年产1.5万吨谷氨酸发酵车间设计

河北经贸大学毕业论文1年产1.5万吨味精工厂发酵车间设计说明书引言味精是人们熟悉的鲜味剂，是L—谷氨酸单钠盐(Monosodiumglutamate)的一水化合物(HOOC-CH2CH(NH2)-COONa·H20)，具有旋光性，有D—型和L—型两种光学异构体。味精具有很强的鲜味(阈值为0.03%)，现已成为人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。1987年3月，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂［1］。早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，自从1956年日本协和发酵公司用发酵法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业［2］。该生产工艺和设备具有很强的典型性，本文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知识。设计内容为，了解味精生产中的原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算及设备的选择。最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图。整个设计内容大体分成三部分，第一部分主要是味精生产的工艺和设备选择；第二部分包括发酵罐、种子罐及空气分过滤器的设计与选型；第三部分是工艺流程和平面布置图。由于我的水平有限，加之对先进设计的了解甚少，设计中有好多不足的地方敬请各位老师和同学批评指正。1味精生产工艺1.1味精生产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河北经贸大学毕业论文2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。与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，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［4］。味精发酵法生产的总工艺流程见图1。河北经贸大学毕业论文3图1味精生产总工艺流程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过滤淀粉水解糖配料发酵空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌等电点调节沉淀离心粗谷氨酸溶解中和制味精母液离子交换处理粗谷氨酸溶液粗谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精河北经贸大学毕业论文41.2原料预处理及淀粉水解糖制备1.2.1原料的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，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎［3］。1.2.2淀粉水解糖制备在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。1.3种子扩大培养及谷氨酸发酵种子扩大培养为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。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种子。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。但由于糖液粘度较大，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。发酵设备，国内味精厂大多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河北经贸大学毕业论文5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，还可采用空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备［4］。1.4谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等电点—离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制［1］。1.5谷氨酸制取味精及味精成品加工精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包装，得到成品。味精中和液的脱色过程，除使用碳柱外，还可使用离子交换柱，利用离子交换树脂的吸附色素。味精的干燥过程，国内许多厂家还采用箱式烘房干燥，设备简单，投资低，但操作条件差，生产效率低，不适应大规模生产的要求。也有的厂家使用气流干燥技术，生产量大，干燥速度快，干燥时间短，但干燥过程对味精光泽和外形有影响，同时厂房建筑要求较高，这样均不如振动式干燥床应用效果好[4]。2发酵罐及种子罐的设计与选型2.1味精工厂发酵车间的物料衡算2.1.1工艺技术指标及基础数据（1）查《发酵工厂工艺设计概论》P326表3味精行业国家企业标准［5］，选用主要指标如表1河北经贸大学毕业论文6表1味精发酵工艺技术指标指标名称单位指标数生产规模t/a15000（味精）生产方法中糖发酵，一次等电点提取年生产天数d/a300产品日产量t/a50产品质量纯度%99倒灌率%1.0发酵周期h48发酵初糖Kg/m3150淀粉糖转化率%95糖酸转化率%48麸酸谷氨酸含量%90谷氨酸提取率%80味精对谷氨酸产率%112（2）主要原材料质量指标淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。