【正文】 業(yè) 設(shè) 計 設(shè)計題目： 8 萬噸 /年味精廠發(fā)酵工藝設(shè)計 系 別： _________________________ 班 級： _________________________ 姓 名： _________________________ 指 導(dǎo) 教 師： _________________________ 2020 年 6 月 8 日 李云凱 郭少兵 07 生化 2 班 環(huán)境與化學(xué)工程系 8 萬噸 /年味精廠發(fā)酵工藝設(shè)計 摘要 味精生產(chǎn)全過程可劃分為四個工藝階段：（ 1）原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備；（ 2）種子的擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵；（ 3）谷氨酸的提??；（ 4）谷氨酸制取味精及味精成品加工 。與這四個工藝階段相對應(yīng)，味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車間、發(fā)酵 車間、提取車間和精制車間作為主要生產(chǎn)車間。 對味精發(fā)酵車間進(jìn)行 工藝流程的設(shè)計和發(fā)酵罐的設(shè)計與選型計算 。易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。 80 年我國味精產(chǎn)量只有 萬噸到 91年已經(jīng)發(fā)展到 200 多家企業(yè)，味精產(chǎn)量達(dá)到 萬噸。在以味精、啤酒、白酒、糖、卷煙、五項農(nóng)產(chǎn)品為原種的工業(yè)品中，味精發(fā)展速度最快。 我國味精工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀 21 世紀(jì)是全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要時代，隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程的加快，我國味精生產(chǎn)企業(yè)既要面對國內(nèi)因近幾年盲目建設(shè)，產(chǎn)品供過于求，市場出現(xiàn)過度競爭，現(xiàn)已全面進(jìn)入微利時代的巨大壓力；同時也要應(yīng)對技術(shù)國際化、市場競爭全球化的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。下面我從生產(chǎn)技術(shù)角度談?wù)勎毒袠I(yè)發(fā)展思路。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，味 精生產(chǎn)技術(shù)也在不斷變革，由創(chuàng)建之初的以面筋、豆粕為原料水解法生產(chǎn)工藝改變?yōu)楝F(xiàn)在以糖質(zhì)為原料發(fā)酵法生產(chǎn)工藝。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 2 工藝技術(shù)進(jìn)展情況 （ 1）制糖工藝進(jìn)展： 以淀粉或大米為原料首先要制備葡萄糖，其工藝方法進(jìn)展歷程：酸法水解→酶酸法水解→雙酶法水解。目前水平：透光率 85％以上，含糖 30％以上（淀粉原料），糖純度 98％以上，轉(zhuǎn)化率 95％以上。 投糖方式：一次投糖發(fā)酵（中、高糖）→中糖及中后期補(bǔ)糖發(fā)酵 →中糖或低糖及中后期連續(xù)流加糖發(fā)酵。 分離方式：間歇三足式離心機(jī)→連續(xù)錐蘭式分離機(jī)、沉降式分離機(jī)、帶式 濾過機(jī)。 結(jié)晶方式：夾套式結(jié)晶罐→內(nèi)循環(huán)式結(jié)晶。與 80 年代比較全行業(yè)平均制糖收得率提高了 10％，發(fā)酵產(chǎn)酸率提高了 117％，轉(zhuǎn)化率提高了 43％，提取收率提高了 20％，精制收率提高了 8． 8％，綜合技術(shù)指標(biāo)淀粉消耗下降了 166％ 我國味精行業(yè)發(fā)展趨勢 通過分析可以明顯 感覺到，近幾年，我國味精行業(yè)通過技術(shù)改造，內(nèi)部挖潛以及新工藝，新 技術(shù)的廣泛應(yīng)用各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確實(shí)有了很大程度的提高。這些差距所在也就是潛力所在，潛力一旦得到挖掘就可以轉(zhuǎn)換成為生產(chǎn)力，就意味著生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益，在這方面，國內(nèi)許多味精廠已經(jīng)積極探索，有的通過廠際聯(lián)合；有的與科研單位 搞聯(lián)營；有的還希望通過合資的路子來解決。可以說，幾乎國外比較有實(shí)力的味精廠都在國內(nèi)找到了合作伙伴通過合資合作或技術(shù)經(jīng)營聯(lián)營，國內(nèi)的技術(shù)管理水平將會得到實(shí)質(zhì)性的提高，甚至趕超國外的先進(jìn)水平。淀粉來自糧食原料，通常利用各種各樣的淀粉，如北方常用玉米淀粉，南方常用番薯淀粉等。 