化工毕业设计开题报告

题 目：年产四万吨赖氨酸工厂初步工艺设计

1.文献综述

1.1氨基酸介绍

氨基酸是组成蛋白质的基本单位，常见的有20多种。其通用结构是为：

nh nh

︳ ︳

r―c―cooh或r―c―cooh。

︳ ︳

h h

构成蛋白质的α―氨基酸为无色晶体，熔点较高(高于200℃，可达250℃左右);一般能溶于水、稀酸或稀碱中，但不溶于有机溶剂;通常酒精能使氨基酸从其溶液中析出;除甘氨酸外都有旋光性。

1.2赖氨酸的介绍

赖氨酸，英文名称写坐lysine,缩写为lys。化学名称是2,6-二氨基己酸，结构简式是hnchchchchch(nh)cooh，为白色结晶，无臭，熔点224～225℃(分解)，有l型和d型两种。其中l型赖氨酸(以下所说的赖氨酸均指l型)是蛋白质的重要组成部分之一，是人体不能自身合成但又十分需要的八种氨基酸之一。因食物中缺乏赖氨酸，所以又称之为“第一必须氨基酸”。

1.3国内外赖氨酸生产的主要公司

作为世界上需求仅次于谷氨酸的赖氨酸，国际上主要的生产公司有：美国的adm公司、日本的味之素公司、日本的协和发酵公司、德国的巴斯夫化学公司、台湾地区的味丹国际、韩国cj公司等。并且，国际赖氨酸的市场价格也是由这几家生产公司控制。在国内，主要的生产企业有：吉林省长春大成实业集团股份有限公司、四川川化味之素有限公司、福建泉州大泉赖氨酸有限公司、山东金玉米生化有限公司、安徽丰原生物化学股份有限公司和宁夏伊品生物工程集团股份有限公司等。

1.4我国赖氨酸的发展情况

我国赖氨酸工业起步较晚, 20世纪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。就XX年～XX年赖氨酸进出口情况(见表1)来看，整体上进口量由原来的很高在逐年降低，而出口量原来的很低在逐年增加。尤其是在XX与XX年之间，进口量下降了2倍多，而出口量则增加了一个数量级。XX年，中国赖氨酸出口量首次超过进口量，结束了赖氨酸长期依赖进口的局面，成为赖氨酸出口国。XX出口量虽然高于进口量但是出口量远低于XX年。由于赖氨酸行业的整合，国内赖氨酸生产情况低迷，这种情况一直持续到了XX年。近几年，赖氨酸的生产情况逐渐好转。据估计，XX 年中国赖氨酸产量约为75万t(折合 98.5%)，同比增加31.21%。需求约50万(t折合 98.5%)，同比增加19.05%。

表1 XX年～XX年赖氨酸进出口情况

年度 赖氨酸(kg)

进口 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赖氨酸的应用

赖氨酸的应用大致有三方面，一是用于医药，赖氨酸是构成蛋白质的基本单位，是合成人体激素、酶及抗体的原料，参与人体新陈代谢和各种生理活动，赖氨酸是人体必需氨基酸，在各种氨基酸输液配方中基本上都有。赖氨酸还可作为利尿药的辅助治疗剂，治疗因血中氯化物减少所致的铝中毒;可与酸(如水扬酸) 作用生成盐，以减轻不良反应;与蛋氨酸合用能抑制重高血压病;同时赖氨酸也是优良的血栓预防剂。近年来研究发现，赖氨酸对营养不良、乙型肝炎、支气管炎病有一定疗效;赖氨酸与亚铁化合物一起治疗贫血，效果显著。据国外报道，将赖氨酸加入四环素中，可以消除四环素在治疗中的副作用;二是用于食品添加剂，赖氨酸可以用于食品营养强化剂和用于食品除臭剂等;三是用于饲料添加剂,其主要用于畜牧业，在畜禽幼体时期的饲料中添加赖氨酸,能增进其食欲,促进生长。在畜禽的成长阶段添加赖氨酸,可以降低原料成本。相较于前两种应用，生产的赖氨酸多用于第三种应用。

1.6生产方法

总体上来看，目前赖氨酸的生产方法大概有四种：提取法、化学合成法、酶法和发酵法，其中发酵法生产赖氨酸在世界范围内应用最为广泛。

1.6.1提取法

赖氨酸广泛存在于酪蛋白、纤维素蛋白和脱脂大豆蛋白等蛋白质水解物中。提取法一般是以动物血粉为原料，再从蛋白质水解物中，用离子交换法或苦味酸沉淀法分离提取赖氨酸。1891年，fisher和drechsel在干酪素酸水解液中首次发现并获得赖氨酸晶体。此方法特点是工艺简单，但原料来源有限，只适用于小规模生产。

1.6.1化学合成法

化学合成法一般是以化学物质为原料合成赖氨酸。此方法工艺路线较多，所用的原料也有所不同，工业上主要运用的是荷兰的dsm法和日本的东丽法，使用的原料分别是己内酰胺和环己烯。此法最大缺点是使用剧毒原料光气，导致产品安全性差，并存在严重的环保问题。

