毕业论文-年产12万吨谷氨酸钠车间发酵工段工艺设计.doc

内蒙古工业大学本科毕业设计说明书学校代码： 10128学 号： 201020513011 本科毕业设计说明书（题 目：120kt/a谷氨酸钠车间发酵工段工艺设计学生姓名： 学 院：化工学院系 别：食品与生物工程系专 业：生物工程班 级：10-2班指导教师：二 零 一 四 年 六 月摘 要本设计为12万吨谷氨酸钠车间发酵工段工艺设计，根据谷氨酸钠的物理化学以及各种特性对其分析，选择合适的工艺流程，进行物料衡算，热量衡算，设备选型，在设计中物料衡算是一个很重要的环节，它是根据质量守恒定律进入任何过程的物料质量，必须等于从该过程离开的物料质量与积存于该过程中的物料质量之和，根据物料衡算计算出整个生产过程中需要的物料量和排出的物质的质量，设计中的热量衡算是根据热量守恒定律计算出每个工段的热量消耗，本次发酵设计中只计算出发酵工段的耗蒸汽量和冷却用水量，然后根据物料衡算跟热量衡算选取发酵过程中所用发酵罐，种子罐，空气过滤器等各种设备的大小，型号，规格以及数量。根据味精发酵工业生产手册查找数据和各种中英文文献设计完成本次设计。关键词：味精发酵，工艺计算，设备选型AbstractThe design for the 120,000 tons of monosodium glutamate fermentation workshop section process design, based on the physical chemical properties of sodium glutamate, and a variety of its analysis, select the appropriate process, for material balance, heat balance, equipment selection in the design of the material balance can be considered a very important aspect, which is based on the law of conservation of mass access to any process of quality materials, must be equal to the quality of material left from the process and the quality of the accumulation of material in the process and, according to the material balance calculating calculates the amount of material needed in the production process and the quality of the discharged material, design heat balance be calculated in accordance with the law of conservation of heat in each section of the calories consumed, the fermentation designed only to calculate the amount of steam consumption of fermented section and cooling water, and then based on material balance with the heat balance in the fermentation process used to select the size of the fermentation tanks, seed pots, air filters and other equipment, models, specifications and quantity. Find a variety of English literature data and the completion of the design according to the design of monosodium glutamate fermentation of industrial production manual.Key word:Monosodium glutamate fermentation ,Process calculation ,Equipment selection目 录第一章 文献综述11.1 谷氨酸概述11.2 谷氨酸理化性质11.2.1 物理性质11.2.2 化学性质21.3 谷氨酸的生物合成途径21.4 发酵法生产谷氨酸31.4.1 谷氨酸发酵原理31.4.2 谷氨酸发酵工艺41.5 谷氨酸的提取6第二章 物料衡算72.1 生产要求72.2 总物料平衡的计算72.2.1 生产能力72.2.2 计算指标（以淀粉质为原料）82.2.3 物料衡算（以单位1t的玉米计算）82.2.4 总物料衡算结果102.3 糖化工段物料衡算102.3.1 淀粉浆量及加水量102.3.2 液化酶量112.3.3 CaCl2量112.3.4 糖化酶量112.3.5 糖液产量112.3.6 过滤糖渣量112.3.