产万吨L赖氨酸的设计方案

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

目录

1前言 (1)

1.1赖氨酸的产品特性 (4)

1.2赖氨酸的研究现状 (6)

2产品开发的意义 (7)

2.1赖氨酸的作用及研究的意义 (9)

2.2赖氨酸研究中存在的问题 (10)

3工艺流程图 (11)

3.1原料预处

理 (12)

3.2种子培养 (13)

3.3微生物发酵 (16)

4工艺计算 (29)

5主要设备及流程图 (31)

1 前言

1.1赖氨酸的产品特性

赖氨酸

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Ajinomoto CO.公司，现有6套生产装置，分别建在美国、法国、中国、泰国、意大利和巴西，总生产能力9.08万t/年。日本协和发酵Kyowa Hakko Kogyo CO.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：

表1 近几年我国赖氨酸、酯及盐出口情况

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M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。

2 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。

●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M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t。下列各表分别列举了近几年国内外赖氨酸的生产及消费情况。

表2 近几年国内赖氨酸需求量

3 工艺流程图

不同原科的深层发酵工艺大同小异，主要差别在于前面的原料处理工艺，而在发酵工段的区别仅在于两个方面，即是否采用种子培养和是否采用补料工艺。

赖氨酸生产工艺流程图：

3.1原料的预处理

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：双酶法、酶酸法、酸法、酸酶法等几种。与传统酸法水解淀粉相比，酶法具有独特的优点：可在常温常压和温和酸度下，高效地进行催化反应，简化了设备，改善了劳动条件和降低了成本；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；酶水解具有专一性，制得产品的纯度高；酶本身是蛋白质，无毒，对酸碱度极为敏感，故可简单地采用调节酸碱度、改变反应温度或添加抑制剂等方法来控制反应的进行；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；酶可以回收，重复利用。现在生产中大多使用此法。但是，普通的酶法制糖相对生产周期较长，糖液过滤困难。

因此本生产以玉M淀粉乳为原料，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。

3.2种子培养

如果不采用种子培养，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。种子培养的目的是使黄色短杆菌发芽

二级种子培养基：水解糖2.5%，蜜糖2.0%，尿素0.35%，磷酸氢二钾0.1.%，硫酸镁0.06%，玉M浆0.5%~1.0%，泡敌0.06%，硫酸锰0.2mg/100ml，硫酸亚铁0.2mg/100ml

采用种子培养工艺有下列优点：

缩短了发酵罐的发酵时间，一般可缩短30h左右，从而

提高了设备利用率。

●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。

●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。在种子罐中单独培养时，接入孢子的密度约是直接接入生产罐的10倍，加上种子发育快，受感染的可能性大大降低。而且，生产罐接入菌丝球以后，很快进入产酸阶段，受感染的可能性小的多。另外，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，以便即时采取措施。即时倒罐，种子罐的损失也只有生产罐的10%。

●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。

3.3微生物发酵

发酵培养基：水解糖16.4%，蜜糖0.30%，硫酸镁0.06%，氯化钾0.08%，尿素4.0%，磷酸氢二钾0.02.%，玉M浆0.20%，泡敌

0.05%，硫酸锰0.2mg/100ml，硫酸亚铁0.2mg/100ml，植物油0.10%，接种量2%。赖氨酸生产：

<1）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。操作时，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）控制

①温度控制整个发酵过程控制32±1、34±1或35±1℃，具体根据菌种和实际情况制定，—般采用自动控制。

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。

<3）赖氨酸提取

发酵液放罐后直接经Ultra-flo超滤系统过滤，能使真正收率达到99%以上，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。

特点：1）酵液超滤过滤无须任何预处理，节约成本。菌渣可直接做饲料，完全消除废液污染。滤液不含蛋白质量高，保证连续离交进料要求。过滤收率可达98-99%。

2）由于减少了蛋白对树脂的污染，可增加树脂的吸附容量10%以上，并有效延长树脂寿命。

3）减少悬浮物在连续离交树脂罐内的沉积，减少反冲次数，减少树脂破碎。

4）纳滤低成本的预浓缩，降低能耗。部分无机盐透过纳滤膜，减少产品灰份。纳滤透析水回用顶洗，闭路循环提高收率减低成本。<根据实践表明纳滤浓缩平均成本为20元/吨水） 5）纳滤废水处理系统能将硫酸铵废水处理成回用水，并且回收硫酸铵做肥料。膜系统适应性强，能随时跟上今后用户对处理后的污水排放水质进一步提高的要求。

6）本工艺膜系统运行平稳，维修容易。膜系统可分性强，可根据料液流量大小随时切换膜的运行数量，其余可进行清洗、保护或更换等操作，故膜系统无传统工艺的每年大修要求，在40℃~45℃左右用低压力大流量对膜进行清洗，只需清洗一小时左右即能使膜通量恢复，而不用拆卸设备，可实现全自动运行与清洗。

7）本工艺的占地面积大大缩小。由于膜设备都是由膜元件叠加起来的，使膜设备占地极小。膜系统为全封闭系统，无物料和气体的泄漏，噪音小，并容易实现全自动化运行。

图一：基本发酵过程示意图

4 工艺计算<主要对原料预处理车间进行物料衡算）

选定衡算基准：以10000吨l-赖氨酸的生产为基准。

计算依据：全年按300天计算，发酵周期64hr，主要生产原料为玉M淀粉乳，设计生产技术提取总收率90%，玉M淀粉含淀粉86%，淀粉原料单耗2.12t/t。

<一）物料平衡计算

A.生产过量总物料衡算

1.总原料需求：t

每天产量：t <取整数为34t）

实际成品年产：t/a

每天投料量：t

2.总物料衡算

1000㎏纯淀粉理论上能生产100%赖氨酸的量为：

1000㎏纯淀粉实际上能生产的100%赖氨酸的量为：

1000㎏工业淀粉<含量86%的玉M淀粉）产生

100%赖氨酸的量为：

3.淀粉的单耗

生产1000㎏100%赖氨酸理论上消耗纯淀粉的量为：

生产1000㎏100%赖氨酸理论上消耗工业淀粉的量为：

生产1000㎏100%赖氨酸实际消耗纯淀粉的量为：

生产1000㎏100%赖氨酸实际消耗工业淀粉的量为：

4.总收率

淀粉利用率：

生产过程的总损失：

5.原料及中间体的计算

淀粉用量为：

糖化液量纯糖量为：

换算成含量24%的糖液量为：

发酵液量的计算：

提取出来的赖氨酸的量为：

换算成含量90%的提取液为32.3t/d

赖氨酸废液量<以排出的废液含0.7g/100ml赖氨酸计算）：