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1、沈 阳 化 工 大 学本 科 毕 业 设 计 题 目： 年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计 院 系： 环境与生物工程学院 专 业： 生物工程 论文提交日期： 2011 年6月 24 日 论文答辩日期： 2011年 6月 29 日毕业设计（论文）任务书生物工程 专业07-02班 学生：吴皓毕业设计（论文）题目：年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计。毕业设计（论文）内容：味精生产工艺流程的物料衡算、热量衡算、水衡算以及味精生产主要工艺流程工序的设计、设计味精生产的主要设备（发酵罐）的设计。毕业设计（论文）专题部分：味精生产的工艺设计和发酵罐的设计。起止时间： 2011年 3月-2011年 6月指导教
2、师： 签字 年 月 日教研主任： 签字 年 月 日学院院长： 签字 年 月 日年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计摘 要 本设计是年产2万吨味精工艺设计；以玉米淀粉为原料水解生成葡萄糖、利用谷氨酸生产细菌进行碳代谢、生物合成谷氨酸、谷氨酸与碱作用生成谷氨酸一钠即味精为主体工艺，进行物料衡算、热量衡算、水衡算和发酵罐选型计算,并绘制了发酵罐结构图，发酵流程图，全厂平面布置图糖化流程图，提取与精制流程图.设计的结果和目的主要是通过工艺流程及相关设备进行计算，设计出一个具有高产量，低能耗，污染小的现代化味精生产工厂。本次设计是通过对味精生产的四个工艺流程的物料、热量和水进行了衡算和发酵罐选型计算，得到
3、可行的数据，并且据此选取了合适的发酵生产设备以及合理的工艺流程进行味精的工厂生产，从而提高味精生产的质量和产量，降低了生产的成本,既为味精的工厂化生产的进步提供合理的理论依据,又为环境保护和可持续发展提供重要的数据支持,因此此次味精工厂初步工艺设计是较为必要的.通过一系列计算,我们得出了此次毕业设计所需的重要数据:玉米淀粉为原料日产100% MSG 68.75吨，每日消耗的86%的玉米淀粉质量为102.12吨，日运转糖化罐2罐，投放料2罐次。本次设计采用7台公称容积为200立方米的机械搅拌式发酵罐进行发酵，日运转6台。该发酵罐的具体技术参数为：高度为9.54m，罐体总高14.41m，罐身厚度1
4、4mm，封头壁厚16 mm，选用六平叶涡轮式搅拌器，搅拌器转数140r/min，搅拌轴功率2156kw，罐内工作压力0.15MPa。总蒸汽量330.4t/d，平均量13.8t/h，高峰时用量36.9t/h。日供给新鲜水12766.1t，二次水15413t/d，凝结水131.01t/d，每日排水15256t。从而完成了年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计。由于此次味精工厂设计仅限于理论计算和模拟的运行数据,对于现实的生产只存在指导和借鉴意义,其实用性有待在生活生产中进行进一步可行性测试和研究.关键词：味精；发酵；工艺设计; 发酵罐;Annual production capacity of 220
5、00 tonsof monosodium glutamate factory preliminary process designAbstractThe design is an annual output of 22,000 tons of monosodium glutamate for material balance calculation , heat balance calculation, water balance calculation and the selection calculation of fermentor, process design; To hydroly
6、sis of corn starch as raw materials to generate glucose, glutamic acid producing bacteria to use carbon metabolism, biosynthesis of glutamic acid , glutamic acid and alkali to form a sodium glutamate or MSG is the main process, for material balance calculation , heat balance calculation, water balan
