生物工艺学课程设计范例.doc

生物工艺学课程设计说明书生物工艺学课程设计说明书 题题 目目 100kt a 谷谷氨氨酸酸钠钠发发酵酵车车间间工工 艺艺设设计计 学学生生姓姓名名 学学 院院 化化工工学学院院 班班 级级 生生物物工工程程10 1 班班 2016 年 月 10 目录 引言 1 第一章设计内容与设计组成 1 1 1 设计任务 1 1 2 设计意义 1 第二章 谷氨酸简介 2 1 1 概述 2 1 2 理化性质 2 1 3 谷氨酸的生物合成途径 3 第三章 生产谷氨酸的工艺流程 4 3 1 概述 4 工艺流程图 6 3 2 原料的预处理及糖化 7 3 3 谷氨酸发酵工艺 8 3 4 谷氨酸的提取 11 第四章 工艺计算 13 4 1 生产要求 13 4 2 总物料平衡的计算 13 4 3 糖化工段物料衡算 15 4 4 发酵工段物料平衡计算 17 4 5 中和等电工段物料衡算 21 4 6 离交工段物料衡算 23 4 7 中和脱色工段物料衡算 24 4 8 精制 结晶 工段物料衡算 26 第五章 总结 28 致谢 29 参考文献 30 附图 31 引言 味精是人们熟悉的鲜味剂 是 L 谷氨酸单钠盐 Mono sodium glutamate 的一水化合物 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 谷氨酸钠俗称味精 是重要的鲜味剂 对香味具有增强作用 谷氨酸钠广 泛用于食品调味剂 既可单独使用 又能与其它氨基酸等并用 用于食品内 有增香作用 甘氨酸具有甜味 和味精协同作用能显着提高食品的风味 谷氨 酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道 不仅能增强食品风味 对动 物性食品有保鲜作用 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 不论在食品 化妆品还是医药行业 谷氨酸都有很大的用 途 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 医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷 还用于改 善儿童智力发育 食品工业上 味精是常用的仪器增鲜剂 其主要成分是谷氨 酸钠盐 过去生产味精主要用小麦面筋 谷蛋白 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 整个设计内容大体分成三部分 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 本次设计为年产 10 万吨谷氨酸生产的发酵工段 因此对谷氨酸的发酵介绍 较为详细 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 0 第一章设计内容与设计组成 1 1 设计任务 1 设计内容 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 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 2 设计组成 第一部分主要是味精生产的工艺和设备选择 第二部分 包括发酵罐 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 1 2 设计意义 本题目根据生物工程专业的培养方向选择 谷氨酸是是本专业中一个具有 代表性的产品 生产工艺涉及种子培养 发酵 提取等重要的单元操作和工程 概念 通过对谷氨酸的工艺设计 进一步巩固加深并应用所学的 生物工艺学 身无分离工程 发酵设备与工厂设计概论 和 化工原理 等专业基 础和专业课的理论知识 使之系统化 综合化 培养综合运用基础知识和专业 理论 解决工程实际能力 为毕业设计打下基础 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 1 第二章 谷氨酸简介 1 1 概述 学名 L 谷氨酸单钠盐 水化合物 商品名 味精 味素 谷氨酸钠 因味精起源于小麦 俗称麸酸钠 英文名 Monosodium L Glutamate 简写 MSG 结构式 HOOC CH2 CH2 CH COONa H2O NH2 分子式 NaC5H8O4N H2O 分子量 187 13 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 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 谷氨酸一种酸性氨基酸 分子内含两个羧基 化学名称为 氨基戊二 酸 谷氨酸是里索逊 