年产5万吨味精糖化工段工艺.doc

生物与化学工程学院课程设计报告题目 年产 5 万吨味精糖化工段设计学生姓名： 卢 琴 专业班级： 生物工程 2011010501班 学 号： 1101815081 指导教师： 罗建成、王莹 设计时间： 2014.5.12-2014.5.16 生物反应工程与设备课程设计任务书学 院生化学院专业班级11生物1班姓 名 卢 琴所在组别第一组设计题目年产 5 万吨味精糖化工段设计完成时间2014.5.12-2014.5.16（13周）设计内容及要求1设计题目：年产 5 万吨味精糖化工段设计2生产基础数据(1) 产品规格：纯度为99%的味精。 (2) 生产天数：300 天/年，糖化周期40-48h。 (3) 糖化工艺：一次喷射双酶糖化法；液化酶为耐高温液体-淀粉酶（20000U / ml，密度为1.2），加酶量为10U / g干淀粉；液体糖化酶为（100000U / ml，密度1.25），加酶量为120U / g干淀粉；CaCl2一般加量为干淀粉的0.15；液化后的湿糖渣约为淀粉原料的1；进入发酵工段的糖液浓度为30（密度为1.1321）。 (4) 商品淀粉中淀粉含量82-88%，淀粉加水调浆比例为1:1.5-2.5。 (5) 淀粉糖化转化率92-96%，发酵产酸率（浓度）10-12%，发酵对糖转化率55-62%，倒罐率为1-2%。 (6) 提取工段：谷氨酸提取收率 95-98%，精制收率 95-%98。 (7) 糖化罐单台体积100-200立方米，糖化罐装液系数75-85%，糖化罐H=2D，糖化罐下部使用圆锥形，圆锥高度为D/4。 3设计内容 (1) 根据以上设计任务。查阅有关资料、文献、搜集必要的技术资料，工艺参数与数据，进行生产方法的选择，工艺流程与工艺条件的确定与论证。 (2) 工艺计算：糖化工段的物料衡算。 (3) 糖化工段设备的选型计算：包括设备的容量、数量、主要的外形尺寸。（供选择） (4) 选择其中某一重点设备进行单体设备的详细化工计算与设计。（供选择）4设计要求 (1) 根据以上设计内容，撰写设计说明书。 (2) 完成图纸 1 张：全厂工艺流程图（或重点单体设备总装图）工作进度及安排1、查阅资料1天2、工艺计算2天3、结构图和工艺图设计、绘制1天4、编写说明书1天 指导教师 罗建成 2014年5月 10 日 教师评语教师签名： 年 月 日 报告成绩： 年产5吨万味精糖化工段设计 年产 5 万吨味精糖化工段设计 摘 要：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钠。谷氨酸是利用微生物发酵生产的一个具有代表性的产品，生产工艺涉及种子培养、发酵、提取、脱色、离心和干燥等重要的单元操作和工程概念。通过本课程设计训练，可以提高自己理论联系实际的能力和工程设计方面的能力。 本设计是以精制淀粉（纯度为86%）为原料进行设计，使用一次喷射双酶法为糖化工艺，以年实际工作日300天计算。对全厂物料、热量就行衡算，对糖化工段的罐体如调浆罐、储浆罐、维持罐、层流罐、糖化罐、储糖罐以及一些标准设备如液化喷射器、板框过滤机、板式换热器和泵等进行了详细计算，以确定它们的参数，便于设备布置图的绘制。关键词： 谷氨酸钠；糖化；工艺计算；i Abstract: Monopodium glutamate, also known as Ajinomoto, scientific name Monopodium glutamate. The finished product is white columnar crystal or crystalline powder, is one of the widely used by fresh spices at home and abroad, the main component of mag.Through process design on glutamate workshop, can strengthen their ability of