年产5万吨味精糖化工段设计

1、摘要 味精，学名“谷氨酸钠（C5H8NO4Na）”。谷氨酸是氨基酸的一种，也是蛋白质的最后分解产物。我们每天吃的食盐用水冲淡400 倍，已感觉不出咸味，普通蔗糖用水冲淡200 倍，也感觉不出甜味了，但谷氨酸钠，用于水稀释3000倍，仍能感觉到鲜味，因而得名“味精”。 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。通过对谷氨酸车间的工艺设计，可以加强对自己对所学知识的综合利能力。本设计是以精制淀粉（纯度为85.9%）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，日产味精165吨。对全厂物

2、料进行了衡算，对糖化工段的罐体如糖化罐进行了详细计算，以确定它的参数，便于设备布置图的绘制。关键词：谷氨酸钠；糖化；工艺计算Abstract Monosodium glutamate (MSG) is the sodium salt of the non-essential amino acid glutamic acid，which is the final resolve product from protein. If we dilute the salt with 400 times water, we cant taste salty any more. If we dilute t

3、he sucrose with 200 times water, we cant taste sweetness too. But even if 3000 times water, Monosodium glutamate still taste flavor. Glutamate is produced by microbial fermentation of a representative of the products, production processes involved in seed culture, fermentation, extraction, bleaching

4、, centrifugation and drying unit operations and other important engineering concepts.Through the workshop process design glutamate, can enhance their knowledge of the comprehensive profitability. The design is based on refined starch (85.9% purity) as raw materials forthe design, the use of a jet of

5、 two enzymes for the saccharification process, the actual working days to 300 days calculated at 165 tons of monosodium glutamate production.The whole plant materials for the balance, the chemical section of the tank, such as sugar saccharification tanks carried out a detailed calculation to determi

6、ne its parameters, easy to draw the layout of the device.Key words:glutamate;saccharification;process calculation.目 录引言1第一章 糖化工段工艺11.1 味精简介11.2 设计方案的确定2 糖化方法的选择论证21.2.2 液化工艺条件的论证21.3 糖化工艺流程31.4 糖化工艺技术要点31.4.1 调浆配料31.4.2 喷射液化41.4.3 糖化41.4.4 过滤41.4.5 贮存4第二章 糖化工段物料衡算42.1 生产能力42.2 计算指标42.3 总物料衡算52.3.1 商

7、品淀粉用量52.3.2 糖化液量52.3.3 产谷氨酸量52.3.4 衡算结果汇总62.4 糖化工段物料衡算62.4.1 淀粉浆量及加水量62.4.2 液化酶量62.4.3 CaCl2量62.4.4 糖化酶量62.4.5 糖液产量72.4.6 过滤糖渣量72.4.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量7衡算结果汇总7第三章 糖化工段设备选型73.1 糖化罐7 3.2 调浆罐8 3.3 储浆罐9 3.4 连续液化喷射器10 3.5 维持罐10 3.6 层流罐10 3.7 储糖罐103.8 设备选型汇总11参考文献12课程设计体会12附图(糖化罐设备总装图)引 言味精又称谷氨酸一钠，其基本成分为L-

8、谷氨酸，具有强烈的肉类鲜味。将其添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，故被广泛使用。味精在胃酸作用下生成的谷氨酸，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的组织蛋白。谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷，还能促进中枢神经系统的正常活动，对治疗脑震荡和脑神经损伤有一定功效。我国的味精生产始于1923年，上海天厨味精厂最先用水解法生产。1932年沈阳开始用脱脂豆粉水解生产味精。我国从1958年开始谷氨酸生产筛选及其发酵机理的基础性研究，1964年首先在上海进行工业化试生产。目前国内味精生产已全部用发酵法。所以，今后菌种，工艺技术和生 产规模方面还需加大改革力度，使生产水平再上

