生产10万吨味精厂发酵工段工艺课程设计完整版.doc

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1、生物工艺原理课程设计说明书 题 目：生产10万吨味精厂发酵工段工艺设计学 院：太原科技大学化学与生物工程学院 系 别：生物工程系班 级：1142班学生姓名：刘思学生学号：201121030205指导老师：刘仙俊 杨艳2013年12月16-20日摘要味精的主要成分是谷氨酸钠，是生活中必不可少一种鲜味剂。本设计是生产纯度为100%商品味精的设计，采用的是中糖发酵、一次等电点提取的发酵方法生产味精。从谷氨酸发酵液中提取出的谷氨酸制成味精要经过谷氨酸加水溶解，用碳酸钠或氢氧化钠中和，经脱色、除铁、钙、镁等离子，再经蒸发浓缩、结晶、分离、干燥、筛选等单元操作，得到高纯度的晶体或粉体味精。本设计对全厂进行

2、了物料衡算、发酵车间热量衡算、无菌空气用量计算。对味精发酵车间进行工艺流程的设计和发酵罐的设计与选型计算。关键词：味精 谷氨酸 发酵 工艺设计目录摘要1第一章 文献综述31.1味精的性质31.2 味精工业发展历程31.3我国味精工业发展现状31.3.1 工艺技术进展4 1.3.2 技术指标进展4 1.4 设计任务及目的意义51.4.1设计任务：51.4.2 设计目的和意义5第二章 味精生产工艺62.1 味精生产的工艺概述62.2 谷氨酸发酵的工艺概述7第三章 谷氨酸发酵车间物料衡算93.1工艺技术指标及基础数据93.3 100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表11第四章 连续灭菌和发酵工段

3、能量衡算134.1 热量衡算的方法134.2 连续灭菌和发酵工段能量衡算134.2.1 计算指标（以淀粉质为原料）134.2.2 培养液连续灭菌用蒸汽量144.2.3 培养液冷却用水量154.2.4 发酵罐空罐灭菌蒸汽量164.2.5 发酵过程产生的热量及冷却用水量17总结与体会18参考文献19第一章 文献综述1.1 味精的性质味精是谷氨酸的一种钠盐，为有鲜味的物质，学名叫谷氨酸钠，亦称味素。化学名-氨基戊二酸一钠，是一种由钠离子与谷氨酸根离子形成的盐，是一种无嗅无色的晶体，对光和热稳定，无吸湿性，在232时解体熔化。其中谷氨酸是一种氨基酸，而钠是一种金属元素。生活中常用的调味料味精的主要成分

4、就是谷氨酸钠1。1.2 味精工业发展历程 味精作为人们生活的主要调味品且是食品工业的高利税产品，自80年代以来，整个行业呈现突飞猛进的势态。80年我国味精产量只有3.1万吨到91年已经发展到200多家企业，味精产量达到27.16万吨。年发展速度达到121.81%。在以味精、啤酒、白酒、糖、卷烟、五项农产品为原种的工业品中，味精发展速度最快2。世界味精的发展可分为三个阶段3，即：第一阶段，1866年德国人HRitthasen(里德豪森)博士从面筋中分离到氨基酸 ，他们称谷氨酸，根据原料定名麸酸或谷氨酸。1908年日本东京大学池田菊苗试验，从海带中分离到L谷氨酸结晶体，这个结晶体和从蛋白质水解得到

5、的L谷氨酸是同样的物质，而且都是有鲜味的；第二阶段，以面筋或大豆粕为原料通过用酸水解的方法生产味精，在1965年以前是用这种方法生产的；第三阶段，1965年以后我国味精厂都自采用以粮食为原料通过微生物发酵、提取、精制而得到符合国家标准的谷氨酸钠，自此后味精便走进全世界人的生活4。1.3 我国味精工业发展现状 自1964年上海轻工业研究所食品室应用谷氨酸黄色段杆菌以发酵法生产谷氨酸的重大科研成果取得成功以后，1965年在上海天厨味精厂首先投产，完成了以蛋白质原料水解法转向发酵法生产味精的进程，当时从菌种、工艺、发酵罐规模及技术水平上均达到1956年日本水平，差距不到10年，是世界上继日本之后首先

