海南大学
生物工程专业
生物工艺课程设计
说明书
题目：年产6000万吨赖氨酸车间发酵工段工艺设计学号：
姓名：
年级： 11级生物工程
指导教师：王新广老师
完成日期： 2014 年 05 月 28 日
目录
1 设计任务书 (3)
2 设计说明书 (5)
2.1 项目概述 (5)
2.2 原材料选择 (8)
2.3 生产方法 (8)
2.4 生产流程简述 (9)
2.5 工艺计算 (15)
2.6 主要设备选型及一览表 (19)
2.7 废料处理 (22)
2.8 总结 (22)
2.9 设计参考文献 (23)
设计任务书
一、课程设计的性质与目的
生物工程课程设计是一门以生物工艺学、生物工程设备以及相关科学理论和工程技术为基础的、综合性与实践性很强的应用性工程训练。课程设计旨在加强学生对本课程及相关课程理论及专业知识的理解和掌握，训练并提高其在理论计算、结构设计、工程绘图、资料文献查阅、运用相关标准与规范及计算机应用等方面的能力；同时，为其它专业课程的学习和毕业设计（论文）奠定良好的基础。
二、课程设计基本要求
（一）通过生物工程课程设计的训练，提高学生以下几方面的能力：
1.搜集实际工业生产工艺数据，熟悉技术文献、资料；
2.合理设计工艺流程，准确进行工艺计算和设备设计选型计算；
3.以精简的文字、清晰的图表来表达个人设计思想、设计结果；
4.树立科学、经济的设计思想，兼顾安全、劳保、环保等要求。
（二）总体要求
1.在设计过程中，要发挥独立思考、独立工作的能力；
2.本课程设计的重点训练，是物料衡算和设备计算与选型；
3.设计计算说明书，应内容完整，简明扼要，文句通顺，字迹端正。设计图纸应按标准绘制，内容完整，主次分明。
（三）课程设计过程中学生应做到以下要求：
1.树立正确的设计指导思想，严谨负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索的作风和学风。
2.认真查阅资料，并根据所给资料，按照任务书中提出的要求按时独立完成，不得延误，不得抄袭他人成果。
3.遵守课程设计时间安排。学生要发挥自主学习的能力，充分利用时间，安排好课程设计进程，并在设计过程中不断检查计划完成情况，及时的向教师汇报。
4.认真书写报告，按照教学要求务必在规定时间内完成课程设计任务并提交所有文档及材料。
三、课程设计的指导思想
1.在工艺上的选择和设备的选用上为确保工艺稳定、可靠和产品质量，部分采用传统式，同时进行革新改造，引进一部分国外较先进的技术和设备。
2.设计中考虑尽量降低操作费用及产品的单耗量，使其具有上马快、收效大的特点。
3.设计考虑到工厂今后的发展趋势（如增加品种、扩大产量等），在建筑和平面布置上
及设备选取上，都留有适当的余地，同时又不致于造成现有设备、场地的太大浪费。
4.设计考虑到工人劳动条件的改善及劳动强度的降低，采用一些新工艺、新设备，同时又确保产品质量。
5.考虑到工厂的环境，进行了污水处理，改善环境污染。
6.设计采用部分自动化仪表控制，缩短本厂在机械化、自动化水平上与国外先进水平差距。
四、课程设计要点
（一）确定生产工艺流程和工艺条件
按照给定的设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数和数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定。选择、确定的原则主要有：合法性；技术先进性和成熟可靠性；经济合理性；安全性；结合实际情况；并且要简洁、简单。并对所选工艺进行说明。
（二）就设计题目、确定的生产方法和基础数据进行产品生产过程的总物料衡算，列出物料衡算表。
(三) 绘制工艺流程图
1.要求以图解的形式表示出：设备形象示意图、大小及相互位置与距离，定性地标出物料去向，连接的管线，泵、阀门、电机的位置。