1856 年发现的 为无色晶体 有鲜味 微溶于水 而 溶于盐酸溶液 等电点 3 22 大量存在于谷类蛋白质中 动物脑中含量也 较多 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 医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷 还用于改善儿童智力发育 食品工业上 味精是常用的仪器增鲜剂 其主 要成分是谷氨酸钠盐 过去生产味精主要用小麦面筋 谷蛋白 水解法进行 现改用微生物发酵法来进行大规模生产 谷氨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 1 2 理化性质 1 2 1 物理性质 谷氨酸的立体异构体 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 2 谷氨酸分为 L 型 D 型 DL 型三种 谷氨酸具有一般氨基酸的性质 其分子具有不对称的碳原子 所以有旋 光性 它的氨基在不对称碳原子右方的称为 D 型 或右型 在不对称碳原子 左方的称为 L 型 或左型 在化学命名中以前左旋用 l 表示 右旋用 d 表示 消旋体用 dl 表示 现在化学才统一用 D 型 L 型和 DL 型表示 光学异构体 而左旋和右旋则用 与 表示 所以 L 型谷氨酸旧的命名 为 1 谷氨酸 因为它的水溶液中是右旋 故沃尔 罗登宝命名法叫做 L 谷 氨酸 现在统称 L 谷氨酸 又名 d 氨基戊二酸 同样 D 型谷氨酸旧的命名 为 1 谷氨酸 因为它的水溶液为左旋 故称为 D 谷氨酸 又名 1 谷氨 酸 又名 1 氨基戊二酸 而 DL 型谷氨酸即消旋异构体 1 2 2 谷氨酸的化学性质 谷氨酸可以与酸作用 谷氨酸与碱作用 与氢氧化钠反应生成谷氨酸单钠和水 与碳酸钠反应生成氨酸单钠和水 放出二氧化碳 加热 谷氨酸长期加热 经脱水后生成焦谷氨酸 无鲜味 谷氨酸与亚硝酸作用 谷氨酸与亚硝酸反应生成羟基酸 释放出氮气 谷氨酸的脱羧作用 在谷氨酸脱羧酶的催化下 谷氨酸生成 氨基丁酸 和二氧化碳 谷氨酸在氨的存在下 通过谷氨酰胺合成酶的催化能生成谷氨酰胺 谷氨酸与茚三酮反应 谷氨酸或其它 氨基酸在 pH 2 5 5 0 与茚三酮 共热 能显示蓝色或蓝紫色 按其显色的深淡度可作为 谷氨酸定性或定量 分析的依据 甲醛反应 氨基酸与甲醛反应后 碱性的氨基被遮盖 用标准 NaOH 溶液 滴定羧基 1 3 谷氨酸的生物合成途径 谷氨酸合成方式 许多研究者利用不同的谷氨酸产生菌对其合成方式和途径进行了研究 这 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 3 些研究表明 谷氨酸产生菌菌体内形成谷氨酸的方式主要有两种 即氨基酸的 转移作用和还原性氨基化作用 氨基转移作用 在氨基转移酶的催化下 除甘氨酸以外 任何氨基酸都 可以与 酮戊二酸变成谷氨酸 同样谷氨酸与其他 酮酸之间在转氨酶的 催化下 也能生成 酮戊二酸和新的氨基酸 还原性氨基化作用 在NH 和供氢体 还原型辅酶 即NADPH2 存 在的条件下 酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸 谷氨酸合成途径 谷氨酸生物合成途径主要有糖酵解途径 EMP 途径 磷酸己糖途径 HMP 途径 三羧酸循环 TCA 乙醛酸循环体 二氧化碳固定和还原氨基 化反应等 生成谷氨酸的有关酶类主要有苹果酸酶 丙酮酸羧化酶 异柠檬酸 脱氢酶 异柠檬酸裂解酶 酮戊二酸脱氢酶 谷氨酸脱氢酶等 第三章 生产谷氨酸的工艺流程 3 1 概述 味精生产全过程可划分为四个工艺阶段 1 原料的预处理及淀粉水解糖 的制备 2 种子扩大培养及谷氨酸发酵 3 谷氨酸的提取 4 谷氨酸制取味精 及味精成品加工 与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间 发酵车 间 提取车间和精制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 原料的预处理原料的预处理 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 4 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 3 淀粉水解糖制备淀粉水解糖制备 在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化 所制得的糖 液称为淀粉水解糖 由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源 因而 必须将淀粉水解为葡萄糖 