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PretreatmentHydrolysisFermentation

1.味精生产工艺流程图

图3-1味精生产总工艺流程图

Fig.3-1.TheflowdiagramofMonosodiumglutamateproductionprocess

1味精生产工艺

1.1原料预处理及淀粉水解糖制备

1.1.1原料预处理

此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。

用于除杂的设备为筛选机，常用振动筛，结构简单，使用方便；

用于原料粉碎的设备有盘磨机、锤式粉碎机和辊式粉碎机，这里选择辊式粉碎机，实现物料的中碎和细碎。

本次设计原料为淀粉，将原料粉碎到0.6-1.5mm的颗粒后才能进行糖化发酵，目的是为了增加原料接触面积。

1.1.2淀粉水解糖制备

由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉作为碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。

淀粉水解为葡萄糖先要进入液化阶段，然后再与糖化酶作用进入糖化阶段。

液化阶段：

首先利用α-淀粉酶将淀粉浆液化，降低淀粉黏度并将其水解成糊精和低聚糖。

液化使用喷射液化器，工作蒸汽压0.4Mpa，温度维持在90℃，液化时间60min，碘色反应呈棕色即可。

然后130-140℃灭酶5-10min。

经板式换热器冷却到70℃以下，进入糖化罐。

从换热器出来的热水供配料和洗滤渣用。

糖化阶段：

一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内将进一步水解为葡萄糖。

糖化过程需要加入糖化酶，糖化温度控制在60℃左右，pH值4.0-4.4，糖化时间32h。

糖化结束后，将糖化罐加热至80-85℃，灭酶30min。

过滤得葡萄糖液，经过换热器、维持罐进行连续消毒后作为培养液进入发酵罐。

1.2种子扩大培养及谷氨酸发酵

1.2.1种子扩大培养

在生物化工中菌种的优良与否直接影响到发酵产物的质量和产量，所以有专门的菌种培养和保藏设备，在微生物学上利用自然选育来防止菌种退化。

种子扩大培养是为了保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。

在生产之前，技术人员经过挑选将发酵菌种从保藏菌种中取出，从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产菌种。

1.2.2谷氨酸发酵

谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。

用于灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器—维持管—真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。

但由于糖液黏度较大，流动性差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少，故采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统。

消毒后的谷氨酸培养液在流量监控下进入谷氨酸发酵罐，经过罐内冷却蛇管将温度冷却至32℃，接入菌种，添加氯化钾、硫酸锰、消泡剂及维生素等，通入无菌空气，菌种经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行。

谷氨酸发酵是一个复杂的微生物生长过程，谷氨酸菌摄取原料的营养，并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。

培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，反应物转化为谷氨酸产物。

整个发酵过程一般要经历3个时期，即适应期、对数增长期和衰亡期。

每个时期对培养液浓度、温度、pH值及供风量都有不同的要求。

因此，在发酵过程中，必须为菌体的生长代谢提供适宜的生长环境。

经过大约34小时的培养，当产酸、残糖、光密度等指标均达到一定要求时即可放罐。

发酵设备采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50m3到200m3之间。

对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。

由于谷氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。

首先由高空采气塔采集高空洁净空气，经空气压缩机压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后，送至发酵罐使用。

在北方地区由于空气湿度小、温度低，可采用空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备。

根据不同的生长时期要改变通风量，其中在对数增长期，由于菌体生存于发酵液中，发酵液中的溶解氧（D0值）对菌体极为重要。

另外，发酵过程常常会出现噬菌体污染，为了避免出现大面积噬菌体污染，需要在发酵生产管理上要抓好环境消毒工作，环境消毒工作要进行考核，空气过滤器定期更换、定期消毒,做好纯化罐的定期检修工作。

1.3谷氨酸的提取及谷氨酸单钠的制备

该过程由等电点中和与二次中和两部分完成。

1.3.1谷氨酸的提取

利用氨基酸两性的性质，谷氨酸在等电点时，绝大部分分子以偶极离子状态存在，其分子在静电引力的作用下，易于形成较大的聚合体，即等电点下溶解度最低，可经长时间的沉淀得到谷氨酸。