原料預(yù) 處理 非糧食原料 除蜜糖外，一般均不需要預(yù)處理，可直接用來配制培養(yǎng)基；而蜜糖中色素含量過高，雖然生產(chǎn)菌可以良好生長，但采用一般谷氨酸， 在采用蜜糖為原料進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)時，常要對蜜糖進(jìn)行預(yù)處理。 淀粉水解糖制備 淀粉的水解方法有：酸水解法、酶水解法和酸 酶水解法等 3 種?？梢杂脕碇苽涞矸厶堑脑虾芏啵饕惺眍?、玉米、小麥、 大米等。先用α 淀粉酶將淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶將糊精和低聚糖進(jìn)一步水解成葡萄糖的方法，稱為酶水解法。 種子擴(kuò)大培養(yǎng) 種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過程所需的大量種子，發(fā)酵車間內(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)。 影響種子質(zhì)量的主要因素 種子培養(yǎng)基的氮源、生物素和磷鹽的含量要適當(dāng)高些，而葡萄糖的含量必須限制在 %左右，這樣可以得到活力強(qiáng)的種子，避免由于糖多產(chǎn)酸，引起 pH 下降而引起種子老化 [12]。因此，在培養(yǎng)過程中溫度不宜太高和波動過大，以免種子老化。溶氧水平過高，菌體生長受抑制，糖的消耗十分緩慢，在一定的培養(yǎng)時間里，菌體數(shù)達(dá)不到所需求的數(shù)量 ，氧不足菌體生長緩慢，為了達(dá)到發(fā)酵所需菌體數(shù)，必須延長發(fā)酵時間。種齡 過短，種子稚嫩， 對環(huán)境的適應(yīng)能力差；種齡過長細(xì)胞的活力已下降 ，當(dāng)接入發(fā)酵培養(yǎng)基后會出現(xiàn)調(diào)整期延長現(xiàn)象。放罐時的發(fā)酵溫度在 34℃左右。 谷氨酸生物合成途徑 1谷氨酸合成方式 （ 1）氨基轉(zhuǎn)移作用 在氨基轉(zhuǎn)移酶的催化下，除甘氨酸外，任何氨基酸都可以與α 酮戊二酸變成谷氨酸。轉(zhuǎn)化過 程 如圖 3 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 6 圖 3 還原氨基化作用 2谷氨酸合成途徑 谷氨酸生物合成途徑主要有糖酵解途徑（ EMP 途徑）、磷酸己糖途徑（ HMP 途徑）、三羧酸循環(huán)（ TCA）、乙醛酸循環(huán)、伍德 沃克反應(yīng)（二氧化碳的固定反應(yīng)）等。 （ 1） 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烴。其理論轉(zhuǎn)化率 %， 因此從理論上講糖濃度越大，谷氨酸 產(chǎn)量越高。反之，培養(yǎng)基中葡萄糖的濃度過低雖能提高糖酸轉(zhuǎn)化率，但谷氨酸總量上不 去。 （ 2）氮源：銨鹽、尿素、氨水。 b:分解產(chǎn)生的 NH3從發(fā)酵液中逸出。 NH4+過量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。不足：糖代謝受抑制，菌體生長不足。 （由丙酮酸脫羧生成）縮合生成纈氨酸的前體物 —— ?－乙醛乳酸，使纈氨酸在發(fā)酵液中蓄積。作用：影響細(xì)胞膜通透性和代謝途徑。 b:濃度過大：促進(jìn)菌體生長，谷氨酸產(chǎn)量低。 ，谷氨酸轉(zhuǎn)變成其它氨基酸。連續(xù)滅菌所采用的滅菌條件是，連消塔滅菌溫度為 110?115℃，維持罐溫 105?110℃ ,約 6?10min。 3 谷氨酸發(fā)酵 谷氨酸發(fā)酵開始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對其作高溫短時滅菌處理。但由于糖液粘度較大，流動 性差，容易將維持管堵塞，同時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。對于發(fā)酵過程采用人工控制，檢測儀表不能及時反映罐內(nèi)參數(shù)變化，因而發(fā)酵進(jìn)程表現(xiàn)出波動性，產(chǎn)酸率不穩(wěn)定。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、油水分離器兩級處理，再送入貯氣罐，進(jìn)而經(jīng)焦炭、瓷環(huán)填充的主過濾器和纖維分過濾器除菌 后，送至發(fā)酵罐使用。國內(nèi)常用菌株的最適生長溫度為30～ 34℃， 產(chǎn)生谷氨酸的最適溫度為 34～ 36℃。 （ 2） pH的控制 發(fā)酵過程中 pH的變化是微生物代謝情況的綜合標(biāo)志。尿素被谷氨酸生產(chǎn)菌細(xì)胞的脲酶所分解放出氨，因而發(fā)酵液的 pH 會上升。 （ 3）溶解氧的控制 谷氨酸產(chǎn)生菌是兼性好氧性微生物，供氧不同菌體代謝產(chǎn)物不同。通風(fēng)比（ m3 /m3 .min ）：每分鐘向 1m3的發(fā)酵液中通入 ，用 1: 表示。以 B9 和 T613 菌株為例，當(dāng)初糖為 ％～ 14%時，長菌期的 OD 凈增值在 ～ 。 生物素是谷氨酸生產(chǎn)菌不可缺少的生長因子。 提高生物素的含量， OD值會上升，但一方面細(xì)胞的膜通透 性會變差，影響谷氨酸從胞內(nèi)往胞外滲出；另一方面，在高生物素環(huán)境下，菌體只進(jìn)行增殖并不生成谷氨酸。 生產(chǎn)上為了控制泡沫，除了在發(fā)酵罐內(nèi)安裝機(jī)械消泡器外，還在發(fā)酵時加入消泡劑。