才能供发酵使用 目前 国内许多味精厂采用双酶 法制糖工艺 种子扩大培养及谷氨酸发酵种子扩大培养及谷氨酸发酵 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 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 4 谷氨酸的提取谷氨酸的提取 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 1 谷氨酸制取味精及味精成品加工谷氨酸制取味精及味精成品加工 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 5 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 4 工艺流程图工艺流程图 菌种 斜面培养 摇瓶扩大培养 种子罐扩大培养 原料 预处理 水解 过滤 淀粉水解糖 配料 发酵 空气 空气压缩机 冷却 气液分离 过滤除菌 等电点调节 沉淀 离心 粗谷氨酸 溶 解 中和制味精 母液 离子交换处理 粗谷氨酸溶液 粗谷氨酸 除铁 过滤 脱色 浓缩结晶 离心 小结晶 干燥 拌盐粉碎 粉状味精 大结晶 干燥 过滤 成品味精 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 6 3 2 原料的预处理及糖化 3 2 1 原料的种类 发酵生产谷氨酸的原料主要是淀粉 其次还有非粮食淀粉原料 淀粉来自 粮食原料 通常利用各种谷类或薯类淀粉 如北方常用玉米 南方常用番薯淀 粉等 非粮淀粉原料主要指甜菜或是甘蔗糖蜜 醋酸 乙醇 正烷烃 如液体 石蜡 等 3 2 2 原料处理 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 淀粉 水 调浆 糖化 冷却 中和 脱色 过滤除杂 糖液 盐酸 1 调浆 首先将原料淀粉 水 和工业盐酸调成均匀的淀粉乳 为便 于操作控制 生产上加盐酸量常以淀粉浆 pH 值为指标 控制在 pH 在 1 5 左右 2 糖化 在水解锅内加入一定量的水 然后将水解罐顶预热至 100 105 蒸汽压力为 9 8 19 6kPa 随后将淀粉乳用泵送至水解罐内进行水解 水解蒸汽压力控制在 0 25 0 4MPa 之间 水解时间控制在 10 20min 淀粉的糖 化工艺及其条件是根据淀粉水解反应和葡萄糖的缩合与分解反应 但实际上不 可能达到此目的 在水解过程中 酸的浓度 水解的温度和时间 以及淀粉乳 的浓度都会对淀粉的水解产生影响 为了提高淀粉水解成葡萄糖的收得率以及 水解糖液的质量 必须合理地选择淀粉水解的工艺条件 以限制缩合反应和分 解反应的发生 3 中和 采用酸化糖化淀粉需要用碱中和酸 一般淀粉水解完毕 水 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 7 解糖液中葡萄糖含量约为 16 18 左右 其中还含有多余的酸 必须要用碱中 和 中和剂通常为纯碱 当中和桶中糖液的冷却至 80 左右 加入中和剂 中 和时生成大量的二氧化碳 呈现剧烈的沸腾状态 所以中和桶容积应为糖化液 体积的 3 4 倍 以防糖化液溢出桶外 中和时的 pH 应控制在 4 0 5 0 左右 此 时有利于蛋白质 氨基酸 色素和其他杂质的凝聚沉淀 4 脱色过滤 糖化液中杂质的存在对糖液质量影响很大 通过调节 pH 将水解糖液调至等电点时 蛋白质和谷氨酸的溶解度最小 便于沉淀过滤 色素则可用活性炭吸附法除去 中和结束后 添加活性炭脱色 控温在 60 活性炭用量相当于淀粉量的 0 6 0 8 左右 最后让经过中和脱色的水解糖液 静置 1 2h 使其充分沉淀 待液温降至 45 50 时 用泵打入过滤器过滤 过 滤后的糖液送贮糖桶备用 糖蜜的预处理 谷氨酸生产上使用的糖蜜进行预处理的目的是为了降低生物素的含量 因 为糖蜜中含有大量的生物素 因此不宜用与谷氨酸发酵 降低生物素含量的方 法有 活性炭处理法 水解 活性炭处理法 树脂处理法 亚硝酸处理法 糖 蜜原料添加青霉素法 此外 还可以采用表面活性剂 或采用非生物素缺陷型 突变株的方法 以解除糖蜜中过量生物素对谷氨酸积累的影响 淀粉水解糖制备 在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化 所制得的糖液 称为淀粉水解糖 由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源 因而必 须将淀粉水解为葡萄糖 才能供发酵使用 目前 国内许多味精厂采用双酶法 制糖工艺 3 3 谷氨酸发酵工艺 3 3 1 发酵培养基 谷氨酸发酵培养基主要成分有碳源 氮源 