27 万吨味精工厂提取工段离子交换柱设计生物工程下游设计.docx
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27万吨味精工厂提取工段离子交换柱设计生物工程下游设计
生
物
工
程
下
游
技
术
工
程
课
程
设
计
学院：
环境与生物工程学院
系别：
生物制药
姓名：
学号：
指导教师：
杨立龚乃超成绩：
设计任务书
设计题目：
2.7万吨味精工厂提取工段离子交换柱设计
1基础数据
生产规模：
2.7万吨/年味精产品规模：
99%MSG
2设计内容
2.1根据设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数，进行生产方法的选择比较，工艺流程与工艺条件确定的论证。
2.2工艺计算：
发酵车间的物料衡算，热量衡算，无菌空气用量的计算。
2.3味精发酵车间生产设备的选型计算（包括设备的容量、数量、主要的外形尺寸）。
3设计要求
3.1根据以上设计内容书写设计说明书。
3.2完成初步设计阶段图纸：
味精生产工艺流程图与离子交换柱的设备图。
4报告内容
4.1目录
4.2工艺条件的确定和工艺流程说明
4.3工艺计算
4.4设备选型计算
4.5参考文献
4.6附图
摘要................................................................1
关键词..............................................................1
Abstract............................................................1
Keywords............................................................1
1绪论...............................................................2
1.1味精的发展...................................................2
1.2味精应用.....................................................2
1.3国内外味精生产状况...........................................2
1.4味精的典型特征...............................................3
1.5味精主要性质.................................................3
1.5.1物理性质................................................3
1.5.2化学性质................................................3
1.5.3味精的鲜味..............................................4
1.6味精的生产方案...............................................4
1.7食用味精成品质量标准.........................................4
2味精的生产工艺.....................................................4
2.1设计产品种类及方案...........................................4
2.1.1产品方案................................................4
2.1.2生产方案................................................5
2.2味精生产工艺.................................................5
2.2.1生产方法的选择..........................................5
2.2.2味精生产的糖化工艺......................................6
2.2.3味精生产的发酵工艺......................................7
2.2.4味精生产的提取工艺.....................................10
2.2.5味精生产的精制工艺.....................................12
3工艺计算..........................................................13
3.1物料衡算...................................................13
3.1.1设计依据...............................................13
3.1.2发酵罐................................................13
