【正文】 引言味精是人們熟悉的鮮味劑，是L—谷氨酸單鈉鹽(Mono sodium glutamate)的一水化合物(HOOCCH2CH(NH2)COONaH20)，具有旋光性，有D—型和L—型兩種光學(xué)異構(gòu)體。味精具有很強(qiáng)的鮮味(閾值為0. 03%)，現(xiàn)已成為人們普遍采用的鮮味劑，其消費(fèi)量在國(guó)內(nèi)外均呈上升趨勢(shì)。1987年3月，聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織和世界衛(wèi)生組織食品添加劑專(zhuān)家聯(lián)合委員會(huì)第十九次會(huì)議，宣布取消對(duì)味精的食用限量，再次確認(rèn)為一種安全可靠的食品添加劑［1］。早期味精是由酸法水解蛋白質(zhì)進(jìn)行制造的，自從1956年日本協(xié)和發(fā)酵公司用發(fā)酵法生產(chǎn)以后，發(fā)酵法生產(chǎn)迅速發(fā)展，目前世界各國(guó)均以此法進(jìn)行生產(chǎn)。谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國(guó)目前通氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)廠家最多、產(chǎn)品產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)［2］。該生產(chǎn)工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的典型性，本文對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備作簡(jiǎn)要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝和主要設(shè)備的有關(guān)知識(shí)。設(shè)計(jì)內(nèi)容為，了解味精生產(chǎn)中的原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的原料進(jìn)行物料衡算、熱量衡算及設(shè)備的選擇。最后，畫(huà)出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產(chǎn)的工藝和設(shè)備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐及空氣分過(guò)濾器的設(shè)計(jì)與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。由于我的水平有限，加之對(duì)先進(jìn)設(shè)計(jì)的了解甚少，設(shè)計(jì)中有好多不足的地方敬請(qǐng)各位老師和同學(xué)批評(píng)指正。1 味精生產(chǎn)工藝 味精生產(chǎn)工藝概述味精生產(chǎn)全過(guò)程可劃分為四個(gè)工藝階段:(1)原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備。(2)種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵。(3)谷氨酸的提取。(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。 與這四個(gè)工藝階段相對(duì)應(yīng)味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車(chē)間、發(fā)酵車(chē)間、提取車(chē)間和精制車(chē)間作為主要生產(chǎn)車(chē)間。另外，為保障生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)蒸汽的需求，同時(shí)還設(shè)置了動(dòng)力車(chē)間，利用鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，并通過(guò)供氣管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設(shè)置供水站。所供的水經(jīng)消毒、過(guò)濾系統(tǒng)處理，通過(guò)供水管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位［4］。味精發(fā)酵法生產(chǎn)的總工藝流程見(jiàn)圖1?？諝饩N原料空氣壓縮機(jī)預(yù)處理斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)冷卻水解除鐵離心沉淀發(fā)酵配料過(guò)濾氣液分離種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)過(guò)濾淀粉水解糖過(guò)濾除菌脫色濃縮結(jié)晶離心等電點(diǎn)調(diào)節(jié)過(guò)濾干燥大結(jié)晶干燥母液小結(jié)晶粗谷氨酸拌鹽粉碎粗谷氨酸 成品味精粉狀味精離子交換處理溶解粗谷氨酸溶液中和制味精 圖1 味精生產(chǎn)總工藝流程圖 原料預(yù)處理及淀粉水解糖制備 原料的預(yù)處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，使用方便。