教师参考年产3万吨味精工厂糖化工段设计说明书文档格式.docx
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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9
2.4.7生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量9
2.4.8衡算结果汇总9
第三章糖化工段设备选型10
3.1糖化罐的选型计算10
3.2设备选型汇总10
结论12
参考文献13
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。
第一章糖化工段工艺
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FAO/WHO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0.01mol/L。
钠离子对酶活力稳定性也有作用，其适量浓度为0.01mol/L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。
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50mg/L，可以不加CaCl2。
1.4.2喷射液化
工作蒸汽压0.4MPa,淀粉乳供料泵压力为0.2-0.4MPa，喷射温度100-105℃，液化温度控制在90℃，液化时间60min,碘色反应呈棕色即可。
然后130-140℃灭酶5-10min。
冷却至70℃以下，进入糖化罐。
1.4.3糖化
温度60±
1℃，pH4.0-4.4，糖化酶加量按100-120u/g干淀粉计算，糖化时间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℃。
第二章糖化工段物料衡算
2.1生产能力
商品味精年产量：
30kt/a，则纯谷氨酸钠年产量为：
29700t/a。
（商品味精为99%纯谷氨酸钠）
商品味精日产量：
30000/300=100t/d，纯谷氨酸钠日产量：
99t/d。
2.2计算指标
表2-1计算指标
项目
数值
淀粉糖化转化率
98%
发酵产酸率（浓度）
12%
发酵对糖转化率
60%
倒罐率
2%
谷氨酸提取收率
96%
精制收率
95%
味精对谷氨酸的产率
112%
商品淀粉中淀粉含量
86%
全年工作日
300d
2.3总物料衡算
物料衡算是根据质量守衡定律而建立起来的。
物料衡算是进入系统的全部物料质量等于离开系统的全部物料质量，即
式中F－进入系统物料量，㎏
D—离开系统的物料量，㎏
W—损失的物料量，㎏
图2-1味精生产工艺总物料衡算流程图
2.3.1商品淀粉用量
1000kg纯淀粉实际产100%MSG量:
1000×
1.111×
98%×
60%×
（100%－2%）×
96%×
95%×
1.272=742.68kg
其中：
1.111淀粉转化为葡萄糖的理论产率（C6H10O5（分子量162）→C6H12O6（分子量180），180/162=1.111）；
98%淀粉糖化转化率；
60%发酵对糖的转化率；
2%倒罐率；
96%谷氨酸提取收率；
95%精制收率；
1.272谷氨酸转化为味精的理论产率（C5H9NO4（分子量147）→C5H10NO5Na（分子量187），187/147=1.272）。
1000kg商品淀粉产100%MSG量：
742.68×
86%=638.70kg（86%—商品淀粉中淀粉含量）
1吨100%MSG实耗商品淀粉量：
日产100%味精99t，单耗商品淀粉1.57t，日耗商品淀粉量：
99×
1.57=155.00t/d
2.3.2糖化液量
日产纯糖量：
155.00×
86%×
98%×
1.111=145.14t/d
（86%—商品淀粉中淀粉含量；
98%—淀粉糖化转化率；
1.111—淀粉转化为葡萄糖的理论产率）
折算为30%的糖液：
（发酵时糖液浓度为30%）
145.14/30%=483.79t
即日产30%糖液483.8t。
2.3.3产谷氨酸量
日产纯谷氨酸量:
145.14×
60%×
（100%-2%）×
96%×
95%=77.83t/d
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（t/d）
商品淀粉/t
155.00
糖液/t
30%
483.79
谷氨酸/t
100%
77.83
味精/t
99
2.4糖化工段物料衡算
图2-2糖化工段物料衡算图
2.4.1淀粉浆量及加水量
淀粉加水比例为1:
2，1000kg商业淀粉产淀粉浆：
（1+2）=3000kg
加水量：
2000kg。
2.4.2液化酶量
使用耐高温α-淀粉酶（20000U/ml）,加酶量10U/g干淀粉。
1000kg干淀粉加酶量：
0.5L液化酶质量：
0.5×
1.2=0.6kg。
2.4.3CaCl2量
一般加量为干淀粉的0.15%，即1000kg干淀粉加CaCl2：
0.15%=1.5kg
2.4.4糖化酶量