1.6.3酶法

酶法是以己内酰胺或二氢呋喃为原料，借助于有机合成与生物化学工程相结合的生产技术生产赖氨酸。己内酰胺或二氢呋喃经化学方法生产环己烯，再制得 dl-氨基己内酰胺。其中d-氨基己内酰胺经奥巴无色杆菌的消旋酶催化的消旋反应生成赖氨酸，氨基己内酰胺经水解酶(源自罗氏隐环酵母等菌) 发生水解反应生成赖氨酸。此方法中，酶自身稳定性差，易发生水解作用，产生许多非必要的产物，因此产率较低。

1.6.4发酵法

发酵法生产赖氨酸通常以淀粉水解糖、甘蔗或甜菜制糖后的废糖蜜为原料，原料来源广泛且价格便宜，同时发酵法产生的赖氨酸都是l型(左旋) 的，而生物所能利用的赖氨酸也只是l型。因此，发酵法是目前工业生产 赖氨酸最主要的方法。发酵法又有两种发酵方法，一是一步法，即直接发酵法;二是二步法。而二步法需要添加前体，比较着两种方法，前者直接发酵法更方便，因此本次设计将选择直接发酵法。

1.7生产赖氨酸的菌种

用于发酵法生产赖氨酸的微生物有谷氨酸棒状杆菌、大肠杆菌、黄色短杆菌、酿酒酵母、乳酸发酵短杆菌、假丝酵母、嗜乙酰乙酸棒杆菌和嗜热产氨棒杆菌等。根据现有资料及个人所查得的信息，本次微生物发酵法所采用的菌种为fh128菌株。fh128 菌株是由赖氨酸产生菌alll(hs aec)一株已解除代谢终产物l-苏氨酸和l-赖氨酸对赖氨酸生物合成途径中的关键酶门冬氨酸激酶的协同反馈抑制的调节突变株。为了进一步提高该菌株的磷酸烯醇丙酮酸羧化酶的活性以及解除亮氨酸对赖氨酸分支合成途径中的第一个酶即二氢吡啶二羧酸合成酶的反馈阻遏， 着重筛选单氟醋酸(monofluoroaceticacid，简称 mf)抗性突变株及噻唑丙氨酸(—thia-zol—a1anine，简称 ta)抗性突变株。 经多次诱变处理， 获得的fh128菌株(hsˉ、aecr、mfr、tar)，其摇瓶发酵产 l-赖氨酸盐酸盐的产率及对糖转化率与亲株alll相比分别提高约55%及35%( m/m)。

1.8赖氨酸的合成途径

1.8.1二氨基庚二酸途径

蛋氨酸

h吨↗

二氨基庚二酸→赖氨酸

ak ps↗

葡萄糖→天冬氨酸→天冬氨酰磷酸→天冬氨酸半醛

hd↘ hk

高丝氨酸→苏氨酸→异亮氨酸

(ak天冬氨酸激酶;ps二氢吡啶二羧酸合成酶;

hd高丝氨酸合成酶;hk高丝氨酸激酶)

这种合成赖氨酸的途径主要发生在细菌中。由于本次设计所选用的菌种为细菌，所以本次设计合成赖氨酸的途径为二氨基庚二酸途径

1.8.2α-氨基己二酸途径。

该途径首先利用高异柠檬酸合成酶、高乌头酸合酶/顺高乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶催化α-酮戊二酸和乙酰-coa生成α-氨基已二酸，再经过α-氨基已二酸还原酶，酵母氨酸还原酶和酵母氨酸脱氢酶催化生成赖氨酸。

2.生产设备

2.1灭菌设备

灭菌的方法有很多种，如：化学灭菌、射线灭菌、干热灭菌、湿热灭菌、过滤灭菌等。因为本次设计工厂设计要考虑设备的实用性，所以，要采用方便、节约、快捷的连续灭菌设备対培养基进行灭菌，采用空气分过滤系统的设备对空气进行灭菌除尘。

2.2发酵设备

目前，常用的耗氧发酵罐按照能量输入的方式可分为机械搅拌式、气升式和外部液体循环式三大类。为了发酵罐的通用性，本次设计将采用自己设计的机械搅拌型的通用式发酵罐。

2.3分离设备

根据本次设计可知，分离设备应为液-固分离设备。目前常用的液固分离设备有板框压滤机，真空转鼓过滤机，三足式离心机等。根据所收集的资料，本次设计将选用超滤设备。

2.4蒸发设备

为了使产品在发酵液当中的浓度增高，便于提取。因此，要采用蒸发设备。根据产品的特点本次设计将采用应用普遍的膜式真空蒸发器。

2.5干燥设备

为了使产品便于运输及保存，要将分离纯化的产品进行干燥。因此要应用干燥设备。对所收集的干燥设备进行比较，本次设计将选用沸腾造粒干燥器。

3.工艺流程

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

4.时间进度表

XX年2月25日-XX年3月20日：收集、整理、筛选资料，写开题报告。

XX年3月21日-XX年5月05日：根据开题报告写设计。

XX年5月06日-XX年6月02日：根据设计当中所算得的数据进行画图。

XX年6月03日-答辩之前：对设计进行修改并准备答辩。

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