年产40万吨味精分离纯化工段设计.docx

1、年产40万吨味精分离纯化工段设计 毕业设计年产40万吨味精分离纯化工段设计学生姓名： 学号： 生物工程系 部： 专 业： 指导教师： 二零一三 年 六 月诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： 年产40万吨味精分离纯化工段设计 系部： 专业： 号： 学生： 指导教师（含职称）： 专业负责人： 1设计的主要任务及目标（1）深入了解谷氨酸钠分离纯化具体工艺流程；（2）通过计算优化谷氨酸钠的分离纯化工艺及设备选型；（3）通过设计减少谷氨酸钠的分离纯化过程的酸碱消耗，提

2、高分离纯化效率；2设计的基本要求和内容（1）设计谷氨酸钠分离纯化车间的工段；（2）对等电点罐、结晶罐等主要设备进行计算和选型，确定尺寸和大小；（3）绘制带控点的工艺流程图；（4）主要设备图的绘制。3主要参考文献1 王为民. 味精发酵与纯化新工艺集成研究D. 江苏：江南大学，2008.2 吴思芳，发酵工厂设计概论M. 中国轻工业出版社，2007.33 郑裕国，生物工程设备.化学工业出版社，2009.14 姚汝华.微生物工程工艺原理M.华南理工大学出版社,20055 丁浩.化工工艺设计M .第一版.上海：上海科学技术出版社，1989.25.356 梅乐和.生化生产工艺学M.第一版.北京：科学出版社

3、，1999. 8.117 丁浩.化工工艺设计M .第一版.上海：上海科学技术出版社，1989.25.35：222-335.8 梅乐和.生化生产工艺学M.第一版.北京：科学出版社，1999. 8.11：665-779.9 沈同,王镜岩.生物化学M.北京:高等教育出版社,1991：111-210.10 吴思方.生物工程生长设计概论M.北京：中国轻工业出版社，2010.9.1：330-446.11 李国庭，陈焕章，黄文焕.化工设计概论M.北京：化学工业出版社，2008.9.1：120-222.12 于信令.味精工业手册M.北京：中国轻工业出版社，2009.2：300-556.13 孙彦.生物分离工程

4、M.北京：化学工业出版社，2010.6.28：222-440.4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1确定味精分离纯化的流程第4周第6周2设备的选型和计算第7周第10周3工艺流程图的绘制第11周第12周4主要设备图的绘制第12周第13周5整理第14周第15周年产40万吨味精分离纯化工段设计摘要：本文的主要内容是设计出年产40万吨味精分离纯化的工段流程，主要是利用物料衡算和热量衡算来计算出设备的处理量，对设备进行扩大设计，以达到提高生产效率扩大生产的目的。本论文味精分离纯化的设计主要包括等电法提取谷氨酸钠、用活性炭进行脱色、离子交换法除去重金属离子等杂质等步骤。最后绘制出了味精分离纯化工段的设计

5、图，以及一些主设备图。关键词：物料衡算，热量衡算，分离纯化An annual output of 400,000 tons of MSG purification section designSummary:The main contents of this paper is to design an annual output of 400,000 tons of MSG section separation and purification processes, mainly using material balance and heat balance to calculate the

6、amount of processing equipment, expanding the equipment designed to expand production to improve production efficiency purposes. This thesis MSG purified design includes isoelectric extraction sodium glutamate, decolorized with activated carbon, ion exchange to remove heavy metal ions and other impu

7、rities and other steps. Finally draw MSG purification section of the design, as well as some of the master device map.Key words：Material balance ，Heat balance ，Purification目录1.前言 12.1味精产业的情况 22.2味精在生活中的应用 32.3味精的理化性质 43.味精分离纯化的历史和现状 63.1味精分离工艺 73.1.1水解等电法 73.1.2低温等电点法 73.1.3低温连续等电点法 83.2精制工艺的进展 83.2

8、.1脱色除铁方式 83.2.2结晶方式 83.3味精分离提纯的发展趋势 94.味精分离纯化的主要技术规格 95.分离纯化流程的简述 95.1主要工艺流程 95.2等电点法 105.2.1酸中和： 105.2.2碱中和： 105.3活性炭脱色 105.4离子交换柱 115.5浓缩结晶 115.6干燥包装 116工艺分离 116.1物料衡算 126.1.1生产过程的总物料衡算 126.1.2提取工艺物料衡算 136.1.3精制工序的物料衡算 146.2热量衡算 156.2.1谷氨酸提取工序热量衡算 166.2.2谷氨酸钠浓缩结晶过程的热量衡算 167主要设备的计算 187.1等电点中和罐的计算 1

