赖氨酸个工厂设计.doc

本科生毕业设计

中文题目 年产15万吨赖氨酸发酵工厂工艺设计

英文题目 A design of lysine fermentation factory of annual output of 150,000 tons

目 录
第一章 绪论 - 35 -
1.1 前言 - 35 -
1.2赖氨酸的理化性质 - 35 -
1.3赖氨酸的实际应用 - 35 -
1.3.1 食品行业 - 35 -
1.3.2 医药行业 - 35 -
1.3.3 饲料行业 - 35 -
1.4赖氨酸的生产流程 - 35 -
1.5 赖氨酸的提取工艺 - 35 -
1.6赖氨酸工业现状及发展方向 - 35 -
第二章 赖氨酸生产工艺的选择 - 35 -
2.1原料及菌种的选择 - 35 -
2.1.1L-赖氨酸的代谢控制育种 - 35 -
2.2 原料的预解决 - 35 -
2.3种子培养 - 35 -
2.4工艺流程的选择 - 35 -
2.5培养基的配制(%) - 35 -
2.6具体操作 - 35 -
第三章 物料衡算和能量衡算 - 35 -
3.1 生产指标 - 35 -
3.2物料衡算 - 35 -
3.3物料衡算总量 - 35 -
3.4热量衡算 - 35 -
3.4.1蒸汽消耗量计算: - 35 -
3.4.2冷却水消耗量计算 - 35 -
第四章 设备选型 - 35 -
4.1 发酵罐的选择 - 35 -
4.2种子罐的选择 - 35 -
4.3搅拌器的选择 - 35 -
4.4贮罐计算 - 35 -
4.5重要设备一览表 - 35 -
第五章 车间布置 - 35 -
5.1 车间布置设计的原则与规定 - 35 -
5.2 车间布置设计的内容与说明 - 35 -
第六章 工厂平面设计 - 35 -
6.1工厂平面设计的原则与规定 - 35 -
6.2 工厂设计的厂房面积 - 35 -
6.3 工厂平面设计的内容与说明 - 35 -
结论 28
致谢 29
参考文献 30

摘 要
众所周知，人体生长发育过程中各种氨基酸起到了不可或缺的作用，赖氨酸便是其中极其重要的一种。现在市面上所出售的赖氨酸产品大多是以赖氨酸化合物形式存在的。人们一开始得到它的方法是从蛋白质的分离物中得到，后来可以运用酶法和化学合成法。20世纪60年代，世界上一方面出现了微生物发酵生产的方法，原料为淀粉等水解后所得到的糖类,通过一系列发酵提纯工艺获得饲料级赖氨酸 ,可以再通过一系列的提纯和精致得到食品级和药级的产品。
本次毕业设计的任务是设计一个年产15万吨赖氨酸发酵工厂。以玉米淀粉等为原料，根据各项已知数据进行物料衡算，并根据所得的结果进行发酵罐的设计和选择，依次进行车间平面图，工艺流程图，以及工厂车间布置图的设计与绘制，并最终完毕本次设计的任务。

关键词 工厂设计 赖氨酸 发酵

Abstract
L-Lysine is one of the essential amino acids, lysine products on the market are most of the lysine single-hydrochloride. L-lysine was firstly isolated from the protein hydrolyzate derived from later gradually appeared in the chemical synthesis, enzymatic, 1960, Japan produced it firstly by the way of microbial fermentation, the raw materials for a variety of starch hydrolysis of sugar or molasses , the genus Brevibacterium and Corynebacterium genus mutant fermentation, separation, concentration, evaporation, crystallization, dry feed-grade lysine, and then refined ，food grade can be got, pharmaceutical grade products.
According to the lysine market demand, we need to design an annual output of 100,000 tons of lysine factory. Selecting corn as raw material, calculate the material balance and heat balance, according to the above results,and designing of the fermenter, and then draw a process flow diagram according to the selection of equipment, plant layout diagram based on the known data, factories graphic design Figure of the drawings, and the finally complete the design.