comprehensive utilization of knowledge. Through this graduation design training, can improve his theory with practical ability and the ability of engineering design. The design is based on the refined starch (86% purity) was designed as the raw material, the use of a jet of double enzyme method for sugar Process, the actual working day 300 days. On the whole plant material, the heat on the line balance, on the saccharification tank such as mixing tank, mortar storage tank, tank, tank to maintain laminar, saccharification pot, sugar and some standard equipment storage such as liquid injector, plate and frame filter, heat exchanger and pump are analyzed, to determine their parameters, drawing for equipment layout.Keywords:glutamate；saccharification；processcalculation； ii 目录1.绪论 1 1.1味精简介 1 1.2味精用途 1 1.3国内的味精工业发展 1 1.4国内味精的行也标准 22.糖化工段工艺 2 2.1设计方案的确定2 2.1.1糖化方法的选择论证2 2.1.2液化工艺条件的论证3 2.2糖化工艺流程3 2.3糖化工艺技术要点42.3.1调浆配料4 2.3.2喷射液化4 2.3.3糖化4 2.3.4过滤42.3.5贮存43.糖化工段物料衡算4 3.1生产能力4 3.2计算指标4 3.3总物料衡算5 3.3.1商品淀粉用量5 3.3.2糖化液量6 3.3.3产谷氨酸量6 3.3.4衡算结果汇总6 3.4糖化工段物料衡算6 3.4.1淀粉浆量及加水量6 3.4.2液化酶量7 3.4.3CaCl2量7 3.4.4糖化酶量7 3.4.5糖液产量7 3.4.6过滤糖渣量7 3.4.7生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量73.4.8衡算结果汇总74.糖化工段设备选型8 4.1糖化工段设备 8 4.1.1调浆罐 8 4.1.2储浆罐 9 4.1.3 连续液化喷射器 9 4.1.4维持罐 9 4.1.5 层流罐10 4.1.6 糖化罐10 4.1.7 储糖罐11 4.2 设备选型汇总115.参考文献126.课程设计体会127.附录或附图13 II 1.绪论1.1味精简介 学名：L-谷氨酸单钠盐 英文名：Monopodium L-Glutamate 结构式:HOOC-CH2-CH2-CH(NH2)-Coo-NaH2O ，简称MSG 分子式：NaC5H8O4NH2O，分子量：187.13 理化性质：味精是无色至白色的柱状结晶或白色的结晶性粉末。晶体的形状属斜方晶系，柱状八面体，粒子相对密度1.635，视相对密度0.800.83。味精具有旋光性，有D型和L型两种光学异构体，易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，难溶于纯酒精。ph为7.0（10%水溶液），全氮：7.48%，熔点：195OC（在125OC以上易失去结晶水）。