3.1.3种子罐................................................14
3.1.4尿素罐.................................................14
3.1.5淀粉水解罐.............................................14
3.1.6等电点罐...............................................14
3.1.7离子交换柱.............................................14
3.1.8离心机.................................................15
3.1.9日投淀粉物料衡算.......................................15
3.2热量衡算....................................................15
3.2.1液化工序热衡算.........................................15
3.2.2灭酶蒸汽量.............................................16
3.2.3液化液冷却水用量.......................................16
3.2.4糖化工序热量...........................................16
3.2.5连续灭菌和发酵工序热量衡算.............................17
3.2.6发酵工序热量衡算.......................................18
3.2.7谷氨酸提取工序冷量衡算.................................19
3.3水平衡算....................................................20
3.3.1糖化工序用水量.........................................20
3.3.2连续灭菌工序用水量.....................................20
3.3.3发酵工序用水量.........................................20
3.3.4提取工序用水量.........................................20
4主要设备的选型与设计..............................................21
4.1离子交换柱的选型与计算.....................................21
4.2离子交换柱设备图（见附图）..................................22
4.3年产27000吨味精工厂提取工段工艺流程图（见附图）............22
5总结..............................................................22
参考文献...........................................................23
年产2.7万吨味精工厂提取工段离子交换柱设计
摘要：
谷氨酸是一种酸性氨基酸，是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。
谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位，参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。
食品工业上，味精是常用的仪器增鲜剂，其主要成份是谷氨酸钠盐。
过去生产味精主要用小麦面筋水解法进行，现改用微生物发酵法来进行大规模生产。
不论在食品、化妆品还是医药行业。
谷氨酸都有很大的用途。
本设计对年产2.7万吨味精厂发酵工段进行初步设计。
重点介绍将谷氨酸菌到制成食用味精过程中，通过对原料发酵工段的物料衡算对发酵工段进行工艺选择和设备选型、设备数量确定，确保工艺、设备型号及数量满足生产要求。
关键词：
谷氨酸；物料衡算；提取；设备选型。
Withanannualoutputof27thousandtonsofmonosodiumglutamatefactoryextractingionexchangecolumndesign
Abstract：
Glutamicacidisakindofacidicaminoacid,glutamateistheoneofthe