7、ce calculation and the selection calculation of fermentor, and mapped the structure of fermentation tank, fermentation process with control point map, the factory floor plan , saccharification process map and the process map of extraction and purification . The result of the design and the destinati
8、on of the process is to conceive a high yield, low energy consumption and the production of small pollution MSG plant modernization. This design is to get the feasible data through the four phase calculation, including the material balance calculation , heat balance calculation, water balance calcul
9、ation and the selection calculation of fermentor, based on which we chose the factory of suitable fermentation production equipment and the reasonable technological processes to produce, in order to improve the quality and output and to low the cost at the same time, both giving the reasonable theor
10、y base to the progress of factory production of monosodium glutamate and providing the data support to the environment protection and sustainable development .So, the factory preliminary process design is comparative necessary.After a series of calculation, we gain the following important data requi
11、red for this design: the mass of the 100% MSG with corn starch as raw material is 68.75 t, the mass of 86% corn starch is 102.12t, the number of tank needed to work is 2, which demands of 2 times of filling.This design adopts 7 mechanical agitated fermentor with the nominal of 200m to ferment, with
12、6 operating a day.This kind of fermentor technical parameters is as follow : The height is 9.54mm, the main height of can body is 14.41mm, the thickness is14 mm, the thickness of end socket is16 mm, the revolving speed is 140r/min, the shaft power is2156 kw, the working pressure inside the tank is 0
13、.15MPa. The total quantity of steam is330.4 t/d, the average is 13.8t/h, peak consumption is36.9 t/h. the fresh water is2766.1 t/d, secondary water is15413 t/d, condensed water130.1 is t/d, draining water a day is 15256t. Then, we accomplish the design.Because of being curbed by the theory calculati