第一章 绪论
1.1 前言
L-赖氨酸在生物体内发挥着极其大的作用。L-赖氨酸是组成蛋白质所必须的八大氨基酸中最重要的一种氨基酸，必需氨基酸是人体内部能合成而必须从外界摄入的一种氨基酸，在人和动物的生长过程中和新陈代谢中起着无可替代的作用。化学名称为L-2,6-二氨基己酸,分子式为C6H14N2O2,白色结晶,无臭。熔点为215摄氏度。考虑到其天生的理化特性，赖氨酸多以盐酸盐的形式存在。[1]
赖氨酸被广泛应用到食品、饲料、医药等行业和领域，并且需求量正在以较大的幅度增长，有着很好地发展前景。想产出优质的产品，就要选择优良的菌种和最高产率的生产条件。
1.2赖氨酸的物理以及化学性质
赖氨酸——2，6-二氨基己酸 ，化学式 C6H14O2N2 ，在通常状态下为淡黄色颗粒，式量146.19，熔点 215 ℃（dec.）比旋光度 +21°0 ℃， 溶解度 53.6g/100ml。
通常条件下，赖氨酸很难保存，极易变质而影响其使用，所以，一般赖氨酸都以赖氨酸化合物（赖氨酸盐）的形式存在和保存。
赖氨酸性质通常条件下是比较稳定的，在某特定温度以上形成水合物。分解于PH大于7.0的条件下 和 存在还原性糖的条件下，在水中很容易溶解，水 溶 液 呈 中 性 或者是PH值略小于7.0的环境下与 磷 酸 、 盐 酸 、 氢 氧化 钠 、 离 子 交 换 树 脂 等 一 起 加 热能 起 到消 旋 作 用 。它作为一种碱性的氨基酸，可以调节人体内的各种平衡。细胞内脂肪酸的合成离不开肉碱，而赖氨酸则是合成这种肉碱不可缺少的一种原料。赖氨酸尚有促进人体生长发育的作用。在食品中添加少量的赖氨酸，可以促进人体对钙的吸取，可以加速青少年的生长。同样的，假如人体缺少赖氨酸则会出现生长缓慢，钙吸取不良、厌食、甚至是贫血等状况。
赖氨酸的重要作用还体现在可以合成各种重要的氨基酸，并能有效的促进其他各种氨基酸在生物体内的运用。赖氨酸对人体的中枢神经以及周边神经都起着重要的作用，同时它还是人体内重要的活性物质抑长素的重要组成成分，生物功能非常强大。
赖氨酸很容易与空气中游离的二氧化碳结合，形成赖氨酸盐。[2]
1.3赖氨酸在现实生活中的应用
L-赖氨酸产品重要应用于医药食品以及牲畜饲料等应用。结合市场调研结果估计，L-赖氨酸的实际应用比例为：食品和医药行业的总和仅占5%左右，其他所生产出来的赖氨酸基本全用于动物牲畜饲料行业 [3]。
1.3.1 食品行业
随着科技的发展和人类的进步，人类对于赖氨酸的科学研究也变得越来越细致。人们发现，它对人的中枢神经和周边神经系统都起着重要作用。它是一种必需氨基酸，必需从外来的食物中摄取。 人类充足吸取其它营养物质的关键生物素就是赖氨酸。一般条件来说，只有生物体内储备了充足的赖氨酸含量，才可以很好地运用营养物质，提高蛋白质的吸取和运用，从而达成促进生物体生长和发育的目的。
1.3.2 医药行业
赖氨酸是人体最为需要的一种必需氨基酸，它对于促进伤口愈合、治疗病人营养不良、虚弱、疲劳、食欲不振、精神不佳等状况与病症。生殖细胞、。血红蛋白、脑神经细胞的合成与完毕生物机能离不开赖氨酸。 假如人体内缺少了赖氨酸的存在，集体则会表现出蛋白质代谢不良和功能性障碍等症状。
实验以及临床已经表白，赖氨酸对于某些特定的疾病有着特殊的疗效。同时研究还表白，赖氨酸与某些兹体抗炎药结合，对于妇女经期综合症以及先关的经期疾病如偏头痛和腹部绞痛有着很好地治疗效果。[4,5]
1.3.3 饲料行业
我国是一个畜牧业大国，因此对于牲畜饲料的需求变得尤为的紧迫和庞大，我国在世界上饲料的产量位居次席。并且近些年来产量仍然以不久的速度飞速增长，同时饲料的质量与成分派比也显得尤为重要。添加了赖氨酸的动物饲料有着很好地品质，可以提高牲畜的蛋白质运用率，增长肉料比，并且动物很容易消化。 我国畜牧业发展迅猛，在动物饲料中添加赖氨酸同样有着很严格的标准，一般比例在0.16-0.30%之间。低于0.16%，赖氨酸含量过于低，起不到很好地总用；高于0.30%，又会带来很高的附加成本。这样才干最佳的运用添加了赖氨酸的饲料，做到养殖业利益最大化[6]。