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量122.3.8 衡算结果汇总122.4 发酵工段物料平衡计算122.4.1 发酵培养基和用糖量122.4.2 发酵配料132.4.3 配料用水142.4.4 接种量142.4.5 连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量142.4.6 加消泡剂量142.4.7 发酵生化反应过程所产生的水分142.4.8 发酵液的质量152.4.9 发酵过程从排风带走的水分152.4.10 发酵过程化验取样、放罐残留及其他损失162.4.11 发酵终止时的质量162.4.12 衡算结果汇总162.5 中和等电工段物料衡算172.5.1 发酵液数量182.5.2 高流量182.5.3 硫酸用量182.5.4 等电液数量182.5.5 谷氨酸产量182.5.6 加水量182.5.7 洗水量182.5.8 母液（上清液）数量192.5.9 物料衡算汇总192.6 离交工段物料衡算192.6.1 母液调pH用硫酸量202.6.2 母液数量202.6.3 调高流用硫酸量202.6.4 洗脱液用99%液氨数量202.6.5 高流量202.6.6 排出废液量202.6.7 配洗脱液用水量202.6.8 物料衡算汇总212.7 中和脱色工段物料衡算212.7.1 谷氨酸数量212.7.2 离子膜碱用量212.7.3 粉末活性炭用量222.7.4 中和脱色液数量222.7.5 废碳渣数量222.7.6 用水量222.7.7 物料衡算汇总232.8 精制（结晶）工段物料衡算232.8.1 中和脱色液数量232.8.2 产MSG量232.8.3 产母液量232.8.4 蒸发结晶过程加水242.8.5 MSG分离调水洗水量242.8.6 结晶过程蒸发水分242.8.7 物料衡算汇总24第三章 热量衡算253.1 连续灭菌、发酵工段热量衡算253.1.1 培养液连续灭菌用蒸汽量253.1.2 培养液冷却用水量263.1.3 发酵罐空罐灭菌蒸汽用量263.1.4 发酵过程产生的热量及冷却用水量28第四章 设备选型294.1 发酵罐294.2 种子罐394.3 空气分过滤器45 4.4 味精厂发酵车间设备一览表47参考文献48致 谢49第一章 文献综述第一章 文献综述1.1 谷氨酸概述谷氨酸一种酸性氨基酸。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。其结构式如图1-1所示1。图 1-1 谷氨酸钠结构式L-谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，谷氨酸盐在自然界普遍存在的。它即是蛋白质或肽的结构氨基酸之一，又是游离氨基酸，L型氨基酸美味较浓。L-谷氨酸又名“麸酸”或写作“夫酸”，发酵制造L-谷氨酸是以糖质为原料经微生物发酵，采用“等电点提取”加上“离子交换树脂”分离的方法而制得。1.2 谷氨酸理化性质1.2.1 物理性质 谷氨酸的立体异构体 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。 在动植物和微生物等生物机体中天然存在的，都是L型谷氨酸，L-谷氨酸是味精的前体。1.2.2 化学性质 谷氨酸可以与酸发生反应 谷氨酸可以与碱发生反应谷氨酸与氢氧化钠反应生成谷氨酸单钠和水谷氨酸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 甲醛反应 氨基酸与甲醛发生反应后，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。1.4 发酵法生产谷氨酸谷氨酸的发酵生产全过程可划分为三个工艺阶段:(1)原料的预处理及糖化;(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵;(3)谷氨酸的提取与这三个工艺阶段相对应的生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间等作为主要生产车间。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。1.4.1 谷氨酸发酵原理谷氨酸的生物合成包括酵解途径（EMP）、磷酸乙糖途径（HMP途径）、三羧酸（TCA途径）、乙醛羧酸循环、伍德沃克曼反应（CO2的固定反应等）。谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化能力微弱，尤其在生物素缺乏条件下，三羧酸循环到达-酮戊二酸时，即受到阻挡。有氨离子存在时，-酮戊二酸因谷氨酸脱氢酶的催化作用，经还原氨基化反应会生成谷氨酸。谷氨酸的生物合成中必须有谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的共轭反应。在氨离子存在时，两者非常密切的偶连起来，形成强的氧化还原共轭系，不与NADPH2的末端的氧化系相连接，是-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸。谷氨酸生产菌需要氧化型NADP，以供异柠檬酸氧化作用。生成的还原型NADPH2又因为-酮戊二酸的还原氨基化而在生为NADP。由于谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶比其他微生物强大得多，所以由三羧酸循环所得的柠檬酸的氧化中间产物，不再继续往下氧化，而以谷氨酸的形式积累起来。1.4.2 谷氨酸发酵工艺1.4.2.1 发酵培养基谷氨酸发酵的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:C2H12O6+NH3+1/2O2C5H9NO4+CO2+3H2O 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。