谷氨酸生产工艺计算.docx
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谷氨酸生产工艺计算
工艺计算
第一节：
物料平衡计算
凡引入某一系统或设备的物料重量Gm,必需等于用于转化形成产物所消耗的物量Gp和物料损失之和Gt
Gm=Gp+Gt
一、物料衡算目的：
（1）确定生产设备的容量、个数和主要设备尺寸；
（2）工艺流程草图设计
（3）水、蒸汽、热量、冷量衡算；
（4）控制生产水平。
二、方法
1．给出物料衡算流程示意图
2．选定计算基准
a.按每批投料量进行计算；
b.按每吨产品消耗的原料量计算；
c.按时间计算。
3．确定工艺指标及消耗定额以及相关的基础数据；
4．列出各工艺阶段的物料衡算表并绘出物料流程图。
三、实例（以年产商品味精10000t为实例）
（一）、生产规模及产品规格
（1）99%规格的味精占80%，即8000t/a;
（2）80%的味精占20%，即2000t/a；
折算为100%味精为：
8000×99%+2000×80%=9520（t/a）
（二）、生产工作制度
全年生产日320天；2~3班作业，连续生产。
（三）、主要工艺技术参数
序号
生产工序
参数名称
指标
淀粉质原料
糖蜜原料
1
制糖（双酶法）
淀粉糖化转化率%
≥98
2
发酵
产酸率g/dl
≥
≥
3
发酵
糖酸转化率%
≥50
≥55
4
谷氨酸提取
提取收率%
≥86
≥80
5
精制
GLU-MSG收率%
≥92
≥90
6
发酵
操作周期h
≤48
≤48
原料及动力单耗表
序号
物料名称
规格
单耗（t/t）
淀粉原料
大米原料
糖蜜原料
1
玉米淀粉
含淀粉86%
2
大米
含淀粉70%
3
糖蜜
含糖50%
4
硫酸
98%
5
液氨
99%
6
纯碱
98%
7
活性炭
8
水
309
309
309
9
电
2000Kwh/t
2000Kwh/t
2000Kwh/t
10
蒸汽
生产过程的总物料衡算
（一）生产能力
以年产商品MSG1000t为实例。
折算为100%MSG9520t/a。
日产商品MSG：
1000/320=（t/d）（其中99%的MSG25t，80%的）
日产100%MSG：
9520/320=（t/d）
（二）总物料衡算（以淀粉质原料为例）
（1）1000kg纯淀粉理论上产100%MSG量：
1000××%×=（kg）
（2）1000kg纯淀粉实际产100%MSG：
1000××98%×50%×86%×92%×=（kg）
（3）1000kg工业淀粉（含量86%的玉米淀粉）产100%MSG量：
×86%=（kg）
（4）淀粉单耗
11t100%MSG消耗纯淀粉量：
1000/=（t）
21t100%MSG实际消耗工业淀粉量：
1000/=（t）
31t100%MSG理论上消耗纯淀粉量：
1000/=（t）
41t100%MSG理论上消耗工业淀粉量：
86%=（t）
（5）总收率：
可以按以下两种方法计算。
1实际产量（kg）/理论产量×100%=×100%=%
2（98%×50%×86%×92%）/%×100%=%
（6）淀粉利用率：
×100%=%
（7）生产过程总损失：
100%－%=%
物料在生产过程中损失的原因：
1糖转化率稍低。
2发酵过程中部分糖消耗于长菌体以及呼吸代谢；残糖高；灭菌损失；产生其他产物。
3提取收率低，母液中Glu含量高。
4精制加工过程损耗及产生焦谷氨酸纳等。
（8）原料以及中间品的计算
1淀粉用量：
×=（t/d）
2糖化液量：
纯糖×86%××98%=（t/d）
折算为24%的糖液：
24%=（t/d）
3发酵液用量：
纯Glu量：
×50%=（t/d）；折算为8g/dl的发酵液：
8%=（m3）；×=（t）（为发酵液的相对密度）
4提取Glu量：
纯Glu量：
×86%=（t/d）折算为90%的Glu量：
90%=（t/d）
5Glu废母液量（采用等电-新离子回收法，以排出的废母液含Glu%g/d计算）：
（）/%=591（m3/d）
（三）总物料衡算结果
衡算结果列汇总表，如下表：
工业原料，淀粉含量86%；糖含量50%。
原料淀粉质原料（玉米淀粉）糖蜜（甜菜糖蜜）
生产1T100%MSGt/d生产1t100%MSGt/vd
工业原料118
糖液24%（t）246.4
谷氨酸（90%）（t）
MSG（100%）（t）
