完整版年产3万吨谷氨酸钠味精糖化工段毕业设计.docx

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完整版年产3万吨谷氨酸钠味精糖化工段毕业设计

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二〇一一年六月

摘要

谷氨酸是利用微生物发酵生产的一个具有代表性的产品，生产工艺涉及种子培养、发酵、提取、脱色、离心和干燥等重要的单元操作和工程概念。

通过对谷氨酸车间的工艺设计，可以加强对自己对所学知识的综合利能力。

通过本毕业设计训练，可以提高自己理论联系实际的能力和工程设计方面的能力。

本设计是以精制淀粉（纯度为86%）为原料进行设计，使用一次喷射双酶法为糖化工艺，以年实际工作日300天计算，日产味精90吨。

对全厂物料、热量就行衡算，对糖化工段的罐体如调浆罐、储浆罐、维持罐、层流罐、糖化罐、储糖罐以及一些标准设备如液化喷射器、板框过滤机、板式换热器和泵等进行了详细计算，以确定它们的参数，便于设备布置图的绘制。

关键词：

谷氨酸钠；糖化；工艺计算

Abstract

Glutamateisproducedbymicrobialfermentationofarepresentativeoftheproducts,productionprocessesinvolvedinseedculture,fermentation,extraction,bleaching,centrifugationanddryingunitoperationsandotherimportantengineeringconcepts.Throughtheworkshopprocessdesignglutamate,canenhancetheirknowledgeofthecomprehensiveprofitability.Graduatetrainingthroughthedesign,canimprovetheirabilitytointegratetheorywithpracticeandengineeringdesigncapabilities.

Thedesignisbasedonrefinedstarch（86%purity）asrawmaterialsforthedesign,theuseofajetoftwoenzymesforthesaccharificationprocess,theactualworkingdaysto300dayscalculatedat90tonsofmonosodiumglutamateproduction.Thewholeplantmaterial,thethelineforsugarchemicalsegment,suchasmixingtankstank,slurrystoragetank,themaintenancetank,laminarflowtank,saccharificationtanks,storagesugarandsomestandardequipmentsuchasliquidjet,framefilter,plate,todeterminetheirparameters,tofacilitatethedrawingofequipmentlayout.

Keywords:

glutamate;saccharification;processcalculation

引言1

第一章生产工艺2

1.1味精简介2

1.2设计方案的确定2

1.2.1糖化方法的选择论证2

1.2.2液化工艺条件的论证3

1.3糖化工艺流程4

1.4糖化工艺技术要点5

1.4.1调浆配料5

1.4.2喷射液化5

1.4.3糖化5

1.4.4过滤5

1.4.5贮存5

第二章全厂物料衡算6

2.1生产能力6

2.2计算指标6

2.3总物料衡算6

2.3.1商品淀粉用量6

2.3.2糖化液量7

2.3.3产谷氨酸量7

2.3.4衡算结果汇总7

2.4糖化工段物料衡算7

2.4.1淀粉浆量及加水量8

2.4.2液化酶量8

2.4.3CaCl2量8

2.4.4糖化酶量8

2.4.5糖液产量8

2.4.6过滤糖渣量8

2.4.7生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量8

2.4.8衡算结果汇总8

2.5配料、连续灭菌和发酵工段物料衡算9

2.5.1发酵培养基和用糖量9

2.5.2发酵配料10

2.5.3配料用水10

2.5.4接种量10

2.5.5连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量11

2.5.6发酵过程中加入99%液氨量11

2.5.7加消泡剂量11

2.5.8发酵生化反应过程所产生的水分11

2.5.9发酵过程从排风带走的水分11

2.5.10发酵过程化验取样、放罐残留及其他损失12

2.5.11发酵终止时的数量12

2.5.12衡算结果汇总13

2.6中和等电工段物料衡算13

2.6.1发酵液数量13

2.6.2高流量13

2.6.3硫酸用量14

2.6.4等电液数量14

2.6.5谷氨酸产量14

2.6.6加水量14

2.6.7洗水量14

2.6.8母液（上清液）数量14

2.6.9物料衡算汇总14

2.7离交工段物料衡算15

2.7.1母液调pH用硫酸量15

2.7.2母液数量15

2.7.3调高流用硫酸量15

2.7.4洗脱液用99%液氨数量15

2.7.5高流量15

2.7.6排出废液量15

2.7.7配洗脱液用水量15

2.7.8物料衡算汇总16

2.8中和脱色工段物料衡算16

2.8.1谷氨酸数量16

2.8.2离子膜碱用量16

2.8.3粉末活性炭用量16

2.8.4中和脱色液数量17

2.8.5废碳渣数量17

2.8.6用水量17

2.8.7物料衡算汇总17

2.9精制（结晶）工段物料衡算18

2.9.1中和脱色液数量18

2.9.2产MSG量18

2.9.3产母液量18

2.9.4蒸发结晶过程加水18

2.9.5MSG分离调水洗水量18

2.9.6结晶过程蒸发水分18

2.9.7物料衡算汇总18

第三章全厂热量衡算19

3.1液化工段热量衡算19

3.1.1液化加热耗蒸汽量19

3.1.2液化液冷却耗水量20

3.2糖化工段热量衡算20

3.3连续灭菌、发酵工段热量衡算20

3.3.1培养液连续灭菌用蒸汽量20

3.3.2培养液冷却用水量21

3.3.3发酵罐空罐灭菌蒸汽用量21

3.3.4发酵过程产生的热量及冷却用水量22

3.4提取工段冷量衡算23

3.5精制（结晶）工段热量衡算23

3.5.1热平衡与计算加热蒸汽量23

3.5.2二次蒸汽冷凝所消耗循环冷却水量25

3.6味精工段热量衡算25

3.6.1干燥时需蒸发水量25

3.6.2味精干燥过程所需热量26

3.6.3味精干燥过程需空气量26

3.6.4味精干燥过程耗用蒸汽量26

3.7制冷机耗蒸汽量27

3.8热量衡算汇总27

第四章糖化工段设备选型28

4.1糖化设备28

4.1.1调浆罐28

4.1.2储浆罐29

4.1.3连续液化喷射器29

4.1.4维持罐29

4.1.5层流罐30

4.1.6糖化罐30

4.1.7储糖罐31

4.2过滤设备31

4.2.1板框过滤机31

4.3换热设备32

4.3.1板式换热器32

4.4泵33

4.4.1泵Ⅰ33

4.4.2泵Ⅱ34

4.4.3泵Ⅲ34

4.4.4泵Ⅳ35

4.4.5泵Ⅴ36

4.5设备选型汇总37

结论38

参考文献39

引言

味精又称谷氨酸一钠，其基本成分为L-谷氨酸，具有强烈的肉类鲜味。

将其添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，故被广泛使用。

味精在胃酸作用下生成的谷氨酸，被人体吸收后，参与人体内许多代谢反应，并与其他氨基酸一起共同构成人体的组织蛋白。

谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷，还能促进中枢神经系统的正常活动，对治疗脑震荡和脑神经损伤有一定功效[1]。

我国的味精生产始于1923年，上海天厨味精厂最先用水解法生产。

1932年沈阳开始用脱脂豆粉水解生产味精。

我国从1958年开始谷氨酸生产筛选及其发酵机理的基础性研究，1964年首先在上海进行工业化试生产。

目前国内味精生产已全部用发酵法。

所以，今后菌种，工艺技术和生产规模方面还需加大改革力度，使生产水平再上一个新台阶！

目前，企业生产味精都是以发酵法生产，但每生产1吨味精要排放20～25吨母液，其属于高浓度有机酸性废水，需对母液进行回收，发展高效提取工艺，提高谷氨酸提取率和降低工艺用水，减少废水排放量，实现味精的清洁生产，在发展工业经济的同时走上可持续发展的文明道路，这样，我国的味精工业不但真正收到经济效益和环境效益的共同丰收，而且也会减轻政府对行业的管理负担，形成多种因素和谐统一，走上良性运行可持续发展的健康道路。

