3万吨味精生产工艺及设计-大学毕业设计论文.doc
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摘要
味精是人们生活中重要的食品添加剂，其消费量在国内外均呈上升趋势。
味精的主要作用是增加食品的鲜味，引起人们的食欲，有助于提高人体对食物的消化率，同时，味精还具有丰富的营养，谷氨酸钠被我们食用后，能够通过胃酸的作用离解为谷氨酸，能很快被消化吸收，变成人体组织中必不可少的蛋白质。
而谷氨酸是一种高级营养辅助药，在医疗上有护肝、解毒、改善神经系统的功能，对于少年儿童还有促进神经系统发育的作用。
目前，最成熟，最典型的生产工艺是利用淀粉为原料，双酶水解制糖，通过微生物发酵，等电点沉淀提取生产。
味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：
（1）原料的预处理
（2）种子扩大培养;（3）谷氨酸发酵;（4）味精成品加工。
本设计主要是研究味精生产的种子扩大培养阶段的物料衡算和主要设备选型。
本文设计一个味精厂，以工业淀粉（纯度80%）为原料，采用双酶法进行生产，味精产品纯度为99%。
本设计从全厂工艺流程，物料、能量衡算，设备选型，工艺布置，车间设计，主要设备工艺设计几个方面对发酵车间进行设计。
关键词：
味精；谷氨酸；发酵；设计；
Abstract
MSGisanimportantpartofpeople’slivesonFoodAdditives,theconsumptionshowedanupwardtrendbothathomeandabroad.MSG'sprimaryroleistoincreasetheflavoroffood,causingpeople'sappetitetohelpimprovethebody'sdigestionoffood,whilealsorichinnutrientsMSG,sodiumglutamateconsumedbyus,throughtheroleofgastricaciddissociationasglutamate,canbequicklydigestedandabsorbedintohumantissueinessentialproteins.TheglutamateisanadvancednutritionalsupplementdrugsinmedicallyLiver,detoxification,improvingthefunctionofthenervoussystem,forthechildrentheretopromotetheroleofnervoussystemdevelopment.Atpresent,themostmature,themosttypicalproductionprocessistheuseofstarchasrawmaterials,dual-enzymehydrolysisofsugar,Throughmicrobialfermentation,iselectricpointprecipitationextractproduction.Monosodiumglutamateproductionoftheentireprocesscanbedividedintofourprocesscanbedividedintofourprocessstages:
（1）Pretreatmentofrawmaterials;
（2）Oftheexpandedtraining;（3）Glutamateacidfermentation;（4）MSGproductprocessing.Thisdesignistostudytheseedsofmonosodiumglutamateproductionphaseofexpansionoftrainingmaterialbalanceandthemainequipmentselection.
Inthispaper,thedesignofamonosodiumglutamatefactory.Itsrawmaterialisstarchthatthepurityis80%;thetechniquemethodisdouble-enzymesaccharificationproduction;thepurityofglutamatesis99%.Thewholedesignincludesplanttechnologicalprocess,materialandenergybalance,equipmentselection,technologicallayout,workshopdesignandthemainequipmenttechnologicalprocess,whicharetodesignanefficientfermentationworkshop.