排出含%谷氨591
酸废母液
排出含1%谷
酸废母液650
制糖工序的物料衡算
（1）淀粉浆量及加水量：
淀粉加水比例为：
1：
，1000kg工业淀粉浆1000×（1+）=3500kg；加水量为2500kg。
（2）粉浆干物质浓度
10005×86%/3500=%
（3）液化酶量：
使用液体a-淀粉酶
35005×%=8.75kg
（4）CaCl2:
量3500×%=8.75kg
（5）糖化酶量：
用液体糖化酶3500×%=8.75kg
（6）糖化液产量1000×86%××98%/24%=3898kg
24%糖化液的相对密度为3898/=3576（L）
（7）加珍珠岩量：
为糖液的15%
3898×=5.85kg
（8）滤渣产量：
含水70%废珍珠岩
（）=19.5kg
（9）生产过程进入的蒸汽和洗水量
3898+（×3）=385.4kg
（10）衡算结果（年产万吨味精）：
根据总物料衡算，日投入工业淀粉，物料衡算汇入下表：
制糖工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系
项目
物料比例
日投料量kg
项目
物料比例
日投料量kg
工业淀粉
1000
63190
糖液
3898
246315
配液化酶
2500
157975
滤渣
1232
料水
553
CaCl2
553
糖化酶
553
珍珠岩
370
洗水和蒸汽
24353
累计
247547
累计
247547
三连续灭菌和发酵工序的物料衡算
（1）发酵培养基数量
11000kg工业淀粉，得到24%的糖化液3898kg。
发酵初始糖浓度16.4g/dl，其数量为：
16.4g/dl的糖相对密度为，5704×=6046kg
2配料按放罐发酵液的体积计算：
5704×%/16%=5847（L）
玉米浆：
5847×%（w/v）=11.7kg
甘蔗糖蜜：
5847×%（w/v）=17.5kg
无机盐：
5847×%（w/v）=11.7kg
配料用水：
配料时培养基的含糖量不低于19%，向24%的糖液中加入水量为：
3898×24%/19%-3898=1026（kg）
3灭菌过程中加入蒸汽及补水量：
1081kg④发酵零小时数量验算：
3898++++1026+1081=6046kg
其体积为：
6046/=5704（L）
与以上结果计算一致。
（2）接种量5847×1%（w/v）=（L）
×=62kg
（3）发酵过程加液氨数量，为发酵液体积的%：
5847×%=164kg
（4）加消泡剂量：
为发酵液的%。
5847×%=2.9kg消泡剂的相对密度为，=（L）
（5）发酵过程从排风带走的水分
进风25℃相对湿度为70%，水蒸汽分压18mmHg,排风32℃，相对湿度为100%，水蒸汽分压27mmHg。
进罐空气的压力为大气压，排风大气压。
进出空气的湿含量差为：
X出-X进=
=水/kg干空气）
通风比:
1:
带走水量:
5847××60×36×××=29（kg）
式中为320C时干空气密度（kg/m3）
（7）衡算结果汇总:
年产万吨商品味精日投工业淀粉,连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总列入下表:
连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
项目
1t工业淀粉之匹配物料（kg）
t/d
项目
1t工业淀粉之匹配物料（kg）
t/d
24%糖液
3898
发酵液
6194
391
玉米浆
空气带走水量
29
甘蔗糖蜜
过程分析放罐残留及其他损失
52
无机盐
配料水
1026
灭菌过程进蒸汽及水
68
接种量
62
液氨
164
消泡剂
累计
6275
396
6275
四、谷氨酸提取工序的物料衡算
采取冷冻等电及其新离交回收工艺。
（按1000kg工业淀粉之匹配量计）
（1）发酵液数量：
5847L；6194kg。
（2）加98%硫酸量：
为发酵液的%（W/V）
5843×%=210（kg）
98%硫酸的相对密度,故:
210/=114（L）
（3）谷氨酸产量
a.分离前谷氨酸量:
100%谷氨酸量:
5843×8%（W/V）=（kg）
b.分离后谷氨酸量:
纯谷氨酸:
×86%=402（kg）
90%谷氨酸:
402/90%=（kg）
（4）母液数量:
母液含谷氨酸0.7g/dl.