天然油脂類的消泡劑的用量較大，一般為發(fā)酵液的 %～ %(體積分?jǐn)?shù) )，泡敵的用量為 %～ %(體積分?jǐn)?shù) )。這個生產(chǎn)過程稱為“ 制造 味精”，精制得到的味精稱為“散味精” 。粗品經(jīng)提純、加工、包裝，得到成品。味精的干燥過程，國內(nèi)許多廠家還采用箱式烘房干燥，設(shè)備簡單，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。 圖 5 精生產(chǎn)工藝流程 圖 4 工藝計算 物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守恒定律而建立起來的。折算為 100%MSG9900t/a 日產(chǎn)商品 MSG： 10000/320=（ t/d） 日產(chǎn) 100%MSG： 9900/320=（ t/d） 總物料衡算 （ 1） 1000kg 純淀粉理論上產(chǎn) 100%MSG 量： 1000 % =（ kg） （ 2） 1000kg 純淀粉實(shí)際上產(chǎn) 100%MSG 量： 1000 98% 50% 86% 92% =（ kg） （ 3） 1000kg 工業(yè)淀粉（含 86%的玉米淀粉）產(chǎn) 100%MSG 量： 86%=（ kg） （ 4）淀粉單耗 1） 1t100%MSG 消耗純淀粉量： 1000/=（ t） 2） 1t100%MSG 實(shí)際消耗工業(yè)淀粉量： 1000/=（ t） 3） 1t100%MSG 理論上消耗純淀粉量： 1000/=（ t） 4） 1t100%MSG 理論上消耗工業(yè)淀粉量： （ t） （ 5）總收率計算 實(shí)際產(chǎn)量（ kg） /理論產(chǎn)量（ kg） 100%= 100%=% （ 6）淀粉利用率： 100%=% （ 7）生產(chǎn)過程總損失： 100%－ %=% 物料在生產(chǎn)過程中損失原因： a 糖化轉(zhuǎn)化率低。 c提取收率低母液中 Glu 含量高。 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 12 （ 8）原料及中間計算： 1）淀粉用量： =（ t/d） 2）糖化液量： 純糖 86% 98%=（ t/d）折算為 24%的糖液： （ t/d） 3)發(fā)酵液量： 純 Glu 量： 50%=（ t/d）；折算為 8g/dl 的發(fā)酵液。工業(yè)原料，淀粉含量 86%。 （ 3）二級種子培養(yǎng)基（ g/L） 水解糖 25，糖蜜 20，尿素 ，磷酸氫二鉀 ，硫酸鎂 ，玉米漿 5～ 10，泡敵 ，硫酸鎂 ，硫酸亞鐵 。 （ 5）接種量為 2% 。 水解糖 預(yù)熱器 連消塔 維持罐 冷卻器 空氣 壓縮機(jī) 過濾除菌 滅菌培養(yǎng)基 無菌空氣 成熟發(fā)酵液 發(fā)酵罐 滅菌 滅菌 尿素 消泡劑 等電點(diǎn)罐 分離機(jī) 谷氨酸 母液 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 14 表 2 味精發(fā)酵工藝技術(shù)指標(biāo) 指標(biāo)名稱 單位 指標(biāo)數(shù) 生產(chǎn)規(guī)模 t/a 80000（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/a 320 產(chǎn)品日產(chǎn)量 t/a 250 產(chǎn)品質(zhì)量 純度 % 99 倒灌率 % 發(fā)酵周期 h 48 發(fā)酵初糖 Kg/m3 150 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 味精對谷氨酸產(chǎn)率 % 112 （ 1）發(fā)酵液量 V1 ? ?? ?31 %112%99%80%481501 0 0 0mV? ?????? 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， )(234915011 kgVG ??? （ 3）二級種液量 V2 ? ?312 3 1 %2 mVV ?? 式中 2%—— 接種量 （ 4）二級種子培養(yǎng)液所需水解糖量 G2 ? ?322 mVG ?? 式中 25—— 二級種液含糖量（ kg/m3） 唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 15 （ 5）生產(chǎn) 1000kg 味精需水解糖總量 G 為： ? ?kgGGG 3 5 621 ??? （ 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： ? ?? ? 7 9 3 %1 1 1%95% 3 5 6? ????淀粉G 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 二級種液耗尿素量為 V3 ? ?kgVV 23 ?? 式中 為尿素含量（ kg/m3） 發(fā)酵培養(yǎng)基耗尿素為 V4 ? ?kgVV 2 640 14 ?? 故共耗尿素量為 （ 8）甘蔗糖蜜耗用量 二級種液耗用糖蜜量 V5 ? ?kgVV 25 ?? 發(fā)酵培養(yǎng)基耗糖蜜量 V6 ? ?kgVV 16 ?? 合計耗 糖蜜 （ 9）氯化鉀耗量 GKCl ? ?kgVG KCl 1? （ 10）磷酸氫二鈉（ Na2HPO4 7H2O）用量 G4 ? ? ? ?kgVVG 214 ??? （ 12）消泡劑（泡敵）耗用量 G5