2015化工畢業(yè)設計開題報告

　　題 目：年產(chǎn)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(zhì)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(zhì)的α―氨基酸為無色晶體，熔點較高(高于200℃，可達250℃左右);一般能溶于水、稀酸或稀堿中，但不溶于有機溶劑;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�；瘜W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(zhì)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(nèi)外賴氨酸生產(chǎn)的主要公司

　　作為世界上需求僅次于谷氨酸的賴氨酸，國際上主要的生產(chǎn)公司有：美國的ADM公司、日本的味之素公司、日本的協(xié)和發(fā)酵公司、德國的巴斯夫化學公司、臺灣地區(qū)的味丹國際、韓國CJ公司等。并且，國際賴氨酸的市場價格也是由這幾家生產(chǎn)公司控制。在國內(nèi)，主要的生產(chǎn)企業(yè)有：吉林省長春大成實業(yè)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(fā)展情況

　　我國賴氨酸工業(yè)起步較晚, 20世紀80 年代初國內(nèi)有十幾家生產(chǎn)廠, 但產(chǎn)能均很小, 大的也不超過數(shù)百t/年。經(jīng)過20多年的發(fā)展, 通過與國外公司的合作及技術、裝備的引進, 某些企業(yè)的生產(chǎn)也初具規(guī)模。就2000年～2006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2002與2003年之間，進口量下降了2倍多，而出口量則增加了一個數(shù)量級。2005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。2006出口量雖然高于進口量但是出口量遠低于2005年。由于賴氨酸行業(yè)的整合，國內(nèi)賴氨酸生產(chǎn)情況低迷，這種情況一直持續(xù)到了2009年。近幾年，賴氨酸的生產(chǎn)情況逐漸好轉(zhuǎn)。據(jù)估計，2011 年中國賴氨酸產(chǎn)量約為75萬t(折合 98.5%)，同比增加31.21%。需求約50萬(t折合 98.5%)，同比增加19.05%。

　　表1 2000年～2006年賴氨酸進出口情況

　　年度 賴氨酸(kg)

　　進口 出口

　　2000 33297000 157200

　　2001 39979193 326795

　　2002 33988000 585285

　　2003 14588416 7100310

　　2004 10590859 19455778

　　2005 7504049 49419593

　　2006 963146 5943892

　　1.5賴氨酸的應用

　　賴氨酸的應用大致有三方面，一是用于醫(yī)藥，賴氨酸是構成蛋白質(zhì)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(yōu)良的血栓預防劑。近年來研究發(fā)現(xiàn)，賴氨酸對營養(yǎng)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(jù)國外報道，將賴氨酸加入四環(huán)素中，可以消除四環(huán)素在治療中的副作用;二是用于食品添加劑，賴氨酸可以用于食品營養(yǎng)強化劑和用于食品除臭劑等;三是用于飼料添加劑,其主要用于畜牧業(yè)，在畜禽幼體時期的飼料中添加賴氨酸,能增進其食欲,促進生長。在畜禽的成長階段添加賴氨酸,可以降低原料成本。相較于前兩種應用，生產(chǎn)的賴氨酸多用于第三種應用。

　　1.6生產(chǎn)方法

　　總體上來看，目前賴氨酸的生產(chǎn)方法大概有四種：提取法、化學合成法、酶法和發(fā)酵法，其中發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸在世界范圍內(nèi)應用最為廣泛。

　　1.6.1提取法

　　賴氨酸廣泛存在于酪蛋白、纖維素蛋白和脫脂大豆蛋白等蛋白質(zhì)水解物中。提取法一般是以動物血粉為原料，再從蛋白質(zhì)水解物中，用離子交換法或苦味酸沉淀法分離提取賴氨酸。1891年，F(xiàn)isher和Drechsel在干酪素酸水解液中首次發(fā)現(xiàn)并獲得賴氨酸晶體。此方法特點是工藝簡單，但原料來源有限，只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。

　　1.6.1化學合成法

　　化學合成法一般是以化學物質(zhì)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(yè)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(nèi)酰胺和環(huán)己烯。此法最大缺點是使用劇毒原料光氣，導致產(chǎn)品安全性差，并存在嚴重的環(huán)保問題。