9、87.2脱色罐的计算 197.3离子交换柱的计算 197.4真空结晶罐的计算 198结论 209.参考文献 2110.致谢 22 1.前言本论文主要是对年产40万吨味精分离纯化工段的设计，其目的是提高味精的分离纯化效率，减少原材料的消耗，这对于味精生产具有很大的意义。谷氨酸钠，俗称味精，有着很重要的生理生化功能，是一种安全可靠的食品添加剂，它能够增加菜肴的色、香、味，促进食欲，有益于人体健康。市场需求量大，已成为家家产户菜肴之必备辅助食品。初步估算，中国大陆增鲜消费品市场的容量超过300亿元，占调味品行业总体容量的近25，其中，以味精为代表的传统增鲜调味品直接市场容量又占到70以上，可以说，味

10、精是日前中国大陆增鲜调味品市场最重要的品种。专家预测，味精年产量将保持8-10左右的增速。基于味精需求量之大、前景之好，本毕业设计选题为年产40万吨味精分离纯化工段设计。在生产中，需完成谷氨酸铵谷氨酸谷氨酸钠的产品转化过程，要经过等电，离子交换等步骤。同时味精工业也是我国发酵工业中的最大污染源，2003年全国味精产量127万吨，排放高浓度有机废水1000万吨，COD含量达37万毫克/公斤。排放的有机物总量为： COD 63万吨，BOD 31.5万吨，SS 5.04万吨。总废水按每吨排300吨计，达2亿吨左右，同时产生干固物约250万吨。生产过程中每吨味精需要消耗400kg氨水、700kg硫酸、

11、250Kg盐酸，同时有30%至40%的粮食被作为废物排入环境，造成严重的浪费和污染，排放的污染物负荷量十分惊人。本设计通过对味精分离纯化工段的设计减少对酸碱等原料的大量消耗，将排放的污染物尽量合理利用和妥善处理，使对环境的污染达到最低。这将会节约大量的能源、资源、金钱，对社会的可持续发展以及味精的高产有重要意义。本次设计主要针对味精的分离纯化问题，根据味精发酵与纯化新工艺集成研究、化工分离过程、化工工艺设计手册、化工工艺设计等参考书籍，可以了解到味精分离纯化所需要的阶段，需要的主要设备、主要参数，为本次设计提供依据，以完成自己的设计。参考资料的搜集主要是以味精的分离纯化为中心，以及关于常用的分

12、离纯化设备的计算与选型，根据查阅到的资料与信息选择合适的设备，并对其进行合理安排，以完成减少原料消耗，提高效率的设计目的。2味精概述2.1味精产业的情况味精，是一种重要的调味剂，可以增加食品的鲜味。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。 尽管味精广泛存在于日常食品中，但谷氨酸以及其它胺基酸对于增强食物鲜味的作用，在20世纪早期，才被人们科学地认识到。 1907年，日本东京帝国大学的研究员池

13、田菊苗发现了一种，昆布（海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池田教授将这种味道称为“鲜味”，继而，他为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利。 味精的主要成分为谷氨酸钠，要注意的是如果在100以上的高温中使用味精，鲜味剂谷氨酸钠会转变为对人体有致癌性的焦谷氨酸钠。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，所以要适当地使用和存放。味精对人体没有直接的营养价值，但它能增加食品的鲜味，引起人们食欲，有助于提高人体对食物的消化率。味精中的主要成分谷氨酸钠还具有治疗慢性肝炎、肝

14、昏迷、神经衰弱、癫痫病、胃酸缺乏等病的作用。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2025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。2.2味精在生活中的应用尽管味精广泛存在于日常食品中，但谷氨酸以及其它胺基酸对于增强食物鲜味的作用，在20世纪早期，才被人们科学地认识到。 1907年，日

15、本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布（海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中13。池田教授将这种味道称为“鲜味”，继而，他为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利。 之后，味之素公司成立，致力于味精的生产与产品在日本市场的销售。味之素意味着味觉的元素。1947年，味精登陆美国市场，命名为:Accent flavor enhancer。现代的味精商业化生产是通过淀粉、甜菜、甘蔗或糖蜜培养基发酵生产的。2001年，味精的销售量达到大约有150万吨，比上年增长了4%。味精主要用作食物调味剂。