2.物料用粗实线，设备、管线用细实线。
3.列出设备一览表。
五、课程设计成果及要求
课程设计说明书和设计图纸，是反映设计成果的技术文件，课程设计应满足初步设计深度对设计文件的要求。设计完成后应提交设计说明书(含计算书)一份，设计图纸一份。
设计说明书内容
(1)设计任务；
(2)设计资料；
(3)流程确定。包括流程的阐述论证，物料衡算，绘出工艺流程示意图；
设计要求
1、方案选择应论据充分，具有说服力。
2、设计参数选择有根据，合理全面。
3、计算所选用的公式要有来源依据，计算应有足够的准确性。
设计计算说明书应层次清楚，语言简练，书写工整，说明问题。
六、生物工艺课程设计题目
6200t/a赖氨酸车间发酵工段工艺设计
七、原始资料
1、产品名称：味精（L-谷氨酸单钠盐-水化合物，Monosodium L-Glutamate，简写MSG）
2、工厂厂址：海口近郊。
3、生产原料：淀粉
4、生产天数：全年生产300天。
5、气候条件：
温度：极端高温39℃，最低温度6℃，平均温度23.8℃。
湿度：最高湿度92%，平均湿度85%。
水温：河水（1米以下），最高30℃，最低10℃。
自来水，最高30℃，最低10℃。
深井水，18℃。
风频率：年平均风速：3.3m/s。
降水量：年平均：1691mm/s。
风向：东北风和东风。
八、时间分配与计划进度
1、设计期限1.5周
2、时间分配
指导教师讲解设计原则与程序，布置设计任务0.5天
(1)查阅资料，拟定工艺流程、制定方案、熟悉了解和掌握设计原理2天
(2)物料衡算 1.5天
(3)绘制设计图2天
(4)整理编写设计说明书2天
合计8天（1.5周）
设计说明书
2.1 项目概述
2.1.1赖氨酸的介绍
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。
2.1.2 赖氨酸的性质
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。
2.1.3 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。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。
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1 0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。2.1.4 赖氨酸研究出现的问题
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味精的第二大氨基酸，目前全球赖氨酸的生产能力近60万吨。
2.1.5 建设规模及产品方案
1）建设规模：年产6000T。
2）产品标准：L—赖氨酸盐L—ＬYSINE·HCL
分子式：C6H14N2O2·HCL
3）生产方法：采用双酶法，使淀粉先经液化、糖化而转化为葡萄糖，然后再以糖类为发酵原料，日本多采用短杆菌诱发株为菌种，以通用的碳水化合物及其他营养素为培养基，经过发酵、过滤、中和、精制、干燥而得成品，必要时进行重结晶。
4）工作制度：年工作日按300d计
5）生产指标
指标名称指标数单位
生产规模
年工作日
产品日产量
发酵周期
一周期产量
提纯收率（自发酵液计算）倒罐率6000
300
20
96
80000
80
0.1
t/a
d
t/d
h
kg
%
%
质量纯度提取率
糖酸转化率产品纯度99
80
47.8
97
%
%
%
%
2.2 原材料的选择
工业上选择生产原料时，不但要考虑工艺上的要求，还要考虑生产管理和经济上的可行性。在大规模工业生产中，选择原料一般要考虑到下述要求：