第一章生产工艺

1.1味精简介

学名：

L-谷氨酸单钠盐-水化合物

商品名：

味精、味素、谷氨酸钠，因味精起源于小麦，俗称麸酸钠

英文名：

MonosodiumL-Glutamate，简写MSG

结构式：

HOOC-CH2-CH2-CH-COONa·H2O

︱

NH2

分子式：

NaC5H8O4N·H2O，分子量：

187.13

味精于1909年被日本味之素（味の素）公司所发现并申请专利。

纯的味精外观为一种白色晶体状粉末。

当味精溶于水（或唾液）时，它会迅速电离为自由的钠离子和谷氨酸盐离子（谷氨酸盐离子是谷氨酸的阴离子，谷氨酸则是一种天然氨基酸）。

要注意的是如果在100℃以上的高温中使用味精，经科学家证明，味精在100℃时加热半小时，只有0.3％的谷氨酸钠生成焦谷氨酸钠，对人体影响甚微。

还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。

所以要适当使用和存放。

味精不仅应用于食品行业，还被广泛应用于医药、工业、农业等方面。

味精2004年的全球市场约为170万吨，预计2010年将增长到210万吨。

我国是味精生产大国，2003年中国味精产量118.9万吨，占世界53%，2006年产量136万吨，居世界第一[2]。

味精曾一度被怀疑是不可安全食用的增鲜调味品[3]。

1973年FAOWHO食品添加剂专家联合组织一度规定，味精的ADI值0mg~120mg，即摄入量每天每千克人体体重不得超过120mg。

但国际上许多权威机构都做过味精的各种毒理试验，到目前为止，还未发现味精在正常使用范围内对人体有任何危害的依据，即证明食用味精是安全的。

[4]

1.2设计方案的确定

1.2.1糖化方法的选择论证

糖化工段主要有酸解法、酶酸法、双酶法这三种方法。

酸解法是传统的制糖方法，它是利用无机酸为催化剂，在高温高压条件下，将淀粉转化为葡萄糖。

酶酸法是将淀粉乳先用α-淀粉酶液化，然后用酸水解成葡萄糖。

双酶法是通过淀粉酶液化和糖化酶糖化将淀粉转化为葡萄糖。

三种糖化工艺，各有其优缺点。

从糖液质量、收得率、耗能以及对粗淀粉原料的适应情况看，双酶法最佳、酶酸法次之、酸解法最差。

但双酶法生产周期长，糖化设备较庞大。

从糖浆的黏度来看，双酶法最低、酸解法最高。

双酶法制糖工艺可根据升温方式的不同分为升温液化法、喷射液化法。

喷射液化法又依所用加热设备的不同分为一次喷射液化法和二次喷射液化法。

一次喷射液化法由于能耗低，设备少，糖液质量好而获得广泛的应用[5]。

所以本次设计采用一次喷射双酶法。

1.2.2液化工艺条件的论证

α-淀粉酶能能水解淀粉及其产物内部的α-1，4糖苷键，不能水解α-1，6糖苷键，但能越过α-1，6糖苷键继续水解α-1，4糖苷键，而将α-1，6糖苷键留在水解产物中。

（1）淀粉液化条件

淀粉是以颗粒状态存在的，具有一定的结晶性结构，不容易与酶充分反应,如淀粉酶水解淀粉颗粒和水解糊化淀粉的比例为1﹕20000。

因此必须先加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，使原来排列整齐的淀粉层结晶结构被破坏，变成错综复杂的网状结构。

这种网状会随温度的升高而断裂，加之淀粉酶的水解作用，淀粉链结构很快被水解为糊精和低聚糖分子，这些分子的葡萄糖单位末端具有还原性，便于糖化酶的作用。

由于不同原料来源的淀粉颗粒结构不同，液化程度也不同，薯类淀粉比谷类淀粉易液化。

淀粉酶的液化能力与温度和pH值有直接关系。

每种酶都有最适的作用温度和pH值范围，而且pH和温度是互相依赖的，一定温度下有较适宜的pH值。

在37℃时，酶活力在pH值5.0～7.0范围内较高，在pH值6.0时最高，过酸过碱都会降低酶的活性。

α-淀粉酶一般在pH值6.0～7.0较稳定。

酶活力的稳定性还与保护剂有关，生产中可通过调节加入的CaCl2的浓度，提高酶活力的稳定性。

一般控制钙离子浓度0.01molL。

钠离子对酶活力稳定性也有作用，其适量浓度为0.01molL左右。

现在研究发现当物料pH大于5.7后，在最终糖液中即有可能生成麦芽酮糖。

研究还发现，随着液化pH的不断升高，麦芽酮糖的含量也在同步增长。

在液化pH低于5.6时，即可避免在糖化过程中产生麦芽酮糖。

工业生产上，为了加速淀粉液化速度，多采用较高温度液化，例如85～90℃或者更高温度，以保证糊化完全加速酶反应速度。

但是温度升高时，酶活力损失加快。

因此，在工业上加入Ca2+或Na+,使酶活力稳定性提高。

（2）液化程度的控制

淀粉经液化后，分子量逐渐减少，黏度下降，流动性增强，给糖化酶的作用提供了条件。

但是，如果让液化继续下去，虽然最终水解物也是葡萄糖和麦芽糖等，但这样所得糖液葡萄糖DE值低；而且淀粉的液化是在较高温度下进行的，液化时间加长，一部分已经液化的淀粉又会重新结合成硬束状态，使糖化酶难以作用，影响葡萄糖的产率，因此必须控制液化进行程度。