9、一个新台阶！ 目前，企业生产味精都是以发酵法生产，但每生产1吨味精要排放2025吨母液，其属于高浓度有机酸性废水，需对母液进行回收，发展高效提取工艺，提高谷氨酸提取率和降低工艺用水，减少废水排放量，实现味精的清洁生产，在发展工业经济的同时走上可持续发展的文明道路，这样，我国的味精工业不但真正收到经济效益和环境效益的共同丰收，而且也会减轻政府对行业的管理负担，形成多种因素和谐统一，走上良性运行可持续发展的健康道路。第1章 生产工艺1.1 味精简介学名：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MS

10、G结构式： HOOC-CH2-CH2-CH-COONa·H2O NH2分子式：NaC5H8O4N·H2O，分子量：187.13味精于1909年被日本味之素（味素）公司所发现并申请专利。纯的味精外观为一种白色晶体状粉末。当味精溶于水（或唾液）时，它会迅速电离为自由的钠离子和谷氨酸盐离子（谷氨酸盐离子是谷氨酸的阴离子，谷氨酸则是一种天然氨基酸）。要注意的是如果在100以上的高温中使用味精，经科学家证明，味精在100时加热半小时，只有0.3的谷氨酸钠生成焦谷氨酸钠，对人体影响甚微。还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。所以要适当使用和存放。味精不仅应用

11、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，居世界第一2。味精曾一度被怀疑是不可安全食用的增鲜调味品3。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。1.2 设计方案的确定1.2.1 糖化方法的选择论

12、证糖化工段主要有酸解法、酶酸法、双酶法这三种方法。酸解法是传统的制糖方法，它是利用无机酸为催化剂，在高温高压条件下，将淀粉转化为葡萄糖。酶酸法是将淀粉乳先用-淀粉酶液化，然后用酸水解成葡萄糖。双酶法是通过淀粉酶液化和糖化酶糖化将淀粉转化为葡萄糖。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

13、备少，糖液质量好而获得广泛的应用5。所以本次设计采用一次喷射双酶法。1.2.2 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,如淀粉酶水解淀粉颗粒和水解糊化淀粉的比例为120

14、000。因此必须先加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，使原来排列整齐的淀粉层结晶结构被破坏，变成错综复杂的网状结构。这种网状会随温度的升高而断裂，加之淀粉酶的水解作用，淀粉链结构很快被水解为糊精和低聚糖分子，这些分子的葡萄糖单位末端具有还原性，便于糖化酶的作用。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液化。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

15、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。

16、（2）液化程度的控制淀粉经液化后，分子量逐渐减少，黏度下降，流动性增强，给糖化酶的作用提供了条件。但是，如果让液化继续下去，虽然最终水解物也是葡萄糖和麦芽糖等，但这样所得糖液葡萄糖DE值低；而且淀粉的液化是在较高温度下进行的，液化时间加长，一部分已经液化的淀粉又会重新结合成硬束状态，使糖化酶难以作用，影响葡萄糖的产率，因此必须控制液化进行程度。淀粉液化的目的是为了给糖化酶的作用创造条件，而糖化酶水解糊精及低聚糖等分子时，需先与底物分子生成络合结构。这就要求被作用的底物分子有一定的大小范围，才有利于糖化酶生成这种结构，底物分子过大或过小都会妨碍酶的结合和水解速度。根据发酵工厂的生产经验，在正常液

17、化条件下，控制淀粉水解程度在葡萄糖值为1020之间为好（即此时保持较多量的糊精及低聚糖，较少量的葡萄糖）。而且，液化温度较低时，液化程度可偏高些，这样经糖化酶糖化后糖化液的DE值较高。淀粉酶液化终点常可以典液显色来控制。1.3 糖化工艺流程图1-1 一次喷射双酶法制糖工艺流程图淀粉乳闪蒸高温维持喷射液化调浆NaCO3过滤过滤过滤过滤升温灭酶调PH（盐酸或石灰水、碳酸钠）、酶酶、调PH糖化降温层流液化 1.4 糖化工艺技术要点1.4.1 调浆配料淀粉乳调成15-20oBe。研究发现，在淀粉液化过程的配料阶段，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

