年产2万吨味精糖化工段工艺设计 课程设计

题目：年产2万吨味精糖化工段工艺设计摘要众所周知，日常所用调味料味精就是L一谷氨酸单钠，1909年日本发明并工业化生产味情以来，经过几代人研究发展，几经变迁，已发展成为以谷氨酸发酵为主体的世界性氨基酸发酵工业，我国味精生产始于1923年，至今已有80多年历史，随着科学技术的不断进步，味精生产技术也在不断变革，以发酵法为工艺依据，全部实现全自动化生产流水线。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。本设计是以工业淀粉为原料进行设计，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90吨。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，发展，双酶法AbstractAsweallknow,thedailyseasoningMSGismonosodiumglutamateL,hasbeeninventedinJapanin1909andindustrialproductionflavorlove,theresearchanddevelopmentofseveralgenerations,severalchanges,andhasdevelopedintoaworldwidetoglutamicacidfermentationasthemainaminoacidfermentationindustry,monosodiumglutamateproductioninChinabeganin1923,hasmorethan80yearsofhistory,withthecontinuousprogressofscienceandtechnology,monosodiumglutamateproductiontechniquesareconstantlychange,thefermentationprocessbasedonallfullyautomatedproductionlines.Glutamateisproducedbymicrobialfermentationofarepresentativeoftheproducts,productionprocessesinvolvedinseedculture,fermentation,extraction,bleaching,centrifugationanddryingunitoperationsandotherimportantengineeringconcepts.Throughtheworkshopprocessdesignglutamate,canenhancetheirknowledgeofthecomprehensiveprofitability.Thedesignisbasedonrefinedstarch(86%purity)asrawmaterialsforthedesign,theuseofajetoftwoenzymesforthesaccharificationprocess,theactualworkingdaysto300dayscalculatedat90tonsofmonosodiumglutamateproduction.Thewholeplantmaterial,theheatbalanceonthelineforsugarchemicalsegment,suchasmixingtankstank,slurrystoragetank,themaintenancetank,laminarflowtank,saccharificationtanks,storagesugarandsomestandardequipmentsuchasliquidjet,framefilter,plateheatexchangerandpumpadetailedcalculation,todeterminetheirparameters,tofacilitatethedrawingofequipmentlayout.Keywords:glutamate;saccharification;processcalculatoin第一章：绪论1.1味精简介学名：L-谷氨酸单钠盐商品名：味精、味素、谷氨酸钠，因味精起源于小麦，俗称麸酸钠英文名：MonosodiumL-Glutamate，简写MSG结构式：HOOC-CH2-CH2-CH-COONa·H2O︱NH2分子式：NaC5H8O4N·H2O，分子量：理化性质：味精是无色无味至百色的柱状结晶或白色的结晶性粉末。斜方晶系柱状八面体，相对密度，视相对密度0.80~0.83比旋光度：【a】20D=24.8~25.3，PH值：7.0，100°C以上的高温中使用味精，鲜味剂谷氨酸钠会转变为焦谷氨酸钠，焦谷氨酸钠虽然对人体无害，但是焦谷氨酸钠没有鲜味，会使味精鲜味丧失。