三万吨谷氨酸工厂设计

本科毕业设计第1页共53页一前言1.1性质谷氨酸（α-氨基戊二酸）由两个羧基等组成的酸性氨基酸。中文名谷氨酸CAS登录号56-86-0英文名glutamicacidEINECS登录号200-293-7化学式C5H9NO4熔点205℃分子量147.130761.2生物合成途径1.3用途本科毕业设计第2页共53页谷氨酸是组成蛋白质的20种氨基酸之一，谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷等病症。谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养参与机体代谢，有较高的营养价值。食品中，用于味精生产，味精的成分是谷氨酸钠。游离态的谷氨酸普遍存在于日常食物中，是人体中自然代谢的一种产物。1.4谷氨酸的发展前景目前我国谷氨酸总发酵能力已接近160万吨，约占全球谷氨酸产能的75%;而日本的谷氨酸产能，即包括日本味之素株式会社在本土和海外分公司产能在内的合计只有不到60万吨;韩国的谷氨酸发酵能力在20万～25万吨。再加上我国台湾地区的谷氨酸发酵能力，可以认为，亚洲谷氨酸厂商基本上主宰了国际谷氨酸市场。我国也已取代日本成为全球最大的味精(谷氨酸钠)出口国。而西方国家逐渐改变对味精使用的观念，估计对今后的谷氨酸市场将是一大利好。目前国内谷氨酸的供给主要由味精生产企业提供，味精生产企业在满足自己的原料需求后对外有少量供给，味精以外用谷氨酸主要由化工企业提供，但在规模上无法与味精企业相比。因此，我国谷氨酸行业的供给和需求以味精生产为主，其他行业的需求量相对味精消耗量还比较小。经过几十年时间国内市场的不断洗牌，我国谷氨酸生产企业已从上世纪80年代初的200~300家小企业，缩减为2013年的80多家。年产量在1万吨以上的有17家，产量在5万吨以上者仅有七八家，包括有河南莲花集团、山东菱花集团、山东雪花公司，沈阳红梅集团、广东星湖公司、重庆飞亚集团、江苏菊花公司和河北梅花公司等。此外，温州快鹿公司与浙江义乌市蜜蜂公司的产量近几年来增长较快。我国已成为氨基酸产品的‘世界工厂’，主要品种基本齐全，谷氨酸产量位居世界第一，但是产业创新品种较少，产品研发能力弱；资源能源消耗大，环境问题比较突出；工艺技术相对落后，发酵产率和转化率低，经济效益低下，仅靠能源及较低的生产成本优势，难以与世界氨基酸生产强国竞争。”记者从2011年国际氨基酸产业创新与联盟发展高峰论坛上获悉，我国氨基酸产业亟待通过加快技术创新，实现产业强国梦。中国生物发酵产业协会理事长石维忱与会致辞时指出，氨基酸作为食品、医药、饲料的添加剂，在食品工业、农业、畜牧业，以及人类健康、保健、化妆品行业方面，发本科毕业设计第3页共53页挥了越来越广泛的作用。2010年，我国氨基酸工业总产量超过300万吨，其中大宗氨基酸产品谷氨酸及其盐产量达220万吨，占世界总产量的70%以上，居世界第一；年总产值487亿元，其中，新产品产值达22亿元，是2009年新产品产值的7.6倍；赖氨酸及其盐产量达70多万吨，较2009年增长16.6%，产量居世界前列；苏氨酸2010年产量达10万吨，较2009年增长1倍；其他高附加值的小品种氨基酸市场需求量增加。目前我国氨基酸产业规模以上生产厂家已达近百家，年产值448亿元，利税50多亿元，已成为氨基酸产品的“世界工厂”，在国际上占有举足轻重的地位。但与国外氨基酸产业相比，我国氨基酸产业明显存在产品结构不合理、主要生产技术指标落后、生产成本较高等问题，离真正意义上的发酵强国尚有不小的距离。一是创新品种较少，产品研发能力弱。我国拥有自主知识产权的新型氨基酸产品相对较少，新兴产品比例相对较低，新产品产业化能力较弱；装备自动化和国产化水平较低，生产工艺和技术水平与国际先进水平相比还有一定差距，关键技术仍需要突破，国际竞争力不足，自主创新能力的建设亟待加强和提升。二是资源能源消耗大，产业资源综合利用水平不高，环境问题比较突出。