basicaminoacidofnitrogenmetabolisminthebodyandonmetabolismisofgreatsignificance.Glutamicacidintheprocessofbiologicalproteinmetabolisminthebodyofimportantposition,toparticipateinmanyoftheanimals,plantsandmicroorganismsintheimportantchemicalreactions.Foodindustry,MSGisacommoninstrumentincreasesfreshagent,itsmainingredientsaresodiumglutamate.ProductionofMSGinthepastwasmainlydonebyhydrolysisofwheatgluten,toswitchtomicroorganismfermentationtoproceedwithmassproductionnow.Inboththefood,cosmeticandpharmaceuticalindustries.Glutamicacidhasgreatuse.Thisdesignofannualoutputof27000tonsofgourmetpowderfactoryfermentationsectioninpreliminarydesign.FocusonglutamicacidbacteriatomakeconsumptionofMSGintheprocess,throughtotherawmaterialbalanceinfermentationstagesoffermentationsectionforprocessselectionandequipmentselection,equipmentnumberisdetermined,toensuretheprocess,equipmenttypeandquantitytomeetproductionrequirements.
Keywords:
glutamate;materialbalance;Extraction;Equipmentselection.
1绪论
1.1味精的发展
味精，学名谷氨酸钠。
味精又称谷氨酸钠，学名α-氨基戊二酸（L-谷氨酸）的钠盐，L-一钠水化合物，又称为麸酸、麸氨酸。
英文名称为MonoSodiumL-glutamate，简称MSG。
第一阶段：
1866年德国人H²Ritthasen（里德豪森）博士从面筋中分离到氨基酸，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年日本东京大学池田菊苗试验，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（玉米淀粉、大米、小麦淀粉、甘薯淀粉）通过微生物发酵、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，用了它以后使菜肴更加鲜美可口。
1.2味精应用
（1）食品方面
味精具有强烈的鲜味，是日常生活中的调味品，用量居调味品之首，还可以用做强化食品。
（2）医药方面
味精对神经衰弱，易疲劳，记忆力衰退，神经性癫痫病发作和肝昏迷等具有一定疗效，谷氨酸为神经病患者的中枢神经及大脑皮层质的滋养剂，还有降低血液中氨中毒的作用。
（3）工业方面
味精可用于制造人造革制造，润肤剂，洗涤剂。
（4）农业方面
味精用于制农药（杀虫剂）；用作植物生长调节剂；用作微肥的载体。
1.3国内外味精生产状况
味精生产和研究已有百年历史。
目前，国外味精生产已采用了微机控制。
连续化、自动化成功的降低了劳动强度，七生产效率高，且设备向大型化发展。
目前我国味精行业提高经济效益发展对策是：
合理利用原理材料，采用新菌种、新工艺、新技术、新设备，提高技术水平，防止噬菌体污染，节能降耗，逐步实现自动控制，提高劳动生产率，全面降低成本，参与国际竞争。
同时，要搞好废水治理，提高环境和社会效益。
1.4味精的典型特征
MSG有很浓的鲜味，具鲜味强度与PH值有关，中性时鲜味最强，酸性或碱性鲜味均降低，其鲜味产生是由于α-NH3+与⑵-COO-两个基团的静电吸引，形成五元环的结构。
1.5味精主要性质
味精又称谷氨酸钠，学名α-氨基戊二酸（L-谷氨酸）的钠盐，L-一钠水化合物，又称为麸酸、麸氨酸。
英文名称为MonoSodiumL-glutamate，简称MSG。
1.5.1物理性质
味精是一种无色至白色的柱状结晶或白色的结晶状粉末，结晶态的味精含有一个分子的结晶水，分子式为C5H9NO4Na²H2O，结构式为
图1-1谷氨酸钠结构式
分子量为187.13，斜方晶系柱状八面体，粒子相对密度1.635，视相对密度0.80～0.83。
谷氨酸钠分子有不对称C原子，具有旋光性，有三种光学异构体。
味精易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，难溶于纯酒精，在水中的溶解度如表1-1，
温度（℃）
0
20
40
60
溶解度（g/100g水）
64.62
72.06
83.8
101.6
表1-1味精溶解度
味精热稳定性：
常温～100℃脱温，100～120℃安定，120～130℃结晶水放散，130～170℃安定，170～250℃脱水，240～280℃熔解热分解，280℃炭化。
1.5.2化学性质
（1）盐的作用下Th成谷氨酸或谷氨酸盐。
（2）在强碱作用下可Th成谷氨酸二钠盐，但加酸后仍Th成谷氨酸钠。
（3）在水溶液中长时间加热，可即分脱水Th成吡咯烷酮羧酸钠（通称焦谷氨酸钠，SodiumPyroglutamate），具在的或碱作用下仍可Th成谷氨酸钠或谷氨酸。
（4）在水溶液中解成两性离子，具等电点PI=6.96（谷氨酸钠）。
1.5.3味精的鲜味