18、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，而这就需要采用低pH 特性的淀粉酶。用Na2CO3水溶液调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）。CaCl2用量为干淀粉的0.15%，如果水中Ca2+超过50mg / L，可以不加CaCl2。1.4.2 喷射液化工作蒸汽压0.4MPa,淀粉乳供料泵压力为0.2-0.4MPa，喷射温度100-105，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。冷却至70以下，进入糖化罐。1.4.3 糖化温度60±1，p

19、H4.0-4.4，糖化酶加量按120u / g干淀粉计算，糖化时间40-48h。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。1.4.4 过滤糖液先用NaCO3水溶液调pH4.8-5.0，不加或少加助滤剂，过滤。1.4.5 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。第二章 全厂物料衡算2.1 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。商品味精日产量：50000/300=166.7t/d，纯谷氨酸钠日产量：16

20、5.0t/d。 2.2 计算指标表 2-1 计算指标项目数值淀粉糖化转化率94.5%发酵产酸率（浓度）10.5%发酵对糖转化率58.5%培养菌种耗糖为发酵耗糖1.5%谷氨酸提取收率96.4%精制收率96.5%商品淀粉中淀粉含量85.9%发酵周期（含辅助时间）45h全年工作日300d2.3 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2-1 味精生产工艺总物料衡算流程图 2.3.1 商品淀粉用量 1000kg纯淀粉实际产100%MSG量:1000×1.1

21、11×94.5%×58.5%×(100%2%)×96.4%×96.5%×1.272=738.06kg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）；94.5%淀粉糖化转化率；58.5%发酵对糖的转化率；2%倒罐率；96.4%谷氨酸提取收率；96.5%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：738.06&#

22、215; 85.9% = 633.99 kg （85.9%商品淀粉中淀粉含量）1吨100%MSG实耗商品淀粉量： 日产99%味精165t，单耗商品淀粉1.58 t，日耗商品淀粉量：165×1.58 =260.7t/d2.3.2 糖化液量日产纯糖量： 260.07×85.9%×94.5%×1.111= 235.11t/d（85.9%商品淀粉中淀粉含量；94.5%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%）235.11/30% = 783.7t即日产30%糖液 783.7t。2.3.3 产谷氨酸量日产纯

23、谷氨酸量:260.07×58.5%×（100%-2%）×96.4%×96.5% = 139.04t/d2.3.4 衡算结果汇总表 2-2 总物料衡算结果汇总表原料规格日产(耗)量（t / d）商品淀粉 / t85.9%260.7糖液 / t30%783.7谷氨酸 / t100%139.04味精 / t99%1652.4 糖化工段物料衡算图2-2 制糖工序物料衡算图滤渣30%糖液 糖化工段液化酶糖化酶CaCl2配料水商品淀粉蒸汽冷凝水及洗水量 2.4.1 淀粉浆量及加水量淀粉加水比例为1:2，1000kg商业淀粉产淀粉浆：1000 ×（1+2）=

24、 3000 kg加水量：2000kg。2.4.2 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 × 1.25 = 0.625kg。2.4.3 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 kg2.4.4 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.

25、5 kg。2.4.5 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）2.4.6 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:1000×1%×(1-70%)=3kg2.4.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量3006.20 + 10 -（1.5 + 1.5 + 0.625）- 3000 =12.575 kg2.4.8 衡算结果汇总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2-3 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/

26、 t商品淀粉1000.00 260.7 30%糖液 3006.20783.7配料水2000.00 521.4 滤渣10.00 2.61液化酶 0.625 0.16 CaCl21.50 0.39糖化酶1.50 0.39 蒸汽冷凝水及洗水量 12.575 3.28累计3016.20 786.16 3016.20786.31第三章 糖化工段设备选型3.1 糖化罐日产30%糖液783.7t，即 783.7/1.1321=692.25 m3糖化周期48h，一个糖化周期产糖液体积：692.25×（45/24）= 1297.97 m3糖化罐取200m3，装料系数85%，实际装料体积为：200