生长因子和无机盐等 碳源 大多数谷氨酸生产菌可以利用葡萄糖 蔗糖 果糖等 极少数可 以直接利用淀粉 除这些糖质原料外还可以利用醋酸 酒精 石蜡油等为碳源 生产谷氨酸由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式如下 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 8 C2H12O6 NH3 1 2O2 C5H9NO4 CO2 3H2O 上面反应式表示 一克分子葡萄糖产生一克分子谷氨酸 两者之间存在着 定量关系 其原理转化率等于 89 7 因此从理论上讲 糖浓度越大 谷氨酸 产量越高 但实际上糖的浓度越过一定限度时 反而不利于细菌细胞的增值和 谷氨酸的合成 反之 培养基葡萄糖浓度过低 虽能提高糖酸转化率 但谷氨 酸总量上不去 所以 在配制培养基时 应综合考虑以上问题 选择适当的浓 度 氮源 谷氨酸产生菌细胞中的蛋白 核酸 磷脂 某些辅酶及其他主要 产物 谷氨酸 等均为含氮化合物 为了合成这些化合物 在培养基中必须添 加氮源物质 谷氨酸发酵所采用的氮源数量要比一般发酵大很多 通常工业发 酵所用培养基碳和氮的比值 C N 为 100 0 5 2 而谷氨酸发酵所要求 的 C N 为 100 20 30 实际生产中 一般用尿素或氨水作为氮源 无机盐 它们是构成细胞和调节菌体生命活动的营养物质 如镁 磷 钾 锰 铁等 是代谢中辅酶或辅基的组分 是培养基不可缺少的 在谷氨酸发酵中 常应用K Mg2 Fe3 Mn2 等阳离子和PO43 SO42 Cl 等阳离子作为无 机盐 他们通常用量是 磷酸氢二钾 或磷酸氢二钾 0 05 0 2 硫酸镁 0 005 0 1 硫酸亚铁 0 0005 0 01 硫酸锰 0 0005 0 005 生长因子 凡是微生物生长不可缺少 而其自身又不能合成的微量有 机物质都称为生长因子 生物素是当前谷氨酸身长菌的重要生长因子 其含量 多少 对促进谷氨酸菌的生长 繁殖和积累谷氨酸有着密切的关系 除生物外 谷氨酸产生菌还需要维生素B1 硫胺素 等 一般生产原料中 如玉米浆 麸 皮水解液 都含B族维生素 因此谷氨酸发酵常以这些物质提供生长因子 发酵培养基营养成分的配比 常因菌种 设备和工艺不同而异 此外 与原料来源和质量不同有关 3 3 2 培养基灭菌 谷氨酸发酵培养基一般采用淀粉水解糖为主要碳源 实罐灭菌条件是 105 110 保温 6min 连续灭菌所采用的灭菌条件是 连消塔灭菌温度为 110 115 维持罐温 105 110 约 6 10min 培养基灭菌后冷却至 30 左右 即可接入 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 9 种子进行发酵 3 3 3 发酵控制 主要指发酵条件的管理 包括温度 通气 PH 值与泡沫的控制 要获得谷 氨酸发酵的产品率 除了选用优良菌种外 在发酵条件控制和严格无菌操作方 面是极其重要的 温度对发酵的影响 在发酵中 谷氨酸产生菌的生长繁殖与谷氨酸合成都 是在酶的催化下进行的 不同酶促反应所需的温度各异 谷氨酸发酵分前期和后 期两个阶段 前期 0 12h 主要是合成细胞物质 菌体大量增殖阶段 而控制 这些合成反应的最适温度为 30 32 在发酵中后期 是谷氨酸大量积累阶段 而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度为 32 36 故在发酵中后期应适 当提高罐温 以利谷氨酸形成和积累 不同菌种对温度的敏感性也不一样 故应 视菌种进行温度控制 PH 值对发酵的影响 在发酵中 发酵液 PH 值的变化是微生物代谢过程的 综合标志 主要是通过培养基配比及发酵条件的控制 使其适宜于生产菌的 PH 值 发酵前期 应创造有利于谷氨酸产生菌生长的最适 pH 偏碱性 通常控制 pH 在 7 5 8 0 左右 发酵中后期 应满足催化谷氨酸合成的酶对 pH 的要求 中 性或弱碱性 故将其发酵 pH 控制在 7 0 7 5 通风量与搅拌对发酵的影响 谷氨酸产生菌 谷氨酸棒杆菌 属兼性好 气菌 在供氧充足与不足的条件下都可生成 但其代谢产物不同 通风量小 供氧不足时 进行不完全氧化 葡萄糖进入菌体后经糖酵解途径产生丙酮酸 丙酮酸则还原成乳酸 如果通气量过大 葡萄糖在菌体内被氧化成丙酮酸 继 而进一步氧化成乙酶辅酶 A 进入三羧酸循环 生成 酮戊二酸 但由于供氢 体 NADPH2 在氧气充足的条件下经呼吸链被氧化成水 而没有氢的供给 谷 氨酸合成受阻 酮戊二酸大量积累 只有在供氧适当时还原性辅酶 大部分 不经呼吸链被氧化成水 在充足的NH 条件下 才有利于谷氨酸脱氢酶的催化 还原氨基化反应 大量形成并积累谷氨酸 通风的实质除了供氧外 还使菌体培养基密切结合 