1.4生产赖氨酸的重要流程
现如今赖氨酸产业的重要生产赖氨酸的方法为生物发酵法。生产工艺是以葡萄糖为原料，添加硫酸铵以及生物素等，运用谷氨酸棒状杆菌或黄色短杆菌等高效产酸菌种发酵生产。
1.5 提取赖氨酸的重要方法
现如今，生产赖氨酸的厂家重要拥有四种提取赖氨酸的方法：（1）沉淀法：使赖氨酸生成难溶性化合物。如赖氨酸盐等，使之沉淀下来，然后结晶析出。（2）有机融合剂提取法；（3）树脂离子互换吸附法；（4）电渗析法。
现如今，世界上大多数的生产赖氨酸的厂家提取成品赖氨酸采用的方法为离子互换吸附法，大体流程如下：
发酵液 →调节pH，加入絮凝剂 → 上清液→ 菌体→ 水洗→ 上清液→ 菌体→ 离子互换→真空浓缩→ 冷却、调等电点→ 结晶→离心分离→粗结晶→ 母液→重结晶→离心分离→二次母液→结晶→干燥→ 成品[7]。

1.6赖氨酸工业现状及发展方向
现如今，国内生产赖氨酸的公司和厂家有：长春大成集团、四川川化味之素公司、福建泉州大泉赖氨酸公司、山东金玉米生化公司、安徽丰原生物化学股份公司和宁夏伊品生物工程集团股份公司等。在这其中，中国最大的赖氨酸生产厂家当属长春大成集团，它目前集团赖氨酸产品总产能已达成30万吨每年，赖氨酸盐酸盐的产量 （含量98.5％） 为15 万t吨每年、赖氨酸硫酸盐（含量65％）的产量为15万吨每年[5]。前几年，广东星湖科技公司3万吨每年赖氨酸生产线正式投产并投入使用，之后的几年不久，东方希望集团包头生物工程有限公司两万吨每年赖氨酸生产线正式改造完毕投产。
第一，赖氨酸在饲料行业的应用呈现了逐年递增的趋势，在饲料中添加赖氨酸、维生素以及各种生物素可以大大的提高牲畜对于饲料的运用率，以达成利益的最大化，而这其中赖氨酸的市场份额占到了将近20%，不容小视。第二是在其他领域如医药、食品和化妆品行业，赖氨酸也越来越得到了人们的重视，赖氨酸被添加到临床病人的输液中。21世纪以来，一些西方国家乃至日本、韩国等一些亚洲国家发展了赖氨酸饮品的产生，把赖氨酸添加到了饮料当中，假如发展到了中国，势必会引起一阵潮流，加大赖氨酸产量的需求，赖氨酸产业前景看好。
赖氨酸添加到化妆品中是一个不错的选择。中国是一个化妆品消费大国，添加了赖氨酸的化妆品受到了广大消费者的一致好评，在此行业可以占到一定的市场份额，也是一个很好地发展方向[8]。

