年产1万吨L-赖氨酸干粉工厂的设计-菌种培养工段及实验室的设计
目录
摘 要 1
2
1 L-赖氨酸发酵的工艺流程 5
1.1工艺流程 5
1.1.1 L-赖氨酸发酵原理 5
1.1.2 L-赖氨酸发酵工艺流程 5
1.2 原料的选择[2] 7
1.3 L-赖氨酸生产菌种 7
1.4 培养基 7
1.4.1 培养基选择 7
1.4.2 发酵培养基（g/L）[7] 8
1.4.3 斜面培养基 8
1.4.4 一级种子培养基[3] 8
1.4.5 二级种子培养基（g/L）[5] 9
1.5 淀粉的糖化 9
1.5.1 酸水解法[4] 9
1.5.2 酶水解法 9
1.5.3 酸酶结合水解法 10
1.6 L-赖氨酸提取及L-赖氨酸制备工艺 11
1.6.1 L-赖氨酸的提取[1] 11
1.6.2 L-赖氨酸钠的制取 11
2 L-赖氨酸钠的物料衡 12
2.1 主要技术指标 12
2.2 主要材料质量指标 12
2.2 1 玉米淀粉原料 12
2.2.2 二级种子培养基（g/L）[5] 12
2.2.3 发酵初始培养基（g/L）[7] 13
2.3 L-赖氨酸发酵车间的物料衡算 13
2.4 /aL-赖氨酸钠发酵车间的物料衡算表 15
3 L-赖氨酸发酵的热量衡算 17
3.1 热平衡方程式 17
3.2 液化工序热量衡算 18
3.2.1 液化加热蒸汽量 18
3.2.3 液化液冷却用水 20
3.3 糖化工序热量衡算 20
3.4 连续灭菌和发酵工序热量衡算 21
3.4.1 培养液连续灭菌用蒸汽量 21
3.4.2 培养液冷却用水量 22
3.4.3 发酵罐空罐灭菌蒸汽量 22
3.5 L-赖氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算 24
3.5.1 热量衡算 24
3.5.2 计算蒸汽用量 25
3.6 干燥过程的热量衡算 25
3.7 产过生程耗用蒸汽衡算汇总衡算结果 27
4 设备设计与选型 28
4.1 发酵罐 28
4.1.1.发酵罐类型[8] 28
4.1.2 发酵罐容积的确定 28
4.1.3 生产能力的计算 28
4.1.4 发酵罐个数的确定 28
4.1.5 主要尺寸计算 29
4.2 冷却面积的计算 30
4.3 搅拌器计算 30
4.4 搅拌轴功率的计算 31
4.5 设备结构的工艺计算 33
4.6 设备材料的选择[13] 36
4.7罐壁厚的计算 36
4.8 种子罐 37
4.8.1 二级种子罐容积和数量的确定 37
4.8.2 一级种子罐 41
4.9 空气分过滤器 42
4.9.1 二级种子罐分过滤器 42
4.9.2 一级种子罐分过滤器 42
4.9.3 发酵罐分过滤器 43
参考文献 45
1.2 原料的选择[2]
我国味精生产均以淀粉为原料，成本相对比较高，如全部改用玉米代替大米作原料，每吨味精成本由比国际同行业先进水平高1000元降到比国际同行业先进水平低2000元水平，同时可以大大减少生产所形成的有机废水、废渣，实现清洁生产。
玉米进行浸泡磨浆，再调成15Bx，调pH6.0，加细菌α-淀粉酶进行液化，85℃30min，加糖化酶60℃糖化24h，过滤后可供配置培养基。
1.3 L-赖氨酸生产菌种
玉米为原料发酵生产味精常用菌株有：L-赖氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌、硫殖短杆菌等。国产菌株有：北京棒杆菌AS1.299、北京棒杆菌7338、北京棒杆菌D110、棒杆菌S-944、钝齿棒杆菌AS1.542、钝齿棒杆菌、。本工艺选用L-赖氨酸棒状杆菌( )：生物素缺陷型、温度敏感型。
1.4 培养基
1.4.1 培养基选择
国内L-赖氨酸发酵种子扩大培养普遍采用二级种子培养的流程，即：斜面菌种—一级种子培养—二级种子培养—发酵罐。
1.一级种子培养
一级种子培养的目的在于大量繁殖活力强的菌种，培养基组成应以少含糖分，多含有机氮为主，培养条件从有利于长菌考虑。
2.二级种子培养
为了获得发酵所需要的足够数量菌体，在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养。种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例。
3.发酵培养基