6、投产的国家5。随着科学技术的不断进步，味精生产技术也在不断变革，由创建之初的以面筋、豆粕为原料水解法生产工艺改变为现在以糖质为原料发酵法生产工艺。发酵法制造味精的生产技术进步较大，尤其近几年进展更快，无论菌种还是工艺方法及装备水平，逐步缩小与国际间的差距6。1.3.1 工艺技术进展 （1）制糖工艺进展： 以淀粉或大米为原料首先要制备葡萄糖，其工艺方法进展历程：酸法水解酶酸法水解双酶法水解。双酶法制糖，糖液质量好（含糖量高，透光率高），淀粉转化率高，有利于发酵和提取。目前水平：透光率85以上，含糖30以上（淀粉原料），糖纯度98以上，转化率95以上。 （2）发酵工艺进展： 发酵类型：亚适量生物素

7、水平（产酸46gdl）改良型亚适量生物素水平（产酸58gdl）高生物素水平（添加青霉素、表面活性剂、采用温度敏感型菌株，产酸1215gdl）。 投糖方式：一次投糖发酵（中、高糖）中糖及中后期补糖发酵 中糖或低糖及中后期连续流加糖发酵。 （3）提取工艺进展：生产工艺直接等电点方法（少数锌盐法）等电离交方法浓缩连续等电点法（少数厂家采用）。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。 （4）精制工艺进展：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。 结晶方式：夹套式结晶罐内循环式结晶7。 1.3.2 技术指标进展进入90年代，尤其95年后，技术进步较快，目前

8、行业最好水平是（仅少数厂家）制糖收率99以上、发酵产酸1112、转化率5962，提取收率9698、精制收率96。与80年代比较全行业平均制糖收得率提高了10，发酵产酸率提高了117，转化率提高了43，提取收率提高了20，精制收率提高了88，综合技术指标淀粉消耗下降了166。1.4 设计任务及目的意义1.4.1 设计任务： 以实验小组为单位，根据老师提供的工艺技术指标及基础数据，并结合参考文献完成100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表及连续灭菌和发酵工段能量衡算表，最后综合列出100000t/a味精生产厂连续灭菌和发酵车间总热量衡算表。最后，总结本次课程设计，汲取设计经验。1.4.2 设计

9、目的和意义 生物工程工厂设计概论课程设计是学生学过相关基础课程及生物工艺学原理与实验后，进一步学习共产设计的基础知识，培养工程设计能力的重要教学环节。通过该环节的时间，可使学生初步掌握单元操作设计的基本程序与方法，得到工程设计能力的基本锻炼。生物工程工厂课程设计是以实际训练为主的课程，学生在过程中收集设计数据，在教师指导下完成一定的车间设计任务，以达到培养设计能力的目的。第二章 味精生产工艺 2.1 味精生产的工艺概述味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：(1)原料的预处理及淀粉水解糖的制备；(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵；(3)谷氨酸的提取；(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。与这四个工艺阶段

10、相对应，味精生产厂家一般设置了糖化车间、发酵车间和精致车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸气的需求，同时还设置了动力车间利用锅炉燃烧产生蒸气，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障供水，还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。味精发酵法生产的总工艺流程见下图。菌种斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养原料预处理水解淀粉水解糖配料发酵空气空压机压缩冷却过滤除菌汽液分离等电点调节溶解粗谷氨酸离心沉淀中和制味精粗谷氨酸溶液离子交换处理母液细谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥过滤干燥大结晶拌盐粉碎粉状味精成品包装图2-1 味精生产总工艺流程

11、图2.2 谷氨酸发酵的工艺概述 谷氨酸发酵工艺主要流程为：菌种的选育，培养基配置，鞋面培养，一级种子培养，发酵，发酵过程的参数控制（包括通风量、pH、温度、泡沫），发酵液。详细工艺流程简下图2-2淀粉消泡剂 消泡剂 水 葡萄糖液 水无机盐 无机盐糖蜜配料罐 定容罐 定容罐 配料罐 糖蜜玉米糖 玉米糖纯维生素 液氨 二级种子罐 连消器 纯维生素 实消 维持罐 斜面 一级种子 降温 换热器 消泡剂 液氨 水二级种子培养 发酵罐 高浓度糖液无菌空气 液氨 图2-2 谷氨酸发酵工艺流程示意图第三章 谷氨酸发酵车间物料衡算3.1 工艺技术指标及基础数据(1)主要技术指标见表3-1指标名称 单位指标数 指

