化工畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

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2015化工畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

　　題目：年產(chǎn)四萬(wàn)噸賴氨酸工廠初步工藝設(shè)計(jì)

2015化工畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告

　　1.文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)是為：

　　NH NH

　　︳︳

　　R―C―COOH或R―C―COOH。

　　︳︳

　　H H

　　構(gòu)成蛋白質(zhì)的α―氨基酸為無(wú)色晶體，熔點(diǎn)較高(高于200℃，可達(dá)250℃左右);一般能溶于水、稀酸或稀堿中，但不溶于有機(jī)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L(zhǎng)ys�；瘜W(xué)名稱是2,6-二氨基己酸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式是HNCHCHCHCHCH(NH)COOH，為白色結(jié)晶，無(wú)臭，熔點(diǎn)224～225℃(分解)，有L型和D型兩種。其中L型賴氨酸(以下所說(shuō)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(guó)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(guó)際上主要的生產(chǎn)公司有：美國(guó)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(guó)的巴斯夫化學(xué)公司、臺(tái)灣地區(qū)的味丹國(guó)際、韓國(guó)CJ公司等。并且，國(guó)際賴氨酸的市場(chǎng)價(jià)格也是由這幾家生產(chǎn)公司控制。在國(guó)內(nèi)，主要的生產(chǎn)企業(yè)有：吉林省長(zhǎng)春大成實(shí)業(yè)集團(tuán)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(xué)股份有限公司和寧夏伊品生物工程集團(tuán)股份有限公司等。

　　1.4我國(guó)賴氨酸的發(fā)展情況

　　我國(guó)賴氨酸工業(yè)起步較晚, 20世紀(jì)80 年代初國(guó)內(nèi)有十幾家生產(chǎn)廠, 但產(chǎn)能均很小, 大的也不超過(guò)數(shù)百t/年。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展, 通過(guò)與國(guó)外公司的合作及技術(shù)、裝備的引進(jìn), 某些企業(yè)的生產(chǎn)也初具規(guī)模。就2000年～2006年賴氨酸進(jìn)出口情況(見表1)來(lái)看，整體上進(jìn)口量由原來(lái)的很高在逐年降低，而出口量原來(lái)的很低在逐年增加。尤其是在2002與2003年之間，進(jìn)口量下降了2倍多，而出口量則增加了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2005年，中國(guó)賴氨酸出口量首次超過(guò)進(jìn)口量，結(jié)束了賴氨酸長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，成為賴氨酸出口國(guó)。2006出口量雖然高于進(jìn)口量但是出口量遠(yuǎn)低于2005年。由于賴氨酸行業(yè)的整合，國(guó)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(jì)，2011 年中國(guó)賴氨酸產(chǎn)量約為75萬(wàn)t(折合 98.5%)，同比增加31.21%。需求約50萬(wàn)(t折合 98.5%)，同比增加19.05%。

　　表1 2000年～2006年賴氨酸進(jìn)出口情況

　　年度賴氨酸(kg)

　　進(jìn)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(yīng)用

　　賴氨酸的應(yīng)用大致有三方面，一是用于醫(yī)藥，賴氨酸是構(gòu)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(dòng)，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(yáng)酸) 作用生成鹽，以減輕不良反應(yīng);與蛋氨酸合用能抑制重高血壓病;同時(shí)賴氨酸也是優(yōu)良的血栓預(yù)防劑。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，賴氨酸對(duì)營(yíng)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(guó)外報(bào)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(yíng)養(yǎng)強(qiáng)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(shí)期的飼料中添加賴氨酸,能增進(jìn)其食欲,促進(jìn)生長(zhǎng)。在畜禽的成長(zhǎng)階段添加賴氨酸,可以降低原料成本。相較于前兩種應(yīng)用，生產(chǎn)的賴氨酸多用于第三種應(yīng)用。

　　1.6生產(chǎn)方法

　　總體上來(lái)看，目前賴氨酸的生產(chǎn)方法大概有四種：提取法、化學(xué)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(yīng)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(dòng)物血粉為原料，再?gòu)牡鞍踪|(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(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，但原料來(lái)源有限，只適用于小規(guī)模生產(chǎn)。

　　1.6.1化學(xué)合成法

　　化學(xué)合成法一般是以化學(xué)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(yùn)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(diǎn)是使用劇毒原料光氣，導(dǎo)致產(chǎn)品安全性差，并存在嚴(yán)重的環(huán)保問(wèn)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(jī)合成與生物化學(xué)工程相結(jié)合的生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)賴氨酸。己內(nèi)酰胺或二氫呋喃經(jīng)化學(xué)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(wú)色桿菌的消旋酶催化的消旋反應(yīng)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(yīng)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(lái)源廣泛且價(jià)格便宜，同時(shí)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(shè)計(jì)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(gè)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(fēng)-蘇氨酸和L-賴氨酸對(duì)賴氨酸生物合成途徑中的關(guān)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(jìn)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(duì)賴氨酸分支合成途徑中的第一個(gè)酶即二氫吡啶二羧酸合成酶的反饋?zhàn)瓒簦?著重篩選單氟醋酸(Monofluoroaceticacid，簡(jiǎn)稱 MF)抗性突變株及噻唑丙氨酸(—thia-zol—A1anine，簡(jiǎn)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(duì)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(xì)菌中。由于本次設(shè)計(jì)所選用的菌種為細(xì)菌，所以本次設(shè)計(jì)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(guò)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(shè)備

　　2.1滅菌設(shè)備

　　滅菌的方法有很多種，如：化學(xué)滅菌、射線滅菌、干熱滅菌、濕熱滅菌、過(guò)濾滅菌等。因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)工廠設(shè)計(jì)要考慮設(shè)備的實(shí)用性，所以，要采用方便、節(jié)約、快捷的連續(xù)滅菌設(shè)備対培養(yǎng)基進(jìn)行滅菌，采用空氣分過(guò)濾系統(tǒng)的設(shè)備對(duì)空氣進(jìn)行滅菌除塵。

　　2.2發(fā)酵設(shè)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(jī)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(shè)計(jì)將采用自己設(shè)計(jì)的機(jī)械攪拌型的通用式發(fā)酵罐。

　　2.3分離設(shè)備

　　根據(jù)本次設(shè)計(jì)可知，分離設(shè)備應(yīng)為液-固分離設(shè)備。目前常用的液固分離設(shè)備有板框壓濾機(jī)，真空轉(zhuǎn)鼓過(guò)濾機(jī)，三足式離心機(jī)等。根據(jù)所收集的資料，本次設(shè)計(jì)將選用超濾設(shè)備。

　　2.4蒸發(fā)設(shè)備

　　為了使產(chǎn)品在發(fā)酵液當(dāng)中的濃度增高，便于提取。因此，要采用蒸發(fā)設(shè)備。根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)本次設(shè)計(jì)將采用應(yīng)用普遍的膜式真空蒸發(fā)器。

　　2.5干燥設(shè)備

　　為了使產(chǎn)品便于運(yùn)輸及保存，要將分離純化的產(chǎn)品進(jìn)行干燥。因此要應(yīng)用干燥設(shè)備。對(duì)所收集的干燥設(shè)備進(jìn)行比較，本次設(shè)計(jì)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(guò)濾交換柱脫鐵

　　棉花過(guò)濾糖蜜糖化液濾渣恢柱脫色

　　二級(jí)種子無(wú)機(jī)鹽配料脫色液

　　補(bǔ)糖連續(xù)滅菌消泡劑蒸發(fā)結(jié)晶