16、在欧美国家老一套的看法中，味精总是与中餐馆的食物联系到一起。而事实上，现在在美国销售的许多种普通食品中都能找到味精的踪迹：第一，大多数美国产罐装汤，如美国汤品生产商金宝汤公司的汤类产品（部分低钠产品除外）； 第二，大多数美国产肉鸡肉牛产品，如史云生（部分低钠产品除外）；第三，大多数美国产薯条薯片产品，如Laura Scudders； 第四，其它的许多零食产品； 第五，众多的冷冻食物 ；第六，快餐产品，如各种调味方便面等味精是调味料的一种，主要成分为谷氨酸钠14。要注意的是如果在100以上的高温中使用味精，鲜味剂谷氨酸钠会转变为对人体有致癌性的焦谷氨酸钠。还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产

17、生一种叫谷氨酸二钠的物质，所以要适当地使用和存放。味精对人体没有直接的营养价值，但它能增加食品的鲜味，引起人们食欲，有助于提高人体对食物的消化率。味精中的主要成分谷氨酸钠还具有治疗慢性肝炎、肝昏迷、神经衰弱、癫痫病、胃酸缺乏等病的作用15。其俗名：味素性味：性平，味酸功效：滋补，开胃，助消化宜食：适宜神经衰弱、大脑发育不全、精神分裂症患者食用；适宜肝昏迷恢复期、严重肝机能不全者食用；适宜胃溃疡及胃液缺乏者食用；适宜智力不足及脑出血后遗的记忆障碍者食用；适宜癫痫小发作及精神运动性发作者食用；适宜胃纳欠佳，食欲不振者食用；适宜在菜或汤将熟时加入食用。忌食：加入味精后忌高热久煮。2007年10月7日

18、CCTV-新闻频道每周质量报告，营养专家吴晓松说：味精主要成份都是谷氨酸钠，澄清“味精对人体健康绝对没有任何损害”16。按语：味精的化学名称谷氨酸钠，又叫麸氨酸钠，是氨基酸的一种，也是蛋白质的最后分解产物。在强碱溶液中，能生成谷氨酸二钠，鲜味就没有了。如果将水溶液加热到120，能使部分谷氨酸钠失水而生成焦谷氨酸钠，就更没有鲜味了。据研究；味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的吸收能力，对人体有一定的滋补作用。因为味精里含有大量的谷氨酸，是人体所需要的一种氨基酸，96能被人体吸收，形成人体组织中的蛋白质。它还能与血氨结合，形成对机体无害的谷氨酰胺，解除组织代谢过程中所产生的氨的毒性作用

19、。又能参与脑蛋白质代谢和糖代谢，促进氧化过程，对中枢神经系统的正常活动起良好的作用。正因如此，有报道用以防止肝昏迷，每服味精3克，1日3次；防治癫痫小发作，成人每日2克，小儿每岁每日服1克，1日3次分服；大脑发育不全，每岁每日服 l15克，1日3次分服。味精是一种广泛应用的调味品，其摄人体内后可分解成谷氨酸、酪氨酸，对人体健康有益17。2.3味精的理化性质学名：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：Monosodium L-Glutamate，简写MSG结构式： HOOC-CH2-CH2-CH-COONaH2O NH2分子式：NaC5H8O

20、4NH2O分子量：187.13外观和感官要求：无色至白色柱状结晶或白色结晶性粉末，有光泽，无肉眼可见的杂质，具有特殊的鲜味，无异味。氨酸钠（C5H8NO4Na）就是味精的主要成分，不要一看它的名字这么长，就觉得头疼。其实很简单，谷氨酸是一种氨基酸，而钠是一种盐，味精其实就一种氨基酸和钠盐的结合体。说得更简单一些，如果熬汤的时候，您熬的不是青菜豆腐汤，而是一锅鸡汤的话，您可能会有这种经验往鸡汤中加一些盐，味道会更加鲜美。这是因为鸡肉当中富含谷氨酸这种氨基酸，您又放了一些氯化钠盐进去，便在不知不觉当中就制造了谷氨酸钠，也就是味精。 在过去相当长的一段时间里，味精对健康有益还是有害，一直是人们争论的