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。不同离子所需的含量也不同。 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。除生物素外，谷氨酸产生菌还需要维生素B1(硫胺素)等。 发酵培养基营养成分的配比常因菌种、设备和工艺不同而不同，此外与原料来源和质量以及厂家不同有关。1.4.2.2 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，即可接入种子进行发酵。1.4.2.3 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非常重要的。 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不同。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。 发酵液PH值的变化是微生物代谢过程的标志。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，故将其发酵pH控制在7.0-7.5 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。如果通气量大，葡萄糖在菌体内被氧化成丙酮酸。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。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，提高溶解氧量。因为微生物呼吸只能利用溶解于培养基中的氧气，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，,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。（4） 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，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。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。（5） 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.1.5 谷氨酸的提取发酵完成后，发酵液中会积累大量的谷氨酸，将谷氨酸从发酵液中分离出来的过程，称为谷氨酸的提取。谷氨酸的提取方法有五种：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。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中，待醪液温降至30后加盐酸调pH，大约2h左右将发酵液pH调至4.0-4.5时，观察晶核是否形成，若已经形成晶核，就应停止加酸，育晶1-2h，使晶核增大，然后慢慢地将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使用。47第二章 物料衡算第二章 物料衡算2.1 生产要求120kt/a谷氨酸钠车间发酵工段物料衡算2.2 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：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，2.2.1 生产能力已知：年工作日d=330，年产商品味精（99%）12万吨，所以日产商品味精（100%）商品味精年产量：120kt/a，则纯谷氨酸钠年产量为：1200000.99=118800 t/a商品味精日产量：120000/330=363.6 t/d纯谷氨酸钠日产量：12000099%330=360.0 t/d考虑到生产过程中存在物料损失等客观因素，故取日产味精（100%）360.0t/d。2.2.2 计算指标（以淀粉质为原料）表2-1 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330d2.2.3 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%1.27286.2%= 641.05 式中 11.5%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 淀粉单耗1t谷氨酸钠实耗玉米量：1000/641.05=1.56 t/t 总收率：式中 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：1000/641.05=1.56 t/t商品淀粉日用量：3601.56=561.6 t/d 淀粉浆量：1560（1+1.8）=4368 kg式中 1.8淀粉加水比例为1：1.8 纯糖量：156086.2%1.1198%=1462.79 kg 糖化液量：1462.79/30%=4875.94 kg将纯糖转为30%或34g/dL糖液 发酵液量发酵液中纯谷氨酸量：1462.7959.5%(100%-1.5%)=857.3 kg折算为含谷氨酸11g/dl的发酵液量：857.3/11=7794L7794/1.07=7284.11kg式中 