12、标名称 单位指标数生产规模 t/a100000 发酵初糖Kg/ 150生产方法中糖发酵，等电点-离子交换提取淀粉糖化转化率% 102年生产天数 d/a 300 流加高浓糖Kg/ 500产品日产量 t/d 333糖酸转化率% 60产品质量 纯度99%麸酸谷氨酸含量% 95倒罐率 % 0.3谷氨酸提取率% 95发酵周期 h 40味精对谷氨酸产率% 122(2)主要原材料质量指标淀粉原料的含量为80%，含水14%(3)二级种子培养基（g/L）水解糖50，糖蜜20，磷酸二氢钾1.2，硫酸镁0.6，玉米浆510，泡敌0.8，生物素0.02mg，硫酸锰2mg/L，硫酸亚铁2mg/L。发酵初始培养基（g/L

13、）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸0.2，生物素2，泡敌1.0，接种量为8%3.2谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原材料以及其他物料量。(1)发酵液量设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为220kg/，则发酵液量为： V=1000/(22060%95%99.8%122%)=6.556(m3)式中 220发酵培养基终糖浓度（kg/m3） 60%糖酸转化率 95%谷氨酸转化率 99.7%除去倒罐率0.3%后的发酵成功率 122%味精对谷氨酸的精制产率（2）发酵液配制需水解糖量 以纯糖计算：m1=220V1=1442.35(kg

14、) （3）二级种液量 V2=8%=0.52448(m3 )（4）二级种子培养液所需水解糖量 m2=50V2=16.224(kg) 式中 50二级种液含糖量（kg）（5）生产1000kg味精需水解糖总量 m=m1+m2=1468.574(kg)（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故耗用淀粉量为： m淀粉=1468.6/(80%108%111%)=1621.372(kg) 式中 80%淀粉原料含纯淀粉量 102%淀粉糖化转化率（7）液氨耗用量 发酵过程用液氨调pH和补充氮源，耗用260280kg；此外，提取过程耗用160170kg，合计每吨味精消耗420450k

15、g。（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为：20V2=10.4896(kg)发酵培养基耗糖蜜量为：4V1=26.224(kg)合计耗糖蜜36.7136kg（9）氯化钾耗量mkcl=0.8V1=5.2448(kg)（10）磷酸二氢钾（）耗量m3=1.2V2=0.629376(kg)（11）硫酸镁（）用量0.6(V1+V2)=4.2483(kg)（12）消泡剂（泡敌）耗用量 1.0V1+0.8V2=6.975584(kg)（13）玉米浆耗用量（8g/L） m4=8V2=4.1958(kg)（14）生物素耗用量 m5=0.02V2+0.002V1=0.0236(g)（15）硫酸锰耗用量 m6=0.

16、002V2=1.04895(g）（16）硫酸亚铁耗用量 m7=0.002V2=1.04896(g)（17）磷酸耗用量 m8=0.2V1=1.3112(kg)（18）谷氨酸（麸酸）量 发酵液谷氨酸含量为：m160%(1-0.3%)=862.81477(kg)实际生产的谷氨酸（提取率95%）为： 862.8147795%=819.6731(kg)3.3 100000t/a味精厂发酵车间的物料衡算表物料名称生产1t味精（100%）的物料量50000t/a味精生产的物料量每日物料量发酵液量/二级种液量/发酵水解用糖量/kg二级种培养用糖量/kg水解糖总量/kg淀粉用量/kg液氨用量/kg糖蜜用量/kg

17、氯化钾用量/kg磷酸二氢钾用量/kg硫酸镁用量/kg泡敌用量/kg玉米浆用量/kg生物素用量/g硫酸锰用量/g硫酸亚铁用量/g磷酸用量/kg谷氨酸用量/kg6.5560.524481442.3226.2241468.5441621.33898642036.71365.2480.6293714.248486.9755844.195840.02360161.048961.048961.3112819.6560328655.652.4481.442322.62241.4685441.62134423.671365.24862.9371424.848697.5584419.5842360.161.04