保证代谢产物均匀扩 散 以及维持罐内正压的作用 搅拌可以提高通风效果 使空气变成小气泡 增加气液接触面积 提高溶 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 10 解氧量 因为微生物呼吸时只能利用溶解于培养集中的氧气 而空气进入发酵 罐后 其氧分子并不是全部被发酵液吸收 所以在讨论通气量时 必须考虑氧 的溶解系数 以Kd表示 Kd表示摩尔分子氧 毫升 分钟 大气压 在 通气搅拌条件相同时 Kd值大即表示设备通气效果好 反之则差 在谷氨酸发酵过程中 通风量的控制应掌握前期比后期小的原则 一般发 酵前期以低通风量为宜中后期以高通风量为宜 实际生产上 用气体转子流量 计来检查通气量即每分钟单位体积的通气量表示通气强度 发酵时搅拌速度与 通气量常因发酵罐大小不同而异 泡沫的控制 在谷氨酸发酵中 由于强烈的通风与菌体代谢所产生的 二氧化碳 使培养液产生大量的泡沫 泡沫的存在往往给发酵造成危害和损失 在泡沫过多时 会使培养液溶解氧减少 气体交换受阻 影响菌的呼吸和代谢 同时 泡沫过多不仅影响装料系数 降低发酵设备使用率 而且还能使发酵液 外溢 增加污染机会 通常 当泡沫多时 必须及时消除泡沫 才能保证发酵 正常进行 消泡的方法有两种 一是机械消泡法 包括采用靶式消泡器或离心式 刮板式 蝶形等消泡器 另一种是化学消泡法 即采用化学消泡机进行消泡 一般发酵中采用天然油脂 聚酯类 醇类 硅酮等消泡剂 不同谷氨酸产生菌对糖浓度的要求不同 其发酵时间也有所差异 一 般低糖 10 12 发酵 其发酵时间在 36 38h 中糖 14 发酵为 45h 3 4 谷氨酸的提取 发酵结束后 发酵液中积累了大量的谷氨酸 将谷氨酸从发酵液中分离出来 的过程 称为谷氨酸的提取 谷氨酸提取方法有五种 等电点法 离子交换法 锌盐法 渗透膜法和溶剂抽提法 目前我国大多数采用等电点法提取谷氨酸 3 4 1 原理 谷氨酸子等电点 pH 时 发酵中正负离子 电荷 相等 总静电荷等于零 形成偶极离子 此时谷氨酸溶解度最小 被析出呈结晶状态 谷氨酸的等电点 时 pH 为 3 0 3 2 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 11 3 4 2 工艺流程 等电点法提取谷氨酸的工艺流程如下 盐酸 发酵液 调酸 停酸育晶 等电搅拌 静置沉降 离心分离 谷氨酸 pH4 5 4 0 2h pH3 0 3 2 1 调节等电点 将发酵结束的醪液引入等电点桶或等电点池 待液温降至 30 加盐酸调 pH 约 2h 左右将发酵液 pH 调至 4 0 4 5 左右时 观察晶核有否形成 如已形 成晶核 应停止加酸 育晶 1 2h 使晶核增大 然后缓慢地将 pH 调节至 3 0 3 2 为止 此时继续搅拌 20h 2 谷氨酸分离 停止搅拌后 静置分离 4h 关闭冷却水 放出上清液 除去谷氨酸沉淀表 层菌体及细麸酸 放入另一缸中回收利用 底部谷氨酸结晶取出送离心机分 离 所得湿谷氨酸供精制用 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 12 第四章 工艺计算 4 1 生产要求 年产 100kt 的谷氨酸生产 4 2 总物料平衡的计算 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 WDF 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 4 2 1 生产能力 商品味精年产量 100kt a 则纯谷氨酸钠年产量为 99000t a 商品味精日产量 100000 330 300t d 纯谷氨酸钠日产量 297t d 4 2 2 计算指标 以淀粉质为原料 表 4 1 计算指标见表 淀粉糖化转化率98 发酵产酸率 浓度 11 5 发酵对糖转化率59 5 培养菌种耗糖为发酵耗糖1 5 谷氨酸提取收率96 2 精制收率94 9 玉米中淀粉含量86 2 发酵周期 含辅助时间 40h 全年工作日330d 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 13 4 2 3 物料衡算 以单位 1t 的玉米计算 1000 玉米产谷氨酸钠量 1000 1 11 5 98 59 5 100 1 5 96 2 94 9 1 272 86 2 550 86 11 1 发酵产酸率 98 淀粉糖化转化率 59 5 发酵对糖的转化率 1 5 培养菌种耗糖为发酵耗糖的百分数 96 2 谷氨酸提取收率 94 9 精制收率 86 2 玉米中淀粉含量 1 272 272 1 147 187 纯谷氨酸相对分子质量 纯味精相对分子质量 淀粉单耗 1t 谷氨酸钠实耗玉米量 t t 8153 