因此提取即用无机酸将发酵液的pH值调整到等电点pH3.2处并获得谷氨酸的结晶。

等电点中和（酸中和）首先将谷氨酸发酵液送至中和罐定容，并向中和罐盘管内注入冷冻盐水，将发酵液温度降至22℃，然后加硫酸中和，使其pH值从7.0降至3.2，温度从22℃降至8℃。

该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸1.5h，保证晶体增长。

然后继续缓慢加酸调整，直至pH降为3.2，温度冷却至8℃，使之达到等电点，停止中和及搅拌。

1.3.2谷氨酸单钠的制备

二次中和（碱中和）是将上述溶液过滤得到谷氨酸结晶，加入40-60℃的温水溶解，用碳酸钠将谷氨酸溶液的pH值调至5.6。

谷氨酸是两性电解质，在不同的pH值下有不同的电离方式。

pH值低，溶液中的谷氨酸浓度百分率高；

pH高，溶液中的谷氨酸二钠的浓度百分率高。

谷氨酸及谷氨酸二钠均无味精的鲜味，因此，碱中和时必须控制适宜的pH值，以使谷氨酸尽可能生成谷氨酸单钠。

碱中和时速度要缓慢，以免中和时产生大量的二氧化碳泡沫，造成液面升高或逸出。

加碱的速度过快，搅拌不均匀还会导致局部pH值过高，同样影响中和效果。

中和温度要控制在70℃以内，温度过高，会使谷氨酸钠脱水，生成焦谷氨酸钠，影响产品质量与收率。

1.4味精的精制

谷氨酸单钠粗品经提纯、加工、包装，得到成品，即味精。

谷氨酸钠溶液经过脱色及离子交换柱除去Ca2+、Mg2+、Fe2+离子，即可得到高纯度的谷氨酸钠溶液。

将纯净的谷氨酸钠溶液导入结晶罐，进行减压蒸发，当波美度达到29.5时放入晶种，进入育晶阶段，根据结晶罐内溶液的饱和度和结晶情况实时控制谷氨酸钠溶液输入量及进水量。

经过十几小时的蒸发结晶，当结晶形体达到一定要求、物料积累到80％高度时，将料液放至助晶槽，结晶长成后分离出味精，送去干燥和筛选。

结晶罐的基本操作条件为罐内真空度0.075-0.085MPa，温度为70℃，浓缩液浓度波美度为33-36，结晶时间10-14h，操作原则是争取最大的结晶速度和收率并获得均匀整齐的晶型。

精制味精脱色一般采用K-15碳柱脱色，此法成熟，但是脱色效果不理想，一般仅平均提高中和液透光率5-6个百分点。

对中和液色度大的，需反复脱色；

有时还要加保险粉，制约生产；

且洗脱困难，冲洗热水及酸、碱用量大，时间长，有机废水多。

本设计选用XSX-8吸附树脂对味精进行脱色，解决了上述难题。

它的优点：

1、味精质量高。

1）脱色好。

进柱中和液透光率85％，出料96—99％；

进柱中和液透光率75—80％，出料95-98％；

提高值远优于K-15，且不需加保险粉；

2）可吸附20-30％硫酸盐，对降低味精硫酸盐有好处，K-15无此功能。

2、投资省。

同规模投资省20-30％，因为XSX-8吸附能力是K-15的4-5倍，新工艺设备少，填料量是K-15的l/4。

3、处理成本低。

废水少3/4。

再生省热水3/4，省酸碱30-50%，省时间60%，故处理成本低。

本工艺综合比较产品质量、投资、运行费用、环保、操作等各方面均可证明，其性价比优于K-15碳柱工艺。

2谷氨酸提取操作中的要点

2.1pH值

谷氨酸在等电点时，绝大部分以偶极离子状态存在，并含有等量的阴离子（Glu-）和阳离子（Glu+），正负电荷相等，总静电荷为零。

在溶液中由于谷氨酸分子之间相互碰撞，并在静电引力的作用下，结合成较大的聚合体，故在等电点时谷氨酸表现最低的溶解度，利用此原理，将发酵液中的谷氨酸结晶。

正常谷氨酸发酵液pH值为6.7左右。

需要将发酵液的pH值调整至3.0—3.2之间才能达到其目的。

在调整pH值过程中并非使pH值均匀下降，必须保证溶解度均匀下降，并保证溶解度的下降速度。

可检测其溶解度下降规律，确定pH值的下降速度来得以实现工艺的优化，用试纸检测pH值时必须用高纯度的谷氨酸校正pH试纸，这样才能达到pH值的准确性，达到较高的收率。