与种子培养及不同，发酵培养基不仅是提供给菌体生长繁殖所需要的营养和能源，而且是构成L-赖氨酸的碳架来源，要累积大量L-赖氨酸，就要有足够量的碳源和氮源，其量大大的高于种子培养基，对于菌体繁殖所必需的因子——生物素却要控制其用量。
L-赖氨酸产生菌是异养微生物，只能从有机化合物中取得碳素的营养，并以分解氧化有机物产生的能量供给细胞中合成反应所需要的能量。目前所发现的L-赖氨酸产生菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等。
在L-赖氨酸发酵中氮源的用途：①组成菌体含氮物质；②组成L-赖氨酸的氨基；③调节pH值，形成L-赖氨酸铵；另外，一部分分解放出氨随排气溢出。
无机盐是微生物生命活动所不可缺少的物质，其主要功能是构成菌体成分；作为酶的组成成分；酶的激活剂或抑制剂；调节培养基的渗透压；调节pH值和氧化还原点位等。
在L-赖氨酸发酵中，由于通气和搅拌，产生少量泡沫是空气溶解于发酵液中和产生二氧化碳的结果。因此，发酵的过程产生少量泡沫是正常的。为了防止泡沫的过多生成和消除泡沫，一般要加少量的消泡剂。
1.4.2 发酵培养基（g/L）[7]
水解糖150，甘蔗糖蜜6，尿素35，玉米浆5～10，硫酸镁0.7，氯化钾0.9，磷酸0.2，生物素2μɡ/L，泡敌1.0，接种量为7% 用NaOH（5%）溶液调pH 7.20
1.4.3 斜面培养基
保藏斜面培养基：牛肉膏l％，蛋白胨l％，氯化钠0.5％，琼脂2％，pH7.0。
活化斜面培养基：葡萄糖0.1％，牛肉膏l％，蛋白胨l％，氯化钠0.5％，琼脂2％，pH7.0。
1.4.4 一级种子培养基[3]
葡萄糖 2.5% 尿素0.5% 硫酸镁0.04%
磷酸氢二钾0.1% 玉米浆 2.5~3.5%
硫酸亚铁、硫酸锰各20ppm、pH7.0
1.4.5 二级种子培养基（g/L）[5]
水解糖40，糖蜜20，尿素5，磷酸氢二钾2，硫酸镁0.6，玉米浆5～10，泡敌0.6，生物素0.02mg/L，硫酸锰2mg/L，硫酸亚铁2mg/L，接种量为2%。 pH 6.8~7.0
1.5 淀粉的糖化
1.5.1 酸水解法[4]
酸水解法又称酸糖化法，是一种传统的水解方法。以酸(无机酸或有机酸)为催化剂，在高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。
该法具有生产工艺简单、设备简易、生产周期短、设备生产能力大等优点。但是，由于水解反应是在高温、高压及较高酸浓度条件下进行的，因此，该法要求有耐腐蚀、耐高温、耐高压的设备。此外，淀粉在酸水解过程中所发生的副反应较多，造成葡萄糖量减少以及不可发酵性糖类、色素等物质增多。这不仅降低淀粉转化率，而且由于生产的糖液质量差，对而后的发酵、提取都带来不利影响。并且酸水解法对淀粉原料要求严格，必须是精制淀粉，淀粉颗粒大小要均匀，不宜过大，否则易造成水解不透彻。淀粉乳浓度也不宜过高，过高则淀粉转化率低。因此目前酸解法已逐步被酶解法所取代。
1.5.2 酶水解法
酶水解法制葡萄糖可分为两步：第一步是利用液化脚化淀粉水解成糊精和低聚糖等，使黏度大为降低，流动性增高，所以工业上称为液化。第二步是利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解为葡萄糖，在生产上称为糖化。由于采用了酶液化和酶糖化工艺，故也称为双酶水解法。
酶水解法(双酶水解法)的优点：
(1)淀粉水解是在酶的作用下进行的，酶解反应条件较温和，因此不需耐高温、耐高压、耐酸的设备。同时，酶在反应过程中也不产生腐蚀性物质，对设备要求低，也改善了劳动卫生条件。
(2)微生物酶作用的专一性强，效率高，淀粉水解的副反应少，因而水解糖液的纯度高，淀粉转化率高，糖液颜色浅，较纯净，无异味，质量高，有利于糖液的充分利用。
(3)可在较高淀粉乳浓度下水解，水解糖液的还原糖含量可达到30％以上。
(4)可采用粗原料，省去粗原料加工成精制淀粉的生产过程，避免淀粉加工中的原料流失，减少粮食消耗。
(5)由于微生物酶制剂中菌体细胞的自溶，使得糖液的营养物质较丰富，简化了发酵培养基。 酶水解法(双酶水解法)的缺点是：
生产周期较长(一般48 h)；要求的设备较多，设备投资人：由于酶本身是蛋白质，易造成糖液过滤困难。但是，随着酶制剂生产及应用技术的提高和酶制剂的大量生产，酶水解法制糖逐渐代替酸法制糖，已成为淀粉水解制糖的一个发展趋势。