1.07发酵液相对密度 产味精量产谷氨酸:857.396.2%=824.72kg折算为99%味精：824.72/99%=833.05kg2.2.4 总物料衡算结果表2-2 总物料衡算结果汇总表原料规格玉米淀粉原料生产1t谷氨酸钠玉米淀粉/t86%1.56糖液/t30%4.88谷氨酸/t100%0.857味精/t100%1.02.3 糖化工段物料衡算商品淀粉配料水30%糖液糖化工段液化酶CaCl2糖化酶滤渣蒸汽冷凝水及洗水量图 2-1 制糖工序物料衡算图2.3.1 淀粉浆量及加水量在工业生产中，淀粉加水比例为1:1.8 1000kg工业淀粉产淀粉浆：M=1000（1+1.8）=2800 kg 1000kg工业淀粉加水量：M=10001.8=1800 kg 粉浆干物质的浓度：2.3.2 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液化酶质量约为0.6kg。2.3.3 CaCl2量一般加量为干淀粉的0.15%，即1000kg干淀粉加CaCl2：10000.15%=1.5 kg2.3.4 糖化酶量一般加糖化酶量为120U/g干淀粉，如液体糖化酶为100000U/ml，则每1000kg干淀粉加糖化酶量:1.2L糖化酶质量约为1.5kg。2.3.5 糖液产量30%的糖液相对密度为1.1321，相当于：1.132130%=34g/dL则体积：V=3115.611.1321=2752 L2.3.6 过滤糖渣量湿渣（含水70%）10kg，折干渣量:10（1-70）=3 kg2.3.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量3125.6+10-3.6-1800=1332 kg2.3.8 衡算结果汇总表2-3 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1000561.630%糖液31251755配料水18001010.88滤渣105.616液化酶0.60.337CaCl21.50.842糖化酶1.50.842蒸汽冷凝水及洗水量1332748.05累计4135.62322.5531351760.622.4 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2.4.1 发酵培养基和用糖量 1000kg商品淀粉，可产100%糖量：其中初始发酵定容用糖占53%，即93753%=497kg 100%糖流加补料用糖占47%，即：93747%=440kg 100%糖初糖用30%的糖液配料：即：初唐配13g/dL，初定：13g/dL糖液相对密度1.05，则：38231.05=4014 kg流加补糖用60g/dL浓糖浆（相对密度1.223），则：7331.223=897kg2.4.2 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2-4发酵配料所用物质的比例名称质量（t）质量（kg）玉米浆（CSL）0.0028t2.8kg糖蜜0.0035t3.5kgMgSO47H2O0.0024t2.4kgKCL0.0055t5.5kgNa2HPO412H2O0.0071t7.1kg其他（生物素等）0.0007t0.7kg总计0.022t22kg2.4.3 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)=829 kg2.4.4 接种量发酵初定容3823L，种量为10%，即382.3L。种子液相对密度1.02，则：382.31.02=389.9 kg2.4.5 连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量4041-1657-22-829-389.9=1143.1 kg 1t商品淀粉可产100%谷氨酸的质量M=93759.5%98%96.2%=525.6 kg 发酵过程消耗的液氨量M=525.60.30=157.68 kg式中 0.30工业生产中发酵耗氨量占谷氨酸量的百分比V=157.680.5874=268.44 L式中 0.587499%液氨在35的相对密度2.4.6 加消泡剂量加消泡剂量0.5%（W/V），则：0.5%525.6=2.628 kg2.4.7 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：93759.5%98%=546.4 kg生成1mol谷氨酸产3molH2O；生成1mol菌体产7molH2O。根据发酵反应式，发酵产生的水分为：546.4式中 18水的相对分子质量 147谷氨酸的相对分子质量长菌过程产生水分，1g菌体产酸11g，应产生水分为：以上合计产生水：200.7+42.58=243.28 kg2.4.8 发酵液的质量参考味精工业手册根据设计可确定发酵液的数量大约为50002.4.9 发酵过程从排风带走的水分 出进空气的湿含量差：式中 1.5进罐空气的压力为1.5大气压 27排风为32，相对湿度100%时，水蒸气分压为27mmHg 100%排风为32时，相对湿度为100% 18进风为25，相对湿度70%时，水蒸气分压为18mmHg 70%进风为25时，相对湿度为70% 带走的水分量：M=50000.360321.1570.0010.011=37kg式中 5000发酵液的数量为5000 0.3通风比为1:0.3 6060min 32发酵时间 1.15732时的干空气密度，kg/m32.4.10 发酵过程化验取样、放罐残留及其他损失参考味精工业手册，估算确定出发酵过程的损失量为13kg。