年产2万吨谷氨酸发酵工厂的初步设计.docx

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年产2万吨谷氨酸发酵工厂的初步设计

年产2万吨谷氨酸发酵工厂

初步设计

第一章总论

一、设计项目：

（1）设计课题：

年产2万吨谷氨酸发酵工厂的初步设计

（2）厂址：

某市

（3）重点工段：

糖化

（4）重点设备：

糖化罐

二、设计范围：

（1）厂址选择及全厂概况介绍（地貌、资源、建设规模、人员）；

（2）产品的生产方案、生产方法、工艺流程及技术条件的制定；

（3）重点车间详细工艺设计、工艺论证、设备选型及计算；

（4）全厂的物料衡算；

（5）全厂的水、电、热、冷、气的衡算；

（6）车间的布置和说明；

（7）重点设备的设计计算；

（8）对锅炉、电站、空压站等提出要求及选型；

（9）对生产和环境措施提出可行方案。

三、要完成的设计图纸：

（1）全厂工艺流程图一张；

（2）重点车间工艺流程图一张；

（3）重点车间设备布置立面图一张；

（4）重点车间设备布置平面图一张；

（5）重点设备装配图一张。

四、设计依据：

（1）批准的设计任务书和附件可行性报告，以及可靠的设计基础资料。

（2）我国现行的有关设计和安装的设计规范和标准

（3）广东轻工职业技术学院食品系下达的毕业设计任务书

五、设计原则：

（1）设计工作要围绕现代化建设这个中心，为这个中心服务。

首先要有加速社会主义四个现代化早日实现的明确指导思想，做到精心设计，投资省，技术新，质量好，收效快，收回期短，使设计工作符合社会主义经济建设的总原则。

（2）要学会查阅文献，收集设计必要的技术基础资料，要善于从实际出发去分析研究问题，加强技术经济的分析工作。

（3）要解放思想，积极采用技术，力求设计上具有现实性和先进性，在经济上具有合理性，尽可能做到能提高生产率，实现机械化和自动化，同时兼顾社会和环境的效益。

（4）设计必须结合实际，因地制宜，体现设计的通用性和独特性相结合，工厂生产规模、产品品种的确定，要适应国民经济的需求，要考虑资金的来源，建厂的地点、时间、三废综合利用等条件，并适当留有余地。