热稳定性：常温~1000℃脱湿；1000℃~1200℃稳定；1200℃~1300℃失去结晶水；1300℃~1700℃稳定；1700℃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国内的味精工业发展味精不但是人民生活中的主要调味品，而且是食品工业中的一种高利税产品，尤其是受原材料市场充裕，价格便宜的诱发,自80年代以来，它吸引着国内许许多多生产者，整个行业呈现突飞猛进的势态。80年我国味精产量只有3.1万吨到91年已经发展到200多家企业，味精产量达到27.16万吨。年发展速度达到121.81%。在以味精、啤酒、白酒、糖、卷烟、五项农产品为原种的工业品中，味精发展速度最快。最近几年随着社会主义经济由计划向市场经济的转变一方面，由于原材料供应纳入市场调节，原材料价格翻番上涨，导致味精生产成本价格急剧上升；另一方面，由于同行业竞争激烈，致使市场疲软，产品严重积压，从而给整个味精行业带来严峻考验，一些规模较小，效益较低的味精厂面临停产、转产的危机。我国味精产业的产量发展很快，1985年为1975年的6.7倍，而1990年为1980年的八倍。1991年我国的味精总产量为27万吨，是1965年的64.7倍。近几年更是迅猛发展，2004年产量达到110万，2004~2008年味精产量以年平均增长率为13.6%的速度增长。目前我国味精主要集中在十几家大型企业，山东、河南、河北三地产量占全国总产量近80%。根据国家统计局统计的数据，2010年前8个月，我国味精制造行业的总资产达到311.6亿元，同比增长23.81%，总销售收入为287.2亿元，同比增长了20.72%。味精是发酵行业的主要产品之一,主要以玉米为原料,采用现代生物技术经发酵、分离、提取而成的调味品。近年来国内外需求不断扩大,产量一直保持增长态势,2011年全国味精产量约220多万吨,年增长保持在两位数以上,市场保持合理稳定发展。作为轻工行业主要耗能产品,我国味精生产企业的能耗较高,能源利用率较低,国内企业间的能耗水平及与国外先进水平相差较大。为贯彻落实《节约能源法》及国务院有关文件精神,严格控制重点用能行业能源消耗过快增长,加快推进淘汰落后产能,确保“十二五”工业节能开好局、起好步完成《工业节能十二五规划》中发酵产品综合能耗由900千克标准煤/吨降至820千克标准煤/吨的目标,规范和指导企业的生产,配合有关部门发布工业企业能效指标,在行业开展能耗对标达标活动,急需制定味精单位产品能源消耗限额标准。发酵行业能耗成本约占生产总成本的20%左右,与国际先进水平相比,味精行业目前国外先进水平吨产品能耗约吨折标煤,我国吨产品能耗平均为吨折标煤,由于各味精企业的生产水平和技术装备不同,耗水量的差距较大,吨产品水耗平均为85吨,而国外先进发达国家味精生产企业吨产品水耗在30吨左右。除此之外,我国味精行业吨产品电耗平均800Kwh,汽耗约8吨,而国外先进水平这两项分别为600Kwh和6吨。面对行业普遍存在的环保和原料紧张的压力,十二五期间,非粮资源的利用比重将会不断提高,新型清洁生产和节能减排技术将会在行业内得到大范围普及,能耗与污染物的排放将会继续削减国内味精的行业标准国家标准GB/T8967-2007《谷氨酸钠（味精）》已于2007年标准按添加成分，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：无色或白色结晶状颗粒或粉末，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，加盐味精产品谷氨酸钠含量应不小于80%，食盐添加量应小于20%，铁含量小于等于每千克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。第二章糖化阶段工艺设计味精生产的总流程玉米淀粉 水淀粉乳 液化酶调浆一次喷射液化承受罐包装层流罐液化过筛冷却湿味精糖化酶三足分离灭酶助晶槽冷却待用结晶母液结晶罐过滤脱色液葡萄糖液反洗一次脱色调～KClKH2PO4MgSO4配料玉米浆糖蜜生物素正洗颗粒炭柱灭菌低流分树脂柱除铁液氨无菌空气无菌浓缩糖高流分上氨水前流分 二次脱色发酵二级种子一级种子斜面上柱吸附去环保一次脱色发酵液液双效换热母液一步中和上清卧式离心机晶种沉降谷氨酸育晶谷氨酸锥兰分离机母液谷氨酸中和二步中和降温搅拌碱蒸汽水糖化工艺的选择及论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。DE值系葡萄糖值：表示淀粉水解程度及糖化程度，指葡萄糖（所有测定的还原糖当做葡萄糖）优点：具有工艺简单，水解时间短，生产效率高，设备周转快。缺点：要求有耐腐蚀，耐高温，耐压设备。酸解过程中，副反应生成的副产物多，影响糖液纯度，使淀粉转化率低。酸解法对淀粉原料要求严格，要求纯度较高的精制淀粉。酸解法淀粉乳浓度不能太高，否则对糖化不利，副产物多对糖液质量有很大影响。