14、on and the process data, this design is only to guide the actual production, its practical applicability is waited to being further test and research. Key Words： MSG; Fermentation ; Process Design ; Fermentor;目录摘要Abstract引言21文献综述21.1 味精的理化性质21.2 味精生产常用设备及常用菌种31.3 味精的生产方法31.3.1 蛋白质水解法31.3.2 合成法31.3.3
15、发酵法41.4 我国未经发展现状及方向41.5本设计的意义及目标42全场设计概论62.1 味精的设计依据及主要技术参数62.1.1 味精的产品规格62.1.2 味精工厂设计的主要技术参数72.2 味精生产预采用的工艺流程83.基础恒算93.1 物料恒算93.1.1 生产过程的总物料衡算93.1.2 制糖工序的物料衡算113.1.3 连续灭菌和发酵工序的物料衡算133.1.4 谷氨酸提取工序的物料衡算153.1.5 精制工序的物料衡算163.2 热量衡算183.2.1 液化工序热量衡算183.2.2 糖化工序热量衡算203.2.3 连续灭菌和发酵工序热量衡算203.2.4 谷氨酸提取工序冷量衡算
16、243.2.5谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算253.2.6 干燥过程的热量衡算273.2.7 生产过程耗用蒸汽衡算汇总294.水平衡304.1 糖化工序用水量304.2 连续灭菌工序用水量304.3 发酵工序用水量(使用新鲜水)304.4 提取工序用水量314.5中和脱色工序用水量314.6 精制工序用水量314.7 动力工序用水量324.8用水量汇总325.发酵罐及其附属设备345.1罐体345.1.1罐体主要尺寸比例345.1.2罐的容积计算355.2搅拌器和挡板375.2.1搅拌器375.2.2档板395.3空气分布装置395.4罐的换热装置395.4.1罐的换热装置的形式395.4
17、.2换热面积的计算405.5轴封装置，联轴器和轴承415.5.2联轴器和轴承425.6消 泡 装 置425.7传 动 装 置435.8溶氧速率和溶氧系数435.8.1溶氧系数的计算435.8.2溶氧系数的换算445.9 发酵罐技术性能表45参考文献致谢沈阳化工大学学士学位论文 引言引言味精是调味剂的一种，主要成分为谷氨酸钠。味精的主要作用是增加食品的鲜味，在中国菜里用的最多，也可用于汤和调味汁。味精又名”味之素”，学名”谷氨酸钠”。成品为白色柱状结晶体或结晶性粉末，是目前国内外广泛使用的增鲜调味品之一。其主要成分为谷氨酸和食盐。 味精的生产历史悠久,生产方法也不尽相同,但是随着社会的发展,人们
18、对味精的需求量也在不断上升,但是味精的生产必然会造成一定的环境压力,为了调节好味精大批量生产和环境保护二者之间的关系,我们有必要探索一条既有较低的生产成本，从而实现较高的经济价值，又能够取得较好的环境保护效果的现代化味精生产之路,以满足现代社会对味精的需求,实现可绿色的持续发展。 想要实现味精的低成本低污染，就必须实现规模化工厂生产，实际经验表明，只有万吨级以上的味精工厂生产，才能实现这个目标，因此本设计进行年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计就是为了在理论上和对现实模拟的基础上给出数据和理论支持，因此该设计具有一定的用价值和环保意义。 由于我们的水平有限，加之由于对先进设备和技术的了解程度有限
19、，本设计中有许多不尽如人意的地方恳请各位老师和同学们批评指正。共同学习共同进步。1沈阳化工大学学士学位论文 1文献综述1文献综述尽管味精广泛存在于日常食品中，但谷氨酸以及其它胺基酸对于增强食物鲜味的作用，在20世纪早期，才被人们科学地认识到。 1907年，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池田教授将这种味道称为“鲜味”，为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利1。 味精，学名谷氨酸钠。其发展大致有三个阶段： 第一阶段：1866年德国人里德豪森博士从面