2.4.11 发酵终止时的质量1t商品淀粉，发酵终止时：1657+897+22+829+1143.1+389.9+243.28+157.68+2.628+119.6-37-13=5411.19 kg（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V=5411.191.07=5057.19 L式中 1.07发酵液相对密度2.4.12 衡算结果汇总 年产100kt谷氨酸钠，以商品淀粉（86%）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2-5。表2-5 发酵工段物料衡算汇总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1657930.57发酵液5411.193038.9260g/L浓糖浆897503.76尾气带水3720.78玉米浆2.81.57损失137.3糖蜜3.51.97无机盐等15.75.68配料水829465.57灭菌进入蒸汽及补水1143.1641.96种液389.9218.97反应水243.28136.63液氨157.6888.55消泡剂2.6281.48空消蒸汽119.667.17累计54611930672.5 中和等电工段物料衡算母液中和等电工段水高流90%Glu发酵液图 2-2 中和等电工序物料衡算图2.5.1 发酵液数量由前面的计算结果可知发酵液数量为5411.19kg；5057.19L2.5.2 高流量为发酵液的45%，即：5411.19 45%=2435.04 kg2.5.3 硫酸用量92.5%硫酸用量为纯谷氨酸量的90%，即：546.490%=491.76 kg2.5.4 等电液数量5411.19+2435.04=7846.23 kg2.5.5 谷氨酸产量（1）分离前Glu量100%Glu量：5057.1911.5%=581.58 kg（2）分离后Glu量100%Glu量：581.5896.2%=559.48 kg90%Glu量：559.48/90%=621.64 kg2.5.6 加水量查手册可知：479kg。2.5.7 洗水量为90%Glu量的14.5%，即：621.6414.5%=90.14 kg2.5.8 母液（上清液）数量7846.23+479-621.64+90.14= 7793.73 kg2.5.9 物料衡算汇总表2-6 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5411.193038.9290%Glu621.64349.11高流2435.041367.52母液7793.734376.96水479269累计8325.234675.458325.234675.452.6 离交工段物料衡算母液92.5%硫酸99%液氨洗脱液用水高流废液离交工段图 2-3 离交工序物料衡算图2.6.1 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：491.7666%=324.56 kg2.6.2 母液数量由前面计算结果可知母液量为7793.73kg。2.6.3 调高流用硫酸量为总用酸量的34%，即：491.7634%=167.2 kg2.6.4 洗脱液用99%液氨数量为纯Glu的12%，即：559.4812%=67.14 kg2.6.5 高流量2435.04kg。2.6.6 排出废液量废液中含Glu0.29g/dL，相对密度1.02（581.58-559.48）/0.29%=7620.69 kg7620.691.02=7773.1 kg2.6.7 配洗脱液用水量7773.1+2435.04-（324.56+167.2+67.14）-7793.73=1855.51 kg2.6.8 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7793.734376.96高流2435.041367.5192.5%硫酸491.76276.17废液7773.14365.3799%液氨67.1437.71洗脱液用水1855.511042.05累计10208.145732.8910208.145732.892.7 中和脱色工段物料衡算活性炭水中和脱色工段中和脱色液90%Glu废碳渣离子膜碱图 2-4 中和脱色工序物料衡算图2.7.1 谷氨酸数量100%Glu量：559.48kg，90%Glu量：621.64kg。2.7.2 离子膜碱用量理论上1mol谷氨酸需1molNaOH，即40/147=0.272，1kg谷氨酸100%NaOH0.272kg。559.48kg100%Glu需用30%液体离子膜碱量：559.480.272/30%=507.26 kg。30% NaOH相对密度1.328507.26/1.328 =381.97 L。2.7.3 粉末活性炭用量加活性炭量按纯谷氨酸量的2.5%，559.48kg100%Glu需用活性炭量：559.482.5%=13.99 kg2.7.4 中和脱色液数量要求浓度达到20B，40g/dL。