2.2温度

降低温度也是降低溶解度的方法之一。

在育晶前以育晶温度的需要来进行调整；

育晶至pH3.8，温度控制在不回升的基础上缓降，下降速度越慢好；

pH3.8—pH终点可适当加快降温速度，避免pH、温度迭加因素影响质量；

pH终点后应满开冷却水阀门尽快拉至温度终点，然后搅拌几个小时，进行沉降。

理论上，温度终点越低收率越好（理论上-5℃母液会结冰，可拉至-3℃～-4℃），但这里必须考虑其冷冻能力及生产成本（成本最为重要），所以终点温度控制比这要高很多。

3谷氨酸发酵过程计算机控制程序

为了实现发酵条件最优化，采用电子计算机控制发酵条件。

谷氨酸发酵中的一些参数实现计算机自动控制，使微生物的生长、基质消耗、谷氨酸积累等可控参数趋于稳定和最优化。

3.1发酵过程控制

谷氨酸发酵是用糖液和其它生物素等组成的基质溶液，在通风供氧和适宜温度、酸度条件下，缓慢进行的生化反应过程。

在整个发酵期间，必须严格控制微生物生长所需要的环境条件，如通风量、pH值、罐温、生物素等。

环境因素控制不当，可能导致“发酵转换”现象，即改变微生物代谢途径，使谷氨酸产量锐减，副产酸大量增加，直接影响生产效益。

由于原料及生物素是由工艺决定的，因此通风量、pH值、罐温、适时补糖就成为保证发酵正常进行的关键因素。

3.1.1制糖工段的控制

主要控制回路有调浆罐温度及pH值的控制、一次喷射温度的控制、糖化温度的控制。

调浆罐定容可采用流量或液位测量方式，在调浆罐中，使淀粉与水混合，调浆罐温度用进入盘管的蒸汽控制在30℃，pH值用纯碱溶液控制在6.4。

这些系统均采用单回路PID控制，只要控制器参数调整适宜，都能满足控制要求。

待溶液混合均匀后，用泵将淀粉浆送入喷射器，在喷射器中利用蒸汽将浆打入缓冲罐中，喷射器出口温度控制在100～105℃。

降压后，用泵送入分离器中，在分离器中，气体从顶部放出，淀粉浆进入层流罐后经冷却器将温度降至60℃。

接着进入糖化罐，糖化罐中的温度控制在60℃左右，在罐中加入糖化酶使之糖化，再经过滤器进入糖液储罐。

3.1.2谷氨酸发酵工段的控制

谷氨酸发酵是一个较为复杂的生化过程，要使菌体生长迅速、代谢正常、多出产物，必须为其提供良好的生长环境。

一般主要控制参数有通风量或溶解氧、发酵液pH值、发酵温度、罐压等。

因为发酵过程中菌体生长及次级代谢产物的合成都非常复杂，再加上发酵的规模较大，对各种影响因素灵敏，所以发酵过程比较适合运用自动化对生产进行相应的控制。

溶解氧的控制：

谷氨酸菌的生长必须在有氧的环境下进行，根据不同的生长时期改变通风量，其中在对数增长期，菌体生长代谢最活跃，需要的氧量最多。

由于菌体生存于发酵液中，发酵液中的溶解氧（DO值）对菌体极为重要。

空气经过分配器的小孔进入发酵罐底部，鼓泡而上，再经过充分的搅拌，对O2向液相扩散起到重要的作用。

因此，生物供氧不能简单停留在按发酵阶段调整通风量的设定值上，这里采用溶解氧在线分析器、排气CO2和O2浓度分析器组成了多变量的先进控制系统，计算机根据发酵液中实际氧含量及菌体生长代谢情况调节通风量控制系统的设定值和搅拌电机转速，对改善溶解氧的浓度起到了良好的作用。