淀粉液化的目的是为了给糖化酶的作用创造条件，而糖化酶水解糊精及低聚糖等分子时，需先与底物分子生成络合结构。

这就要求被作用的底物分子有一定的大小范围，才有利于糖化酶生成这种结构，底物分子过大或过小都会妨碍酶的结合和水解速度。

根据发酵工厂的生产经验，在正常液化条件下，控制淀粉水解程度在葡萄糖值为10～20之间为好（即此时保持较多量的糊精及低聚糖，较少量的葡萄糖）。

而且，液化温度较低时，液化程度可偏高些，这样经糖化酶糖化后糖化液的DE值较高。

淀粉酶液化终点常可以典液显色来控制。

1.3糖化工艺流程[6]

图1-1一次喷射双酶法制糖工艺流程图

1.4糖化工艺技术要点

1.4.1调浆配料

淀粉乳调成15-20oBe。

研究发现，在淀粉液化过程的配料阶段，当物料pH大于5.7后，在最终糖液中即有可能生成麦芽酮糖。

研究还发现，随着液化pH的不断升高，麦芽酮糖的含量也在同步增长。

在液化pH低于5.6时，即可避免在糖化过程中产生麦芽酮糖，而这就需要采用低pH特性的淀粉酶。

用Na2CO3水溶液调pH5.5-5.6，以减少不可发酵糖的产生（α-淀粉酶pH范围为5.5-7.0）。

CaCl2用量为干淀粉的0.15-0.3%，如果水中Ca2+超过50mgL，可以不加CaCl2。

1.4.2喷射液化

5-10min。

冷却至70℃以下，进入糖化罐。

1.4.3糖化

24-32h。

要求每两小时或四小时检查一次糖化液的糊精状况，直至无明显糊精为糖化结束，即以无水乙醇检查无白色沉淀为终点。

终点DE值为95%-98%。

注意控制监测及时判断终点以防糖化过度产生异麦芽糖。

1.4.4过滤

糖液先用NaCO3水溶液调pH4.8-5.0，不加或少加助滤剂，过滤。

1.4.5贮存

为防止糖液贮存中发酵变质，应保证糖液温度不低于60℃。

第二章全厂物料衡算

2.1生产能力

商品味精年产量：

30kta，则纯谷氨酸钠年产量为：

29700ta。

2.2计算指标

表2-1计算指标

项目

数值

淀粉糖化转化率

97.5%

发酵产酸率（浓度）

11.8%

发酵对糖转化率

58.5%

培养菌种耗糖为发酵耗糖

1.5%

谷氨酸提取收率

96.4%

精制收率

94.7%

商品淀粉中淀粉含量

85.9%

发酵周期（含辅助时间）

40h

全年工作日

330d

2.3总物料衡算

2.3.1商品淀粉用量

1000kg纯淀粉实际产100%MSG量:

1000×1.11×97.5%×58.5%×（100%－1.5%）×96.4%×94.7%×1.272=724.2kg

1000kg商品淀粉产100%MSG量：

724.2×85.9%=622.1kg

1t100%MSG实耗商品淀粉量：

日产100%味精90t，单耗商品淀粉1.6076t，日耗商品淀粉量：

相当于日耗100%淀粉：

2.3.2糖化液量

日产纯糖量：

折算为30%的糖液：

2.3.3产谷氨酸量

产纯谷氨酸量:

折算为90%湿谷氨酸量：

2.3.4衡算结果汇总

表2-2总物料衡算结果汇总表

原料

规格

日产（耗）量（td）

商品淀粉t

85.9%

144.68

糖液t

30%

448.35

谷氨酸t

90%

83

味精t

100%

90

2.4糖化工段物料衡算

图2-1制糖工序物料衡算图

2.4.1淀粉浆量及加水量

淀粉加水比例为1:

1.8，1000kg工业淀粉产淀粉浆：

kg

加水量：

1800kg。

2.4.2液化酶量

使用耐高温α-淀粉酶（20000Uml）,加酶量10Ug干淀粉。

1000kg干淀粉加酶量：

0.5L液化酶质量约为0.6kg。

2.4.3CaCl2量

一般加量为干淀粉的0.15%，即1000kg干淀粉加CaCl2：

1000×0.15%=1.5kg

2.4.4糖化酶量

一般加糖化酶量为120Ug干淀粉，如液体糖化酶为100000Uml，则每1000kg干淀粉加糖化酶量:

1.2L糖化酶质量约为1.5kg。

2.4.5糖液产量

2.4.6过滤糖渣量

湿渣（含水70%）10kg,折干渣量:

2.4.7生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量

2.4.8衡算结果汇总

表2-3制糖车间工序的物料衡算汇总表

进入系统

离开系统

项目

物料比例

kg

日投料量t

项目

物料比例

kg

日产料量

t

商品淀粉

1000

144.68

30%糖液

3098.8

448.35

配料水

1800

260.43

滤渣

10

1.45

液化酶

0.6

0.0868

CaCl2

1.5

0.217

糖化酶

1.5

0.217

蒸汽冷凝水及洗水量

305.24

44.16

累计

3108.84

449.8

3108.8

449.8

2.5配料、连续灭菌和发酵工段物料衡算

图2-2配料、连续灭菌和发酵工段物料衡算图

2.5.1发酵培养基和用糖量

1000kg商品淀粉，可产100%糖量：

1000×85.9%×1.11×97.5%=929.65kg

其中初始发酵定容用糖占53%，即929.65×53%=492.7kg（100%糖）；流加补料用糖占47%，即929.65×47%=436.9kg（100%糖）。

初糖用30%的糖液配料：

，即

初糖配13gdL，初定，13gdL糖液相对密度1.05，则

37901.05=3979.6kg

流加补糖用60gdL浓糖浆（相对密度1.223），则

，

2.5.2发酵配料

每吨商品淀粉产100%糖929.65kg，发酵配料用各种营养物质比例见下表。

表2-4发酵配料用各种营养物比例

名称

质量

玉米浆（CSL）

2.8kg

糖蜜

3.5kg

MgSO4·7H2O

2.4kg

KCl

5.5kg

Na2HPO4·12H2O

7.1kg

其他（生物素等）

0.7kg

总计

22kg

2.5.3配料用水

初始配料时培养基含糖量不低于20%，向30%的糖液中加水量为：

2.5.4接种量

发酵初定容3790L，种量为10%，即379L。

种子液相对密度1.02，则

kg

二级种子培养液所需水解糖量：

m糖=50V种=18.95kg（用30%糖液63.2kg）

所需玉米浆量：

m玉米浆=8V种=3.032kg

所需糖蜜量：

m糖蜜=20V种=7.58kg

K2HPO4：

m磷酸氢二钾=1.0V种=0.379kg

蒸汽及水[7]：

2.5.5连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量

2.5.6发酵过程中加入99%液氨量

1t商品淀粉产100%糖929.65kg，产100%谷氨酸：

929.65×58.5%×（1-1.5%）×96.4%=516.4kg

式中96.4%——谷氨酸提取收率

一般发酵耗氨量为谷氨酸量的0.30，即：

516.4×0.3=154.9kg

2.5.7加消泡剂量

一般1t谷氨酸加消泡剂5kg,则

消泡剂相对密度为0.8，2.580.8=3.23L

2.5.8发酵生化反应过程所产生的水分

1t商品淀粉在发酵液中所产生的100%谷氨酸量：

生成1mol谷氨酸产3molH2O；生成1mol菌体产7molH2O。

根据发酵反应式，发酵产生的水分为：

长菌过程产生水分，1g菌体产酸11g，应产生水分为：

以上合计产生水238.5kg。

2.5.9发酵过程从排风带走的水分

进风25℃，相对湿度65%，水蒸气分压18mmHg（1mmHg=133.322Pa）；排风32℃，相对湿度100%，水蒸气分压27mmHg。

进罐空气的压力为1.5大气压（表压）（1大气压=1.01325Pa），排风0.5大气压（表压），出进空气的湿含量差：

通风比1:

0.3，发酵液数量5000L，带走谁分量：

式中60——60min

32——发酵时间，，辅助5min，则：

调浆次数：

（次）

每次调浆量：

调浆罐装液系数取85%，则调浆罐体积为：

取H=D，由解得：

D=2.4，则取D=2.4得V=10.86m3

符合装液量要求。

每天可调装糖化罐罐次：

罐次。

每日糖化罐投料罐次：

罐次，所以需要1台调浆罐。

式中448.35——日产30%糖液量，t

1.1321——30%糖液密度，tm3

罐体材料采用碳钢，内涂防腐层，壁厚5mm。

搅拌器转速120rmin，即2rmin，搅拌直径0.8m

搅拌功率

其中A——以列管代替挡板以及各部尺寸按比例放大后测得的搅拌功率