第二章 赖氨酸生产工艺
2.1生产方法的选择和工艺流程的设计原则
为所建设的工厂选一种最为合适的生产方法，是生物工程工厂设计的关键环节。一般要对可选择的各种生产方法进行全面的比较和分析，从中选择出技术先进、经济合理的工艺路线，以保证项目投产后能达成高产、低耗、优质和安全运转。
（1） 原料来源和种类以及性质
如需应用进口原料乳啤酒生产的麦芽，则必须采用先进的生产方法和技术，以保证生产数高质量的产品，供出口和内销。原料的种类和性质不同，则生产方法也要相应改变。对酒精生产，采用不同的糖类来源作为原料，则工艺路线就大不相同。即便是淀粉质原料，也有谷类、薯类原料和野生植物与淀粉之分，其工艺流程也有一定的差异。
（2） 产品的质量和规格
糖蜜原料发酵生产三级酒精，可采用两塔式液相过塔蒸馏流程；若生产一级或者优质酒精，则必须选用三塔式或者多塔式流程。又如啤酒生产中，不同类别啤酒的糖化、煮沸工艺就不相同。
（3） 生产规模及技术水平
生产规模较小时，可采用分批发酵法，而间歇生产则较易掌握。对于大型公司，则采用连续发酵工艺有助于生产过程的机械化、自动化和稳产高产的实现。生产水平很大部分取决于技术所在的高度。如酒精生产，连续发酵拘束规定较高的操作技术，而间歇性生产很容易掌握。又如味精生产，应用糖蜜原料发酵谷氨酸的方法，具有产酸高、经济好的优点，但对菌种和生产技术规定严格。所以生产工艺既要跟得上时代的步伐，又要保证切实可行。
（4） 建厂地区的自然环境
如在热带地区建厂，就必需配套冷冻系统，才干保证正常发酵的温度规定。
（5） 经济和理性
对选用的生产方法应当切实做好经济技术指标的比较，尽量选用投资省、生产效率高、能耗低的生产方法，以获得良好的经济效益。
2.2生产菌种及其所用原料的选择
本设计规定以玉米淀粉为原料，但是在实际工业生产上选择生产原料时，不仅要考虑工艺上的规定， 还要考虑生产管理和经济上的可行性以及供销需求等多方面的因素。在现如今现代化生产中，一般要考虑到如下的因素：
(1)靠近原料的产地，取材比较方便，大大的节约成本；
(2)原料中可运用成分高，末严重污染，克制生长和产酸的物质要少或可以去 除， 能满足工艺上的规定
(3)能供应大规模的生产，来源丰富，运送以及贮存条件温和，方便生产。
赖氨酸产生菌有：细菌中涉及棒状杆菌、短杆菌、诺卡氏菌、念球菌、假单孢菌、埃希氏菌、芽孢杆菌等；真菌中重要有酵母、加斯酵母、隐球酵母等。现如今国内重要的赖氨酸生产菌的原始菌株一般是谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium glutamicum)、黄色短杆菌(Brevibacterium favum)、乳酸发酵杆菌(Brevibacterium lactofermentus)及大肠杆菌（E-coli）等菌种。
2.2.1L-赖氨酸的代谢控制育种[9-11]
2.2.1.1L赖氨酸的生物合成调节机制
以黄色短杆菌为出发菌株，天冬氨酸激酶(AK)是变构酶，具有两个变构部位，可以与终产物结合，受终产物影响，当只有一种终产物(赖氨酸或苏氨酸)与酶变构部位结合时，酶活性不受影响，当两种终产物(赖氨酸和苏氨酸)同时过量存在，即两种 终产物同时与酶两个变构部位结合时，酶的活性受到克制，这种终产物的反馈克制称为协同反馈克制。
在图1-1，在代谢途径第一个分支点，由于高丝氨酸脱氢酶活性比DDP合成酶约高15倍，所以代谢优先向合成高丝氨酸方向进行；在第二个分支点，由于琥珀酰高丝氨酸合成酶活性比高丝氨酸激酶高，代谢优先向合成甲硫氨酸方向进行。当甲硫氨酸过剩时，阻遏琥珀酰高丝氨酸合成酶的合成，代谢流转向合成苏氨酸方向进行。当异亮氨酸过剩时，反馈克制苏氨酸脱氢酶，就积累苏氨酸。由于苏氨酸过剩，反馈克制高丝氨酸脱氢酶，使代谢流转向合成赖氨酸。赖氨酸和苏氨酸同时过剩，协同反馈克制天冬氨酸，使整个途径停止进行。
赖氨酸生物合成分支途径第一个酶(DDP合成酶)和第二个酶(DDP还原酶)均 不受赖氨酸反馈克制和阻遏。磷酸烯醇丙酮酸羧化酶的活性受天冬氨酸克制，这种克制作用因α-酮戊二酸存在而增强，为乙酰CoA所逆转，如图1-2所示。
2.3 原料的预解决[12-15]