20、筋中分离到氨基酸，他们称谷氨酸，根据原料定名为麸酸或谷氨酸(因为面筋是从小麦里提取出来的)。1908年,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。这个方法消耗大，成本高，劳动强度大，对设备要求高，需耐酸设备。 第三阶段：随着科学的进步以及生物技术的发展，使味精生产发生了革命性的变化。自1965年以后我国味精厂都采用以粮食为原料(大米、甘薯淀粉)、提取、精制而得到符合国家标准的谷氨酸钠，为市场上增加了一种安全又富有营养的调味品用了
21、它以后使菜肴更加鲜美可口2。 1.1 味精的理化性质主要成分为谷氨酸钠。要注意的是如果在100C以上的高温中使用味精，鲜味 剂谷氨酸钠会转变为焦谷氨酸钠，焦谷氨酸钠虽然对人体无害，但是焦谷氨酸钠没有鲜味，会使味精鲜味丧失。还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。所以要适当地使用和存放3。谷氨酸钠是一种氨基酸谷氨酸的钠盐。是一种无嗅无色的晶体，在232C时解体熔化。谷氨酸钠的水溶性很好，溶解度为74克谷氨酸钠4。化学式为C5H8O4NNaH2O 摩尔质量187.13g mol-1 1.2 味精生产常用设备及常用菌种常用设备:(1) 糖化设备：水解锅 糖化罐 连续液化喷射
22、器(2) 培养基连消设备：维持罐 连消塔 热交换器 (3) 空气净化除菌设备：空气压缩机 空气换热器 气液分离器 空气过滤器(4) 发酵罐(5) 等电点罐(6) 中和脱色槽 树脂交换柱(7) 真空结晶罐(8)常用容器设备：整体玻璃钢制容器41.3 味精的生产方法1.3.1 蛋白质水解法以蛋白质水解法为例：以植物蛋白，如面筋等为原料，加入酸后进行水解，使原料中的植物蛋白水解成多种氨基酸，然后分离出谷氨酸，再制成味精，此法为传统工艺5。1.3.2 合成法主要包括以糠醛，丙烯晴和环戊二烯为原料的合成法等。该法的优点是不用粮食，采用石油废气，但生产过程中需用高压(200大气压)、高温(120C以上)、
23、有毒(氯氰酸)、易燃(溶剂)。设备投资大(比发酵法高1倍以上)，生产工艺复杂、危险等。半成品消旋谷氨酸还要进行分割，年产量少于5000t者不经济。故生产上很少使用6。1.3.3发酵法该原料来源广阔，可利用各种淀粉或野生物淀粉、甘蔗、糖蜜、甜菜糖蜜、石油化工产品醋酸、乙醇等。而且设备一般，腐蚀性低，劳动强度小，可自动化、连续化生产、收率高、成本比水解法低3050%等优点。因此，发酵法是目前生产味精的主要方法71.4 我国未经发展现状及方向我国味精生产历史比较悠久，最早使用的生产工艺是谷脘水解法，但该法会产生大量废水并对环境造成极大污染。上世纪50年代初日本率先发明用工业微生物发酵法生产谷氨酸的新
24、工艺，并以此取代了谷脘水解法老工艺8。我国直到1965年才实现谷氨酸的发酵法生产新途径。我国作为世界第一粮食生产大国，淀粉在国内不仅价格低廉而且能确保供应，而且淀粉作为生产谷氨酸的起始原料，其价格远远低于谷脘粉，因此，该新法在我国的普及还是有较大优势的9。 从全国味精产量来看，在1965年前我国味精总产量不过区区几千吨，而2005年我国味精总产量已达惊人的118万吨，40年间整整增长了近300倍之多。即使在世界味精发祥地的日本也没有这样高的增长速度。据国内有关部门估计，至2005年，我国味精产量及谷氨酸发酵能力均占全球同类产品产量的3/4的份额10。想要做精做强,须另辟蹊径，由于味精为微利产品
25、，只有生产规模越大，厂家才能真正盈利，和产业的稳定发展，是我国味精生产更有竞争力11。1.5本设计的意义及目标意义基于味精需求量之大、前景之好，本毕业设计选题为年产2.2万吨味精生产工艺初步设计。工艺是要不断创新、不断寻求更高效合理的生产途径及更环保的生产方法的，而原有味精生产工艺在某些方面不够理想，因此在这里加以改进，并在原有味精生产工艺基础上开发结合新工艺、新技术，使味精的生产在某些方面达到一个突破，使整个流程更加完善12。目标通过对上述研究内容的探索与研究，达到对味精工厂初步工艺设计关于如下方面的了解：(1)原料粉碎、液化、糖化、扩培、发酵、提取、精制、污水处理。(2)与上述工序配套的设
26、备、自控、电气、土建、给排水管道等13。5沈阳化工大学学士学位论文 2全场设计概论2全场设计概论2.1 味精的设计依据及主要技术参数 2.1.1 味精的产品规格 外观和感观要求味精为无色白色柱状晶体或白色结晶性粉末，有光泽，无肉眼可见杂质，具有特殊鲜味，无异味12。 理化要求 理化要求符合表1规定表1 味精理化要求项目指标含量(%)99.0透光率(%)98比旋光度D20+24.8+25.3氯化物(以Cl计)0.1PH6.77.2干燥失重(%)0.5砷(As)(mg/kg)0.5重金属(以Pb计)(mg/kg)10铁(Fe)(mg/kg)5锌(Zn)(mg/kg)5硫酸盐(以SO4计)(%)0.