(1)因地制宜，就近取材，价格低廉；
(2)原料中可利用成分高，末严重污染，抑制生长和产酸的物质要少或能够去除，能满足工艺上的要求；
(3)原料资源丰富，便于采购运输，适于大规模储藏，保证生产上的供应。
因此，我们通常采用玉米淀粉或糖蜜。
2.3 生产方法
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。
2.3.1 化学酶法
此法是借助于有机合成与生物化学工程相结合的生产技术，可以己内酰胺或二氢呋喃为起始原料，或以糠醛为原料制取。
制取尼龙原料己内酰胺时，有大量的还己烯生成，用环己烯易于合成DL—氨基己内酰胺（DL-ACL），以此为原料采用水解酶法生产赖氨酸，分为两步反应进行。先用L—ACL 水解酶，不对称水解L-ACL的环状酰胺链，生成L—赖氨酸，再用ACL消旋酶使残存的D-ACL消旋化反应。具体工艺中采用罗氏隐环酵母等进行水解反应，用奥巴无色杆菌进行消旋反应。100/L的DL-ACL几乎全部转化为L—赖氨酸。
2.3.2 微生物发酵法
发酵法包括一步法和经由二氨基庚二酸的二步法。通常以废糖蜜，淀粉为原料，采用双酶法，使淀粉先经液化、糖化而转化为葡萄糖，然后再以糖类为发酵原料，日本多采用短杆菌诱发株为菌种，以通用的碳水化合物及其他营养素为培养基，经过发酵、过滤、中和、精制、干燥而得成品，必要时进行重结晶。成品对糖总得率为35%，每吨成品耗糖蜜8吨（或淀粉4.4吨），成本约1万元(折人民币)。L-赖氨酸的生产工艺与味精（谷氨酸钠）类似，工艺较简单，日本的技术经济指标较先进。
微生物发酵法为生产L-赖氨酸的最主要技术，反应所用碳源为玉米、甘蔗等淀粉质或
葡萄糖母液、甘蔗糖蜜等废料，所用高产菌种有BrevibacteriumSP、PI—B、XQ—89等，在优选菌种配方中含有HPP\KH2PO4、乙酸钠等组分，在添加2%硫酸铵后可获得高产菌种。将适宜的配方组分注入500ml的三角烧瓶内于120C加热15min加压灭菌后，在通氧下培养出菌种在高峰期内接入种子培养液在常温常压下发酵，再用膜分离法或化学法分离。
制备L—赖氨酸在14L的发酵器中进行。通过菌种培养，生长菌体和发酵工艺生产赖氨酸，筛选出的FHI28高产菌株，遗传性能稳定，是一株适合工业化生产的优良菌种，在20ml发酵罐中产L—赖氨酸8.5~9.2%，发酵周期59~67h.
工艺的关键技术在于培养和优选最适宜的菌种，采用不同的原料其结果会大不相同，甚至同一原料也会因原料产地和产出时间的差异使结果有很大差别。
国内的发酵法工艺提取率为80%~85%,糖转化率40%~43%，产品收率大于90%。
在发酵和菌种培养中，必须有专人负责，在经过对菌种培养和溶变处理，培养出变异菌种，经筛选和最优化选择出最佳菌种，在培养高峰期加入碳源内，经调整PH后，在发酵期内灭菌处理，在接入种子培养物使其发酵后，按照规定处理方法经分离后得精品L—赖氨酸。
微生物发酵法是利用微生物合成其自身所需的各种氨基酸的能力，通过菌株的溶变等处理，选育出各种营养缺陷型及抗性的变异菌种，以解除代谢调节重的反馈与阻遏，达到过量合成某种氨基酸的一种方法。
发酵法生产赖氨酸通常以淀粉、甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜为原料，其工艺过程为：淀粉在酸或酶的作用下水解成淀粉糖，假如营养盐调PH值后，进入发酵罐进行灭菌处理，然后接入种子培养物使其发酵，经过微生物发酵后的浓缩液冷冻结晶、离心分离、烘干提纯后即得产品。
制备L—赖氨酸在14L的发酵器中进行。通过菌种培养，生长菌体和发酵工艺生产赖氨酸，筛选出的FHI28高产菌株，遗传性能稳定，是一株适合工业化生产的优良菌种，在20ml 发酵罐中产L—赖氨酸8.5~9.2%，发酵周期59~67h.