1 86 550 1000 总收率 7 57 100 7 81 9 94 2 96 5 11 5 59 98 81 7 谷氨酸对糖的理论转化率 原料及中间品计算 1t 谷氨酸钠实耗商品淀粉量 tt 8153 1 86 550 1000 所以生产 100kt 谷氨酸钠实耗商品淀粉量 100kt 1 8153t t 181 53kt 淀粉浆量 1815 3 1 2 5 6353 5kg 淀粉加水比例为 1 2 5 纯糖量 kg18 1702 9811 1 2 861815 3 糖化液量 kg5674 30 18 1702 将纯糖转为 30 或 34g dL 糖液 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 14 发酵液量 kg 6 997 5 1 100 5 5918 1702 折算为含谷氨酸 11g dl 的发酵液量 L9069 11 6 997 kg 1 07 为发酵液相对密度 970407 19069 产味精量 产谷氨酸 997 6 96 2 959 69kg 折算为 99 味精 kg94 969 99 69 959 4 2 4 总物料衡算结果 表 4 2 总物料衡算结果汇总表 原料规格 玉米淀粉原料 生产 1t 谷氨酸钠 日产 耗量 100kt 玉米淀粉 t86 1 8153550 1 糖液 t30 5 6741719 38 谷氨酸 t100 0 998290 6 味精 t100 1 0297 4 3 糖化工段物料衡算 图 2 1 制糖工序物料衡算图 4 3 1 淀粉浆量及加水量 淀粉加水比例为 1 2 5 1000kg 工业淀粉产淀粉浆 kg 35005 211000 配料水 商品淀粉 液化酶 CaCl2 糖化酶 蒸汽冷凝水及洗水量 30 糖液 滤渣 糖化工段 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 15 加水量 2500kg 4 3 2 液化酶量 使用耐高温 淀粉酶 20 000U ml 加酶量 10U g 干淀粉 1000kg 干淀粉加酶量 L5 0ml500 20000 1010001000 0 5L 液化酶质量约为 0 6kg 4 3 3 CaCl2 量 一般加量为干淀粉的 0 15 即 1000kg 干淀粉加 CaCl2 1000 0 15 1 5kg 4 3 4 糖化酶量 一般加糖化酶量为 120U g 干淀粉 如液体糖化酶为 100 000U ml 则每 1000kg 干 淀粉加糖化酶量 1000 1000 1201200mL1 2L 100000 1 2L 糖化酶质量约为 1 5kg 4 3 5 糖液产量 3125 6kg 30 9811 1 2 861000 4 3 6 过滤糖渣量 湿渣 含水 70 10kg 折干渣量 101 70 3kg 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 16 4 3 7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量 kg6322500 6 05 15 1 10 6 3125 4 3 8 衡算结果汇总 表 4 3 制糖车间工序的物料衡算汇总表 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1000550 130 糖液3125 946 97 配料水2500990 16滤渣101 45 液化酶 0 60 3308 CaCl21 50 826 糖化酶1 50 826 蒸汽冷凝水 及洗水量 632324 92 累计4135 61867 163225945 52 4 4 发酵工段物料平衡计算 发酵配料 连续灭菌和发酵工序的物料衡算 4 4 1 发酵培养基和用糖量 1000kg 商品淀粉 可产 100 糖量 kg937 9811 1 2 861000 其中初始发酵定容用糖占 53 即 937 53 497kg 100 糖 流加补料 用糖占 47 即 937 47 440kg 100 糖 初糖用 30 的糖液配料 即kg1657 30 497 L dLg kg 1462 34 497 初糖配 13g dL 初定 13g dL 糖液相对密度 1 05 L dLg kg V3823 13 497 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 17 则 3823 1 05 4014kg 流加补糖用 60g dL 浓糖浆 相对密度 1 223 则 733 1 223 897kgL dLg 733 60 440 4 4 2 发酵配料 每吨商品淀粉产 100 糖 937kg 发酵配料用各种营养物质比例见下表 表 4 