Keywords:
monosodiumglutamate;glutamate;fermentation;design;
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。
味精添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，故被广泛使用。
味精在胃酸作用下产生的谷氨酸，被人体吸收后，参与人体内许多代谢反应，并与其他氨基酸一起共同构成人体组织的蛋白。
谷氨酸钠被我们食用后，能够通过胃酸的作用离解为谷氨酸，能很快被消化吸收，变成人体组织中必不可少的蛋白质。
而谷氨酸是一种高级营养辅助药，在医疗上有护肝、解毒、改善神经系统的功能，对于少年儿童还有促进神经系统发育的作用。
所以，在日常生活中经常适量地食用味精，能促进发育，增强体质。
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。
德国的立赫生教授发现利用硫酸分解小麦面筋蛋白质最先分解得到味精的母体谷氨酸，1872赫拉西惠与哈勃门、乌尔夫化学方法制出谷氨酸，1908年日本的池田菊苗在研究食品呈味性时从海带中提出了谷氨酸，但是收得率低，劳动强度大。
直到1956年日本协和发酵首先研究成功用微生物发酵淀粉方法制得味精，这种方法一直延续至今。
随着生物技术的不断发展和对味精需求量的不断增加，味精的产量在逐年的提高，味精已成为第一大发酵产品。
我国经过数十年的发展，一跃成为名列世界第一的味精生产大国，从1994年的30万吨到1999年的50万吨直到2003年的127万吨，而在2003年世界味精的总产量为150万吨。
这种上升的趋势也在逐年的提高。
我国味精生产已经有80多年的生产历史，1923年从我国面筋水解法生产味精到1958年利用淀粉糖发酵法生产味精研究开始，我国利用发酵法生产味精，已经走过了50年的历程，使发酵产酸发生了很大变化，味精发酵生产技术也在不断变革，80年代以前，我国大部分味精厂采用淀粉糖发酵法，一般发酵工艺采用生物素亚适量进行发酵控制，发酵产酸一般在5%~6％左右，糖酸转化率在50％左右，70年代开始新疆石河子味精厂首先利用甜菜甜蜜，采用高生物素、大种量、高通风的发酵技术进行发酵生产，使发酵产酸达到8．5％左右，糖酸转化率在60%~65％，90年代后期，我国部分味精厂在淀粉味精发酵行业开始进行以适量高生物素、大种量、高通风的发酵技术实验，加上我国大专院校、科研机构对淀粉制糖工艺、发酵菌种以及工艺控制方法及装备水平进行大量研究和改进,发酵产酸率和糖酸转化率都发生了巨大变化,发酵产酸一般12%～14%左右，糖酸转化率在56%~60%，逐步缩小了与国际的差距［8］。
味精工业是技术密集型产业，展望未来，味精工业将会达到更高水平，只有我们充分认识到行业差距，借鉴国内外、业内外先进经验，不断进行技术创新，加速企业技术进步，提升技术水平，相信在不远的将来，我们的味精发酵水平一定能够赶超世界先进水平［11］。
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。
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，简单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，主要设计种子扩大培养的方，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总论
1.1味精的概念
味精是调味料的一种，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。
1.2味精的分类
味精通常按谷氨酸钠含量进行分类，市场上的味精主要有3类：
一是谷氨酸钠含量大于99%的这类产品，称之为纯味精或99%味精；二是普通的味精，是添加了食盐（氯化钠）且谷氨酸钠含量不低于80%的均匀混合物，主要有95%味精、90%味精、80%味精3种；三是把味精中添加了5＇－鸟苷酸二钠或呈味核苷酸钠等增味剂的味精称之为特鲜（强力）味精，其鲜味超过普通味精。
一般来讲，如果谷氨酸钠含量小于80%，这个产品就不能称为“味精”。
本设计生产谷氨酸钠含量大于99%的产品。
1.3味精生产的意义
味精是调味料的一种，也称味之素（商品名称），主要成分为谷氨酸钠。
此外还含有少量食盐、水分、脂肪、糖、铁、磷等物质。
味精的主要作用是增加食品的鲜味，在中国菜里用的最多，在汤和调味汁中是不可缺少的一部分。
味精是一种增鲜味的调料，炒菜、做馅、拌凉菜、做汤等都可用。
味精不仅能为菜肴增添鲜味，引起人们食欲，有助于提高人体对食物的消化率，它还具有丰富的营养。
谷氨酸钠被我们食用后，能够通过胃酸的作用离解为谷氨酸，能很快被消化吸收，变成人体组织中必不可少的蛋白质。
而谷氨酸是一种高级营养辅助药，在医疗上有护肝、解毒、改善神经系统的功能，对于少年儿童还有促进神经系统发育的作用。
所以，在日常生活中经常适量地食用味精，能促进发育，增强体质。
2味精生产工艺
2.1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；
（2）种子扩大培养；（3）谷氨酸发酵；（4）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预处理车间、种子培养车间、发酵车间和成品加工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。
味精发酵法生产的总工艺流程见图1
菌种扩大培养
空气过滤除菌
原料预处理
发酵
发酵液处理
中和制味精
味精处理
结晶
成品味精
图1味精生产总工艺流程图
2.2原料预处理
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。