酶酸法是将淀粉乳先用α-淀粉酶液化，然后用酸水解成葡萄糖。优点适用于大米或粗淀粉原料，可省去大米或粗淀粉原料加工成精制淀粉的生产过程，避免加工中原料的大量流失。与加工成精制淀粉比，可提高10%左右的原料利用率。酸液化速度快，糖化由酶来完成，因而可用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率。酸用量少，产品颜色浅，糖液质量高。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。液化：利用α-淀粉酶将淀粉液化，转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可淀性增加。糖化：利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解，转变为葡萄糖。优点：酶的专一性高，糖液纯度高，DE值达95%以上。酶解反应条件温和。在较高淀粉浓度下水解，还原糖达30%以上。糖液色浅，纯净，无苦味，质量高，利于糖液的充分利用。双酶法工艺同样适用于大米或粗淀粉原料，可避免原料在加工过程中的大量流失，减少能源消耗。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[5]。所以本次设计采用一次喷射双酶法。糖化工艺条件的论证α-淀粉酶能能水解淀粉及其产物内部的α-1，4糖苷键，不能水解α-1，6糖苷键，但能越过α-1，6糖苷键继续水解α-1，4糖苷键，而将α-1，6糖苷键留在水解产物中。淀粉液化条件.1淀粉颗粒结构的影响：淀粉是以颗粒状态存在的，淀粉颗粒结构的差异性（颗粒大小、颗粒形态、直链淀粉、脂肪和磷酸盐的含量等）、淀粉酶的敏感性和酶的专一性,使淀粉的酶解受多种因素的影响，淀粉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1﹕20000。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。.2温度对淀粉酶液化能力的影响：温度对酶活性具有很大的影响，每种酶都有最适的作用温度，在一定温度范围内，温度升高，酶的反应速度就增加，一般每升高十摄氏度，反应速度可增加2~3倍,但是大多数酶都是蛋白质，温度过高则可导致蛋白质变质，从而使酶失活。在一定条件下，在某一温度时酶的反应速度最大。这使得反应速度是最适反应温度。查资料可知，α-淀粉酶作用温度范围60~90℃，最适宜作用温度为60~70℃，所以操作温度应该控制在60~70.3pH值对淀粉酶液化能力的影响：同样，pH值对酶活性也有不言而喻的影响，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～范围内较高，在pH值时最高，过酸过碱都会降低酶的活性。α-淀粉酶一般在pH值～较稳定。.4保护剂对酶活力的稳定性的影响：每一种酶都有其活性部位和结合部位，负责正确识别底物并与之结合。研究表明所有α-淀粉酶均为分子量在50ku左右的单体，由经典的三个区域(A、B、C)组成：中心区域A由一个(β/α)8圆筒构成；区域B由一个小的β-折叠突出于β3和α3之间构成；而C-末端球型区域C则由一个Greek-key基序组成，为该酶的活性部位。为保持α-淀粉酶的结构完整性和活性，至少需要一个能与之紧密结合的Ca2+，而Cl-往往是α-淀粉酶的变构激活因子，并且在所有Cl-依赖性的α-淀粉酶中，组成催化三联体的残基都是严格保守的，从而可以维持酶的最大活性及热稳定性。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85～90℃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+,液化程度的控制液化程度也称为液化DE值。在淀粉的双酶法制备葡萄糖的工艺中，液化程度的控制对于淀粉液化工序至关重要，当然，不同产品有不同的液化程度控制要求。以下是双酶法淀粉制备葡萄糖的液化程度控制要求：液化程度一般控制12~18％。程度太低，液化淀粉粘度大，操作困难；底物分子少，水解机会越小，影响了糖化的速度；液化程度低，淀粉液容易老化，不利于糖化，特别是糖化液过滤速度慢。液化程度也不能太高，因为葡萄糖淀粉酶是先与底物分子结合生成络合结构，而后再发生水解催化作用。所以当液化超过一定程度，影响了催化效率，最终的DE值也不高。在双酶法制备葡萄糖工艺中，液化DE值与糖化终了DE值的关系如下图：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，在正常液化条件下，控制淀粉水解程度在葡萄糖值为10～20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，如果出现有淀粉－碘的呈色反应，则说明液化液有生淀粉的存在，液化质量不好。