味精的热稳定性：常温100OC脱湿；100120OC稳定，120130OC失去结晶水；130170OC稳定；170250OC分子内脱水；240280OC热分解；280OC炭化。1.2味精用途味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各种食物的吸收能力，对人体有一定的滋补作用。因为味精里含有大量的谷氨酸，是人体所需要的一种氨基酸，96%能被人体吸收，形成人体组织中的蛋白质。它还能与血氨结合，形成对机体无害的谷氨酰胺，解除组织代谢过程中所产生的氨的毒性作用。又能参与脑蛋白质代谢和糖代谢，促进氧化过程，对中枢神经系统的正常活动起良好的作用。正因如此，有报道用以防止肝昏迷，每服味精3克，1日3次；防治癫痫小发作，成人每日2克，小儿每岁每日服1克，1日3次分服；大脑发育不全，每岁每日服 l15克，1日3次分服。味精是一种广泛应用的调味品，其摄人体内后可分解成谷氨酸、酪氨酸，对人体健康有益。味精不仅应用于食品行业，还被广泛应用于医药、工业、农业等方面。味精曾一度被怀疑是不可安全食用的增鲜调味品1。1973年FAO/WHO食品添加剂专家联合组织一度规定，味精的ADI值0mg120mg，即摄入量每天每千克人体体重不得超过120mg。但国际上许多权威机构都做过味精的各种毒理试验，到目前为止，还未发现味精在正常使用范围内对人体有任何危害的依据，即证明食用味精是安全的。21.3国内的味精工业发展 味精主要是通过玉米或大米等含淀粉较多的原料经发酵法加工而成的一种粉末状或结晶状的产品，主要成分为谷氨酸钠。我国味精生产自20 世纪80 年代开始进入高速发展阶段，并于1992 年成为世界味精生产的第一大国。2010 年我国味精产量达256 万吨，2002-2010 年的年均复合增长率达11.1%。随着我国味精产量的不断增加，行业生产技术水平也得到了提高。20 世纪90 年代初，我国味精生产企业约130 家，年产量仅22.3 万吨。至2007 年，国家发改委、国家环保总局联合下发关于做好淘汰落后造纸、酒精、味精和柠檬酸生产能力工作的通知，规定产能在3 万吨以下的生产企业将逐步淘汰。经历2007-2008 年的整合，味精企业约30-40%的产能退出市场。2009 年，国家进一步出台政策限制产能10 万吨以下的味精企业发展。味精生产企业的总数减少到目前35 家左右。相比其他调味品整体较低的品牌集中度，味精行业集中度相对较高。本公司从生产企业采购味精进行分装销售，不受该政策规定限制。味精2004年的全球市场约为170万吨，预计2010年将增长到210万吨。我国是味精生产大国，2003年中国味精产量118.9万吨，占世界53%，2006年产量136万吨，居世界第一3。1.4国内味精的行业标准 国家标准GB/T8967-2007谷氨酸钠（味精）已与2007年12月1日起正式开始实施。标准心脏对味精产品的分类，并增加对盐味精和增鲜味精的理化性质。 标准按添加成分，将味精产品分成三大类：即普通味精、加盐味精、增鲜味精。加盐味精是在谷氨酸钠中，定量添加了精制盐的均匀混合物：增鲜味精则是在谷氨酸钠中，定量添加了增鲜剂，其鲜味应超过混合前的谷氨酸钠。 标准要求，无论是哪一种味精产品，其感官要求都应满足：无色或白色晶状颗粒或粉末，易溶于水，无肉眼可见杂质，且无异味。 标准首次对加盐味精和增鲜味精的理化指标进行明确要求。按规定，加盐味精对产品谷氨酸钠含量不小于80%，食盐添加量应小于20%，铁含量等于每千克10毫克。对于增鲜味精，则要求：谷氨酸钠含量不小于97%，添加剂含量不得超过3%，增鲜剂呈味核苷酸二钠含量不小于1.5%，铁含量小于等于每千克5毫克。 2.糖化工段工艺2.1设计方案的确定2.1.1糖化方法的选择论证 目前国内正在采用的糖化方法主要有酸解法、酶酸法、双酶法这三种。此三种糖化方法各有优缺点，在选择时应该根据具体情况来决定，无论采取哪一种工艺都必须达到提高效率，降低单耗，降低成本，不能片面的追求某项指标。其三种工艺方法具体如下：1.酸解法：淀粉调浆过筛加酸进料糖化放料冷却中和脱色过滤唐液消毒发酵2.