27、03 味精卫生国家标准 GB 27208 产品规格味精按种类可分为: 含盐味精和特鲜(力)味精。味精按大小可分为:80目、50目、30目。2.1.2 味精工厂设计的主要技术参数2.2万吨商品味精产品中，纯度为99%味精占80%纯度为80%味精占20%表2 味精工厂设计的主要技术参数序号生产工序参数名称指标1制糖(双酶法)淀粉糖化转化率%962发酵产酸率 g/dl11.03发酵糖酸转化率 %65.04谷氨酸提取提取收率 %945精制收率 %956发酵操作周期 h42-487发酵倒灌(发酵失败)率 %0.52.2 味精生产预采用的工艺流程玉米淀粉水淀粉乳 液化酶调浆一次喷射液化承受罐 闪冷 包装
28、层流罐液化 过筛 冷却 湿味精 糖化酶 三足分离机灭酶 助晶槽冷却 待用 结晶母液 结晶罐过滤 脱色液葡萄糖液 反洗 一次脱色 调PH.6.77.0 KCl KH2PO4 MgSO4配料 玉米浆 糖蜜 生物素 正洗 颗粒炭柱灭菌 低流分 树脂柱除铁 液氨 无菌空气 无菌浓缩糖 高流分 上氨水 前流分二次脱色发酵 二级种子 一级种子 斜面 上柱吸附 去环保 一次脱色发酵液 5.6液双效换热 母液一步中和 上清 卧式离心机 晶种 沉降 谷氨酸育晶 谷氨酸 锥兰分离机 母液 谷氨酸 5.6中和二步中和 降温搅拌 碱 蒸汽 水 图1 味精生产工艺流程示意图9沈阳化工大学学士学位论文 3基础恒算3.基础
29、恒算3.1 物料恒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：F=D+W7式中 ：F进入系统物料量 (kg)D离开系统的物料量 (kg)W损失的物料量 (kg)3.1.1 生产过程的总物料衡算 生产能力的计算本设计的要求是年产量为2.2万吨商品味精生产，折算为100%的MSG的量为：2.299%80%+2.280%20%=2.09(万吨)全年生产日为320天，则的日产量为：22000/320 =68.75吨/天)日产100% MSG的量：2.09/32065.40(吨/天) 总物料衡算本设计以淀粉为主要原料进行生产，以1000kg
30、纯淀粉为例进行计算。 1000kg纯淀粉理论上产100% MSG的量10001.1181.7%1.2721153.5(kg)其中：1.11淀粉水解理论转化率 81.7%糖酸理论转化率 1.272精制理论收率 1000kg纯淀粉实际产100% MSG的量 1000111%96%65%94%95%(0.005)1.272=747.42 (kg)其中：96%淀粉糖化转化率 65%发酵糖酸转化率 94%谷氨酸提取率 95%精制收率0.5倒灌率 % 1000kg工业淀粉(86%玉米淀粉)生产100% MSG的量747.4286%642.78(kg) 淀粉单耗 生产1000kg100% MSG理论上消耗纯
31、淀粉量：10000.8669 (t) 生产1000kg100% MSG理论上消耗工业淀粉量：10001.0080(t) 生产1000kg100% MSG消耗纯淀粉量：10001.3379(t) 生产1000kg100% MSG消耗工业淀粉的量：10001.557(t)总收率：总收率=100100%67.9%淀粉利用率： 100%=64.8%生产过程总损失： 100%64.8%=35.2%物料在生产过程中损失的原因5： 糖化转化率未达到理论值。 发酵过程中部分糖消耗于生长菌体及呼吸代谢，残糖高，灭菌损失，产生其他物质。 原料及中间品计算工业淀粉日用量：68.751.5557=102.12(t/d
32、)糖化液量纯糖：102.120.99%1.11%86%=96.51(t/d);折算为24%的糖液： =402.12(t/d)发酵液量： 纯Glu量：96.5165%=62.73(t/d)折算为11g/dl的发酵液：=570.27(t/d) 570.271.05=598.79其中：1.05为发酵液的相对密度 日提取Glu量： 纯Glu量： 62.3794%=58.96(t/d) 折算为90%的Glu量：58.96/90%=65.52(t/d) 日排出废母液量(采等电-离回收法，以排出之废母液含为Glu0.3%计算)(62.73-58.96)/0.3%=1256.67(t/d)3总物料衡算结果表3
