年产2万吨L-赖氨酸的设计

年产2万吨L-赖氨酸生产线的工艺设计学院：化学与生物工程学院专业：生物工程班级：生物工程091学生：高荣霞学号：200907214指导教师：康小虎二〇一二年七月十七日1目录1前言……………………………………………………………….11.1赖氨酸的产品特性………………………………….…….41.2赖氨酸的研究现状...............................62产品开发的意义………………………………………………….72.1赖氨酸的作用及研究的意义.......................92.2赖氨酸研究中存在的问题………………………………103工艺流程图..........................................113.1原料预处理……………………………………………….123.2种子培养…………………………………………………133.3微生物发酵………………………………………………..164工艺计算………………………………………………………..295主要设备及流程图……………………………………………..3121前言1.1赖氨酸的产品特性赖氨酸（L-Lysine）：名称2，6-二氨基己酸，分子式为C6H4N2O2,相对分子质量：146.19。纯品为白色针状结晶，无味或稍带特殊臭味，易溶于水，溶液的PH值为5.0~6.0，难溶于有机溶液，有旋光性，熔点263~264C.赖氨酸难于结晶，市售商品通常为98%的L-赖氨酸盐酸盐。具有旋光性。由于游离的L-赖氨酸极易潮解，因具有氨基酸而易发黄变质，并具有刺激性腥味，难于长期保存。因此，一般商品都是L-赖氨酸盐酸盐。赖氨酸盐酸通常较稳定，高温下易结块，相对湿度60%以下稳定，60%以上则生成二水合物，与维生素C和维生素K并存则着色。碱性条件及直接在还原糖存在加热则分解，易溶于水，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，能起到外消旋作用。赖氨酸是人和动物自身不能合成的一种氨基酸，必须从外界摄取，而植物中所含的各种赖氨酸很少，被称为植物中的第一限制性氨基酸。1960年日本的木下祝郎等用紫外线照射谷氨酸柞杆菌得到一株营养缺陷型变异株，从此开始了发酵法工业生产商品赖氨酸。世界上生产的主要方法有微生物发酵法、化学酶法、提取法和合成法四种。其中最重要的是化学酶法和微生物发酵法。其具体操作过程如下：（1）二步发酵法（又称前体添加法）:50年代初开发的二步发酵3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。由于二氨基庚二酸也是用发酵法生产的，所以称二步发酵法。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。（2）直接发酵法：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。这种方法是在50年代后期开发的。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。（3）酶法:主要用生产尼龙原料己内酰胺时生成的大量副产物环己烯为起始原料，用化学方法合成DL-氨基己内酰胺，然后以此作为酶反应的底物，经罗伦氏隐球酵母生产的L-氨基己内酰胺水解酶，和从奥巴无色杆菌菌体中分离到的α-氨基己内酰胺外消旋酶共同作用，转变为L-赖氨酸。该工艺由于反应速度快，原料便宜，产酸率高，已投入工业生产。其中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，故主要为L－赖氨酸产品，DL－赖氨酸4产品应标明L－赖氨酸含量保证值。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，为白色一淡黄色颗粒状粉末，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。在此基础上发展起来的ε-多聚赖氨酸，被誉为“营养型防腐剂”。ε-多聚赖氨酸是目前天然防腐剂中具有优良防腐性能的微生物类食品防腐剂。它是由25～30赖氨酸残基聚合而成，具有强烈的抑菌能力，可以作为防腐剂用于食品的保鲜。ε-多聚赖氨酸抑菌谱广，在酸性和微酸性环境中对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、酵母菌、霉菌均有一定的抑菌效果，ε-多聚赖氨酸对其他天然防腐剂不易抑制的革兰氏阴性的大肠杆菌、沙门氏菌抑菌效果非常好，而且其对耐热性芽孢杆菌和一些病毒也有抑制作用。1.2赖氨酸的发展情况（1）国外赖氨酸生产状况目前，世界上赖氨酸的总生产能力约60万t/年，产量约38-41万t/年。美国ADM公司是目前世界上最大的赖氨酸生产企业，现有生产能力15.89万t/年，占世界市场的40%以上。日本味之素AjinomotoCO.公司，现有6套生产装置，分别建在美国、法国、中国、泰国、意大5利和巴西，总生产能力9.08万t/年。日本协和发酵KyowaHakkoKogyoCO.公司现有4套装置分别建在美国、墨西哥、匈牙利和日本，总能力约6万t/年该公司计划将其赖氨酸生产能力扩大到10万t/年，争取将赖氨酸的市场份额增长到30%以上。为此目的，该公司一方面积极扩大其在美国、墨西哥、匈牙利以及亚洲现有赖氨酸装置的能力，另一方面计划在亚洲开辟新的生产点。