原料的预解决对于整个的生产工艺有着至关重要的影响。现如今，世界上生产赖氨酸的厂家大体对原料的预解决有如下几种方法：酶法、酶酸法、酸法等。普通的酶法拥有一定的缺陷，即生产时间较长，收益时间较长，最后提出时过滤困难等。酶法拥有的特点突出，和其他方法相比，酶法规定的酸碱度、温度以及生物活化能等相对来说要低很多，催化条件温和。并且很多原料酶在整个催化过程结束之后通过还原等过程可以重新反复运用，大大的节约了成本，提高了收率。
选择培养基中各种营养成分的最佳配比会直接影响到菌种的代谢产物以及代谢周期，从而影响了产物的产量。假如培养基配比得当可以使培养菌种得到最佳的发育，得到产量和质量最佳的菌种产物，也可以使产量很大限度上的提高。培养基以及培养的条件对于菌种的生长以及代谢和菌种体内的平衡及稳定性有着至关重要的影响。
LXQ-89菌株在摇瓶发酵72h的条件之下，每L的产量能达成79g左右。发酵条件优化之后得到的培养基配方配比如下：葡萄糖25、(NH4)2SO4 5、玉米浆35、KH2PO4 1.0、MgSO4·7H2O 0.5、CaCO3 15。种子最佳培养条件：pH7.0，装液量25 mL／250 mL三角瓶。效果最佳的培养基：葡萄糖170、(NH4)2SO4 55、玉米浆18.6、KH2PO41.2、MgSO4·7H2O 0.6、CaCO3 45，L-苏氨酸40(g/l)
2.4种子培养
假如不采用种子培养即直接采用孢子悬浮液接种至发酵罐。 采用种子培养则先将孢子接入种子罐中进行培养然后接入发酵罐。
种子培养的过程中，黄色短杆菌会发芽。
种子培养基成分如下：水解糖2. 5 % 蜜糖2 . 0 % CO（NH2）2 0 . 3 5 %KH2PO4 0 . 1 . % 硫酸镁 0 . 0 6 % 玉 米 浆0 . 5 % ~ 1 . 0 %泡敌 0 . 0 6 %硫 酸 锰 0 . 2 m g / 1 0 0 m l硫 酸 亚 铁0 . 2 m g / 1 0 0 m l。种子培养的好处和优势如下：
1， 使发酵周期有效缩短，一般可以缩短20-30h，从而提高了发酵的效率，增大了收益的周期 。虽然增设了种子罐，但涉及种子罐在内的总罐容量较小，节省设备投资。
2，种子生长的质量很容易把握 。直接接种孢子到生产罐中时，相称于在生产罐 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 。由于其中的用量不能超过限制，所以在其中的生长和发育进度一直比较缓慢。而在种子罐中可以添适量营养物，以促进种子快 速 发育 并提 高 其产酸能 力 。事实证明可以达成这种效果 。
3，可以有效的防止受到污染。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。在种子罐中单独培养时，接入孢子的密度约是直接接入产罐的1 0倍。
快速发育的种子使得感染的概率大大减少 。并且生产罐接入菌丝球以后不久进入产酸阶段受 感染的也许性小的多 。此外如 果出现菌种退化或者在 孢 子扩 大培养阶段出现染菌也能在种子培养时提早发现以便即时采用措施。即时倒罐种子罐的损失也只有生产罐的10 % 。
4，总能耗减少 。由于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也许性大大减少从 而生产培养基的灭菌强度规定较低节省能耗也避免了高强度灭菌带来的一 些不良后果 。
2.5工艺流程的选择
在东北乃至全中国的赖氨酸生产厂家中，首选的原料为玉米淀粉。大体工艺流程如下：玉米原料通过筛选、浸泡和粉碎，进行水解和糖化，然后加入种子进行发酵，通过调解酸碱PH，再通过蒸发结晶和提纯、分离等过程，得到成品。
工艺的选择：
选择原则：
（一） 原料物美价廉，易得
（二） 产品质量高
（三） 原料。辅助原料，佛你功力消耗低
（四） 技术成熟可靠，生产控制稳定，易于操作
（五） 对环境影响小
（六） 高效的经济效益回报，带动经济发展
（1） 传统工艺
之前的赖氨酸生产工艺中，大多数情况下是把发酵之后的发酵液加入酸液进行调和，然后进行提取，之后再加入氨水调节酸碱度之后进行蒸发和浓缩提纯，最后进行结晶析出，最后得到产品。
流程图如下：