用于原料粉碎的設(shè)備除盤(pán)磨機(jī)外，還有錘式粉碎機(jī)和輥式粉碎機(jī)。盤(pán)磨機(jī)廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類(lèi)等物料，而錘式粉碎機(jī)應(yīng)用于薯干等脆性原料的中碎和細(xì)碎作用，輥式粉碎機(jī)主要用于粒狀物料的中碎和細(xì)碎［3］。 淀粉水解糖制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過(guò)程稱(chēng)為淀粉的糖化，所制得的糖液稱(chēng)為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用。目前，國(guó)內(nèi)許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過(guò)程所需的大量種子，發(fā)酵車(chē)間內(nèi)設(shè)置有種子站，完成生產(chǎn)菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)任務(wù)。從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。 谷氨酸發(fā)酵開(kāi)始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對(duì)其作高溫短時(shí)滅菌處理。用于滅菌的工藝除采用連消塔—維持罐一噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采用噴射加熱器—維持管—真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流動(dòng)性差，容易將維持管堵塞，同時(shí)真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應(yīng)用較少。發(fā)酵設(shè)備，國(guó)內(nèi)味精廠大多采用機(jī)械攪拌通風(fēng)通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50m3到200m3之間。對(duì)于發(fā)酵過(guò)程采用人工控制，檢測(cè)儀表不能及時(shí)反映罐內(nèi)參數(shù)變化，因而發(fā)酵進(jìn)程表現(xiàn)出波動(dòng)性，產(chǎn)酸率不穩(wěn)定。由于谷氨酸發(fā)酵為通風(fēng)發(fā)酵過(guò)程，需供給無(wú)菌空氣，所以發(fā)酵車(chē)間還有一套空氣過(guò)濾除菌及供給系統(tǒng)。首先由高空采氣塔采集高空潔凈空氣，經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮后導(dǎo)入冷凝器、油水分離器兩級(jí)處理，再送入貯氣罐，進(jìn)而經(jīng)焦炭、瓷環(huán)填充的主過(guò)濾器和纖維分過(guò)濾器除菌后，送至發(fā)酵罐使用。在北方地區(qū)由于空氣濕度小、溫度低，還可采用空氣壓縮、冷卻過(guò)濾流程，省去一級(jí)冷卻設(shè)備［4］。 谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等電點(diǎn)—離子交換法，國(guó)內(nèi)有些味精廠還采用等電點(diǎn)—鋅鹽法、鹽酸水解—等電點(diǎn)法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大等問(wèn)題，應(yīng)用上受到限制［1］ 。 谷氨酸制取味精及味精成品加工精制車(chē)間加工的谷氨酸產(chǎn)品為谷氨酸單鈉，即味精。粗品經(jīng)提純、加工、包裝，得到成品。味精中和液的脫色過(guò)程，除使用碳柱外，還可使用離子交換柱，利用離子交換樹(shù)脂的吸附色素。味精的干燥過(guò)程，國(guó)內(nèi)許多廠家還采用箱式烘房干燥，設(shè)備簡(jiǎn)單，投資低，但操作條件差，生產(chǎn)效率低，不適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的要求。也有的廠家使用氣流干燥技術(shù)，生產(chǎn)量大，干燥速度快，干燥時(shí)間短，但干燥過(guò)程對(duì)味精光澤和外形有影響，同時(shí)廠房建筑要求較高，這樣均不如振動(dòng)式干燥床應(yīng)用效果好[4]。 