主要表现为原料利用率不高，废弃物排放量较大，资源综合利用深度不够和副产品附加值较低，目前一些发达国家原料利用率已达到99%，而我国平均水平在95%，节能环保方面与世界的差距还很大。三是工艺技术相对落后，发酵产率和转化率低。我国氨基酸生产企业众多，但是规模相对较小，工艺相对落后，许多技术仅停留在实验室阶段，还不能直接转化为生产力。为此，我国氨基酸行业必须加快科技创新，降低能耗，提高资源综合利用率，破除产业发展所面临的环境约束，实现由“产业大国”向“产业强国”的转型。本设计是是在校期间最后一次大型作业，是对大学四年学习的总结.通过毕业设计，我对所学理论知识有了更深一步的了解,使专业知识系统化.使我进一步锻炼查阅文献、设计计算等综合能力，为我走上工作岗位奠定了基础。2.设计总论2.1设计目的通过本设计，学习并掌握独立检索文献的方法、发酵工厂设计中衡算及设备选型的计算方法；具备独立制定设计工艺方案的能力以及工程制图能力，并由此形成初步的发本科毕业设计第4页共53页酵工厂设计能力；能够运用本专业知识独立解决一般的发酵工程技术问题；提高综合素质，培养创新能力和实践能力。2.2设计任务以玉米为原料,年产三万吨谷氨酸工厂设计，生产天数为320天，不间断生产。2.3设计要求2.3.1衡算物料衡算、热量衡算、水衡算和设备选型的计算.2.3.2绘图绘制工程图纸（1号图5张）：①全厂平面布置图（一张）；②工艺流程图（二张）；发酵车间、提取车间；③发酵罐剖面图一张；④车间俯视图一张；⑤成品车间平面图一张。3.厂址选择3.1厂址选择的原则1）建厂靠近原料地或交通方便的地方，但尽量不占良田，节约资源。2）要有充足水源，水质应符合谷氨酸生产的需要；3）要有可靠的供电保证。谷氨酸工厂用电量大，尽可能靠近电厂；4）所选厂址周围应有良好的卫生环境。根据谷氨酸厂的生产特点，厂址选择在空气质量要好以满足发酵谷氨酸生产的需要；5）要有合理的“三废”处理设施；3.2厂址的确定石家庄正定县位于河北省西南部。北距首都北京258千米，距天津新港350千米，东距黄骅港300千米，南与省会石家庄市市区相接。境内有京广高铁、京广铁路、107国道、京深高速公路纵贯南北，石德铁路、石太铁路、307国道、石黄高速公路穿境而过，坐落境内的石家庄机场已开通20多条国内外航。原料运输方便；正定正处于发展本科毕业设计第5页共53页阶段，有广阔的销售市场；正定有充足的地下水资源，也有充足的电力供应。周边农村可提供大量玉米，原材料丰富。综合上述因素，厂址选定于石家庄市正定新区。4工艺论证4.1生产规模年产三万吨谷氨酸工厂4.2产品规格99%谷氨酸质量符合GB8967-88；80%谷氨酸质量符合QB1500-924.3生产方法以玉米淀粉为原料、北京棒杆菌为生产菌种生产谷氨酸，分为以下几个车间：4.3.1淀粉车间：除杂，浸泡，破碎，分离，干燥4.3.2制糖车间：是双酶法制糖工艺4.3.3发酵车间：亚适量生物素流加糖发酵工艺4.3.4提取车间：等电点提取工艺4.4工作组成4.4.1淀粉车间除杂—浸泡—破碎、研磨—分离、干燥4.4.2糖化车间液化-糖化-过滤4.4.3发酵车间种子-连消-发酵-空气净化4.4.4提取车间等电提取-离心分离4.4.5辅助车间化验室、修理车间、泵房、水源净化系统、动力车间。4.4.6包装形式现采用塑料袋装，塑料袋的材料有BOPP复膜聚乙烯、聚乙烯符合GB4456-84规定。本科毕业设计第6页共53页现选用机械包装，包装规格：10g，20g，50g，100g，250g，500g，1kg，10kg，25kg，允许偏差符合GB8967-88的规定。4.5全厂各工段工艺流程4.5.1制淀粉流程玉米→除杂→浸泡→破碎→胚芽分离洗涤→研磨→纤维分离→麸质分离→离心脱水→气流干燥→玉米淀粉→淀粉贮存库4.5.2糖化流程调浆→配料→喷射液化→保温维持→层流液化→灭酶→糖化罐→糖化→灭酶→过滤→糖储罐→发酵车间4.5.3发酵流程生产用菌种：北京棒状杆菌本科毕业设计第7页共53页斜面培养摇瓶扩大培养菌种种子罐扩大培养原料预处理水解过滤淀粉水解糖空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌粗谷氨酸母液配料发酵等电点调节沉淀离心4．