21、焦点。食用味精在正常范围内不会对健康有任何损害， 但食用过多会使部分人，尤其是西方人，出现中毒症状。所以要适量使用，一般以每人每天不超过20克为宜。 味精的出现至今已有100多年的历史了。1861年，德国的一位教授从小麦的面筋当中，第一次提取出味精的组成成分谷氨酸。后来到了1908年，日本的池田菊苗又从海带煮出的汁当中，分解出味精，作为人工调料第一次投放市场。目前，国外均是以糖、蜜作为原料来生产味精，而在我国呢，用的是玉米或者大米这样的粮食作物来生产味精18。 味精对人体是无害的，而且富含营养，那么，它到底是怎么产生鲜味的呢？ 原来，人的味觉器官当中，有一个专门的氨基酸受体。我们知道，味精叫做

22、谷氨酸钠，是一种氨基酸盐，当它被用于菜肴而被人们食用的时候，就会刺激位于我们舌部味蕾上的氨基酸受体，这样我们就可以感到可口的鲜味了。 我们都知道蔬菜当中富含多种维生素，非常有营养，但是还有很多人只喜欢吃肉，不喜欢吃菜，甚至有人没有肉连饭都吃不下去，时间长了就会造成厌食和偏食。为什么呢？这是因为肉中富含谷氨酸，味道较重，而蔬菜就比较素淡，所以，肉吃多了，谁愿意再去吃淡而无味的蔬菜呢。因此，我们在炒菜的时候，稍微放一些味精，就可以使蔬菜的味道更好，使人们更愿意吃它，从而抑制厌食症与偏食症的发生。中国的药膳学认为，味精可以增进食欲，改善体质，也是这个道理。 3.味精分离纯化的历史和现状中国早在192

23、3年就有民族味精工业，解放后尤其在六十年代开始发酵法生产味精。从七十年代起二十年中是大发展时期，大小企业二百余家，味精年产量二三十万吨左右。九十年代起改革开放步伐加快，味精工业开始结构性的调整，优胜劣汰，企业个数减少半数以上，而产量却保持快速增长，1999年达到63万吨以上。年产万吨以上的企业二十家，技术水平大幅度提高，不少企业淀粉转化率98%以上，谷氨酸产酸率10%，糖转谷氨酸率58%以上，谷氨酸提取率80%以上，谷氨酸精制收率90%以上，100%单耗味精100%淀粉仅需1.6吨左右。每吨味精综合能耗折标煤在1.7吨左右，99%味精制造单位成本在63007900元之间，特别是以淀粉为原料的生

24、产工艺在世界领先，以淀粉为原料的产品质量也优于糖蜜原料生产的产品质量。目前，从谷氨酸发酵液中提取谷氨酸的方法有：盐酸盐法、全离子交换法、锌盐法、渗透膜分离法、等电点离子交换法、一次冷冻等电点法等。不同的提取工艺都有可能使谷氨酸结晶晶型多变，出现型或型结晶。1995年从进阳等测定了在纯水、含1%NH4+ 水溶液及实际工业发酵液三种体系内谷氨酸的溶解度和超溶解度曲线，将这些曲线用数学表达式拟合，计算出谷氨酸等电点结晶的介稳区宽度。谷氨酸变晶工艺最初起源于日本味之素公司，谷氨酸晶体在一定工艺条件下，经过从晶型到晶型的转变，可以最大程度的释放杂质，达到提纯的目的。1997年，彭达洲等研究了搅拌强度对L

25、-谷氨酸结晶的晶型和晶型的比例有明显的影响：在不太大的搅拌强度下，提高搅拌强度能明显提高晶型的相对含量。1999年，占宇等对不同工段谷氨酸发酵液及多次结晶母液的氨基酸含量进行了测定，并探讨了谷氨酸浓度和调酸速率对谷氨酸结晶的影响。2005年，魏光禄等开始摸索味精行业尾母液谷氨酸回收生产新工艺，经过多次小试和生产性试验并借鉴其他氨基酸和有机酸的提取方法，充分利用了谷氨酸等电点的原理，将部分尾母液酸化后冷却，利用未酸化的尾母液PH值高的特性将尾母液均匀流加，使其达到谷氨酸的等电点让谷氨酸沉淀析出，探索出一条适应于生产的尾母液提取谷氨酸新工艺。今后谷氨酸分离纯化技术发展的主要特征就 是不同分离技术的