（5）要注意到周围环境的清洁卫生，又要注意到工厂内车间之间的卫生、无菌、防火等条件的相互影响。

要贯彻国家食品卫生法有关规定，充分体现卫生、优美、流畅，并能让参观者放心的原则。

（6）设计过程中必须加强计划性，各阶段工作都要明确的进度，使毕业设计工作能如期完成，通过毕业设计提高自身的分析解决的能力。

六、厂址的选择要求：

（1）符合国家方针政策，厂址要求满足生产需要，尽量不占用良田，节约用地，又有发展余地。

（2）工厂周围应清洁卫生，厂区应居民下风侧，河流上游，远离有毒工厂和有机废料、化学废料堆放地区及感染中心地点。

（3）在厂址范围内不应有地下矿藏、流沙、淤泥和古墓。

一般要求厂址的相对标高应该在最高洪水位的0.5M以上。

同时还应该注意当地的气象资料和一些地震等自然灾害。

（4）所选厂址应尽量接近原料产地，交通方便。

保证异地原料的供应和减少成本。

必须有充足的电源和水源，满足生产和生活的用电用水的要求。

如厂址远离热电源，则应自建锅炉房为最好，但要掌握燃料的来源，燃料的发热值及数量，以求降低气耗和燃耗。

七、建厂的规模和产品方案：

（1）建厂规模：

年产2万吨，生产天数330天，3班连续生产

（2）生产方案：

以淀粉为主要原料；

产品为80％的谷氨酸；

质量指标及技术指标；

糖化率

109%

提取率

95%

糖酸转化率

60%

发酵周期

40h

糖化罐糖化周期

30h

产品含量

80%

八、公用工程：

（1）供热：

由电热厂供给蒸汽，自备锅炉

（2）供电：

由电厂供给，自备发电机

（3）供水：

由本厂附近水源和水厂共同供给

（4）压缩空气和制冷：

由本厂工务（动力）车间制备（空气压缩机和制冷设备）

九、环保处理：

（1）废气的处理

烟尘排放主要通过加高烟囱高度和采用静电或喷淋碱液除尘器等干式机械除尘。

生产中使用的和工艺流程中生产的SO2、HCL、H2S、NH3、HCHO、H2SO4等气体通过设备密封，使用液体石蜡与空气隔离等措施防止其溢出，对于泄露的少量废水通过机械排气和风筒高空排气等方式，做到不超标。

（2）低浓度废水废液的处理

1）物理法：

利用离心机、滤池、筛网等设备分离废液中的悬浮的物质，一般在废液预处理时采用，有时也可作为处理的主体。

2）化学法：

主要通过添加化学物质使废液中的污染物质转化为无害物质，

3）生物法：

是我国普遍采用处理废液的方法，主要是利用微生物的生理生化作用，使废液中溶解性和胶体态的有机污染物质转化为简单稳定的物质，将有害物质转化为无害物质。

随着社会的发展环保越来越重要，一个企业的生存与环保直接挂钩。

所以我们现在设计工厂时一定要重点考虑。

十、劳动保护

发酵工段要佩戴耳塞、安全帽；提取要佩戴防护眼镜和耳塞；糖化车间要有防暑降温的设备和空调室以及防尘口罩；倒粉处要有防压皮鞋和防尘口罩；压力设备要注意定期检查，规范操作。

对于事故隐患和严重职业危害应当建档查备，发放隐患通知，并跟踪督促企业整改。

发动职工群众对事故隐患进行举报，设立举报箱，公布举报电话，为广大职工举报安全健康重大隐患提供便利。

十一、工作制度及车间定员

根据谷氨酸发酵的特点，一般按照2－3个班次/天来安排工人上班，一般糖化、发酵、提取都是安排3个班/天，即每人每天上8小时，实行4班3倒制。

包装车间可以视实际情况安排1－2个班/天；机修车间基本安排日班，中夜班各安排1－2名；电房要三班安排人员上班；行政人员安排全日班。

十二、生产方法

发酵采用中初糖流加高浓度糖液的生物素“超亚适量”工艺，发酵液采用带菌体真空浓缩，提取采用连续浓缩等电点工艺、，采用双酶法并糖化采用连续喷射液化器形式。

十三、能源循环考虑

液化降温和糖化终料升温的热量互换；蒸发器水用于调粉浆；闪蒸罐排汽料用于清糖或发酵培养基料加热；发酵培养基灭菌生熟料热量互换；提取分离母液用于发酵罐出炉降温；发酵空消排水用于蒸发器入料升温或配料等；发酵过程取样回放于连消培养基。