33、 年产2.2万吨味精总物料衡算结果列汇总(工业原料中淀粉含量86%)项目每吨100%MSG的原料及中间品日用量工业原料 (t)1.4854102.12糖液(24) (t)5.85402.12谷氨酸(90)(t)0.9565.52MSG(100)(t)1/068.75排出0.3谷氨酸废母液181256.673.1.2 制糖工序的物料衡算 淀粉浆量及水量：淀粉加水比例为 1:2.5，1000kg工业淀粉产淀粉浆 1000(12.5)=3500(kg)，加水量为25530kg。 粉浆干物质浓度：100%=24.57% 液化酶量：使用液体淀粉酶(占淀粉浆总量的0.25%) 35000.25%=8.75
34、(kg) CaCl2量： 35000.25%=8.75(kg) 糖化酶量：(用液体糖化酶)35000.25%=8.75(kg) (6) 糖化液产量： 102.12 =389935.01(kg) 24%糖液的相对密度为1.09 则体积为 =357738.54(L)(7) 加珍珠岩量： (为糖液的0.15%) 389935.010.15%=584.90(kg) 滤渣产量： (含水70%废珍珠岩) =1949.67(kg) 生产过程进入的蒸汽和洗水量：389935.011949.67357420(893.553)585.15=31198.88(kg) 衡算结果：年产2.2万吨味精)根据总物料衡算，日
35、投入工业淀粉102.12吨.表4 制糖工序物料衡算汇总进入系统离开系统项目物料比例(kg)日投料量(kg)项目物料比例(kg)日投料量(kg)工业淀粉1000102120糖液3818.4 389935.01配料水2500255300滤渣19.11949.67液化酶8.75893.55CaCl28.75893.55糖化酶8.75893.55珍珠岩5.73585.15洗水和蒸汽305.5230571.59累计3837.5391257.39累计3837.5391884.683.1.3 连续灭菌和发酵工序的物料衡算 发酵培养基数量： 1000kg工业淀粉，得到24%的糖液 kg，发酵初始糖浓度16.4
36、g/dl，其数量为：=570636.6(L) 16.4 g/dl的糖液相对密度为1.06，糖液质量为： 570636.601.06=534057.33(kg) 配料 按放罐液体积计算：534057.33=604874.80(L)玉米浆：534057.330.2%(w/v)=1068.11(kg)甘蔗糖蜜： 534057.330.3%(w/v)=1602.17(kg)无机盐(P、Mg、K等) 534057.330.2%(w/v)=1068.11(kg)配料用水：配料时培养基中含糖量不低于19%，向24%的糖液中加水量为： 389935.01=102641.48(kg) 灭菌过程中加入蒸汽量及补水
37、量：604874.80389935.01102641.481068.1121602.17=108559.92(kg) 发酵零小时数量验算：389935.011602.171068.112102641.48108064.18=604379.06(kg)其体积为=570168.92(L)，与以上计算一致. 接种量：534057.331%(w/v)=5340.57(L). 534057.331.06=5661.00(kg) 发酵过程加液氨数量为发酵液体积的2.8%.则液氨的量为：534057.332.8%(w/v)=14953.60(kg)液氨溶重为0.62kg/L，则液氨的体积为： =24118.
38、72(L) 加消泡剂的量为发酵液的0.05%，消泡剂的量为：534057.330.05%(w/v)=267.03(kg)消泡剂的相对密度为0.8，其体积为： =333.78(L) 发酵过程从排风带走的水分：进风25C，相对湿度 =70%，水蒸汽分压18Hg(1mmHg=133.322Pa)排风32C，相对湿度 =100%，水蒸汽分压27Hg，进罐空气的压力为1.5大气压(表压)(1大气压=101325 Pa)，排风0.5大气压(表压)，出空气的湿含量差：X出X进=0.6220.622=0.01(kg水/kg绝干空气)通风比 1:0.2， 带走水量： 534057.330.260361.1570.0010.01=2669.35(kg)式中 ：1.157为32C时干空气密度(kg/m3)过程分析：放残留及其他损失：5300kg. 发酵终止时的数量： 604874.805661.0014953.60267.032669.355300=617787.08(kg) 衡算结果汇总：年产2.2万吨商品味精日投工业淀粉10