18、8961.048961.31128.196562183.148174.65184480.2938732.592489.025539.905139.8612225.62881746.5184209.582211414.743842322.8694721397.214727.85933349.30368349.30368436.6296272.945第四章 连续灭菌和发酵工段能量衡算4.1 热量衡算的方法 热量衡算是更具能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下： Q入=Q出+Q损 式中 Q入-输入的热量总和（kJ） Q出输出的热量总和（kJ） Q损-损失的热量总和（kJ） 通常 Q入=Q1+Q2

19、+Q3 Q出=Q4+Q5+Q6+Q7 Q损=Q8 式中 Q1-物料带入的热量（kJ） Q2-由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（热量） Q3-过程的热效应，包括生物反应热。搅拌热等（kJ） Q4-物料带出的热量（kJ） Q5-加热设备需要的热量（kJ） Q6-加热物料需要的热量（kJ） Q7-气体或蒸汽带出的热量（kJ） 最终得Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8 值得注意的是，对具体的单元设备，上述的Q1Q8各热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析4.2 连续灭菌和发酵工段能量衡算4.2.1 计算指标（以淀粉质为原料） 计算指标见表4-1计算

20、指标 项目 指标淀粉糖化转化率 102%发酵产酸率 11%发酵对糖转化率 60%培养菌种耗糖为发酵耗糖的百分比 1.5%谷氨酸提取收率 95%精制收率 122%商品淀粉中淀粉含量 80%发酵周期（含辅助时间 40h发酵时间 32h全年工作日 300d发酵罐容积 300m发酵罐表面积 310m发酵罐装料系数 0.8发酵罐体质量 45t冷却排管重量 7t灭菌前培养基含糖量 19%每罐培养基连续灭菌时间 3h物料间接加热即冷热物料交换的后温度 75培养基连续灭菌温度 20空罐灭菌时间 1.5h空罐灭菌温度 127发酵热高峰值 3.0104kJ/mh 4.2.2 培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐容积为30

21、0 m，装料系数为0.80，每罐产100%味精量： 3000.8011%95%122%1.272=38.91t 1.272:纯味精相对分子质量/纯谷氨酸相对分子质量=187147=1.272 年产商品味精10万吨，日产100%MSC333蹲。发酵操作时间40h（其中发酵时间32h）需发酵罐台数： 333（38.9124）40=14.3，取15台 由于装罐率0.80，所以每罐初始培养基体积240m，糖浓度15.0g/dl，灭菌前培养基含糖19.0%，则灭菌前培养基总质量： 2401519%=189.47t 每日投（放）料罐次：33338.91=8.6罐，取9罐 日装运：14.33240=11.4

22、4罐，取12罐次 灭菌加热过程中用0.4Mpa（表压）I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由20c预热至75c，再加热至120c，冷却水由20c升到45c。 每罐连续灭菌时间3h，输料流量： 189.473=63.16t/h 消毒灭菌用蒸汽量（D）: D=631303.97（120-75）/（2743-1204.18）=5t/h 式中：3.97为糖液的比热容，KJ/（kg ） 4.18为水的比热容，KJ/（kg ） 每天用蒸汽量：539=135t/d 高峰用蒸汽量：512=60t/h 平均用蒸汽量：135/24=5.6t/h4.2.3 培养液冷却用水量 120c热料通过与冷热料交换，由

23、120c降至75c，再用水冷却至35c；冷却水由30c升至45c。计算冷却水用量（W） W=631603.979(75+273)-(35+273)/(45+273)-(30+273) 4.186 =159735.75kg/h 每日用水量：W39=4312865.36kg/d 平均用水量：27W=19735.75kg/h 最大用水量：12W=1916829kg/h4.2.4 发酵罐空罐灭菌蒸汽量发酵罐体加热： 300m，1Cr18Ni9的发酵罐体重45t，冷却排管重7t，1Cr18Ni9的比热容0.5kJ/（kgc），用0.4Mpa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在0.15Mpa（表压）下由20c升至