（3）二级种子培养基（g/L）水解糖25，糖蜜20，尿素3.5，磷酸氢二钾1.0，硫酸镁0.6，玉米浆5~10，泡敌0.6，硫酸镁0.002，硫酸亚铁0.002。（4）发酵培养基（g/L）水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸氢二钠0.2，硫酸亚铁0.002，硫酸锰0.002，尿素（总尿）40，泡敌0.6，植物油1.0。（5）接种量为2%。2.1.2谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产1000kg纯度为100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。（1）发酵液量V13166.15%112%99%80%481501000mV式中150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）48%——糖酸转化率河北经贸大学毕业论文780%——谷氨酸提取率99%——除去倒灌率1%后的发酵成功率112%——味精对谷氨酸的精制产率（2）发酵液配制需水解糖量G1以纯糖算，)(234915011kgVG（3）二级种液量V2312313.0%2mVV（4）二级种子培养液所需水解糖量G232283.725mVG式中25——二级种液含糖量（kg/m3）（5）生产1000kg味精需水解糖总量G为：kgGGG8.235621（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg淀粉转化生成葡萄糖量为111kg，故理论上耗用的淀粉量G淀粉为：kg7.2793%111%95%808.2356淀粉G式中80%——淀粉原料含纯淀粉量95%——淀粉糖转化率（7）尿素耗用量二级种液耗尿素量为V3kgVV1.15.323发酵培养基耗尿素为V4kgVV4.6264014故共耗尿素量为627.5kg（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量V5kgVV26.62025发酵培养基耗糖蜜量V6kgVV64.62416合计耗糖蜜69.9kg河北经贸大学毕业论文8（9）氯化钾耗量GKClkgVGKCl53.128.01（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量G3kgVG13.32.013（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量G4kgVVG58.96.0214（12）消泡剂（泡敌）耗用量G5kgVG4.96.015（13）植物油耗用量G6kgVG5.235.116（14）谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为：kgG2.1116%11%481实际生产的谷氨酸（提取率80%）为：kg893%802.11162.1.315000t/a味精厂发酵车间的物料衡算结果由上述生产1000kg味精（100%纯度）的物料衡算结果，可求得15000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如表2河北经贸大学毕业论文9表215000t/a味精厂发酵车间的物料衡算2.2设备设计与选型2.2.1发酵罐（1）发酵罐的选型选用机械涡轮搅拌通风发酵罐（2）生产能力、数量和容积的确定①发酵罐容积的确定：选用200m3罐②生产能力的计算：现每天生产99%纯度的味精50t，谷氨酸的发酵周期为48h(包括发酵罐清洗、灭菌、进出物料等辅助操作时间)。则每天需糖液体积为V糖。每天产纯度为99%的味精50t，每吨100%的味精需糖液15.66m3物料名称生产1t味精（100%）的物料量15000t/a味精生产的物料量每日物料量发酵液（m3）15.662.35×105783二级种液（m3）0.313469515.65发酵水解用糖（kg）23493.52×1071.17×105二级种培养用糖（kg）7.831.18×105391.5水解糖总量（kg）2356.83.53×1071.18×105淀粉(kg)2793.74.19×1071.40×105尿素（或液氨）627.59.41×1063.14×104糖蜜（kg）69.91.05×1063495氯化钾（kg）12.531.88×105626.5磷酸氢二钠（kg）3.134.70×104156.5硫酸镁（kg）9.581.44×105479泡敌（kg）9.41.40×105470植物油（kg）23.53.53×1051175谷氨酸（kg）8931.34×10744650河北经贸大学毕业论文103m775.17%995066.15糖V设发酵罐的填充系数φ=70%；则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为V0（发酵周期为48h）。30m4.11077.017.775/φ糖VV③发酵罐个数的确定：公称体积为200m3的发酵罐，总体积为230m3个φτ总63.9247.023048775.1724V01VN取公称体积200m3发酵罐11个，其中一个留作备用。实际产量验算：at/6.15580300%9966.1557.0230富裕量%9.315000150006.15580能满足产量要求（3）主要尺寸的计算：取高径比H：D=2：1[6]；封筒全3230m2VVV则有：2302242785.032DDDVπ全H=2D；解方程得：23026.057.133DDmD004.583.12303取D=5mH=2D=10m；封头高：mmhhHba1300封河北经贸大学毕业论文11封头容积：V封=16.4（m3）圆柱部分容积：V筒=197m3验算全容积V全：3m8.2294.1621972封筒‘全VVVV全=V’全符合设计要求，可行。（4）冷却面积的计算对谷氨酸发酵，每1m3发酵液、每1h传给冷却器的最大热量约为4.18×6000kJ/(m3·h)[5]。采用竖式蛇管换热器，