1、生物工艺原理课程设计说明书题 目：年产 10 万吨味精厂发酵工段工艺设计学 院：太原科技大学化学与生物工程学院 系 别：生物工程系班 级：生物工程 1142 班学生姓名：姜颖学生学号：201121030207指导老师：刘仙俊 杨艳2013 年 12 月 16-20 日I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” 。味精是采用微生物发酵的方法由粮食制成的现代调味品。 （
2、2）本设计为年产 10 万吨味精厂的生产工艺，通过双酶法、谷氨酸中糖发酵以及一次等电点提取工艺生产谷氨酸钠。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。 （3）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与计算。该处理工艺具有结构紧凑简洁，运行控制灵活等特点。为味精生产的理想途径。具有良好的经济效益、环境效益和社会效益。关键词：谷氨酸钠、发酵、物料衡算、热量衡算。目录摘
3、要 .I第一章 文献综述 11.1 设计内容 11.2 设计目的及意义 11.3 设计范围 11.4 关于味精的概括 11.4.1 味精的性质 .11.4.2 味精的作用与功能 .21.4.3 味精的发现 .21.4.4 味精的制取 .31.4.5 味精的生产规模 .3第二章 味精生产工艺 4第三章 谷氨酸发酵车间物料衡算 .63.1 工艺技术指标及基础数据 63.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算 63.3 100000t/a 味精厂发酵车间的物料衡算表 .9第四章 连续灭菌和发酵工段能量衡算 .104.1 热量衡算的方法 .104.2 连续灭菌和发酵工段能量衡算 .104.2.1 计算指标（以淀
4、粉质为原料） .104.2.2 培养液连续灭菌用蒸汽量 114.2.3 培养液冷却用水量 124.2.4 发酵罐空罐灭菌蒸汽量 134.1.5 发酵过程产生的热量及冷却用水量 .14总结与体会 15参考文献 171第一章 文献综述1.1 设计内容为加强对味精发酵的理解。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与计算。1.2 设计目的及意义通过生物工艺课程设计,使学生掌握生物工艺设计的主要程序、基本内容与设计方法，巩固、深化所学知识，提高分析问题、解决问题的能力，同时培养学生综合运
5、用所学基础理论与专业知识独立完成某一化工产品生产工艺设计，并通过设计说明书的编写、绘制工艺流程图和设备工艺条件，为毕业设计打下坚实的专业基础。1.3 设计范围本次设计的范围为:味精发酵生产年产量约为 10 万吨的范围。1.4 关于味精的概括1.4.1 味精的性质据介绍，味精是谷氨酸的一种钠盐（C 5H8NO4Na）为有鲜味的物质，学名叫谷氨酸钠，亦称味素。此外还含有少量食盐、水分、脂肪、糖、铁、磷等物质。味精是鲜味调味品类烹饪原料，以小麦、大豆等含蛋白质较多的原料经水解法制得或以淀粉为原料经发酵法加工而成的一种粉末状或结晶状的调味品，也可用甜菜、蜂蜜等通过化学合成制作。味精易溶于水，具有吸湿性
6、，味道极为鲜美，溶于 3000 倍的水中仍具有鲜味，其最佳溶解温度为 7090。味精在一般烹调加工条件下较稳定，但长时间处于高温下，易变为焦谷氨酸钠，2不显鲜味且有轻微毒性；在碱性或强酸性溶液中，沉淀或难于溶解，其鲜味也不明显甚至消失。它是既能增加人们的食欲，又能提供一定营养的家常调味品摩尔质量 169.111gmol-1，白色或近白色结晶性粉末，熔点 225，易溶于水，谷氨酸钠的水溶性很好，在 100 毫升水中可以溶解 74 克谷氨酸钠。微溶于乙醇。（5）1.4.2 味精的作用与功能味精是一种增鲜味的调料，炒菜、做馅、拌凉菜、做汤等都可使用。一般用量为 0.2%0.5%。也可用作生化试剂。中
