題 目：年產四萬噸賴氨酸工廠初步工藝設計
1.文獻綜述
1.1氨基酸介紹
氨基酸是組成蛋白質的基本單位，常見的有20多種。其通用結構是為：
nh nh
︳ ︳
r―c―cooh或r―c―cooh。
︳ ︳
h h
構成蛋白質的α―氨基酸為無色晶體，熔點較高(高於200℃，可達250℃左右);一般能溶於水、稀酸或稀鹼中，但不溶於有機溶劑;通常酒精能使氨基酸從其溶液中析出;除甘氨酸外都有旋光性。
1.2賴氨酸的介紹
賴氨酸，英文名稱寫坐lysine,縮寫為lys。化學名稱是2,6-二氨基己酸，結構簡式是hnchchchchch(nh)cooh，為白色結晶，無臭，熔點224～225℃(分解)，有l型和d型兩種。其中l型賴氨酸(以下所說的賴氨酸均指l型)是蛋白質的重要組成部分之一，是人體不能自身合成但又十分需要的八種氨基酸之一。因食物中缺乏賴氨酸，所以又稱之為“第一必須氨基酸”。
1.3國內外賴氨酸生產的主要公司
作為世界上需求僅次於穀氨酸的賴氨酸，國際上主要的生產公司有：美國的adm公司、日本的味之素公司、日本的協和發酵公司、德國的巴斯夫化學公司、臺灣地區的味丹國際、韓國cj公司等。並且，國際賴氨酸的市場價格也是由這幾家生產公司控制。在國內，主要的生產企業有：吉林省長春大成實業集團股份有限公司、四川川化味之素有限公司、福建泉州大泉賴氨酸有限公司、山東金玉米生化有限公司、安徽豐原生物化學股份有限公司和寧夏伊品生物工程集團股份有限公司等。
1.4我國賴氨酸的發展情況
我國賴氨酸工業起步較晚, 20世紀80 年代初國內有十幾家生產廠, 但產能均很小, 大的也不超過數百t/年。經過20多年的發展, 通過與國外公司的合作及技術、裝備的引進, 某些企業的生產也初具規模。就XX年～XX年賴氨酸進出口情況(見表1)來看，整體上進口量由原來的很高在逐年降低，而出口量原來的很低在逐年增加。尤其是在XX與XX年之間，進口量下降了2倍多，而出口量則增加了一個數量級。XX年，中國賴氨酸出口量首次超過進口量，結束了賴氨酸長期依賴進口的局面，成為賴氨酸出口國。XX出口量雖然高於進口量但是出口量遠低於XX年。由於賴氨酸行業的整合，國內賴氨酸生產情況低迷，這種情況一直持續到了XX年。近幾年，賴氨酸的生產情況逐漸好轉。據估計，XX 年中國賴氨酸產量約為75萬t(摺合 98.5%)，同比增加31.21%。需求約50萬(t摺合 98.5%)，同比增加19.05%。
表1 XX年～XX年賴氨酸進出口情況
年度 賴氨酸(kg)
進口 出口
XX 33297000 157200
XX 39979193 326795
XX 33988000 585285
XX 14588416 7100310
XX 10590859 19455778
XX 7504049 49419593
XX 963146 5943892
1.5賴氨酸的應用
賴氨酸的應用大致有三方面，一是用於醫藥，賴氨酸是構成蛋白質的基本單位，是合成人體激素、酶及抗體的原料，參與人體新陳代謝和各種生理活動，賴氨酸是人體必需氨基酸，在各種氨基酸輸液配方中基本上都有。賴氨酸還可作為利尿藥的輔助治療劑，治療因血中氯化物減少所致的鋁中毒;可與酸(如水揚酸) 作用生成鹽，以減輕不良反應;與蛋氨酸合用能抑制重高血壓病;同時賴氨酸也是優良的血栓預防劑。近年來研究發現，賴氨酸對營養不良、乙型肝炎、支氣管炎病有一定療效;賴氨酸與亞鐵化合物一起治療貧血，效果顯著。據國外報道，將賴氨酸加入四環素中，可以消除四環素在治療中的副作用;二是用於食品新增劑，賴氨酸可以用於食品營養強化劑和用於食品除臭劑等;三是用於飼料新增劑,其主要用於畜牧業，在畜禽幼體時期的飼料中新增賴氨酸,能增進其食慾,促進生長。在畜禽的成長階段新增賴氨酸,可以降低原料成本。相較於前兩種應用，生產的賴氨酸多用於第三種應用。
1.6生產方法
總體上來看，目前賴氨酸的生產方法大概有四種：提取法、化學合成法、酶法和發酵法，其中發酵法生產賴氨酸在世界範圍內應用最為廣泛。
1.6.1提取法
賴氨酸廣泛存在於酪蛋白、纖維素蛋白和脫脂大豆蛋白等蛋白質水解物中。提取法一般是以動物血粉為原料，再從蛋白質水解物中，用離子交換法或苦味酸沉澱法分離提取賴氨酸。1891年，fisher和drechsel在乾酪素酸水解液中首次發現並獲得賴氨酸晶體。此方法特點是工藝簡單，但原料來源有限，只適用於小規模生產。
1.6.1化學合成法
化學合成法一般是以化學物質為原料合成賴氨酸。此方法工藝路線較多，所用的原料也有所不同，工業上主要運用的是荷蘭的dsm法和日本的東麗法，使用的原料分別是己內醯胺和環己烯。此法最大缺點是使用劇毒原料光氣，導致產品安全性差，並存在嚴重的環保問題。
1.6.3酶法