4 发酵配料用各种营养物比例 W V 糖蜜0 4 15 29kg 玉米浆0 25 9 56kg 磷酸二氢钾 磷酸二氢钠0 1 3 82kg 硫酸镁0 06 2 29kg 氯化钾0 03 1 15kg 尿素 0 5 1 9 72 63kg 总计 104 74kg 4 4 3 配料用水 初始配料时培养基含糖量不低于 20 向 30 的糖液中加水量为 1657 30 20 1 829kg 4 4 4 接种量 发酵初定容 3823L 种量为 1 即 38 23L 种子液相对密度 1 02 则 38 23 1 02 38 99kg 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 18 4 4 5 连续灭菌过程进入的蒸汽及补水 4014 1657 105 829 38 99 1384kg 发酵过程中加入 99 液氨量 2 8 W V 则 2 8 3823 107kg 4 4 6 加消泡剂量 加消泡剂量 0 05 W V 则 0 05 3823 1 91kg 4 4 7 发酵生化反应过程所产生的水分 1t 商品淀粉在发酵液中所产生的 100 谷氨酸量 937 59 5 98 546 4kg 生成 1mol 谷氨酸产 3mol 生成 1mol 菌体产 7molOH2OH2 根据发酵反应式 发酵产生的水分为 546 4kg 7 200 147 183 长菌过程产生水分 1g 菌体产酸 11g 应产生水分为 kg58 42 147 187 11 4 546 以上合计产生水 243 28kg 4 4 8 发酵液的质量 1657 897 104 74 829 1462 38 99 243 28 107 1 91 119 6 5460 52kg 30 糖 补浓糖 营养物 配料水 灭菌水 种子 反应生成水 液氨 消泡剂 空消蒸汽 发酵液 式中 119 6 控消时耗用的蒸汽量 发酵液相对密度 1 07 5459 69 1 07 5103 28L 4 4 9 发酵过程从排风带走的水分 发酵过程蒸发量 1 2 W V 1 2 5102 51 60 16kg 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 19 4 4 10 发酵过程化验取样 放罐残留及其他损失 约 13kg 4 4 11 发酵终止时的质量 1t 商品淀粉 发酵终止时 1657 897 104 74 829 1462 38 99 243 28 107 1 91 119 6 60 16 13 5387 36kg 30 糖 补浓糖 营养物 配料水 灭菌水 种子 反应 生成水 液氨 消泡剂 空消蒸汽 尾气带水 损失 终 止数量 式中 119 6 控消时耗用的蒸汽量 4 4 12 衡算结果汇总 年产 100kt 谷氨酸钠 以商品淀粉 1000kg 为单位计算 配料 连续灭菌和发酵 工序的物料衡算汇总见表 进入系统离开系统 项目 1t 工业淀粉之 匹配物料 kg 每天进入系统 的物料 t d 项目 1t 工业淀粉之匹 配物料 kg 每天离开系统的 物料 t d 30 糖液1657502 12发酵液5387 361632 53 60g L 浓糖浆897271 82尾气带水60 1618 23 玉米浆9 562 62损失133 94 糖蜜15 294 64 无机盐等79 8924 21 配料水829251 21 灭菌进入蒸汽 及补水 1462443 03 种液38 9911 82 反应水243 2873 71 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 20 表 4 5 配料 连续灭菌和发酵工序物料衡算汇总表 4 5 中和等电工段物料衡算 图 2 3 中和等电工序物料衡算图 4 5 1 发酵液数量 5460 52kg 5103 28L 4 5 2 高流量 为发酵液的 43 5 即 23745kg 4 5 3 硫酸用量 92 5 硫酸用量为纯谷氨酸量的 90 即 550 86 90 495 7kg 4 5 4 等电液数量 5460 52 2375 7835 52kg 4 5 5 谷氨酸产量 1 分离前 Glu 量 100 Glu 量 kg 5 562 5 11 5 5969 959 液氨10732 42 消泡剂1 910 58 空消蒸汽119 636 24 累计5460 521501 65460 521501 6 发酵液 高流 水 90 Glu 母液 中和等电工段 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 21 2 分离后 Glu 量 100 Glu 量 kg 1 541 2 965 562 90 Glu 量 kg 2 601 90 1 541 4 5 6 