÷=9343（kg）
（5）谷氨酸分离洗水量
×20%=89（L）
（6）母液回收过程中用水以及酸碱等数量
9343-5843-114-89=3297（L）=3297kg
谷氨酸提取工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
项目
1t工业淀粉之匹配物料（kg）
t/d
项目
1t工业淀粉之匹配物料（kg）
t/d
发酵液
6194
90%谷氨酸
硫酸
210
母液
9343
590
分离用洗水
89
回收加水等
3297
208
累计
9790
累计
五、精制工序的物料衡算
（1）谷氨酸数量
100%Glu402kg；90%Glu446.6kg
（2）Na2CO3量
×%=161（kg）
（3）加活性炭
×%=（kg）
（4）中和液数量
1278×=1482（kg）
式中含40%（W/V）MSG溶液的相对密度（20oBeˊ）
（5）中和加水量
1482-161=873（kg）
（6）产MSG量
产100%MSG量：
精制收率92%，产100%量为：
402××92%=（kg）
（7）产母液量：
母液平均含MSG量25%（W/V）
402××8%/25%=164（L），母液的相对密度则：
164×=（kg）
（8）废湿活性炭数量：
湿碳含水75%
（）=（kg）
（9）MSG分离调水洗水量
×5%=24（kg）
（10）中和脱色液在结晶蒸发过程中蒸发出的水量
1482+（kg）
（11）物料衡算汇总，列入表10-12中。
表10-12精制工序物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
项目
1t工业淀粉及匹配物料（kg）
t/d
项目
1t工业淀粉及匹配物料（kg）
t/d
90%Glu
100%MSG
Na2CO3
161
母液
活性炭
废碳
中和加水
873
蒸发水量
850
分离洗水
24
累计
1506
累计
六、味精生产过程物料衡算图
以投料1000kg工业淀粉为基准，所得各部中间物料及其匹配辅料的衡算结果汇总于图10-4；按年产万吨味精衡算结果（以每日量为基准）汇总于图10-5。
第六节热量衡算
热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6
式中Q1——物料带入的热量（J）
Q2——蒸汽热量（J）
Q3——各种热效应，如发酵热、稀释热、溶解热等（J）
Q4——物料带走热量（J）
Q5——消耗于设备上热量（J）
Q6——设备向外界散失热量（J）
一、液化工序热量衡算
液化工序流程如图10-6所示。
（一）液化加热蒸汽量
加热蒸汽消耗量（D），可按下式计算：
D=
式中G——淀粉浆量（kg/h）
C——淀粉浆比热容（kJ/（kg·K））
t1——浆料初温（20+273=293K）
t2——液化温度（90+273=363K）
I——加热蒸汽焓，2738kJ/kg（，表压）
λ——加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg
（1）淀粉浆量G：
根据物料衡算，日投工业淀粉；连续液化，24=（t/h）。
加水为1：
，粉浆量为：
2630×=9205（kg/h）。
（2）粉浆干物质浓度
×100%=%
（3）粉浆比热C可按下式计算：
C=C0
+C水
式中C0——淀粉质比热容，取（kg·K）
X——粉浆干物质含量，%
C水——水的比热容，（kg·K）
C=
+
=（kJ/（kg·K））
（4）蒸汽用量
D=
=963（kg/h）
（二）灭酶用蒸汽量
灭酶时将液化液由90℃加热至100℃，在100℃时的λ为419kJ/kg。
D灭=
=140（kg/h）
要求在20min内使液化液由90℃升至100℃，则蒸汽高峰量为：
140×
=420（kg/h）
以上两项合计，平均量963+140=1103（kg/h）；每日用量×24=（t/d）。
高峰量：
963+420=1383（kg/h）
（三）液化液冷却用水量
使用板式换热器，将物料由100℃降至65℃，使用二次水，冷却水进口温度20℃，出水温度58.7℃，需冷却水量（W）：
W=
=7873（kg/h）即189（t/d）
二、化工序热量衡算
日产24%的糖液246t，即246/=（m3）。