24、127c，其蒸汽量为： (45000+7000) (127-20) 0.5/(2743-1274.18)=1257.6（kg）填充发酵罐空间的蒸汽量： 因300m发酵罐的全容积大于300m，考虑到罐内之排管，搅拌器等所占之空间罐之自由空间仍按300m计算，填充空间需蒸汽量： D空=Vp=3001.39=417kg式中：V发酵罐全容积（m） P加热蒸汽的密度（kg/ m）0.15mPa（表压）时为1.39（kg/ m）灭菌过程中的热功当量损失：辐射与对流联合给热系数，罐外壁温度70c=33.9+0.19（70-20）=43.4kJ/（ mh）300m发酵罐的表面积为310 m2，耗用蒸汽量：D损

25、=31043.4（70-20）/（2743-1274.18）=304.1（kg/h）罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗：3100.00110004.18（127-20）/（2743-1274.18）=62.9(kg)式中：0.001附壁水平均厚度（1mm） 1000水密度（kg/ m）灭菌过程蒸汽渗漏，每空罐灭菌1.5h，取总汽消耗量的10%，则每空罐灭菌蒸汽消耗量：（1257.6+417+304.11.5+62.9）/（1-0.05）=2437.2kg/罐 每日用蒸汽量： 2438.29=21934.4kg/d=21.9t/d 平均用蒸汽量： 21934.4/24=913.96（kg/h）=0.9

26、1（t/h） 高峰用蒸汽量： （2437.15/1.5）12=19497.2（kg/h）=19.5（t/h）4.2.5 发酵过程产生的热量及冷却用水量 根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约3.0104kj/（mh）300m发酵罐，装料量240m使用新鲜水，冷却水进口温度10c，出口温度20c，冷却水用量（W）： W=3.0104240/(20-10) 4.18=172248.8(kg/h) 日运转12台，高峰用水量：172.212=2066.99（t/h） 每罐发酵周期32h，设用需冷加水冷却16h，则日用水量： 2066.99160.89=238116.67（t/d）式中：

27、0.8各罐发热状况均衡系数平均用水量：238116.67/24=9921.53（t/h） 100000吨味精生产厂连续灭菌和发酵车间总热量衡算表名称压力（Mpa）每小时高峰用量（kg/h）每小时平均用量（kg/h）每昼夜消耗量（kg/d）年消耗量(kg/a)蒸汽0.479500651075690047070000冷却水398381489657.284550982.031365294609总结与体会此次设计历时一个星期，完成了100000t/a味精厂的味精生产工艺、物料衡算、热量衡算等计算，并作出味精总工艺及谷氨酸发酵工艺流程图。本设计参考了许多文献，结合自己已学知识进行设计。这次设计不仅让我们

28、进一步熟悉和巩固了很多化工工艺方面的知识，还初步掌握了许多有关设计方面的知识，同时也让我们明白理论联系实际的重要性，更让我们懂得了独立思考问题、分析问题和解决问题，以及谦虚的求教态度和团结的合作精神等。这些对于我们将来的工作和生活都将有着很大的作用。本次设计首先对味精的物理化学性质、发展历史及情景进行了概括，然后理清设计任务，采用的是中糖发酵、一次等电点提取的发酵方法生产味精，主要根据发酵工艺流程设计发酵车间，然后进行了物料衡算、用水量及无菌空气的衡算，并列出相关计算结果表格。最后是总结本次设计心路历程，体会实践、理论的相关性，为以后的学习总结经验。 通过本次课程设计，使我更加扎实的掌握了味精

29、发酵生产方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过反复思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因，也暴露了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。参考文献1 于信令. 味精工业手册，中国轻工业出版社，1997.47-9632 张启先我国发酵工业发展现伏与对策科技导报，1992(2):44-453 高平，刘书志生物工程设备,化学工业出版社,20064 王旭，禹郑超. 味精发酵生产工艺及其主要设备. 高等函授学报（自然科学版），1995（4）：45-48.5 吴思方.发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版社，19956 高孔荣. 发酵设备. 北京，中国轻工业出版社，19917 陈宁.谷氨酸工艺学，中国轻工业出版社，2007 时光荏苒，感谢教给我人生道理的老师。结语：