酶酸法： -淀粉酶 大米浸泡粉碎调浆液化灭酶过滤液虑加酸糖化中和脱色过滤糖液发酵3. 双酶法： -淀粉酶 玉米淀粉液化糖化过滤糖化液连续灭菌发酵 糖化酶 补糖尿素消泡剂 三种糖化工艺，各有其优缺点。从糖液质量、收得率、耗能以及对粗淀粉原料的适应情况看，双酶法最佳、酶酸法次之、酸解法最差。但双酶法生产周期长，糖化设备较庞大。从糖浆的黏度来看，双酶法最低、酸解法最高。双酶法制糖工艺可根据升温方式的不同分为升温液化法、喷射液化法。喷射液化法又依所用加热设备的不同分为一次喷射液化法和二次喷射液化法。一次喷射液化法由于能耗低，设备少，糖液质量好而获得广泛的应用4。所以本次设计采用一次喷射双酶。2.1.2液化工艺条件的论证液化的原理： -淀粉酶是内切型淀粉酶，可从淀粉分子的内部任意切开-1，4糖苷键，不能水解-1，6糖苷键，液化产物除了麦芽糖和葡萄糖外，还含有一系列带有-1，6糖苷键的寡糖。淀粉在糊化之前，-淀粉酶是难以直接进入淀粉颗粒内部与淀粉分子发生作用的。所以淀粉一定要经过糊化阶段，酶才能开始发生作用。液化是利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等，使粘度大为降低，流动性增高。（1）淀粉液化条件 淀粉是以颗粒状态存在的，具有一定的结晶性结构，不容易与酶充分反应,酶水解颗粒淀粉和水解糊化淀粉的速度比约为1：20000。所以淀粉酶作用于淀粉前要先加热淀粉乳，从而使淀粉颗粒吸水膨胀、糊化、破坏其晶体结构。由于不同原料来源的淀粉颗粒结构不同，液化程度也不同，薯类淀粉比谷类淀粉易变化。 淀粉酶的液化能力与温度和pH值有直接关系。每种酶都有最适的作用温度和pH值范围，而且pH和温度是互相依赖的，一定温度下有较适宜的pH值。在37时，酶活力在pH值5.07.0范围内较高，在pH值6.0时最高，过酸过碱都会降低酶的活性。-淀粉酶一般在pH值6.07.0较稳定。 酶活力的稳定性还与保护剂有关，生产中可通过调节加入的CaCl2的浓度，提高酶活力的稳定性。一般控制钙离子浓度0.01mol/L。钠离子对酶活力稳定性也有作用，其适量浓度为0.01mol/L左右。 现在研究发现当物料pH大于5.7后，在最终糖液中即有可能生成麦芽酮糖。研究还发现，随着液化pH的不断升高，麦芽酮糖的含量也在同步增长。在液化pH低于5.6时，即可避免在糖化过程中产生麦芽酮糖。 工业生产上，为了加速淀粉液化速度，多采用较高温度液化，例如8590或者更高温度，以保证糊化完全加速酶反应速度。但是温度升高时，酶活力损失加快。因此，在工业上加入Ca2+或Na+,使酶活力稳定性提高。（2）液化程度的控制 若液化程度太低，液化产物分子数少，糖化酶与底物接触的机会也少，影响糖化的速度；且液化程度低，液化液容易老化（分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新氢键的复结晶过程），糖化酶很难进入老化产物的结晶区作用，影响糖化的程度，最终糖化液粘度大，过滤困难。 如果液化程度过高，液化液分子较小，不利于络合结构生成，从而影响糖化酶的催化效率，导致糖化液的最终DE值低。根据生产经验，一般以DE值来衡量液化程度，在DE值在1015小时结束液化过程比较合适，液化终点可用碘显色来判断。达到终点后，需对液化液进行灭酶，升温至120保持10min可完成。灭酶后，冷却至糖化酶的作用温度，待糖化。2.2糖化工艺流程调PH（盐酸或石灰水/Na2CO3）酶 酶调PH 淀粉乳调浆喷射液化高温维持闪蒸层流液化降温糖化 Na2CO3 糖液 升温灭酶过滤渣糖饲料2.3糖化工艺技术要点2.3.1调浆配料 根据需要，将淀粉乳调成15-20oBe。盐酸或石灰水/Na2CO3水溶液pH5.5-5.6，以减少不可发酵糖的产生（-淀粉酶pH范围为5.5-7.0）。加适量的-淀粉酶（20000U/ml，密度为1.2）CaCl2用量为干淀粉的0.15%，如果水中Ca2+超过50mg/L，可以不加CaCl2。粉浆温度一般控制在50-58之间。