糖化操作周期30h，其中糖化时间25h。
糖化罐100m3，装料75m3，需糖化罐
×
=（台），取4台
使用板式换热器，使糖化液（经灭酶后）由85℃降至60℃，用二次水冷却，冷却水进口温度20℃，出口温度45℃，平均用水量为：
=8705（kg/h）
式中10308为糖化液量（液化液+蒸汽冷凝水=9205+1103）
要求在2h把75m3糖液冷却至40℃，高峰用水量为：
×
=34518（kg/h）
每日糖化罐同时运转：
×
=（灌）
每投（放）料灌次：
=3（灌）
每日冷却水用量：
2××=216（t/d）
三、连续灭菌和发酵工序热量衡算
（一）培养液连续灭菌用蒸汽量
发酵罐200m3装料系数，每罐产100%MSG量：
200××8%×86%×92%×=（t）
年产万吨商品味精，日产100%MSG。
发酵操作时间48h（其中发酵时间38h），需发酵罐台数：
×
=（台），取6台。
每投（放）料灌次：
=
日运转：
×
=（罐）
每罐初始体积140m3，糖浓度16.4g/dl，灭菌前培养基含糖19%，其数量：
=（t）
灭菌加热过程中用蒸汽（表压）I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由20℃预热至75℃，再加热至120℃。
冷却水由20℃升至45℃。
见图10-7流程所示。
每罐灭菌时间3h，输料流量：
=（t/h）
消毒灭菌用蒸汽量（D）：
D=
=3212（kg/h）=（t/h）
式中为糖液的比热容（kJ/（kg?
K））
每日用蒸汽量：
×3×3=（t/d）
高峰量：
h
平均量：
÷24=（t/h）
（二）培养液冷却水用量
参照图10-7，120℃热料通过与生料热交换，降至80℃，再用水冷却至35℃。
冷却水由20℃升至45℃，计算冷却水量（W）
W=
=68896（kg/h）=69（t/h）
全天用水量：
69×3×3=621（t/d）
（三）发酵罐空罐灭菌蒸汽用量
（1）发酵罐体加热：
200m3，1Cr18Ni9的发酵罐体重，冷却排管重6t，1Cr18Ni9的比热容（kg·K），用（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在Mpa（表压）下，由20℃升至127℃。
其蒸汽量为：
=986（kg）
（2）填充发酵罐空间所需的蒸汽量：
因200m3发酵罐的全容积大于200m3，考虑到罐内之排管、搅拌器等所占之空间，罐之自由空间仍按200m3计算。
填充空间需蒸汽量：
D空=Vρ=200×=（kg）
式中V——发酵罐自由空间即全容积（m3）
ρ——加热蒸汽的密度（kg/m3），表压时为
（3）灭菌过程的热损失：
辐射与对流联合给热系数α，罐外壁温度70℃。
α=+（70-20）=（kJ/（m2·h·K））
200m3发酵罐的表面积为201m3，耗用蒸汽量：
D损=
=199（kg）
（4）罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗
=41（kg）
式中——附壁水平均厚度（1mm）
（5）灭菌过程蒸汽渗漏，取总汽消耗量的5%，空罐灭菌蒸汽消耗量为：
=1632（kg/h）
每空罐灭菌，用蒸汽量：
1632×=2448（kg/罐）
每日用蒸汽量：
2448×3=7344（kg/d），平均量7344/24=306（kg/h）
（四）发酵过程产生的热量及冷却用水量
发酵过程的热量计算有下列几种方法：
（1）通过计算生化反应热来计算总发酵热Q总
Q总=生物合成热+搅拌热-汽化热
生物合成热可通过下列方程计算
C6H12O6+6O26CO2+6H2O+2813Kj
C6H12O6+NH3+2C5H9O4N+CO2++890kJ
搅拌热=860××P（P——搅拌功率，kW）
汽化热=空气流量（m3/h）×（I进-I出）ρ
式中I进、I出——进出之空气热焓（kJ/kg干空气）
ρ——空气密度（kg/m3）
（2）通过燃烧热进行计算
Q总=∑Q作用物燃烧-∑Q产物燃烧
有关物料的燃烧热:
葡萄糖:
15633kJ/kg
谷氨酸:
15424kJ/kg
玉米浆:
12289kJ/kg
菌体:
20900kJ/kg
以发酵6~~12h耗糖速率最快,为放热高峰.