2.3.3 其他方法
生产赖氨酸的方发出上述两种方法外，还有由血粉、酪蛋白、脱脂大豆水解后，用离子交换树脂分离而生产的蛋白质水解法，以及用化学合成制得廉价中间体，借助酶的生物催化作用生产赖氨酸的化学合成法，但这些方法应用较少。
2.4 生产流程简述
L-赖氨酸最初是从蛋白质（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。
赖氨酸生产工艺流程图：
空气菌种水淀粉
加压α-淀粉酶液化
冷却糖化酶糖化
除水玉米浆过滤交换柱脱铁棉花过滤糖蜜糖化液滤渣恢柱脱色二级种子无机盐配料脱色液
补糖连续灭菌消泡剂蒸发结晶
发酵液氨储晶
等电点分离回收谷氨酸分离母液赖氨酸
赖氨酸母液干燥
活性炭中和粉碎
脱色赖氨酸
过滤
废炭过滤液
2.4.1 空气净化除菌
2.4.1.1 灭菌
对于培养基的灭菌通常采用连续灭菌，也叫连消。其温度一般以126~132℃，5~7min 为宜，总蒸汽压力要求达到 4.4*104~4.9*194Pa。培养基采用连续灭菌时，需在培养基进入发酵罐前，直接用蒸汽进行空罐灭菌，用无菌空气报压，待培养基流入罐后，开始冷却。其过程包括：加热、维持和冷却。
对培养基进行连续灭菌（连消）与实罐灭菌比较，优越性在于：（1）培养基受热时间短，营养成分破坏少；（2）发酵罐利用率高；（3）使用蒸汽均衡，可避免用汽高峰；（4）可采用自动控制；（5）劳动强度低；（6）可以减少蒸汽消耗，回收冷却水量60%～70%。
对于种子罐、发酵罐、补料罐等的空罐灭菌及管道灭菌，需要从塔的有关管道通入蒸汽，使罐内蒸汽压力达到0.147MPa，维持45min，灭菌过程从阀门、边阀排出空气，并使蒸汽通过达到死角灭菌。灭菌完毕，关闭蒸汽后，待罐内压力低于空气过滤器压力时，通入无菌空气保持罐压0.098MPa。
2.4.1.2 空气净化
空气（即大气）是一种气态物质的混合物，除氧和氮外，还含有惰性气体、二氧化碳和水蒸气等。此外，尚有悬浮在空气中的灰尘，主要由构成地壳的无机物质微粒、烟灰、植物的花粉以及种类繁多的细菌和其他微生物所组成。
空气净化一般是把吸气口吸入的空气先经过压缩前的过滤，然后进入空气压缩机。从空压机出来的空气（一般压力在1.96*105以上，温度120~150℃），先冷却到适当的温度（20~25℃）除去油和水，再加热至30~35℃，最后通过总过滤器和分过滤器除菌，从而获得洁净度、压力、温度和流量都符合要求的无菌空气。
空气净化的一般流程如下：
2.4.2菌种培养
菌种对发酵生产十分重要，优良的菌种是优质高产的前提，是发酵生产的核心，使用优良的菌种可以得到高级糖酸转化率，短的生产周期，有利于提高全长的经济效益。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。本设计采用黄色短杆菌。
以黄色短杆菌为出发菌株，经硫酸二乙酯和紫外线诱变处理，摇管初筛、摇瓶复筛、遗传标记验证、单菌落分离和连续传代，筛选出一株L-赖氨酸产生菌株BBCA-31。该菌株在摇瓶发酵条件下可产赖氨酸96.4 g/L。
菌种的扩大的培养室发酵生产的第一道工序，又称为种子制备。种子制备不仅要使菌体数量增加，更重要的是，经过种子制备培养出具有高质量的生产种子供发酵生产使用。
由于工业生产规模的扩大，每次发酵所需的种子就增多。要使小小的微生物在几十小时的较短时间内，完成如此巨大的发酵转化任务，那就必须具备数量巨大的微生物细胞才行。
种子扩大培养，不但要得到纯而壮的培养物，还要获得活力旺盛的、接种数量足够的培养物。
目前工厂中普遍采用的是二级扩大培养流程，这样的优点是既保证有足够的种子又可防止染菌。
其基本流程如下：
斜面培养一级种子培养二级种子培养发酵罐