2.3.2喷射液化 工作蒸汽压0.4MPa,淀粉乳供料泵压力为0.2-0.4MPa，温度一般控制在105-109,温度高于110,会影响蛋白质的结构,从而影响酶的活力;温度低于105,则淀粉与脂质体形成的复合物不能被破坏,而这个复合物不能被酶所分解，液化温度控制在90，液化时间60min,碘色反应呈棕色即可。然后130-140灭酶5-10min。液化液结束后要迅速降温至6065，进入糖化罐。2.3.2糖化 液化液加酸调至pH4.2-4.4，糖化温度601，加入糖化酶糖化（按120u/g干淀粉计算），糖化时间24-32h。要求每两小时或四小时检查一次糖化液的糊精状况，直至无明显糊精为糖化结束，即以无水乙醇滴定检查无白色沉淀为终点。终点DE值为95%-98%。注意控制监测及时判断终点以防糖化过度产生异麦芽糖。将料液PH调至4.8-5.0，同时加热到85-90，保温30分钟，然后将料液温度降低到60-65.2.3.3过滤 糖液先用NaCO3水溶液调pH4.8-5.0，加少量助滤剂，滤去蛋白质，残渣糖液透光率达90%以上。2.3.4贮存为防止糖液贮存中发酵变质，应保证糖液温度不低于60。供发酵使用。 3.糖化工段物料衡算3.1生产能力商品味精年产量：50kt/a，则纯谷氨酸钠年产量为：49500t/a。（商品味精为99%纯谷氨酸钠）。商品味精日产量：50000/300=166.67t/d，纯谷氨酸钠日产量：165t/d。3.2计算指标 3-1 计算指标项目数值淀粉糖化转化率95%发酵产酸率（浓度）12%发酵对糖转化率60%倒罐率2%谷氨酸提取收率96%精制收率96%味精对谷氨酸的产率112%商品淀粉中淀粉含量86%全年工作日300d3.3总物料衡算 物料衡算是根据质量守衡定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料质量等于离开系统的全部物料质量，即式中 F进入系统物料量， D离开系统的物料量， W损失的物料量，图3-1 味精生产工艺总物料衡算流程图3.3.1 商品淀粉用量 1000kg纯淀粉实际产100%MSG量:1000 1.111 95%60%(100%2%)96%96%1.272=727.52kg其中：1.111淀粉转化为葡萄糖的理论产率（C6H10O5（分子量162）C6H12O6（分子量180），180/162=1.111）；93%淀粉糖化转化率；60%发酵对糖的转化率；2%倒罐率；96%谷氨酸提取收率；95%精制收率；1.272谷氨酸转化为味精的理论产率（C5H9NO4（分子量147）C5H10NO5Na（分子量187），187/147=1.272）。1000kg商品淀粉产100%MSG量： 727.52 86% =625.67 kg （86%商品淀粉中淀粉含量）1吨100%MSG实耗商品淀粉量：1000625.67=1.60t/t日产100%味精165t，每吨耗商品淀粉1.60 t，日耗商品淀粉量：165 1. 60=263.72 t/d 3.3.2糖化液量日产纯糖量：263.27 86% 95% 1.111=238.97 t/d（86%商品淀粉中淀粉含量；93%淀粉糖化转化率；1.111淀粉转化为葡萄糖的理论产率）折算为30%的糖液：（发酵时糖液浓度为30%）238.97/30% = 796.56t即日产30%糖液 796.56 t。3.3.3 产谷氨酸量日产纯谷氨酸量: 238.97 60% （100%-2%） 96% 96% = 129.50 t/d3.3.4 衡算结果汇总表 3-2 总物料衡算结果汇总表原料规格日产(耗)量（t / d）商品淀粉 / t86%263.72糖液 / t30%796.56谷氨酸 / t100%129.50味精 / t100%1653.4 糖化工段物料衡算图2-2 糖化工段物料衡算图3.4.1 淀粉浆量及加水量淀粉加水比例为1:2，1000kg商品淀粉产淀粉浆：1000 （1+2）= 3000 kg加水量：2000kg。3.4.2 液化酶量使用耐高温-淀粉酶（20000U / ml）,加酶量10U / g干淀粉。