27、15; 85% =170m3一个糖化周期需要的糖化罐数：1297.97/170 = 7.64，取8台取H = 2D罐下部使用圆锥形，取圆锥高度为D / 4，由 解得D = 4.96，取D = 4.96m，H = 9.92m，则V = 188.2m3。装液量，170/188.2 × 100% = 90.32%，装液量合适。搅拌器转速90r / min，即1.5r / s，搅拌直径1.4m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）液体密度，kg / m3n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%，

28、69.3 / 85% = 81.5kW，选用Y2-280M-2型三相异步电动机表3-1 Y2-280M-2型三相异步电动机参数额定功率kW额定电压V额定电流A额定转距重量kg额定转速r / min903801602.35702970罐体由圆柱体和锥形封底焊接而成，材料碳钢，内涂防腐层。查味精工业手册（第二版）附表21-1及附表22得：罐体材料采用OCr18Ni11Ti，壁厚10mm。3.2 调浆罐每个糖化罐装液量170m3,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.

29、70，则取D = 2.70得V = 15.39m3 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783.7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）液体密度，kg / m3n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 3-2

30、 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kg·m3重量kg额定转速r / min1322069.50.6520024003.3 储浆罐调浆罐每次调浆量13.08m3，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。3.4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35m3 / h，

31、则选取一台喷射器即可。3.5 维持罐维持时间取8min，则维持罐体积。取H = 3D，解得D = 1.907m，查味精工业手册（第二版）附表23-1得：取D = 1m，则H = 3m，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3.6层流罐层流罐保温液化时间120min，料液流量28.69m3 / h，取4个层流罐，则：层流罐容积取H = 4D，解得D = 1.759m，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

32、头容积V封 = 0.3977m3。层流罐容积装液量，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。根据物料衡算的数据计算出需要1个调浆罐、1个储浆罐、2个维持罐、4个层流罐、8个糖化罐和1个储糖罐以及它们的具体参数，其中调浆罐和储浆罐所用的搅拌电机均为ZDT2-560-2型，糖化罐的搅拌电机要大不少，为ZDT2-560-2型3.7 储糖罐储糖罐取100m3，装料85m3（装料系数85%），则：取H = 2D，由解得：D = 3.99，取D = 4m，H = 8m，则：V = 100.53m3，取2个储糖罐，以保证连续生产要求。罐体材料采用补胶铸铁，壁

33、厚8mm。3.8设备选型汇总表3-3 糖化定制设备汇总表容积(m3)D(m)H(m)h封(m)材料壁厚数量电机型号调浆罐10.862.75.4/碳钢51Z2-62储浆罐16.92.24.4/碳钢51Z2-62维持罐2.657130.275碳钢42/层流罐9.421.87.20.375碳钢44/糖化罐135.24.969.92/碳钢108Y2-280M-2储糖罐100.5348/补胶铸铁82/参考文献1吴思芳.生物工程工厂设计概论,中国轻工业出版社,1995.2张克旭.氨基酸发酵工艺,中国轻工业出版社,1998.3高孔荣.发酵设备,中国轻工业出版社,1991.4梁润钟.发酵工程设备,中国轻工业出版社,1991.5 郑裕国. 生物工程设备M. 北京: 化学工业出版社, 2007.6 陈卓贤.味精生产工艺学M.北京：中国轻工业出版社，20037 于信令主编.味精工业手册M.北京：中国轻工业出版社，20058 吴思方主编.生物工程工厂设计M.北京：中国轻工业出版社，2009:70719 梁世中.生物工程设备M.北京：中国轻工业出版社，2002:225010 匡照忠.化工机器与设备M.北京：化学工业出版社，200611 Norman,B.E.A novel debr