pH值控制：

发酵过程的pH值变化比较缓慢，并且受温度、通风量、菌体的生长代谢情况影响，比一般的酸碱中和过程复杂得多。

在整个发酵过程中，pH设定值是时间的函数，每时每刻对pH值的动态精度要求都很高，发酵全程pH值不能低于6.4，否则产酸率、产酸速率将明显下降。

在发酵的初始阶段，因为其产酸能力较低，不能过快的增加液氨流量，应对控制器输出适当限幅。

采用具有多种约束的非线性PID控制方法，以获得优良的控制效果。

温度控制：

根据发酵进行的时间和工艺要求设计一个最优发酵温度设定函数，然后通过计算机根据此函数自动控制温度变化。

从发酵开始，温度设定在32℃，每经过12h，升温1-2℃，当发酵时间接近34h时，温度升至37℃。

罐压可以采用单回路PID控制，通常控制在0.05～0.1MPa，以防止外界的不洁空气进入造成染菌，罐压过高将增大阻力与能耗。

罐压可以采用单回路PID控制，但因其与通风量控制系统耦合密切，控制器参数整定需要解耦。

自动补料控制：

在发酵液中糖浓度接近0时（1g/dl以下）进行流加,尽量减少因培养基浓度波动过大对发酵过程造成的危害,稳定发酵周期,提高产酸率和转化率。

即进行零糖流加。

消沫控制：

可以采用带缓冲区的位式控制。

3.1.3中和提取工段的控制

提取过程要最大限度的获得发酵液中的谷氨酸，按照等电点分离的原理，可设计温度程序设定控制及pH程序设定控制。

在等电点中和控制过程中，pH控制精度要求较高、难度较大，这是由于中和过程开始时系统具有较大的灵敏度，使得初始加酸量难以控制适当，pH值极易出现超调，进而引起中和初值pH值的大幅度波动。

而在中和后期，随着pH值的降低，系统反应灵敏度减弱，若控制器仍按原来的规律和强度调节，达到中和终点的时间就会延长，因此，引入控制器参数的自调整或非线性控制策略。

在中和过程中，温度和pH值必须同时按设定的参考轨迹同步变化，对温度和pH的变化速率也有严格的要求，pH与温度两个控制回路之间具有一定相关性。

在二次中和过程中，要将pH值从3.2调整到5.6，随着中和点的接近,系统静态放大系数逐渐增大，导致系统稳定性下降。

因此，二次中和过程与等电点中和具有相反的控制特性，这一工序需设计两套不同的中和控制系统，以保证生产的需要。

3.1.4精制工段的控制

将上一工段的谷氨酸钠，经脱色与离子交换脱去铁、钙、镁等杂质，形成脱色液，送入结晶罐。

在罐中加入精种养精，并加水最终形成味精颗粒。

味精结晶过程要经过形成过饱和溶液、晶核形成及晶体成长3个阶段。

结晶的生长要投入一定的晶核，这样可以使晶体生长速度加快。

这时必须严格控制结晶罐内的过饱和度，使之在增加晶种后，不产生新晶核，也不溶化晶种，使结晶操作工作在介稳区，有利于晶核的稳定增长。

结晶操作的原则是要争取最大的结晶速度与收率，并获得均匀整齐的晶型。

为了满足上述要求，可通过自动化对真空度、料液浓度、结晶罐的温度及液位等加以控制。

真空度控制：

通过控制喷射水流量来调节抽出气体的量实现真空度控制。

料液浓度（过饱和度）控制：

适时调整进料速度，保持相对稳定的过饱和度，以利于晶体成长；

当饱和度变化至有可能出现新晶核时，加水溶解。

结晶罐的温度控制：

罐的温度与浓度有直接关系，为了保证蒸发结晶的正常进行，则在一定真空度下，结晶罐的物料温度必须按一定的程序曲线升温，使物料浓度达到预定的过饱和度。

控制手段是调节进入结晶罐换热器的蒸汽流量。

液位控制：

液位参数既可以作为过饱和度控制系统的约束条件，也可以由这两个变量共同构成开关超驰控制。

正常情况下，由浓度控制器控制进罐料液流量，当液位到达某一限制值时，则由液位控制器控制入罐料液流量。

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