种子培养基：葡萄糖25g/L、硫胺5g/L、玉米浆35g/L、KH2PO4 1g/L、硫酸镁0.5g/L、碳酸钙15g/L
灭菌条件种子罐空消：夹套预热到100℃，直接通入蒸汽升温至115℃，保持10min～12min，关闭所有进气阀，通冷却水，迅速降温至30-32℃整个过程用无菌空气保压
1kgf/cm2。
种子罐实消：蒸汽压力2.0kgf/cm2(表压) 保压30-40min与分过滤器一起进行。采用种子培养工艺有下列优点：
1．缩短了发酵罐的发酵时间，从而提高了设备利用率。虽然增设了种子罐，但包括种子罐在内的总罐容量较小，节省设备投资。
2．种子培养的质量易于控制。直接接种孢子到生产罐中时，相当于在生产罐中进行种子培养。由于受发酵条件的制约，生产罐中的营养物（如氮源，磷源等）不能过多，往往不能满足孢子发芽和生长的需要，因此种子发育较慢。而在种子罐中可以添加适量营养物，以促进种子快速发育，并提高其产酸能力。事实证明可以达到这种效果。
3．有利于防止杂菌污染。独立的种子培养车间比发酵车间小的多，环境卫生易于控制。4．总能耗降低。因为种子单独培养时，通气搅拌的动力消耗远低于在生产罐中培养。此外，由于受杂菌感染的可能性大大降低，从而生产培养基的灭菌强度要求较低，节省能耗，也避免了高强度灭菌带来的一些不良后果。
2.4.3发酵
2.4.
3.1发酵液的预处理
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
目前国内外生产上采用淀粉加工葡萄糖的液化、糖化方法主要有：酶解法、酶酸法、酸法、酸酶法等几种，通常采用酶解法。
酶解法是用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。与传统酸法水解淀粉相比，酶法优点如下：
①酶解反应条件温和。因此，不需耐高温、高压、耐酸的设备，便于就地取材，容易运作，简化了设备，改善了劳动条件和降低了成本。
②微生物酶作用的专一性强，淀粉水解的副反应少，因而水解糖液的纯度高，淀粉转化率（出
糖率）高。
③可在较高淀粉乳浓度下水解，而且可采用粗原料。
④用酶解法制得的糖液颜色浅，较纯净，无异味，质量高，有利于糖液的充分利用。
⑤酶催化所需的活化能极低，催化效率远比无机酸高，α-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
⑥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
⑦酶可以回收，重复利用
发酵培养基：葡萄糖170 g/L、硫酸铵55 g/L、玉米浆18.6 g/L、KH2PO4 1.2 g/L、硫酸镁0.6 g/L、碳酸钙45 g/L、L-苏氨酸40 g/L、接种量2 %
赖氨酸生产：
2.4.
3.2接种
按种前必需对按种管道进行灭菌，灭菌与大罐灭菌同时进行。操作肘，打开生产罐按种口通大气的阀门，由种子罐阀门站或底部通入蒸汽，使蒸汽经过种子罐出料管和按种管道通到大罐按种口，排入大气，这样约20min后，关小蒸汽，但仍保持少量出汽，直等到大罐内发酵按冷到35℃以下才关闭接种口通大气的阀门，并关闭蒸汽阀。然后打开接种阀通发酵罐，关闭种子罐的阀门，并关闭蒸汽阀，用无菌空气将种子培养液压入发酵罐个，按种操作应在半小时内完成。如果种子顾的气压突然下降，则表示料液已经排完，因为这时空气直通到生产罐中，同的，控大罐中的压力升高。
接种后关闭接种阀，仍打开通大气的阀门。种子罐与接种管道要及时清洗，排除残余料液。接种操作时应该注意种子罐的气压不要超过0.2MPa表压，以防泄漏等事故发生，同时要注意生产罐培养基冷却到预定温度后，冷却水仍在畅开，造成培养基冷却过度。
2.4.