2.3种子扩大培养
目前经鉴定和命名的谷氨酸产生菌有很多，其中主要是棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属中的细菌。
我国味精发酵生产中使用的菌株主要有北京棒杆菌AS1.299、钝齿棒杆菌AS1.542、HU7251、7383、B9、T6-13、617及672等。
这些菌株除617和672是短杆菌属的菌属外，其他基本上都是棒状杆菌属中的菌株。
它们主要用于以淀粉水解糖为原料的谷氨酸发酵。
在正常情况下谷氨酸发酵产酸率可达4%~7%，谷氨酸对糖的转化率为40%~50%。
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。
2.4谷氨酸发酵
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。
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。
2.5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。
3总物料衡算
3.1工艺技术指标及基础数据
（1）查《发酵工厂工艺设计概论》P65表5-8谷氨酸发酵工艺技术指标，选用主要指标如表1
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/a
30000（味精）
生产方法
中糖发酵，一次等电点提取
年生产天数
d/a
300
产品日产量
t/d
100
产品质量
纯度%
99
倒灌率
%
1.0
发酵周期
h
48
发酵初糖
Kg/m3
150
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2mg/L，硫酸亚铁2mg/L。
（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2mg/L，硫酸锰2mg/L，尿素（总尿）40，泡敌0.6，植物油1.0。
（5）接种量为2%。
3.2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
式中150——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）
48%——糖酸转化率
80%——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,以纯糖算
（3）二级种液量
式中2%——接种量
（4）二级种子培养液所需水解糖量
式中25——二级种液含糖量（kg/m3）
（5）生产1000kg味精需水解糖总量为：
（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为：
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
发酵培养基耗尿素为
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
发酵培养基耗糖蜜量
合计耗糖蜜68.9kg
（9）氯化钾耗量
（10）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗量
（11）硫酸镁（MgSO4·7H2O）用量
（12）消泡剂（泡敌）耗用量
（13）植物油耗用量G6
（14）谷氨酸（麸酸）量
发酵液谷氨酸含量为：
式中48%——糖酸转化率
1%——倒罐率
实际生产的谷氨酸为：
式中80%——谷氨酸提取率
3.330000t/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30000t/a味精厂发酵车间的物料平衡计算。
具体计算结果如表2
表230000t/a味精厂发酵车间的物料衡算
物料名称
生产1t味精（100%）的物料量
30000t/a味精生产的物料量
每日物料量
发酵液（m3）
15.66
4.7×105
1566.67
二级种液（m3）
0.313
9.39×103
31.3
发酵水解用糖（kg）
2349
7.05×107
2.35×105
二级种培养用糖（kg）
7.83
2.35×105
783.33
水解糖总量（kg）
2356.8
7.07×107
2.36×105
淀粉（kg）
2793.7
8.38×107
2.79×105
尿素（或液氨）
627.5
1.88×107
6.27×104
糖蜜（kg）
69.9
2.1×106
7000
氯化钾（kg）
12.53
3.76×105
1253.33
磷酸氢二钠（kg）
3.13
9.39×104
313
硫酸镁（kg）
9.58
2.87×105
956.67
泡敌（kg）
9.4
2.82×105
940
植物油（kg）
23.5
7.05×105
2350
谷氨酸（kg）
893
2.68×107
8.93×104
4种子培养车间的设计与设备选型
4.1谷氨酸菌种的扩大培养
种子的扩大培养菌种的扩大培养是发酵生产的第一道工序，该工序又称之为种子制备。
是指将沙土管、冷冻干燥管中处于休眠状态的生产菌种接入试管斜面活化后，再经过扁瓶或摇瓶及种子罐逐级扩大培养而获得一定数量和质量纯种的过程。
种子扩大培养的目的是使发酵罐能够在短时间内达到一定的菌体浓度，并使菌种能够快速地适应发酵环境，缩短发酵周期。
种子及发酵 孢子（或菌丝）接入到体积较小的种子罐中，经培养后形成大量的菌丝，这样的种子称为一级种子，把一级种子转入发酵罐内发酵，称为二级发酵。
如果将一级种子接人体积较大的种子罐内，经过培养形成更多的菌丝，这样制备的种子称为二级种子，将二级种子转入发酵
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