26、交叉与融合以及提取分离精制技术的耦合。谷氨酸分离提取日益增加的操作使得工艺路线延长，而且连续自动化设备逐渐增多，对于谷氨酸分离提取系统的可靠性、稳定性的要求越来越高，这就要从工艺、设备、自动控制操作等各方面统一协调，实现谷氨酸的连续稳定高质量分离提取1。3.1味精分离工艺分离方式：间歇三足式离心机连续锥兰式分离机、沉降式分离机、带式滤过机。3.1.1水解等电法谷氨酸发酵液经适当浓缩后，加入盐酸进行加压水解，此时菌体蛋白质被水解，而发酵液中残糖等有机杂质遭破坏可过滤出去，滤液在经脱色和浓缩后，用碱液中和至谷氨酸的等电点，在低温下放置，让谷氨酸结晶析出。此法的有点在于菌体蛋白质中谷氨酸得到了利用，

27、并且发酵液中的谷氨酰胺和焦谷氨酸都变成了谷氨酸，所以谷氨酸提取收率比较高，但是工艺复杂。流程如下：发酵液-浓缩-用盐酸水解-过滤-滤液脱色-浓缩-用碱液中和浓缩液，控制PH值-低温放置，析出晶体2。3.1.2低温等电点法当溶液的PH值等于谷氨酸等电点时，谷氨酸的溶解度最小。例如， 30，溶解度为1.06， 5，溶解度小于0.41，因此可以采用低温等电点法，将谷氨酸从发酵液中提取结晶。流程如下：发酵液边冷却边用盐酸调节pH值- 4.04.5发酵液-加晶种-25育晶2h-边冷却便调节pH值-pH3.03.2发酵液-搅拌16h-4静置4h析出晶体。3.1.3低温连续等电点法目前我国味精生产厂多数采用

28、一次低温等电点法，对于谷氨酸含量6.5%8.0%的发酵液其提取收率为75%80%。优点是析出晶体颗粒粗易分离，大小均匀，光泽度好适用于不正常发酵液谷氨酸的提取3。具体操作如下：发酵液在等电点罐中采用低温等电点法结晶，待析晶完全后以晶体及母液作为种子，维持一定的温度和pH值，然后一边连续添加新发酵液一边放料，进出料量保持一致， 放出的物料在育晶罐中让晶体长大，育晶结束以后进行分离得到谷氨酸晶体。此外还有等点离子交换法、盐酸盐法、锌盐法、等电锌盐法等。3.2精制工艺的进展3.2.1脱色除铁方式脱色除铁方式：全粉炭脱色、硫化碱除铁颗粒炭脱色、树脂除铁。3.2.2结晶方式结晶方式：夹套式结晶罐内循环式

29、结晶。谷氨酸钠溶液经过活性碳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2915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4。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0.0750.085MPa ,温度为70,浓缩液浓度波美度为3336,结晶时间1014 h,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。3.3味精

30、分离提纯的发展趋势 味精工业是技术密集型产业，展望未来，味精工业将会达到更高水平，味精工业前景将更加美好，我们奋斗在味精行业的同仁们，应立足现在，充分认识行业差距，借鉴国内外、业内外先进经验，团结一致，不断技术创新，加速企业技术进步，继续进行味精工艺革命，提升技术水平，为味精工业发展做出更大贡献。我国味精工业采用节能设备走可持续发展之路5。 随着计算机和自动化的不断发展，现代自动化技术在工业生产中的应用越来越广。自动化的加入，让工业生产效益在大大提高的同时改善了生产环境，减少了工作人员的工作强度。当然，对于我国处在发展中，国内的味精企业规模较小的情况来说，实行大规模自动化，无论在资金上还是在人

31、员上都是比较困难的，但是还是具有一定可行性的。 味精企业只有大胆创新，采用在提取工艺上已经成熟的先进的节能设备，走自动化连续结晶的工艺，减少用工量，降低成本，提高劳动生产率，真正做到没有三废，清洁生产，走可持续发展之路，只有勇于挑战，走前人没有走过的路，才能使味精行业蓬勃发展，永远立于不败之地。4.味精分离纯化的主要技术规格 生产规模： 40万吨/年；采用的方法：等电点法提取谷氨酸钠、活性炭脱色、离子交换柱除去重金属杂质、结晶罐结晶等；生产天数：一年按365天计算；生产周期：1天；生产方式：间歇生产。5.分离纯化流程的简述5.1主要工艺流程等电点法提取谷氨酸钠-活性炭脱色-离子交换柱-浓缩结晶-干燥-包装-成品65.2等电点法5.2.1酸中和：向中和罐盘管内注入冷冻盐水，将发酵液温度降至22摄氏度，然后加硫酸中和，使