5.4提取流程98%H2SO4高流分发酵液等电罐晶种育晶本科毕业设计第8页共53页停酸搅拌二步加酸（H2SO4+高流）等电点停酸搅拌静止沉淀物上清液离心分离母液罐湿谷氨酸离心水离子交换柱成品母液罐洗脱前流高流后流（母液罐）（等电罐）（洗脱）4.6工艺参数玉米淀粉含淀粉90%,淀粉糖转化率97%，糖酸转化率60%，产酸率12%，提取收率94%。发酵周期48h，发酵时间38h，初糖14%，流加糖30%，总糖18%，接种量10%，生物素含在糖蜜中。本科毕业设计第9页共53页4.8原料规格工业H2SO4≥98%液氨≥99%盐酸≥31%Na2HPO4·H2O≥96%，工业H3PO4≥85%MgSO4·7H2O≥98%，精制盐≥99%BAPE比重1.01～1.025,分子量3000～4000,微黄色油状液体交换容量4.5g柱度16～50≥45%活性基团-SO3-离子型Na+GH-10（K-15）粒状活性炭：真比重1.24～1.298g/ml水分40～50%pH5.0～7.0灰分≤40%α-淀粉酶高温活力2000μ/g，用量12μ/g干淀粉中温活力4000μ/g，用量1.25μ/g干淀粉糖化酶活力105μ/g，用量80～100μ/g，取90μ/g干淀粉粒度10×24目，28×42目，40×60目强度≥90%4.9各工段工艺提取工艺论证4.9.1提取工艺选择A）目的谷氨酸是目的产物，溶解过程中，副产物比较多，因此必须采取适宜工艺把谷氨酸提取出来。B）提取方法论证提取谷氨酸方法：离子交换法等方法。本科毕业设计第10页共53页a）离子交换法：液相中的离子和固相中离子间所进行的的一种可逆性化学反应，当液相中的某些离子较为离子交换固体所喜好时，便会被离子交换固体吸附，为维持水溶液的电中性，所以离子交换固体必须释出等价离子回溶液中。b）等电法：利用蛋白质在等电点时溶解度最低的特性，向含有目的药物成分的混合液中加入酸或碱，调整其pH值，使蛋白质沉淀析出的方法，称为等电点沉淀法。c）盐酸盐法：谷氨酸溶解度小，易生成晶体，在浓冷盐酸中,可以提纯，加碱液达到等电点,使谷氨酸析出。d）锌盐法：谷氨酸某些金属盐的溶解度小,若往谷氨酸发酵液中加入某金属盐生成难溶的谷氨酸金属盐沉淀析出.e）溶剂抽提方法：从固体物质中萃取化合物的一种方法，但此法可行性尚在研究中。4.9.2工艺流程A）工艺流程发酵罐贮罐菌体分离三废处理清液pH=5.0pH=4.6pH=3沉降静置8小时离心分离谷氨酸图2工艺流程图本科毕业设计第11页共53页5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重量等于离开该系统的全部物料重量，即WDF式中：F——进入系统的料量（Kg）D———离开系统的物料量（Kg）W———损失的物料量（Kg）5.1生产过程的总物料衡算1）生产能力以年产商品谷氨酸30000吨，折算为100%谷氨酸为28560t/a。日产商品谷氨酸：30000/320=9.375(t/d)(其中99%的谷氨酸为t，80%的谷氨酸为t)日产100%谷氨酸：28560/320=89.25（t/d）2）总物料衡算（以淀粉质原料为实例）（1）1000Kg纯淀粉理论上产100%谷氨酸量：Kg5.1153272.1%7.8111.11000（2）1000Kg纯淀粉实际产100%谷氨酸量：Kg8.572272.1%92%90%50%9811.11000（3）1000Kg工业淀粉（含量90%的玉米淀粉）产100%谷氨酸量：Kg52.515%908.572（4）淀粉单耗①1t100%谷氨酸消耗纯淀粉量：)(746.18.5721000t本科毕业设计第12页共53页②1t100%谷氨酸实际消耗工业淀粉量：)(940.152.5151000t③1t100%谷氨酸理论上消耗纯淀粉量：)