另外，还可以通过测定液化液的过滤速度来检验液化的效果，具体方法是用滤纸对液化液进行过滤，考察单位时间过滤的液化液体积量，从而可以定性的判断出液化的效果，单位时间过滤体积大，则说明液化效果好，反之亦然。糖化工艺流程糖化工艺技术要点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，以减少不可发酵糖的产生（α-淀粉酶pH范围为）。CaCl2用量为干淀粉的0.15-0.3%，如果水中Ca2+超过50mg/L，可以不加CaCl2。喷射液化工作蒸汽压0.4MPa,淀粉乳供料泵压力为，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糖化温度60±1℃，，糖化酶加量按100-120u/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，即以无水乙醇检查无白色沉淀为终点。终点DE值为95%-98%过滤糖液先用NaCO3水溶液调，不加或少加助滤剂，过滤。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℃影响因素不同喷射温度对液化的影响：在ɑ－淀粉酶允许使用范围内，某厂对喷射温度进行了试验，试验条件：15′Be°粉浆浓度、添加诺维信耐高温淀粉酶11lu/kg、无锡杰能科糖化酶200u/g喷射温度108℃、液化、糖化、糖化时间35在不同喷射温度下考察了液化液的滴定速度，从而评价液化质量。从上图可以看出耐高温淀粉酶的喷射温度控制在108~110℃较好。当温度高于100℃时，酶的蛋白质结构会受到较大的影响，从而酶活力会受到破坏；若喷射温度低于加酶方式对液化和糖化质量的影响:传统的液化工艺有一次加酶和二次加酶两种方法，一次加酶是指将ɑ－淀粉酶按照淀粉的一定比例一次性加入调浆罐内；二次加酶则是指一部分ɑ－淀粉酶（一般为40~50％）添加到调浆罐内，而剩下的酶则依据淀粉乳液化流量的相应比例进行连续流加，一般安排在真空冷却闪蒸罐。一次加酶和二次加酶的主要区别见下表：项目名称一次加酶二次加酶加酶量多少工艺稳定性稳定欠稳定糖液质量好好操作方便性方便复杂从上表可以看出，就加酶量来说，二次加酶因为一部分酶避免了高温阶段，酶的活力损失较小，因此用酶量可以减少约15~30％，糖液质量也得到提高。但因为二次加酶量很小，而且一般是用计量泵打入闪蒸罐或者管道，存在着流加的不稳定性，控制不好会使二次加酶量不够而导致液化质量不稳定。所以，为提高计量的准确性，二次加酶的操作流程一般是：设立一个不锈钢罐稀释罐，在罐内用蒸馏水先对二次需要添加的酶进行稀释，稀释比一般是水与酶体积比为（10~20）：1，这样就可以提高流加的速度，从而减少了系统的误差，提高了二次加酶的准确和稳定性。要注意的是，为尽量避免酶收到污染，要求稀释的酶液要现配现用。如果能够加强流加系统和监控，一般建议采用二次加酶工艺。第三章糖化工段的工艺计算3.1计算依据表3-1计算依据项目数值淀粉糖化转化率95.2%糖渣1%发酵对糖转化率55.2%倒灌率1%谷氨酸提取收率95%精制收率96%商品淀粉中淀粉含量85.6%发酵周期（含辅助时间）42h全年工作日300d3.2味精生产总物料衡算商品淀粉日耗量纯淀粉实际产量：商品淀粉产量：实耗商品淀粉量：日产，单耗商品淀粉，日耗商品淀粉量：相当于日耗淀粉：糖液日产量日产纯糖量：折算为的糖液：谷氨酸日产量谷氨酸日产量：味精日产量味精日产量：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85.6%115糖液30%347谷氨酸100%味精99%糖化工段物料衡算.1淀粉浆量及加水量淀粉加水比例为，工业淀粉产淀粉浆：加水量：。.2液化酶量使用耐高温-淀粉酶（）,加酶量干淀粉。干淀粉加酶量：液化酶质量约为。.3量一般加量为干淀粉的，即干淀粉加：.4糖化酶量一般加糖化酶量为干淀粉，如液体糖化酶为，则每干淀粉加糖化酶量：糖化酶质量约为。.5糖液产量.6过滤糖渣量湿渣（含水），折干渣量：.7生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量.8衡算结果表3-3制糖车间工序的物料衡算汇总表进入系统离开系统商品淀粉30%糖液346配料水2000滤渣10液化酶糖化酶蒸汽冷凝水及洗水量累计第四章糖化工段设备选型4.1糖化工段设备汇总表4-1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/碳钢51Z2-62储浆罐/碳钢51Z2-62维持罐13碳钢41/层流罐碳钢44/糖化罐/碳钢108Y2-280M-2储糖罐48/补胶铸铁82/表3-2糖化标准设备汇总表设备液化喷射器板框过滤机板式换热器型号CHA-20BAY20/635-25BR20数量122表3-3泵设备汇总型号流量，m3/h扬程，m电机功率，kW数量转速，r/min泵Ⅰ720泵ⅡG50-120602960泵ⅢIS100-80-1