加水量 479kg 4 5 7 洗水量 为 90 Glu 量的 14 5 即 kg17 87 5 142 601 4 5 8 母液 上清液 数量 kg49 780017 872 60147952 7835 4 5 9 物料衡算汇总 表 4 6 谷氨酸等电工段物料衡算汇总表 进入系统离开系统 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天进入系 统的物料 t d 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天离开系 统的物料 t d 发酵液5460 521654 790 Glu601 2182 18 高流2375719 7母液7835 522374 4 水479145 15 累计8314 522519 558436 722556 58 4 6 离交工段物料衡算 99 液氨洗脱液用 水 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 22 图 2 4 离交工序物料衡算图 4 6 1 母液调 pH 用硫酸量 1t 商品淀粉相应用 92 5 硫酸 495 7kg 其中调 pH 用酸占 66 即 kg16 327 66 7 495 4 6 2 母液数量 7835 52kg 4 6 3 调高流用硫酸量 为总用酸量的 34 即 kg5 168 34 7 495 4 6 4 洗脱液用 99 液氨数量 为纯 Glu 的 12 即 kg92 64 12 1 541 4 6 5 高流量 2375kg 4 6 6 排出废液量 废液中含 Glu0 29g dL 相对密度 1 02 kg75262 0173797379 29 0 1 541 5 562 即L 4 6 7 配洗脱液用水量 kg9 130452 7835 92 64 5 16816 327 23757326 母液 92 5 硫酸 高流 废液 离交工段 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 23 4 6 8 物料衡算汇总 表 2 7 离交工序物料衡算汇总表 进入系统离开系统 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天进入系 统的物料 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天离开系 统的物料 t d 母液7835 522374 4高流2375652 97 92 5 硫酸495 7150 21废液75262280 6 99 液氨64 9219 67 洗脱液用水1304 9395 42 累计9701 042939 7199012723 4 7 中和脱色工段物料衡算 图 2 5 中和脱色工序物料衡算图 4 7 1 谷氨酸数量 100 Glu 量 550 86kg 90 Glu 量 601 2kg 4 7 2 离子膜碱用量 理论上 1mol 谷氨酸需 1molNaOH 即 40 147 0 272 1kg 谷氨酸需 100 NaOH 0 272kg 550 85kg100 Glu 需用 30 液体离子膜碱量 kg 4 499 30 272 086 550 30 NaOH 相对密度 1 328 499 4 1 328 376 05L 活性炭 废碳渣 90 Glu 离子膜碱 中和脱色液 水 中和脱色工段 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 24 4 7 3 粉末活性炭用量 加活性炭量按纯谷氨酸量的 2 5 100 Glu 需用活性炭量 77 13 5 286 550 4 7 4 中和脱色液数量 要求浓度达到 20 B 40g dL L 7 1751 40 272 186 550 kg203216 1 7 1751 式中 1 16 含 40 MSG 溶液的相对密度 20 B 4 7 5 废碳渣数量 含水 75 则kg08 55 751 77 13 4 7 6 用水量 kg71 96308 5577 13 4 499 2 6012023 4 7 7 物料衡算汇总 表 2 8 中和脱色工序物料衡算汇总表 进入系统离开系统 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天进入系 统的物料 t d 项目 1t 商品淀粉 及相应物料 kg 每天离开系 统的物料 t d 90 Glu601 2182 18中和脱色液2032613 02 离子膜碱499 4151 33废碳渣55 0816 7 活性炭13 774 17 水963 71292 03 累计2078629 702087632 42 内蒙古工业