美国Cargill公司和德国Degussa公司合作，在美国的Blair建成7.5万t/年的（含60%赖氨酸硫酸盐）生产装置德国BASF公司于1998年5月将韩国Daesong赖氨酸厂收购，将该公司原有的9万t/年的能力提高到了12万t/年。印尼Chiel糖业公司是韩国第一糖厂投资建设的赖氨酸生产企业，其生产能力已经扩充2万t/年-4万t/年，现已达到8万t/年。德Chema公司在乌克兰建成的生产装置，Degussa在斯洛伐克建设的Fermas生产厂等，总能力也达到1万t/年。（2）国内赖氨酸生产状况我国赖氨酸工业起步较晚，80年代初国内有十几家生产厂，但产能均很小，大的也不超过数百t/年。经过20多年的发展，通过与国外公司的合作及技术、装备的引进，某些企业的生产也初具规模。目前,我国较大的赖氨酸生产企业有5家以上，能力已达6.5万t/年。但受国外赖氨酸进口的冲击，产量不足4万t/年。随着国内畜牧养殖业和饲料工业的蓬勃发展，国内赖氨酸市场需求量快速增长，进口数量逐年增加，见表1：6表1近几年我国赖氨酸、酯及盐出口情况年份进口量（万吨）出口量(万吨)需求量（万吨）20004.480.1577.0720017.360.7828.020028.140.97311.020038.700.89113.220048.930.98214.7由于国内氨基酸仍有较大的缺口，因此，许多已经掌握赖氨酸生产技术的企业纷纷准备扩大生产能力。长春大成实业集团公司拟再新增5万t/年生产能力：川化味之素有限公司拟再新增1.5万t/年生产能力。安徽丰原生化股份有限公司拟再新增2.5万t/年生产能力。安徽宿州百伦生物有限公司拟建生产规模0.5万t/年。东方希望集团计划在内蒙古包头建设2万t/年赖氨酸生产装置。福建泉州大泉赖氨酸有限公司计划与山东葵华集团公司合作建设2万t/年赖氨酸生产装置。山东巨能电力金玉米开发有限公司计划建设2万t/年赖氨酸的生产装置。这些装置建成投产后，我国赖氨酸生产能力将达到27.6万t/年。由宁夏伊品集团投资1.7亿元兴建的西北最大的赖氨酸生产线于2004年10月在银川市建成投产，跻身于我国大型赖氨酸生产基地的行列。72产品开发的意义2.1赖氨酸的作用及研究的意义赖氨酸是人体需要的一种氨基酸，一种不可缺少的营养物质。人们知道，蛋白质是构成人体细胞的主要成份，食物中的蛋白质进入人体后经过消化先分解成氨基酸，然后人体又利用这些氨基酸再合成新的人体蛋白质，如免疫抗体、消化酶、血浆蛋白、生长激素等都是合成后的人体蛋白质。在合成蛋白质的各种氨基酸中，L-赖氨酸是最重要的一种，少了它，其它氨基酸就受到限制或得不到利用，科学家称它为人体第一必需氨基酸。身体中的赖氨酸还有其他一些作用。除了帮助吸收钙以外，它还和其他营养一起形成胶原蛋白。胶原蛋白在结缔组织，骨骼，肌肉，肌腱和关节软骨中扮演了重要角色。近年来，科学家还发现，L-赖氨酸是控制人体生长的重要物质抑长素(Somatotation,ss)中最重要的也是最必需的成份，对人的中枢神经和周围神经系统都起着重要作用。人体不能自身合成L-赖氨酸，必须从食物中吸取赖氨酸是帮助其它营养物质被人体充分吸收和利用的关键物质，人体只有补充了足够的L-赖氨酸才能提高食物蛋白质的吸收和利用，达到均衡营养，促进生长发育。其作用有：提高智力、促进生长、增强体质。增进食欲、改善营养不良状况。8改善失眠，提高记忆力。帮助产生抗体、激素和酶，提高免疫力、增加血色素。帮助钙的吸收，治疗防止骨质疏松症降低血中甘油三酯的水平，预防心脑血管疾病的产生。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。可以在医疗专业人员建议下采取赖氨酸营养补品。赖氨酸每日的建议摄入量是儿童每磅体重10毫克，成年人每天在3000-9000毫克之间。已经证明它对一些特定疾病是有益的。已知赖氨酸的功效包括治疗单纯疱疹病毒和带状疱疹引起的唇疱疹。摄入赖氨酸可以大大缩短治愈的时间。研究已经表明，它具有改善免疫系统，抵制单纯疱疹和带状疱疹病毒的功效。一些研究还表明，赖氨酸的功效还可能包括防止骨质流失（可造成骨质疏松症），因为它能够帮助身体组织吸收钙。结合其他氨基酸可以促进骨骼活力，并通过增加女性胶原蛋白预防骨质疏松症。增加胶原蛋白可以促进骨骼和结缔组织更强大和更柔韧。赖氨酸与某些非甾体抗炎药结合，能够成功的治疗与经前综合症和月经初潮相关的偏头痛和腹部绞痛。尽管还需要进一步的研究获得更确切的答案，但是赖氨酸改善这些问题的可能性令研究人员非常兴奋。研究还显示，赖氨酸与某些非甾体抗炎药结合，能够成功治疗与经前综合症和月经初潮相关的偏头痛和腹部绞痛。尽管还需要更进9一步的研究获得更确切的答案，但是赖氨酸改善这些问题的可能性令研究人员非常兴奋。饮食缺乏赖氨酸的情况是比较罕见的。通常吃素的人发生率较高，一些运动员如果没有采取适当的饮食也会出现赖氨酸缺乏问题。蛋白质摄入量低（如豆类植物，豌豆，小扁豆等）也可能导致赖氨酸不足。已经证明这种氨基酸对一些特定疾病是有益的。已知赖氨酸的功效包括治疗单纯疱疹病毒和带状疱疹引起的唇疱疹。摄入赖氨酸可以大大缩短治愈时间。研究已经表明，它具有改善免疫系统，抵制单纯疱疹和带状疱疹病毒的功效2.2赖氨酸研究中存在的问题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）作出迅速反应；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10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