一般加糖化酶量为120U/g干淀粉，如液体糖化酶为100000U/ml，则每1000kg干淀粉加糖化酶量:
1.2L糖化酶质量：
1.2×
1.25=1.5kg。
2.4.5糖液产量
1000kg商品淀粉产30%糖液质量：
或：
kg
（由日产30%糖液与日投入商品淀粉的关系可得）
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
3146.45+10-（1.5+1.5+0.6）-3000=152.85kg
2.4.8衡算结果汇总
表2-3糖化工段的物料衡算汇总表
进入系统
离开系统
物料比例/kg
日投料量/t
日产料量/t
商品淀粉
1000.00
155.00
30%糖液
3121.17
483.79
配料水
2000.00
310.00
滤渣
10.00
1.55
液化酶
0.60
0.09
CaCl2
1.50
0.23
糖化酶
蒸汽冷凝水及洗水量
127.57
19.77
累计
3131.17
485.34
第三章糖化工段设备选型
3.1糖化罐的选型计算
日产30%糖液483.79t，即
483.79/1.1321=427.34m3
糖化周期40h，一个糖化周期产糖液体积：
427.34×
（40/24）=712.23m3
糖化罐取140m3，装料系数85%，实际装料体积为：
140×
85%=119m3
一个糖化周期需要的糖化罐数：
712.23/119=5.99，取6台
取H=2D罐下部使用圆锥形，取圆锥高度为D/4，由
解得D=4.45，取D=4.4m，H=8.8m，则V=135.2m3。
装液量，119/135.2×
100%=88.02%，装液量合适。
3.2设备选型汇总
表3-1糖化定制设备汇总表
容积（m3）
D
（m）
H
h封
材料
壁厚
数量
电机型号
调浆罐
10.86
2.4
/
碳钢
5
1
Z2-62
储浆罐
16.9
2.2
4.4
维持罐
2.657
3
0.275
4
层流罐
9.42
1.4
5.6
0.375
糖化罐
135.2
8.8
10
6
Y2-280M-2
储糖罐
100.53
8
补胶铸铁
2
表3-2糖化标准设备汇总表
设备
液化喷射器
板框过滤机
板式换热器
型号
CHA-20
BAY20/635-25
BR20
表3-3泵设备汇总
流量，m3/h
扬程，m
转速，r/min
电机功率，kW
泵Ⅰ
G70-1
45
60
960-720
15
泵Ⅱ
G50-1
20
960
5.5
泵Ⅲ
IS100-80-125
60~120
16.5~24
2900
11
泵Ⅳ
IS150-125-315
120~240
29~34
1450
30
泵Ⅴ
IS65-50-125
15~30
18.5~21.8
3.0
图3-1糖化流程设备示意图
结论
本次设计对味精生产的全工段进行物料和热量的计算，日耗商品淀粉464.83吨，日产商品味精90吨。
对糖化工段做了主要设备的选型计算，根据物料衡算的数据计算出需要1个调浆罐、1个储浆罐、1个维持罐、4个层流罐、6个糖化罐和2个储糖罐以及它们的具体参数，其中调浆罐和储浆罐所用的搅拌电机均为Z2-62型，糖化罐的搅拌电机要大不少，为Y2-280M-2型。
工段里用到的四处泵前三处是浓浆泵，因为料液黏度较高，还含有固体颗粒，最后一个泵是将糖化液打到储糖罐的，所以用普通离心泵就行了，从设备选型的结果来看，由于本次设计目标年产量不高，所以设备数量不多，尺寸也不算大。
由于水平有限，本次设计难免有错误或疏漏，敬请批评指正。
课程设计任务书
学院
化学与生物工程学院
专业班级
生物工程09-2
姓名
江海达
所在组别
2009-2-3
课程设计题目
年产3万吨味精发酵工段工艺设计
完成时间
2012年1月2日至2012年1月15日，共2周
设计
依据
1、发酵培养基配方：
水解糖150g/L，玉米浆2g/L，糖蜜4g/L，无机盐3.2g/L，尿素（总尿）40g/L，消泡剂0.6g/L。
二级种子培养基配方：
水解糖25g/L，玉米浆10g/L，糖蜜20g/L，无机盐1.4g/L，尿素3.5g/L，消泡剂0.6g/L。
接种量：
10%
2、商品淀粉中淀粉含量87.2%。
3、发酵过程相关指标：
进入发酵工段的糖液浓度为30%（密度为1.1321），淀粉糖化转化率94.8%，发酵对糖转化率57.6%，倒罐率为1%。
4、提取精制过程相关指标：
谷氨酸提取收率97%，精制收率96%。
5、商品味精纯度为99%，发酵周期42h，全年工作日300d。
6、发酵罐选型相关指标：
单台公称体积100立方米，装液系数75%，H=2D，封头H=D/6。
设计内容
及要求
1、查阅相关资料，对国内外味精生产工艺进行简述；
2、进行年产3万吨味精发酵工段工艺的设计及论证，绘制味精生产工艺总流程图；
3、根据本任务书给出的相关指标进行发酵工段的物料衡算及总物料衡算；
4、列出主要的发酵工段设备，并对主要设备发酵罐进行设备选型，确定糖化罐主要参数（H、D）、台数。
绘制发酵设备流程示意图。
5、撰写一份不少于5000字的课程设计报告。
工作计划
及进度
第19周：
查阅相关资料，进行发酵工艺设计及论证、工艺计算
第20周：
进行设备选型、撰写课程设计报告
指导教师：
升级会员 