(559.481.272)/40%=1779.15 L1779.151.16=2063.81 kg式中1.16含40%MSG溶液的相对密度2.7.5 废碳渣数量含水75%，则：13.99/(1-75%)=55.96 kg2.7.6 用水量2063.81-621.64-507.26-13.99+55.96=976.88 kg2.7.7 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%Glu621.64349.11中和脱色液2063.811159.04离子膜碱507.26284.88废碳渣55.9631.43活性炭13.997.86水976.88548.62累计2119.771190.462119.771190.472.8 精制（结晶）工段物料衡算40g/dL中和脱色液结晶过程加水分离调水洗水100%MSG母液蒸发水分精制(结晶)工段图 2-5 精制（结晶）工序物料衡算2.8.1 中和脱色液数量1779.15L，2063.81kg，20B，含MSG40g/dL。2.8.2 产MSG量精制收率94.9%，产100%MSG量：559.481.27294.9%=675.36 kg2.8.3 产母液量母液平均含MSG25g/dL，则：559.481.272(1-94.9%)/25=145.18 L145.181.1=159.7 kg式中 1.1母液相对密度2.8.4 蒸发结晶过程加水约为脱色液的10%，即：2063.8110%=206.38 kg2.8.5 MSG分离调水洗水量约为MSG产量的5%，即675.365% = 33.77 kg2.8.6 结晶过程蒸发水分2063.81-675.36+145.18+206.38+33.77=1773.78 kg2.8.7 物料衡算汇总表2-9 精制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）40g/dL中和脱色液2063.81313.88100%MSG675.36379.28结晶过程加水206.38115.9母液145.1881.53分离调水洗水33.7718.97蒸发水分1773.78996.15累计2303.961293.92303.961293.9第三章 热量衡算第三章 热量衡算3.1 连续灭菌、发酵工段热量衡算热量衡算（heat balance），物料经物理或化学变化时，如其动能、位能或对外界所作之功，对于总能量的变化影响甚小甚至可以忽略时，则能量守恒定律可以简化为热量衡算。它是建立过程数学模型的一个重要手段，是化工计算的重要组成部分。3.1.1 培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐公称容积500m3，装料系数0.85，每罐产MSG量：5000.850.1150.9620.9491.272=56.76t年产味精12万吨，日产味精（100%）360t，发酵生产周期40h（发酵32小时，辅助8小时），需发酵罐台数：（360/56.76）（40/24）=8.6台，取9台每日投（放）罐次数：924/40=5.4罐次日运转：932/40=7.2台每罐发酵初始体积：50055%=275糖浓度13g/dL，灭菌前含糖量20g/dL，其数量：30013/20=195密度1.05t/m3：1951.05=204.75灭菌加热过程中用0.4MPa蒸汽（表压），h1=2748.5kJ/kg，使用螺旋板式换热器将物料由20预热至70，再加热至120；冷却水由20升至45。每罐灭菌时间2h，物料流量：3001.05/2=157.5 t/h灭菌用蒸汽量：157.510003.7(120+273)-(70+273)/2748.15-1204.186=12972.02kg/h=12.97t/h式中 3.7糖液比热容，kJ/（kg）每日蒸汽用量：12.9795.4=630.34 t/d平均蒸汽用量:630.34/24=26.26 t/d3.1.2 培养液冷却用水量120热料通过与冷热料交换，由120降至75，再用水冷却至35；冷却水由30升至45。冷却水用量（W）:157.510003.7(75+273)-(35+273)/(45-35)4.186=371237.46kg/h=371.24 t/h每日用水量:371.2495.4=18042.26 t/d平均用水量：18042.26/24=751.76 t/d；使用发酵冷却循环水。3.1.3 发酵罐空罐灭菌蒸汽用量3.1.3.1 发酵罐体加热用蒸汽量发酵罐公称容积500m3，材质为SS304，发酵罐罐体重118t，比热容0.5kJ/（kg），使用0.4MPa蒸汽（表压）灭菌，发酵罐罐压保持在0.15MPa（表压）下，由20升至127，维持1h。其蒸汽用量为：11810000.5(127+273)-(20+273)/2748.15-535.4=2852.56kg/h=2.85 t/h式中 2748.50.4MPa（表压）蒸汽热焓，kJ/kg 535.40.15MPa，127时蒸汽凝结水热焓，kJ/kg每日蒸汽用量：2.855.4=15.39 t/d平均用蒸汽量：15.39/24=0.64 t/h。3.1.3.2 填充发酵罐空间所需蒸汽量公称容积500m3发酵罐的全容积为550m3，其蒸汽用量为：5501.39=764.5kg/h=0.76 t/h式中 加热蒸汽的密度（kg/m3），1.39kg/m3发酵罐灭菌（0.15MPa，表压）1h。每日用蒸汽量：0.765.4=4.1 t/d平均用蒸汽量：4.1/24=0.171 t/h。3.1.3.3 灭菌过程的热损失辐射与对流联合给热系数，罐外壁温度60。kJ /（m2h）500m3发酵罐的表面积为475m2，消耗蒸汽量：3.1.3.4 罐壁附着洗涤水升温所需蒸汽量式中 0.001附壁水平均厚度3.1.3.5 灭菌过程蒸汽排汽及渗漏量取总耗汽量的10%，空罐灭菌蒸汽消耗量为：(2.85+0.76)1000+356+96/1-10%=4513.3kg/h=4.5 t/h每个空罐灭菌1h，蒸汽消耗量为4.5t/