酶法是以己內醯胺或二氫呋喃為原料，藉助於有機合成與生物化學工程相結合的生產技術生產賴氨酸。己內醯胺或二氫呋喃經化學方法生產環己烯，再製得 dl-氨基己內醯胺。其中d-氨基己內醯胺經奧巴無色桿菌的消旋酶催化的消旋反應生成賴氨酸，氨基己內醯胺經水解酶(源自羅氏隱環酵母等菌) 發生水解反應生成賴氨酸。此方法中，酶自身穩定性差，易發生水解作用，產生許多非必要的產物，因此產率較低。
1.6.4發酵法
發酵法生產賴氨酸通常以澱粉水解糖、甘蔗或甜菜製糖後的廢糖蜜為原料，原料來源廣泛且價格便宜，同時發酵法產生的賴氨酸都是l型(左旋) 的，而生物所能利用的賴氨酸也只是l型。因此，發酵法是目前工業生產 賴氨酸最主要的方法。發酵法又有兩種發酵方法，一是一步法，即直接發酵法;二是二步法。而二步法需要新增前體，比較著兩種方法，前者直接發酵法更方便，因此本次設計將選擇直接發酵法。
1.7生產賴氨酸的菌種
用於發酵法生產賴氨酸的微生物有穀氨酸棒狀桿菌、大腸桿菌、黃色短桿菌、釀酒酵母、乳酸發酵短桿菌、假絲酵母、嗜乙醯乙酸棒桿菌和嗜熱產氨棒桿菌等。根據現有資料及個人所查得的資訊，本次微生物發酵法所採用的菌種為fh128菌株。fh128 菌株是由賴氨酸產生菌alll(hs aec)一株已解除代謝終產物l-蘇氨酸和l-賴氨酸對賴氨酸生物合成途徑中的關鍵酶門冬氨酸激酶的協同反饋抑制的調節突變株。為了進一步提高該菌株的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶的活性以及解除亮氨酸對賴氨酸分支合成途徑中的第一個酶即二氫吡啶二羧酸合成酶的反饋阻遏， 著重篩選單氟醋酸(monofluoroaceticacid，簡稱 mf)抗性突變株及噻唑丙氨酸(—thia-zol—a1anine，簡稱 ta)抗性突變株。 經多次誘變處理， 獲得的fh128菌株(hsˉ、aecr、mfr、tar)，其搖瓶發酵產 l-賴氨酸鹽酸鹽的產率及對糖轉化率與親株alll相比分別提高約55%及35%( m/m)。
1.8賴氨酸的合成途徑
1.8.1二氨基庚二酸途徑
蛋氨酸
h噸↗
二氨基庚二酸→賴氨酸
ak ps↗
葡萄糖→天冬氨酸→天冬氨醯磷酸→天冬氨酸半醛
hd↘ hk
高絲氨酸→蘇氨酸→異亮氨酸
(ak天冬氨酸激酶;ps二氫吡啶二羧酸合成酶;
hd高絲氨酸合成酶;hk高絲氨酸激酶)
這種合成賴氨酸的途徑主要發生在細菌中。由於本次設計所選用的菌種為細菌，所以本次設計合成賴氨酸的途徑為二氨基庚二酸途徑
1.8.2α-氨基己二酸途徑。
該途徑首先利用高異檸檬酸合成酶、高烏頭酸合酶/順高烏頭酸酶、異檸檬酸脫氫酶催化α-酮戊二酸和乙醯-coa生成α-氨基已二酸，再經過α-氨基已二酸還原酶，酵母氨酸還原酶和酵母氨酸脫氫酶催化生成賴氨酸。
2.生產裝置
2.1滅菌裝置
滅菌的方法有很多種，如：化學滅菌、射線滅菌、乾熱滅菌、溼熱滅菌、過濾滅菌等。因為本次設計工廠設計要考慮裝置的實用性，所以，要採用方便、節約、快捷的連續滅菌裝置対培養基進行滅菌，採用空氣分過濾系統的裝置對空氣進行滅菌除塵。
2.2發酵裝置
目前，常用的耗氧發酵罐按照能量輸入的方式可分為機械攪拌式、氣升式和外部液體迴圈式三大類。為了發酵罐的通用性，本次設計將採用自己設計的機械攪拌型的通用式發酵罐。
2.3分離裝置
根據本次設計可知，分離裝置應為液-固分離裝置。目前常用的液固分離裝置有板框壓濾機，真空轉鼓過濾機，三足式離心機等。根據所收集的資料，本次設計將選用超濾裝置。
2.4蒸發裝置
為了使產品在發酵液當中的濃度增高，便於提取。因此，要採用蒸發裝置。根據產品的特點本次設計將採用應用普遍的膜式真空蒸發器。
2.5乾燥裝置
為了使產品便於運輸及儲存，要將分離純化的產品進行乾燥。因此要應用乾燥裝置。對所收集的乾燥裝置進行比較，本次設計將選用沸騰造粒乾燥器。
3.工藝流程
空氣 菌種 水 澱粉
加壓 α-澱粉酶 液化
冷卻 糖化酶 糖化
除水 玉米漿 過濾 交換柱脫鐵
棉花過濾 糖蜜 糖化液 濾渣 恢柱脫色
二級種子 無機鹽 配料 脫色液
補糖 連續滅菌 消泡劑 蒸發結晶
發酵 液氨 儲晶
等電點 分離
回收穀氨酸 分離 母液 賴氨酸
賴氨酸 母液 乾燥
活性炭 中和 粉碎
脫色 賴氨酸
過濾
廢炭 過濾液
4.時間進度表
XX年2月25日-XX年3月20日：收集、整理、篩選資料，寫開題報告。
XX年3月21日-XX年5月05日：根據開題報告寫設計。
XX年5月06日-XX年6月02日：根據設計當中所算得的資料進行畫圖。
XX年6月03日-答辯之前：對設計進行修改並準備答辯。
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