的热焓是2626.8kJ/kg，需要的冷却水量是：W水=2.051032626.8-454.1845-304.18=80000kg/h=80t/h当2只罐同时运行时，高峰用水量为802=160t/h，每天的用水量为：80203.5=5600t/d3.2.5赖氨酸干燥过程的热量衡算经分离后的湿赖氨酸含水2%，干燥后含水应小于0.2%，用热空气进行干燥，进入空气加热器出来的空气为18，相对湿度为70%加热升温到80 ，从干燥器出来的空气为60，年产4000吨赖氨酸的