3.3控制
①温度控制为保持菌种发酵后期的活力，从斜面、一级至二级种子的培养温度均应控制在33～34℃，不要超过35℃。采用三级控制，0～12h 34-35℃、12～28h以36-37℃为宜、
28h后可提高到37-38℃。后期适当提高温度可提高酶的活力。
②罐压控制一般控制在表压0.1MPa通风系统压力不足时，可降低罐压，以维持适当的通风量。
③风量控制50m3标准机械搅拌发酵罐的参考通风量如下：
0—18h：0.08～0.1 vvm
18—30h：0.12 vvm
30h以后：0.15 vvm
罐体积小于50m3时通风量要适当增大，大于50m3则要减小。通风量还应该根据发酵过程的产酸情况灵活掌握。加大风量可使产酸速率加快，但菌体呼吸强度和杂酸生成量可能增加。减小风量会降低产酸速率。
④搅拌转速采用箭叶涡轮搅拌桨，转速控制如下：
罐容积5m3 150～300r／min
25—30m3 110~120r／min
50m3 90~115r／min
80m3 90～110r／min
⑤pH控制糖化完成后可适当加大风量使发酵进入旺盛产酸期。在产酸期内控制风量使产酸速率维持在2～3g／h?1，不得过快，以进一步利用糖化作用和防止菌体过早衰老。
⑥发酵过程监测发酵过程的上述参数可以通过仪表检测，而酸度和残被一般靠化学方法检测。这两项参数是捡验发酵过程好坏的目的指标。接种后半小时测总糖一次，以后8h测残糖和酸度一次，最后每2h测一次。
⑦放罐条件以酸度不再增加或残糖不再降低为放罐条件，正常发酵能达到顶定的产酸度和须定的残糖量，否则为不正常发酵。不正常发酵时该两次指标达不到，但只要不升酸或不降糖就要放罐。
2.4.4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。滤渣中含有大量的蛋白质及菌丝等营养物质，烘干后作饲料，可进行包装销售。整个工艺过程除了最终产品赖氨酸和副产品饲料、硫酸铵外，无多余废水排放。
2.4.5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。
2.5工艺计算
生产指标
表3-1 生产指标
指标名称指标数单位
生产规模
年工作日
产品日产量
发酵周期
一周期产量
提纯收率（自发酵液计算）倒罐率
质量纯度
提取率
糖酸转化率
产品纯度6000
300
20
96
80000
80
0.1
99
80
47.8
97
t/a
d
t/d
h
kg
%
%
%
%
%
%
T=发酵时间+间歇时间=72+24=96(h)=4(d)
周期数=300/4=75(个)
2.5.1 物料衡算（一周期）
以下以一周期为例，计算生产L-赖氨酸耗用的原料及其他物料的量[21-25]。
2. 种子培养基配方表（g/L）
葡萄糖25 硫胺 5 玉米浆35
KH2PO4 1 硫酸镁0.5 碳酸钙15
发酵培养基(g/L)配方表
葡萄糖170 硫酸铵55 玉米浆18.6
KH2PO4 1.2 硫酸镁0.6 L-苏氨酸40
碳酸钙45
接种量2%
（1）发酵液量
V1=80000÷（170×47.8％×80%×99％）＝1243.05m3
式中：170－发酵培养基中糖的含量kg/m3
47.8％－糖转化成酸的比率
80%－提取率
99％－除去倒罐率后发酵成功率
（2）配置发酵液需求的糖
纯糖汁m1= V1×170=211318.5kg
（3）种子液量
V2=2%×V1=24.86 m3
（4）种子培养液需求的糖量
m2=25×V2=621.5kg
式中:25—二级种液含糖量(kg/ m3)
（5）一个周期内L-赖氨酸需总糖量
m= m1+ m2=211940kg
（6）耗用淀粉的原料量
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: m淀粉=211940/(80%×95%×111%)
=251232.81kg
式中: 80%－纯淀粉的含量
95%－淀粉转化率
（7）培养基所需要硫酸铵用量
发酵培养基耗硫酸铵量为55×V1=55×1243.05=68367.75kg
（8）二级种子硫酸铵所需要的量
二级种子液耗硫酸铵量为5×V2=5×24.86=124.3kg
（9）玉米浆耗用量