第二章工艺设计及工艺论证

一、谷氨酸生产方法选择及论证

谷氨酸的制造方法有发酵、水解和合成法，从生产设备运作及产品的安全和清洁生产的合理性比较来看，采用发酵法最优越。

首先原料选择来源广阔、工艺比较稳定、设备腐蚀性低、容易实行工业化、综合效益好。

其次，提取工艺本文选择连续浓缩三级等电点工艺，而未采用传统的离子交换工艺。

因为离子交换工艺不但要消耗大量的酸碱、更重要的是会产生大量的废水，环保治理非常困难，难于实现清洁生产。

淀粉糖化采用目前比较先进的连续喷射液化器工艺，淀粉酶和糖化酶都应用进口诺维信酶，确保糖液质量。

二、谷氨酸总生产工艺流程图为：

工艺循环水

淀粉酶

硫酸

氯化钙

淀粉闪蒸罐糖化罐

调浆罐维持罐糖化

喷射液化灭酶灭酶

高温维持降温、调pH降温、调pH

活性剂

助滤剂

脱色过滤

葡萄糖液

配料罐定容罐定容罐配料罐

液氨二级种子罐蒸汽混合器

实消维持罐

消泡剂

高浓度糖液

液氨

降温换热器

斜面一级种子培养发酵罐

调酸

起晶晶种

停酸育晶

上离子交换柱缓慢调酸盐酸或硫酸

水洗及疏松树脂等电点

热水预热搅拌育晶

碱液洗脱再生母液离心分离

后流分高流分前流分湿谷氨酸

用酸调pH1.5上离子交换柱

图示：

谷氨酸生产工艺流程示意图

三、生产过程的总物料衡算

物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。

物料衡算是进入系统的全部物料衡算重量等于离开该系统的全部物料重量，即

ΣF=ΣD＋W

式中：

F――进入系统的物料重量（Kg）

D――离开系统物料重量（Kg）

W――损失的物料重量（Kg）

（一）生产能力

生产规模：

2万吨/年（产品含量以80%计）

生产天数：

330天

生产能力：

20000÷330=60.61t/d

1、淀粉水解为葡萄糖的总反应式：

（C6H10O5）n+H2O→C6H12O6

162180

淀粉水解为葡萄糖理论糖化率为：

180÷162×100%=111%

2、葡萄糖转化成谷氨酸的的总反应式：

C6H12O6+NH3+3/2O2→C5H904N+CO2+3H2O

180147

葡萄糖转化成谷氨酸的理论转化率为：

147÷180×100%=81.7%

3、生产过程的总物料衡算

物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的。

物料衡算是进入系统的全部物料衡算重量等于离开该系统的全部物料重量，即

ΣF=ΣD＋ΣW

式中：

F：

进入系统的物料重量（kg）

D：

离开系统物料重量（kg）

W：

损失的物料重量（kg）

（二）总物料平衡计算

各工序收率指标

淀粉含量

85％

糖酸转化率

60.0％

糖化收率

109％

清糖液含量

300g/L

产酸率

110g/L

发酵液的相对密度

1.113kg/m3

提取收率

95％

分离后氨酸含量

80％

理论糖化率

111%

理论糖酸转化率

81.7%

1、一份纯淀粉（1000kg）理论上可以制得100%谷氨酸量：

1000×111%（理论糖化率）×81.7%（理论糖转化率）=906.87kg

2、一份纯淀粉实际上可以制得100％谷氨酸量：

1000×109%（糖化率）×60.0%（糖酸转化率）×95%=621.3kg

3、一份工业淀粉（含量85％）实际上可以制得100％谷氨酸量：

621.3×85%=528.105kg

4、淀粉单耗（计算生产1t谷氨酸量需要的淀粉量）

①生产1t纯谷氨酸实际消耗工业淀粉量

1t100%谷氨酸÷1t工业淀粉实际产100%谷氨酸量

1000÷528.105=1893.356kg=1.8934t

②生产1t谷氨酸消耗纯淀粉量

1t100%谷氨酸÷1t纯淀粉实际产100%谷氨酸量

1000÷621.3=1609.528kg

③1t100%谷氨酸理论消耗工业淀粉

1t100%谷氨酸÷1t纯淀粉理论产100%谷氨酸量

1000÷906.87=1.1027t

④1t100%谷氨酸理论消耗纯淀粉