（3）通过冷却水带走的热量进行计算
在最热季节,发酵放热高峰期,测定冷却水量及进、出口温度，然后即可算出最大发热量Q最大（kJ/（m3·K））
Q最大
（4）通过发酵液的温度升高进行计算
关闭冷却水，观察罐内发酵液温度升高，用下式计算Q最大
Q最大=
（kJ/（m3·K））
式中G——发酵液重量（kg）
C——发酵液比热容（kJ/（m3·h））
t——1h内发酵液温度升高数（K）
G1——设备筒体的重量（kg）
C1——设备筒体的比热容（kJ/（kg·K））
V——发酵液体积（m3）
以上四种方法，以（3），（4）比较简单实用。
根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约×104（kJ/（m3·h））。
200m3发酵罐，装料量140m3，使用新鲜水，冷却水进口温度10℃，出口温度20℃，冷却水用量（W）：
W=
=100500kg/h=100（t/h）
日运转台，高峰用水量：
100×=420（t/h）
日用水量：
420××24=8064（t/d）
平均水量：
=336（t/d）
式中——各罐发热状况均衡系数
四、谷氨酸提取工序冷量衡算
等电罐200m3，装液量146m3，相对密度，由30℃降至5℃，降温速度2℃/h。
其冷量为：
146×103××2×=×106（kJ/h）
式中——发酵液比热容（kJ/（kg?
K））
中和时，H2SO4对水的溶解热为92kJ/mol，6h加98%H2SO4
5100kg，其溶解热为：
×92=782（kJ/h）
×106/3600=333（kW）
每天运转台罐，总制冷量：
333×=1399（kW）
五、谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算
年产万吨商品味精，日产100%MSG，选用25m3强制内循环结晶罐，浓缩结晶操作周期24h，其中辅助时间4h。
每罐产100%MSG10t，需结晶罐台数：
=，取4台
式中——每罐投入的晶种量（t）
（一）热平衡与计算加热蒸汽量
每罐投入40g/dl的中和脱色液（俗称原液）23m3，流加30g/dl母液32m3，过程中加水6m3，在70℃下真空蒸发结晶，浓缩3h，育晶17h。
放料数量20m3
（1）热量衡算
①来料带入热量：
进料温度35℃，比热为（kg?
K）
Q来料=（23×+32×）××35×103=×106（kJ）
②加水带入热量：
Q来水=6××35×103=×105（kJ）
③晶种带入热量：
MSG比热容（kJ/（kg?
K））
Q来晶=1600××20=×104（kJ）
④结晶放热：
MSG结晶热为mol
Q晶热=
=×105（kJ）
⑤母液带走热量：
分离母液12m3，折算为相对密度时15t，比热容为（kJ/（kg?
K））
Q=15×103××70=×106（KJ）
⑥随二次蒸汽带走热量：
Q二蒸=（23+32+6-20）×2626×106=×108（kJ）
式中20——结晶罐放罐时的结晶液量（m3）
⑦随结晶MSG带走热量：
Q出晶=10×103××70=×106（kJ）
需外界供给热量：
Q=（Q母+Q二蒸+Q出晶）-（Q来料+Q来水+Q来晶+Q晶热）
=（×106+×108+×106）-（×106+×105+×104+×105）
=×107（kJ）
（2）计算蒸汽用量
每罐次用汽量：
热损按5%折算。
D=
=45830（kg/罐）
每罐浓缩结晶时间20h，每小时耗蒸汽高峰量：
45830/20=2292（kg/h）
4台罐（实际是台）同时运转，高峰用蒸汽量：
×2292=8022（kg/h）
每日用蒸汽量：
×45830=160405（kg/d）=160（t/d）
每小时平均用蒸汽量：
160/24=（t/h）
（二）冷却二次蒸汽所消耗冷却水量
（1）二次蒸汽数量，即水蒸发速度
=（m3水/h）
（2）冷却水量：
使用循环水，进口温度30℃，出口温度45℃，70℃水蒸汽焓（kJ/kg），需冷却水量（W）
W=
=8000（kg/h）=80（t/h）
4台罐，高峰用水量：
80×4=320（t/h）
全日用水量：
80×20×=5600（t/d）
平均用水量：
5600/24=233（t/h）
为保证循环水温度不高于30℃，需加进二次水4000t/d。
六、干燥过程的热量衡算
分离后之湿MSG含水2%，干燥后达到%，进加热之空气为18℃，相对湿度ψ=70%，通过加热器使空气升至80℃，从干燥器出来的空气为60℃。
年产万吨商品味精，
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