图 2-3工艺流程图

新工艺[16-20]：
发酵液投入生产之后采用超滤系统进行解决，可以得到非常可观的收率，在整个发酵过程中得到的附加蛋白可以被提取出来，进行副产物的加工与运用。并且超滤系统可以最小限度上减少废水的排放，从而最大限度上的运用废水，既安全又环保。特点：
（1） 无需对滤液进行任何的预解决，从而加快了整个工艺的进程，节约了人力等各个方面的成本。过滤收率可达98-99%。
（2） 增长了树脂的使用次数，减少了蛋白的吸附，从侧面上减少了连续生产的成本。
（3） 本系统可以很大限度上的减少悬浮物对于生产工艺的影响，加速生产流程，省略了了反复冲洗的环节、
（4）纳滤可以节约项目的开支和成本。部分工艺采用和闭合的解决，即回收部分原料用液，通过解决和加工后，再次投入到生产当中去。
（5） 本工艺所选用的纳滤系统解决废水的工艺很先进，并对相关的原料进行回收，进行二次加工和运用，对原料的运用率达成了最大化。
（6）本设计所选择的这个系统稳定性好，可以根据需求的量进行膜数量的改变和切换，并可以进行清洗和维修等，所以并不需要很大的投入在整个系统上维修及清洗方便，投入很小。
工艺流程图如下：

发酵液
母液循环运用
硫酸铵肥料
纳滤浓缩废液
上柱废液
分离
结晶
再浓缩
活性炭脱色
干燥做饲料
菌体蛋白
氨水
连续离交
Ultra-flo
纳滤

无
菌
发 结
酵 晶
母
液
淀粉糖
回
收

淀粉水解

2.6培养基的配制(%)