1t100%谷氨酸×淀粉含量

1.1027×85%=0.937t

5、总收率（淀粉到谷氨酸的总率）

1t纯淀粉实际产100％谷氨酸量÷1t纯淀粉理论上产100%谷氨酸量：

621.3÷906.87×100%=68.51%

6、生产过程损失率

淀粉的利用率：

1t谷氨酸理论上消耗工业淀粉量÷1t谷氨酸实际消耗工业淀粉量

1.1027÷1.8934×100%=58.24%

淀粉的损失率：

100%-58.247%=41.76%

7、原料及中间品计算（按每天量计算）

日产谷氨酸纯产品量：

20000÷330=60.61t

折算成含量为80％的谷氨酸量：

60.61÷80%=75.76t/d

发酵车间日产谷氨酸量：

60.61÷95%=63.80t

日投工业淀粉（含量85%）量：

60.61÷95%÷60%÷109%÷85%÷98%=117.10t

日交给提取的发酵液体积：

68.30×106÷110=5.8×105L

日交给提取的发酵液的量：

5.8×105×1.05=609000kg

日发酵液的量：

609000÷（1-0.2%-0.8%）=615151.52kg

每天需纯糖量：

60.61÷95%÷60%=106333.33kg

补加纯糖量：

106333.33×40%=42533.33kg

补加450g/L糖液量：

42533.33×103÷450×1.20=113422.21kg

日耗氨量：

63.80×250=15950kg

日耗消泡剂量：

63.80×6.00=382.8kg

糖化液产量（300g/L）：

1000×85%×109%÷300×1.113×117.10=402510.17kg

8、提取谷氨酸量（按每天量计算）：

100%谷氨酸量：

63.8×95%=60.61t

80%谷氨酸量：

60.61÷85%=75.76t

9、母液中残留谷氨酸量：

（63800-60610）÷0.59%=545196.37L

分离母液数量：

545196.37÷1.05=519234.63L620956.37-75760=545196.37kg

（三）总物料衡算结果以表格形式表示

项目

数量

工业淀粉t

117.10

清糖液300g/L

402510.17

谷氨酸80％

75.76

含GA0.59%分离母液量m3

545196.37

各工序相关参数指标：

1、葡萄糖液浓度为300g/L，其密度为1.113

葡萄糖液浓度为450g/L，其密度为1.200

淀粉酶用量为0.25%，糖化酶用量为0.25%，

氯化钙用量为0.25%，硫酸用量为0.25%，

助滤剂和活性炭用量为0.15%，滤渣含水70%。

2、初始发酵液的纯糖量占60%，

补加的纯糖量占40%，

配制的种子培养基密度为1.02，种子液密度为1.05，发酵的接种量为10%，

配制的发酵培养基密度为1.05，发酵液的密度为1.05

3、耗氨量：

1吨谷氨酸耗氨量为250kg，

其中：

种子培养阶段的耗氨量为25kg，发酵阶段的耗氨量为225kg。

4、消泡剂量：

1吨谷氨酸加消泡剂量为6kg，

其中：

种子培养阶段用量为0.05kg，发酵阶段的耗氨量为5.95kg。

5、种子培养基

初糖浓度为50g/L，

糖蜜用量为15g/L，

玉米浆用量为25g/L，

硫酸镁用量为0.75g/L，

磷酸二氢钾用量为1.5g/L，

空气带走水分量占种子液的0.3%，取样、残留等损失量占种子液的0.1%

6、发酵基础培养基

糖蜜用量为2g/L，

玉米浆用量为5g/L，

硫酸镁用量为1.4g/L，

氯化钾用量为2g/L，

磷酸用量为1.2g/L

蒸汽冷凝水量为培养基的12%

空气带走水分量占发酵液的0.8%，取样、残留等损失量占发酵液的0.2%

第三章糖化车间

1、糖化工艺的选择

一般选择双酶法，双酶法糖化工艺，是以作用专一的（耐高温α－淀粉酶和糖化酶作为催化剂，反应条件温和，复合分解反应较少，因此采用双酶法生产葡萄糖，提高了淀粉或大米等原料的转化率及糖液浓度，改善了糖液质量，是目前最为理想的制糖方法。