1000kg干淀粉加酶量：0.5L液化酶质量：0.5 1.2 = 0.6 kg。3.4.3 CaCl2量此次加量为干淀粉的0.15%，即1000kg 干淀粉加CaCl2： 1000 0.15% = 1.5 kg 3.4.4 糖化酶量一般加糖化酶量为120U / g干淀粉，本课程使用的液体糖化酶为100 000U / ml，密度1.25。则每1000kg干淀粉加糖化酶量: 1.2L糖化酶质量：1.2 1.25 = 1.5 kg。3.4.5 糖液产量 1000kg商品淀粉产30%糖液质量：（由日产30%糖液与日投入商品淀粉的关系可得）3.4.6 过滤糖渣量液化后的湿糖渣约为淀粉原料的1%。湿渣（含水70%）,折干渣量:10001%(1-70%)=3kg3.4.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量3025.62 + 10 -（1.5 + 1.5 + 0.6）- 3000=32.02 kg3.4.8衡算结果总汇以商品淀粉的日投料量与物料的比值，填写下表各项的日投料量。表3-3 糖化工段的物料衡算汇总表进入系统离开系统项目物料比例/ kg日投料量/ t项目物料比例/ kg日产料量/ t商品淀粉1000.00 263.72 30%糖液 3025.62797.92配料水2000.00 527.44滤渣10.00 2.64液化酶 0.60 0.16 CaCl21.50 0.40糖化酶1.50 0.40 蒸汽冷凝水及洗水量 32.028.44累计3035.62 800.563035.62800.56 4、糖化工段设备选型4.1糖化罐的选型计算4.1.1 调浆罐每个糖化罐装液量120m3,用200min调满一罐，调浆一次用10min，辅助5min，则：调浆次数： （次）每次调浆量： 调浆罐装液系数取85%，则调浆罐体积为：取H = D，由 解得：D = 2.4，则取D = 2.4得V = 10.86m3 符合装液量要求。每天可调装糖化罐罐次： 罐次。每日糖化罐投料罐次： 罐次，所以需要1台调浆罐。式中796.56日产30%糖液量，t1.132130%糖液密度，t / m3罐体材料采用碳钢，内涂防腐层，壁厚5mm。搅拌器转速120r / min，即2r / min，搅拌直径0.8m搅拌功率其中A以列管代替挡板以及各部尺寸按比例放大后测得的搅拌功率系数（0.60.8）n搅拌器转速，1 / sDi搅拌器直径，mNp六弯叶时的功率准数（取4.8）传动效率85%，10 / 85% = 11.8kW，选用Z2-62型电动机表 4-1 Z2-62型电动机参数额定功率kW额定电压V额定电流A飞轮力矩kgm3重量kg额定转速r / min1322069.50.6520024004.1.2 储浆罐调浆罐每次调浆量9.23m3，储浆罐总容积取18m3以确保连续操作要求储浆罐下部使用圆锥形，取圆锥高度为D / 4则取H = 2D解得D = 2.25m，取D = 2.2m，则H = 4.4m。储浆罐实际容积：罐体材料采用碳钢，内涂防腐层，壁厚5mm。选择与调浆罐一样的搅拌器及Z2-62型电机。4.1.3 连续液化喷射器每日产淀粉浆量：，料液流量：查味精工业手册（第二版）表9-2，选用CHA-20型喷射器，处理量为20m3 / h，则选取2台喷射器即可。4.1.4 维持罐维持时间取8min，则维持罐体积。取H = 3D，解得D = 1.245m，查味精工业手册（第二版）附表23-1得：取D = 1.3m，则H =3.9m，h封 = 0.275m，封头容积V封 = 0.1505m3。维持罐体积装液量，符合装液要求。罐体材料采用碳钢，内涂防腐层，壁厚4mm，外包120mm保温材料树脂玻璃棉4.1.5 层流罐层流罐保温液化时间120min，料液流量29.03m3 / h，取4个层流罐，则：层流罐容积取H = 4D，解得D = 1.767m，查味精工业手册（第二版）附表23-1得：取D = 1.8，则H = 7.2m，h封 = 0.375m，封头容积V封 = 0.3977m3。