表2-1 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%

2.7具体操作
斜面培养 种子培养 发酵罐
（1）斜面培养
L-赖氨酸斜面菌种培养基:葡萄糖5 ,牛肉膏10 ,蛋白胨10 ,NaCl 5 ,琼脂25 ,pH 7.0 （g/l）
（2）种子培养基:葡萄糖25 , (NH4)2SO45 ,玉米浆35 , KH2PO4 1 , MgSO4·7H2O 0.5 ，CaCO315，pH 7.0
（3）发酵培养基:葡萄糖170 , (NH4)2SO4 55,玉米浆18.6 , KH2PO4 1 .2，MgSO4·7H2O 0.6 ，L-苏氨酸40，CaCO3 45 , pH 7.0

第三章 物料和热量衡算
3.1 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
150，000
300
500
96
2，000，000
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)
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]。
3.2物料衡算
发酵液量
V1=2023000÷（170×47.8％×80%×99％）＝31080.0m3
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
配置发酵液需求的糖
纯糖汁m1= V1×170=5283605.2kg
种子液量
V2=2%×V1=621.6 m3
种子培养液需求的糖量
m2=25×V2=15540kg
式中:25—二级种液含糖量(kg/ m3)
一个周期内L-赖氨酸需总糖量
m= m1+ m2=5299145.2kg
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=5299145.2/(80%×95%×111%)
=6281585.1kg
式中: 80%－纯淀粉的含量
95%－淀粉转化率
培养基所需要硫酸铵用量
发酵培养基耗硫酸铵量为 55×V1=55×31080.0=11709400.0kg
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=3108kg
玉米浆耗用量
二级种子液耗玉米浆量为 35×V2=21756kg
发酵培养基耗玉米浆量为 18.6×V1=578088kg
共耗 14.49+385.21=599844.0kg
需要磷酸二氢钾的用量
种子液需要磷酸二氢钾量为 1×V2=621.6kg
发酵培养基需要磷酸二氢钾量为 1.2×V1=37296kg
共耗37917.6kg
硫酸镁耗用量
m硫酸镁=0.5×V2+0.6×V1=15912.96kg
碳酸钙用量
二级种子液耗碳酸钙量为 15×V2=9324kg
发酵培养基耗碳酸钙量为 45×V1=1398600kg
共耗 149184kg
所需要的L-苏氨酸钠量
m L-苏氨酸=40×V1=1243200.0kg
3.3物料衡算总量
(1) 发酵液量 m1×47.8%×99.9%=2523037.7kg
(2) 实际生产的量 31080×8.6%×80%×99%=2116.9kg

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
31080 m3
2331000m3
二级种子液量
621.6 m3
46620 m3
发酵用糖
5283605.2

二级种子液用糖
15540
12062925
糖液总量
5299145.2

淀粉
6281585.2

种子硫酸铵
3108
233100
发酵硫酸铵
11709400

玉米浆
599844
44988300
磷酸二氢钾
37917.6
2843820
硫酸镁
15912.6
1193.445
碳酸钙
149184
11188800
L-苏氨酸
1243200
93240000
L-赖氨酸
2116.9
1.5×108

3.4热量衡算
3.4.1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/(公斤×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长的蒸汽消耗量5%－10%,这里取10%
D1－升温过程中所需蒸汽量,公斤
D1周期= G×C (t2-t1) (1+η)/ (i-t2×C)
=31080x1000×4.18× (121-30) (1+10%)/ (2725.3-121×4.18)
=5792.8(t)
D1年= D1周期×75=43459.7 (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=2896.4 (t)
D2年= D2周期×75=217230(t)
(3) 发酵罐灭菌所需要的蒸汽量
D= D1周期+ D2周期
D周期=5792.8+2896.4
=8689.2(t)
D年= D1年+ D2年=43459.7+217230=260689.7 (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=115.8 (kg)
D0年=2% D年=173.8 (t)
(5)一共所消耗的蒸汽用量D总
D周期总=D周期+D0周期=8805(t)
D年总=D年+ D0年=660375 (t)
3.4.2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)=31080×1000×4.18×(121-30)
=1.18×1010 (kJ)
C—比热容
M—培养基的质量
t1,t2—培养基冷却前后的温度
则冷却水需吸取的热量也为Q，需要冷却用水的量为
M′=Q/C（t2′-t1′）
=1.18×1010/4.18×(10-5)
=5.64x108 (kg)
=5.64x105 (t)
M′—冷却水的质量