酸法和酶法优缺点：

特点

方法

优点

缺点

酶法

反应条件温和，不需耐高温或耐高压及耐腐朽的设备；副反应少，水解糖液纯度高，淀粉转化率高；制得糖液质量好，有利于糖液的充分利用。

反应时间长，设备要求较高，且酶是蛋白质，易引起糖液过滤困难。

酸法

适合原料广泛，得到糖化液过滤性好。

发生葡萄糖复分解反应，生成的有色物及复合糖类，降低了淀粉的转化率及糖液质量。

对设备要求高，对环境影响大

活性剂

助滤剂

2、工艺流程

淀粉灭酶过滤脱色

调浆罐降温、调pH清糖液

喷射液化糖化罐去发酵

高温维持糖化

闪蒸罐灭酶

维持罐降温、调pH

3、设备流程（液化部分）

1、调浆罐2、泵3、喷射器4、维持罐

5、闪蒸罐6、泵7、卧式隔板层流管

4、工艺参数

a、调浆水使用工艺循环水：

50-55℃

b、调浆：

30-35%

c、液化：

pH：

6.0--~6.4，温度：

105--1100c，高温维持时间：

3－7min,液化维持罐时间60--120min

d、灭液化酶：

115-120℃，从6.0降到4.4

e、糖化：

糖化酶量：

0.25%

糖化pH：

4.2--4.5，温度：

58--620c，时间：

16--40h

f、灭糖化酶：

温度：

850c左右，时间：

5--10min

g、脱色：

pH：

4.5--4.8，温度：

55--600c，时间：

0.5~1h

工艺流程简述：

在配料罐内，用工艺循环水（温度50－55℃）把淀粉调到12—18′Be，pH用硫酸或磷酸调至5.0--6.0，并加入0.15--0.30%氯化钙，作为淀粉酶的保护剂和激活剂，加入耐高温α-淀粉酶，料液搅拌均匀后用泵把粉浆打入液化喷射器，在喷射器中粉浆和蒸汽瞬间接触，温度自动控制105--110℃，从喷射器中出来的液料，经过3－5min的高温维持后进入闪蒸罐，温度降到95－100℃，然后进入层流罐保温60－120min，DE值达到12－18％后，与糖化终了料液进行热交换进入糖化罐温度降低至58－62℃，并用酸调节pH至4.4，加入糖化酶保温30h，用无水酒精检测无糊精存在时，将料液pH调至4.8--5.0，同时将料液加热或与液化料进行热交换至80℃，然后降温至60℃，添加0.15％助滤剂，视料液情况添加活性炭，搅拌1小时开始过滤。