　　1.6.3酶法

　　酶法是以己內(nèi)酰胺或二氫呋喃為原料，借助于有機合成與生物化學工程相結合的生產(chǎn)技術生產(chǎn)賴氨酸。己內(nèi)酰胺或二氫呋喃經(jīng)化學方法生產(chǎn)環(huán)己烯，再制得 DL-氨基己內(nèi)酰胺。其中D-氨基己內(nèi)酰胺經(jīng)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(nèi)酰胺經(jīng)水解酶(源自羅氏隱環(huán)酵母等菌) 發(fā)生水解反應生成賴氨酸。此方法中，酶自身穩(wěn)定性差，易發(fā)生水解作用，產(chǎn)生許多非必要的產(chǎn)物，因此產(chǎn)率較低。

　　1.6.4發(fā)酵法

　　發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸通常以淀粉水解糖、甘蔗或甜菜制糖后的廢糖蜜為原料，原料來源廣泛且價格便宜，同時發(fā)酵法產(chǎn)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(fā)酵法是目前工業(yè)生產(chǎn) 賴氨酸最主要的方法。發(fā)酵法又有兩種發(fā)酵方法，一是一步法，即直接發(fā)酵法;二是二步法。而二步法需要添加前體，比較著兩種方法，前者直接發(fā)酵法更方便，因此本次設計將選擇直接發(fā)酵法。

　　1.7生產(chǎn)賴氨酸的菌種

　　用于發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸的微生物有谷氨酸棒狀桿菌、大腸桿菌、黃色短桿菌、釀酒酵母、乳酸發(fā)酵短桿菌、假絲酵母、嗜乙酰乙酸棒桿菌和嗜熱產(chǎn)氨棒桿菌等。根據(jù)現(xiàn)有資料及個人所查得的信息，本次微生物發(fā)酵法所采用的菌種為FH128菌株。FH128 菌株是由賴氨酸產(chǎn)生菌Alll(HS AEC)一株已解除代謝終產(chǎn)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(xié)同反饋抑制的調(diào)節(jié)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(jīng)多次誘變處理， 獲得的FH128菌株(HSˉ、AECr、MFr、TAr)，其搖瓶發(fā)酵產(chǎn) L-賴氨酸鹽酸鹽的產(chǎn)率及對糖轉(zhuǎn)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→天冬氨酰磷酸→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(fā)生在細菌中。由于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-酮戊二酸和乙酰-CoA生成α-氨基已二酸，再經(jīng)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(chǎn)設備

　　2.1滅菌設備

　　滅菌的方法有很多種，如：化學滅菌、射線滅菌、干熱滅菌、濕熱滅菌、過濾滅菌等。因為本次設計工廠設計要考慮設備的實用性，所以，要采用方便、節(jié)約、快捷的連續(xù)滅菌設備対培養(yǎng)基進行滅菌，采用空氣分過濾系統(tǒng)的設備對空氣進行滅菌除塵。

　　2.2發(fā)酵設備

　　目前，常用的耗氧發(fā)酵罐按照能量輸入的方式可分為機械攪拌式、氣升式和外部液體循環(huán)式三大類。為了發(fā)酵罐的通用性，本次設計將采用自己設計的機械攪拌型的通用式發(fā)酵罐。

　　2.3分離設備

　　根據(jù)本次設計可知，分離設備應為液-固分離設備。目前常用的液固分離設備有板框壓濾機，真空轉(zhuǎn)鼓過濾機，三足式離心機等。根據(jù)所收集的資料，本次設計將選用超濾設備。

　　2.4蒸發(fā)設備

　　為了使產(chǎn)品在發(fā)酵液當中的濃度增高，便于提取。因此，要采用蒸發(fā)設備。根據(jù)產(chǎn)品的特點本次設計將采用應用普遍的膜式真空蒸發(fā)器。

　　2.5干燥設備

　　為了使產(chǎn)品便于運輸及保存，要將分離純化的產(chǎn)品進行干燥。因此要應用干燥設備。對所收集的干燥設備進行比較，本次設計將選用沸騰造粒干燥器。

　　3.工藝流程

　　空氣 菌種 水 淀粉

　　加壓 α-淀粉酶 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(xù)滅菌 消泡劑 蒸發(fā)結晶

　　發(fā)酵 液氨 儲晶

　　等電點 分離

　　回收谷氨酸 分離 母液 賴氨酸

　　賴氨酸 母液 干燥

　　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

　　2013年2月25日-2013年3月20日：收集、整理、篩選資料，寫開題報告。

　　2013年3月21日-2013年5月05日：根據(jù)開題報告寫設計。

　　2013年5月06日-2013年6月02日：根據(jù)設計當中所算得的數(shù)據(jù)進行畫圖。

　　2013年6月03日-答辯之前：對設計進行修改并準備答辯。

　　參考文獻

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