2 發(fā)酵罐及種子罐的設(shè)計(jì)與選型 味精工廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡算 工藝技術(shù)指標(biāo)及基礎(chǔ)數(shù)據(jù) （1）查《發(fā)酵工廠工藝設(shè)計(jì)概論》P326表3 味精行業(yè)國(guó)家企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［5］，選用主要指標(biāo)如表1表1 味精發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo)指標(biāo)名稱(chēng)單位指標(biāo)數(shù)生產(chǎn)規(guī)模t/a15000（味精）生產(chǎn)方法中糖發(fā)酵，一次等電點(diǎn)提取年生產(chǎn)天數(shù)d/a300產(chǎn)品日產(chǎn)量t/a50產(chǎn)品質(zhì)量純度%99倒灌率%發(fā)酵周期h48發(fā)酵初糖Kg/m3150淀粉糖轉(zhuǎn)化率%95糖酸轉(zhuǎn)化率%48麩酸谷氨酸含量%90谷氨酸提取率%80味精對(duì)谷氨酸產(chǎn)率%112（2）主要原材料質(zhì)量指標(biāo) 淀粉原料的淀粉含量為80%，含水14%。 （3）二級(jí)種子培養(yǎng)基（g/L） 水解糖25，糖蜜20，，玉米漿5~10，。 （4）發(fā)酵培養(yǎng)基（g/L） 水解糖150，糖蜜4，，，尿素（總尿）40。（5）接種量為2% 。 谷氨酸發(fā)酵車(chē)間的物料衡算 首先計(jì)算生產(chǎn)1000kg純度為100%的味精需耗用的原輔材料及其他物料量。（1）發(fā)酵液量V1 式中 150——發(fā)酵培養(yǎng)基初糖濃度（kg/m3） 48%——糖酸轉(zhuǎn)化率 80%——谷氨酸提取率 99%——除去倒灌率1%后的發(fā)酵成功率 112%——味精對(duì)谷氨酸的精制產(chǎn)率（2）發(fā)酵液配制需水解糖量G1 以純糖算， （3）二級(jí)種液量 V2 （4）二級(jí)種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2 式中 25——二級(jí)種液含糖量（kg/m3）（5）生產(chǎn)1000kg味精需水解糖總量G為： （6）耗用淀粉原料量 理論上，100kg淀粉轉(zhuǎn)化生成葡萄糖量為111kg，故理論上耗用的淀粉量G淀粉為：式中 80%——淀粉原料含純淀粉量 95%——淀粉糖轉(zhuǎn)化率（7）尿素耗用量 二級(jí)種液耗尿素量為V3發(fā)酵培養(yǎng)基耗尿素為V4（8）甘蔗糖蜜耗用量 二級(jí)種液耗用糖蜜量V5發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量V6（9）氯化鉀耗量GKCl （10）磷酸氫二鈉（Na2HPO47H2O）耗量G3 （11）硫酸鎂（MgSO47H2O）用量G4 （12）消泡劑（泡敵）耗用量G5 （13）植物油耗用量 G6 （14）谷氨酸（麩酸）量 發(fā)酵液谷氨酸含量為：實(shí)際生產(chǎn)的谷氨酸（提取率80%）為： 15000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡算結(jié)果 由上述生產(chǎn)1000kg味精（100%純度）的物料衡算結(jié)果，可求得15000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料平衡計(jì)算。具體計(jì)算結(jié)果如表2物料名稱(chēng)生產(chǎn)1t味精（100%）的物料量15000t/a味精生產(chǎn)的物料量每日物料量發(fā)酵液（m3）105783二級(jí)種液（m3）4695發(fā)酵水解用糖（kg）2349107105二級(jí)種培養(yǎng)用糖（kg）105水解糖總量（kg）107105淀粉(kg)107105尿素（或液氨）106104糖蜜（kg）1063495氯化鉀（kg）105磷酸氫二鈉（kg）104硫酸鎂（kg）105479泡敵（kg）105470植物油（kg）1051175谷氨酸（kg）89310744650表2 15000t/a味精廠發(fā)酵車(chē)間的物料衡算 設(shè)備設(shè)計(jì)與選型 發(fā)酵罐 （1）發(fā)酵罐的選型 選用機(jī)械渦輪攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐（2）生產(chǎn)能力、數(shù)量和容積的確定 ①發(fā)酵罐容積的確定：選用200m3罐 ②生產(chǎn)能力的計(jì)算：現(xiàn)每天生產(chǎn)99%純度的味精50t，谷氨酸的發(fā)酵周期為48h(包括發(fā)酵罐清洗、滅菌、進(jìn)出物料等輔助操作時(shí)間)。則每天需糖液體積為V糖 。每天產(chǎn)純度為99%的味精50t，每噸100%設(shè)發(fā)酵罐的填充系數(shù)φ=70%；則每天需要發(fā)酵需要發(fā)酵罐的總體積為V0（發(fā)酵周期為48h）。③發(fā)酵罐個(gè)數(shù)的確定：公稱(chēng)體積為200m3的發(fā)酵罐，總體積為230 m3 取公稱(chēng)體積200 m3 發(fā)酵罐11個(gè)，其中一個(gè)留作備用。實(shí)際產(chǎn)量驗(yàn)算：富裕量 能滿足產(chǎn)量要求（3）主要尺寸的計(jì)算：取高徑比 H：D=2：1[