发酵培养基耗玉米浆量为18.6×V1=18.6×1243.05=23120.73kg
二级种子液耗玉米浆量为35×V2=35×24.86=870.1kg
共耗870.1+23120.73=23990.83kg
（10）需要磷酸二氢钾的用量
发酵培养基需要磷酸二氢钾量为1.2×V1=1.2×1243.05=1491.66kg
种子液需要磷酸二氢钾量为1×V2=1×24.86=24.86kg
共耗1491.66+24.86=1516.52kg
（11）硫酸镁耗用量
发酵培养基需要硫酸镁耗用量为0.6×V1=0.6×1243.05=745.83kg
种子液需要硫酸镁耗用量为0.5×V2=0.5×24.86=12.43kg
共耗745.83+12.43=758.26kg
（12）碳酸钙用量
发酵培养基耗碳酸钙量为45×V1=45×1243.05=55937.25kg
二级种子液耗碳酸钙量为15×V2=15×24.86=372.9kg
共耗55937.25+372.9=56310.15kg
（13）所需要的L-苏氨酸钠量
m L-苏氨酸=40×V1=40×1243.05=49722kg
2.5.2物料衡算总量（一年）
(1) 发酵液赖氨酸含量为m1×47.8%×99.9%=211318.5×47.8%×99.9%=100909.23kg
(2) 实际生产的赖氨酸（提取率为80%）量100909.23×80%=80727.38kg
表3-2物料衡算结果:
物料名称生产一周期L-赖氨酸物料量
/kg 生产一年L-赖氨酸物料量
/kg
发酵液量1243.05 m393228.75m3
二级种子液量24.86 m31864.5m3
发酵用糖211318.5 15848887.5二级种子液用糖621.5 46612.5糖液总量211940 15895500
淀粉251232.81 18842460.75种子硫酸铵124.3 9322.5
发酵硫酸铵68367.75 5127581.25
玉米浆23990.83 1799312.25
磷酸二氢钾1516.52 113739
硫酸镁758.26 56869.5
碳酸钙56310.15 4223261.25
L-苏氨酸49722 3729150
L-赖氨酸80727.38 6054553.5 2.5.3 热量衡算
2.5.
3.1所需要的蒸汽量
(1) 按直接蒸汽混合加热估计升温过程所需的蒸汽量D1:
D1=G×C (t2-t1) (1+η)/ (i-t2×C)
式中: G－液体量（培养基），kg
C－培养基料液比热容,千焦/(千克×摄氏度)
t2－加热到的料液温度,摄氏度
t1－加热开始的料液温度,°C
i－蒸汽热焓,KJ/kg
η－加热过程中热损失而增加的蒸汽消耗量5%－10%,这里取10%
D1－升温过程中所需蒸汽量,千克
D1周期= G×C (t2-t1 (1+η)/ (i-t2×C)
=1243.05×4.18× (121-23.8) (1+10%)/ (2725.3-121×4.18)
=250.30(t)
D1年= D1周期×75=250.30×75=18772.5 (t)
(2) 发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽量D2
保温时蒸汽消耗量D2与操作有很大关系,比较难计算.一般按直接蒸汽加热时消耗量的30%-50%来估算, D2=（30%-50%）D1
D2周期=50%×D1周期=125.15 (t)
D2年= D2周期×75=125.15×75=9386.25(t)
(3) 发酵罐灭菌所需要的蒸汽量
D周期= D1周期+ D2周期=250.30+125.15=375.45(t)
D年= D1年+ D2年=18772.5 +9386.25=28158.75 (t)
(4) 种子罐灭菌所需要的蒸汽量
所以根据种子罐的接种量为2%
估算蒸汽消耗量为D0周期=2%×D周期=2%×375.45=7.51(kg)
D0年=2%×D年=2%×28158.75=563.18(t)
(5)一共所消耗的蒸汽用量D总
D周期总=D周期+D0周期=375.45+7.51=382.96(t)
D年总=D年+ D0年=28158.75 +563.18=28721.93(t)
2.5.