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)
8805
660375

冷却水/(t)
5.64x105
4.23x107

第四章 设备选型
4.1 设备设计与选型的原则
设备设计选型是否对的恰当，对投资建厂和工厂投产后的运营维修、工人的劳动强度、产品的之都会有很大的影响，其重要性是显而易见的。
从设备的设计选型情况，可以反映出所设计工厂的先进性和生产的可靠性。因此在设备的工艺设计和选型时应考虑一下原则：（1） 保证工艺过程实行的安全可靠（涉及设备材质对产品质量的安全可靠；设备材质强度的耐温、耐压、耐腐蚀的安全可靠；生产过程清洗、消毒的可靠性等）。（2）经济上合理，技术上先进。（3）投资省，好材料少，加工方便，采购容易。（4）运营费用低，水电煤气消耗少。（5）操作清洗方便，耐用易维修，备品配件供应可靠，减轻工人的劳动强度，实行机械化和自动化方便。（6）结构紧凑，尽量采用通过实践考研证明的确性能优良的设备。（7）考虑生产波动与设备平衡，留有一定的余量。（8）考虑设备故障及检修的费用。
4.2 发酵罐的选择
[26]每个生产周期：
发酵液体积为31080立方米，种子液体积为621.6立方米
料液总体积为31701.6 立方米，装料系数为80%
31701.6/80%=39627 m3
我们取用体积为200立方米的发酵罐，
发酵罐的体积按照如下公式计算：V=V筒+2V封=0.785D2x1.9D+3.14D3
需要发酵罐的个数：N=v/v。（ψ=0.8）总罐数=V0/（Vx24）=31701.6/（200x24）=66.04（个），取67个，
H/D=1.7~3，取H/D=2.5
V.=0.785D2×1.9D+3.14D3x2/24=500
D=4.6m，
H=1.9D=11.5m
4.3种子罐的选择
每个周期的种子液为621.6 m3，装料系数为80%
621.6/80%=777 m3
取体积为100立方米的种子罐8个，
H/D=1.7~3，取H/D=2.5
V.=0.785D2×1.9D+3.14D3x2/24=100
D=3.9m,
H=2.5D=9.7m
4.4搅拌器的选择
机械搅拌通风发酵罐的搅拌涡轮有三种形式，可根据发酵特点、基质及菌体特性选用。由于头孢菌素C发酵过程有中间补料操作，对混合规定较高，因此选用六弯叶涡轮搅拌器。
这种搅拌器的各部分尺寸与罐径D有如下的关系，且h：b：di：d=4:5:13:20，r=di/2，计算结果：
搅拌器叶径：Di=d=D/3=4.6/3=1.53(m)
叶宽：h=0.2Di=0.2×1.53=0.31 (m)
弧长：l=0.375Di=0.375×1.53=0.57(m)
底距：C=D/3=6.58/3=1.53(m) 图5-1 六弯叶搅拌器
盘径：di=0.75Di=0.75×1.53=1.15(m)
叶弦长：b=0.25Di=0.25×1.53=0.38(m)
弯叶板厚：δ=20(mm)
发酵罐装有两组搅拌器，两组搅拌器的间距S约为搅拌器直径的3倍，即S=3Di=4.59(m)。
4.5贮罐计算
V=31701.6/2=15850.8 m3
取=0.75
=15850.8/0.75=21134.4m3
选取用于贮存的发酵罐为180立方米。
需要个数V。/180=117.4，取整118个.

4.6重要设备

表4-1 重要设备
设备名称
数量
规格
种子罐
8
100m3
发酵罐
67
200m3
贮罐
118
180m3
Ultra-flo