MSG有很浓的鲜味，具鲜味强度与PH值有关，中性时鲜味最强，酸性或碱性鲜味均降低，其鲜味产生是由于α-NH3+与γ-COO-两个基因的静电吸引，形成五元环的结构。
MSG的对映体D-Glu²Na和MSG的氨基乙酰化，羧酸的酯化，α-氢的甲基化都是鲜味消失。
Β位一个氢被羟基（OH）置换时，苏式结构的鲜味增强，而赤式结构的鲜味消失。
1.6味精的Th产方案
味精制造分为水解提取法，合成法和发酵法三大类。
目前世界均采用发酵法生产。
本设计采用发酵法。
以大米为原料。
采用酶法水解工艺制糖，微生物生产麸氨酚，采用等电点和离子交换进行麸的提取，半成品麸的再溶解进行中和，脱色、除铁、真空浓缩结晶制得湿味精，气流干燥得成品。
1.7食用味精成品质量标准
表1-2食用味精成品质量标准
项目
单位
99%晶体味精
95%粉状味精
80%粉状味精
谷氨酸钠
%
≥99
≥95
≥80
水分
%
≤0.2
≤0.5
≤1.0
Nacl
%
≤0.5（以cl计）
≤0.5（以Nacl计）
≤20（以Nacl计）
透光率
%
≥95
≥85
≥70
外观
白色有光泽晶体
白色粉状
白色粉状
As
ppm
≤0.5
≤0.5
≤0.5
Pb
ppm
≤1.0
≤1.0
≤1.0
Fe
ppm
≤5
≤10
≤10
Zn
ppm
≤5
≤5
≤5
2味精的Th产工艺
2.1设计产品种类及方案
2.1.1产品方案
纯度99%的晶体味精、纯度95%的粉状味精。
2.1.2Th产方案
味精制造分为水解提取法，合成法和发酵法三大类。
目前世界均采用发酵法生产。
本设计采用发酵法。
以大米为原料。
采用酶法水解工艺制糖，微生物生产麸氨酚，采用等电点和离子交换进行麸的提取，半成品麸的再溶解进行中和，脱色、除铁、真空浓缩结晶制得湿味精，气流干燥得成品。
2.2味精Th产工艺
2.2.1Th产方法的选择
味精生产大致有四中方法：
1水解法、2发酵法、3合成法、4从甜菜糖蜜中提取。
（1）水解法
就是蛋白质原料经盐酸水解生产氨基酸，利用谷氨酸盐溶解度小的性质，提取分离谷氨酸，经中和处理制得味精。
蛋白质水解法要耗用大量含蛋白质的粮食，原料来源少，价格高，生产周期长，浓盐酸耗量大，设备腐蚀严重，劳动强度大，劳动条件差，生产成本高，但质量好，收率稳定。
（2）合成法
以石油裂解气丙烯氧化氨化生成丙烯晴，通过羧化、晴氨化、水解等反应生成消旋谷氨酸，再经分解制得L—谷氨酸。
合成法的优点是不用粮食，利用石油废气，但生产过程要求高温、高压，而且其他原料有毒、易燃，生产要求高，成本与发酵法相似，生产工艺复杂，设备投资大。
（3）提取法
废糖蜜是甜菜制糖结晶后，从离心分离机中分离出的母液含有大量的非糖物质，在回收蔗糖后，其废液再经碱法水解浓缩，提取谷氨酸.甜菜废糖蜜系综合利用，但原料来源有限，同时，设备庞大，生产工艺复杂，产品是L型。
（4）发酵法
以淀粉质原料水解生成葡萄糖，或直接以糖蜜或醋酸为原料，利用谷氨酸生产菌进行碳代谢，生物合成谷氨酸。
发酵法原料来源广泛，可利用条件好，以淀粉质原料生产，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，成本较低。
综述上面优缺点，本设计采用发酵法生产，以大米为原料
图2-1发酵法
2.2.2味精Th产的糖化工艺
糖制原料发酵法生产谷氨酸，谷氨酸产生菌不能直接利用淀粉、糊精。
只能将淀粉质原料水解为葡萄糖，才能供发酵生产之用。
一、糖化工艺方法的选择
淀粉水解为G方法有酶解法、酸解法和酶酸结合法（包括酶酸法和酸酶法）
（1）酸解法
工艺简单、费时短、效率高，设备周期短，但副产物多，影响糖化液的质量，淀粉转化率低，糖化DE值只有90%左右，生产对原料要求高，要求用纯度较高的精制淀粉，设备要求耐高温、耐高压、耐腐蚀。
（2）酶解法
淀粉转化率高，糖化液纯度高，营养成分丰富，可采用粗淀粉原料，条件温和，设备要求较低，但生产周期长，夏天糖液易变质，发酵生产不正常时，给生产调度带来困难。
（3）酶酸结合法
具有两法的优点，特别是酶酸法，该工艺适用于大米或粗淀粉为原料，可提高淀粉利用率，生产易于控制，周期短，淀粉转化率高。
糖液质量高。
从上述三种制糖方法比较，结合所用的生产原料（大米），本设计采用酶酸法制糖。
二、糖化工艺流程与工艺操作
（1）工艺流程
大米→水洗→浸泡→粉碎→调浆→液化→灭酶→压滤→滤液加酸调PH1.8→糖化→中和→脱色→压滤→糖液
（2）工艺操作
将大米输入浸泡桶，加入自来水，清洗干净，排去淘米水再新加清水常温浸泡，夏1～2h，春秋3～4h，冬4～6h，以米浸泡后用手捏碎为佳。
排水，磨成粉浆度保持20°Be左右，粒度达80目以上，泵入调浆桶，加清水调成浓度为15°
Be左右，假如0.3%CaCl2。
以纯碱调PH6.3～6.5，再按大米加入α-淀粉酶0.25～0.3%，搅拌均匀，进入液化锅内保温80℃左右，10～20分钟，取样作碘色反应作终点，呈棕红色或橙黄色才液化完全。
再开100～102℃，5min杂酶，再压滤，在搅拌下向液化液中加盐酸调PH1.8泵入糖化锅内，升压至0.28mPa。
排气可适当关小，10～15min左右，用无水酒精检查糖化终点，无白色反应时即可放料。
再经缓冲捅，降温80℃以下中和，达PH4.6～4.8为止，用活性炭脱色在PH5.0以下，不少于30min，再经过压滤，得水解糖液。
流入贮液捅，以备发酵。
（3）大米及水解糖液质量要求
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