3.2需要的冷却水的用量
已知发酵培养基需要从121℃降到30℃所需放出的热量为
Q=CM (t1-t2)=1243.05×1000×4.18×(121-23.8)
=5.05×108 (kJ)
C—比热容
M —培养基的质量
t 1,t 2—培养基冷却前后的温度
则冷却水需吸收的热量也为Q ，需要冷却用水的量为 M ′=Q/C （t 2′-t 1′） =5.05×108/4.18×(10-5) =2.42x107 (kg) =2.42x104 (t) M ′—冷却水的质量
一年需要的冷却水的用量 M ′×75=2.42×104×75=1.82×106(t)
表3-3 能量衡算结果列表总计:
生产一周期赖氨酸所需能量 生产一年赖氨酸所需能量 蒸汽/(t) 382.96 28721.93
冷却水/(t)
2.42×104
1.82×106
2.6 车间主要设备一览表
2.6.1发酵罐的选择
每个生产周期：
发酵液体积为1243.05 m 3，种子液体积为24.86 m 3 料液总体积为1267.73 m 3，装料系数为80% 1267.73/80%=1584.66 m 3
所以我们选用7个公称容积为250 m 3的发酵罐，另选一个作为备用罐。 H/D=1.7~3，取H/D=2.0
3
2015.04D H D V +=
π
25015.02
33
0=+=D D V π
D=5.26m, 圆整D=5.3m, H=2D=10.6m
已知31~21=D d 取搅拌器直径：
4.0=D
d ，d=2.12m 圆整d=2.2m
已知121~81=D B ,取挡板宽度：10
1=D B ，B=0.53m 圆整B=0.6m
已知0.1~8.0=d C
，取下搅拌器距底边间距：C=0.9d=1.98m 圆整C=2.0m 已知5.2~5.1=d S
, 取搅拌器间距：S=2d=10.6m
3213.04D h D V b b +=π
（
b
h 取25mm ）
33291.193.513.0025.03.54
m V b
=?+??=π
发酵液的圆柱体积V 柱 =1267.73/2－19.91=613.96 m 3 发酵液的柱体高m D h 83.27)
2
(96
.6132
=?=
π 假设用2层搅拌器，所以S1=27.83－10.6=17.23m
2.6.2种子罐的选择
每个周期的种子液为24.86 m 3，装料系数为80% 24.86/80%=31.08 m 3
选择公称体积为20m 3的种子罐两个 H/D=1.7~3，取H/D=2.0
3
2015.04D H D
V +=π
2015.02
330=+=
D D V π
D=2.27m, 圆整D=2.3m, H=2D=4.6m
已知31~21=D d 取搅拌器直径：
4.0=D
d ，d=0.92m 圆整d=1.0 已知121~81=D B ,取挡板宽度：10
1=D B ，B=0.23m 圆整B=0.3m
已知0.1~8.0=d C
，取下搅拌器距底边间距：C=1.0d=1.0m 已知5.2~5.1=d S
, 取搅拌器间距：S=2d=2.0m