结果汇总如下表

液

化

工

艺

调浆浓度

30-35%

耐高温淀粉酶量

0.25%

PH

6.0~6.4

温度

105~1100C

时间

60--120min

灭酶温度

115~1200C

灭酶时间

5~10min

液化DE

12~18%

糖

化

工

艺

糖化酶量

0.25%

PH

4.2~4.5

温度

58~620C

时间

25h

灭酶温度

850C左右

时间

5~10min

糖化DE

96%~98%

脱

色

脱色PH

4.8~5.2

脱色时间

0.5~1h

脱色温度

55~600C

糖化车间物料衡算（以1000kg工业淀粉计算）

本车间物料平衡图为：

1、淀粉及加水量：

淀粉：

水=1：

1.8

1000kg工业淀粉产淀粉浆：

1000×（1+1.8）=2800kg

加水量为1000×1.8=1800kg

2、粉浆浓度：

1000×85%÷2800×100%=30.36%

3、糖化液产量（300g/L）：

1000×85%（工业淀粉）×109%（糖化率）÷300×1.113=3437.32kg

4、液化酶量：

2800×0.25%=7kg

5、氯化钙量：

2800×0.25%=7kg

6、硫酸用量：

2800×0.25%=7kg

7、糖化酶量：

2800×0.25%=7kg

8、添加活性炭和珍珠岩助滤剂量：

3437.32×0.15%=5.16kg

9、滤渣产量（含水按照70％计算）：

5.16÷（1-70%）=17.20kg

10、生产过程中进入系统的蒸汽：

3437.32×12.4%=426.23kg

11、洗水量：

3437.32+17.20-426.23-4×7-5.16-2800=195.13kg

衡算结果用表格表示：

进入系统量

离开系统量

项目

物料比例kg

日产量kg

项目

物料比例kg

日产量kg

工业淀粉

1000

117100

糖液

3437.32

402510.17

配料水

1800

210780

滤渣

17.20

2014.12

液化酶

7

819.7

硫酸用量

7

819.7

氯化钙量

7

819.7

糖化酶

7

819.7

珍珠岩量

5.16

604.24

洗水量

195.13

22849.72

蒸汽量

426.23

49911.53

累计

3454.52

404524.29

累计

3454.52

404524.29

糖化车间热量衡算

（一）喷射液化器加热耗蒸汽量

加热蒸汽消耗量（D）可按下式计算：

D=GC（T1-T2）÷（Ｉ-λ）

式中Ｇ：

淀粉浆量（kg/h）

　　Ｃ：

淀粉浆比热容［kJ/（kg·K）］

T1：

浆料初温（50+273=323K）

T2：

液化温度（105+273=378K）

I：

加热蒸汽焓，2738KJ/kg（0.3Mpa,表压）

λ：

加热蒸汽结水的焓，在378K时为442KJ/kg.

1、淀粉浆量G（根据物料衡算，日投工业淀粉117.10t/d，连续液化）：

117.10÷24×2800=13661.67kg/h,

2、粉浆干物质浓度：

117.10÷24×1000×85%÷13661.67×100%=30.36%

3、粉浆比热C可按下式计算：

C=C0X÷100+C水（100-X）÷100

式中C0：

淀粉质比热容，取1.55kJ/（kg·K）

X：

粉浆干物质含量，30.36%

C水：

水的比热容4.19kJ/（kg·K）

得:

粉浆比热C=1.55×30.36÷100+4.19×（100-30.36）÷100=3.62kJ/（kg·K）

4、每小时蒸汽用量：

由公式：

D=GC（T1--T2）÷（Ｉ－λ）

得D=13661.67×3.62×（105-50）÷（2738-442）=1184.69kg/h

5、灭酶时将液化液由105℃加热至115℃，在115℃时，λ为485KJ/kg；

由公式D=GC（T1--T2）÷（Ｉ－λ），

得：

D灭=13661.67×3.62×（115-105）÷（2738-485）=219.51kg/h

要求在10min内使液化液由105℃加热至115℃，则蒸汽高峰量为：

219.51×60÷10=1317.06kg/h

6、以上两项合计，平均量为：

1184.69+219.51=1404.2kg/h

高峰用量：

1317.06+1184.69=2501.75kg/h

每日用量：

1404.2×24=33700.8kg/h

（糖化液灭酶通过板式换热器在液化液降温时实现，无需蒸汽）

7、实际工业化生产中可以充分考虑循环经济而用不同料液的热交换达到不用蒸汽的目的。

交换器流程设计为：

图中1#、2#为螺旋式热交换器

上图中的工艺可以实现如下结果：

经过闪蒸后的液化料液温度为95－100℃，糖化终了料液温度为55－60℃。

一方面液化料进入糖化罐需要降温（从95－100℃降到55－60℃）。

另一方面糖化终了料液需要升温灭酶（温度从55－60℃升到80－85℃）。

所以可以用一台交换器实现热的交换，而不需要外加能源。

（二）水平衡计算

1、配料用水量：

日投淀粉117.10t，加水比1:

1.8

117.10×1.8=210.78t

2、液化液冷却用水（使用二次水）

液化液灭酶后，温度达115℃，用糖化液降至85℃（糖化液灭酶），然后用水降温，有85℃降至60℃。

冷却水进水温度为20℃，出水温度为58℃，需冷却水量：

W=（13661.67+1404.2）×3.62×（85-60）÷（（58-20）×4.19）=8563.38kg/h=205.52t/d

3、糖化工序热量衡算

日产300g/L糖液402.51t，即402.51÷1.113=361.64m3