7、国菜里用的最多，也可用于汤和调味汁。味精对人体没有直接的营养价值，但它能增加食品的鲜味，引起人们食欲，有助于提高人体对食物的消化率。另外,味精中的主要成分谷氨酸钠还具有治疗慢性肝炎、肝昏迷、神经衰弱、癫痫病、胃酸缺乏等病的作用。味精虽能提鲜，但如使用方法不当，就会产生相反的效果，会对人体有害。它在消化过程中能分解出谷氨酸，后者在脑组织中经酶催化，可转变成一种抑制性神经递质。当味精摄入过多时，这种抑制性神经递质就会使人体中各种神经功能处于抑制状态，从而出现眩晕、头痛、嗜睡、肌肉痉挛等一系列症状；有人还会出现焦躁、心慌意乱；部分体质较敏感的人甚至会觉得骨头酸痛、肌肉无力。长期过量食用味精可能导致视
8、网膜变薄、视力下降，甚至失明。另外，过多的抑制性神经递质还会抑制人体的下丘脑分泌促甲状腺释放激素，妨碍骨骼发育，对儿童的影响尤为显著。1.4.3 味精的发现尽管味精广泛存在于日常食品中，但谷氨酸以及其它胺基酸对于增强食物鲜味的作用，在 20 世纪早期，才被人们科学地认识到 。1907 年 ，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布（海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池田教授将这种味道称为3“鲜味” 。继而，他为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利。1.4.4 味精的制取其实味精的
9、历史不长，从发现至今还不到百年，和源远流长的油、盐、酱、醋、酒等调味品相比，味精只能算是个蹒跚学步的幼儿。 味精早期生产是利用蛋白质水解法制取。将面粉制成含蛋白质较多的面筋，或用豆饼加盐酸溶液加热，使蛋白质完全水解生成含谷氨酸的溶液，再浓缩使之结晶。 五十年代起人们采用糖和氮肥（硫铵、氨水、尿素等）为原料，利用细菌发酵法制谷氨酸。该法卫生又经济, 每百斤糖可制谷氦酸五十多斤，因而迅速推广成为目前生产味精的主要方法。 （4）1.4.5 味精的生产规模味精厂的生产规模主要由市场决定，其次是建厂的交通、运输、水、电、原料供应、污水处理等。而市场占有率是由品牌和生产成本决定，主要是后者。只要生产成本低
10、，市场开拓就有潜力，就能扩大生产规模。4第二章 味精生产工艺图 2-1 味精生产总工艺流程图 （1）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淀粉水解糖配料发酵空气空压机压缩冷却过滤除菌汽液分离等电点调节溶解粗谷氨酸离心沉淀中和制味精 粗谷氨酸溶液离子交换处理母液细谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥过滤干燥大结晶拌盐粉碎粉状味精 成品包装5淀粉消泡剂 消泡剂 水 葡萄糖液 水无机盐 无机盐糖蜜 配料罐 定容罐 定容罐 配料罐 糖蜜玉米糖 玉米糖纯维生素 液氨 二级种子罐 连消器 纯维生素实消 维持罐 斜面 一级种子 降温 换热器 消泡剂液氨 水二级种子培养 发酵罐 高浓度糖液无
11、菌空气 液氨图 2-2 谷氨酸发酵工艺流程示意图 （1）6第三章 谷氨酸发酵车间物料衡算3.1 工艺技术指标及基础数据(1)主要技术指标见表 3-1指标名称 单位 指标数 指标名称 单位 指标数生产规模 t/a 100000 发酵初糖 Kg/3 150生产方法 中糖发酵，等电点-离子交换提取淀粉糖化转化率 % 102年生产天数 d/a 300 流加高浓糖 Kg/3 500产品日产量 t/d 333 糖酸转化率 % 60产品质量 纯度 99% 麸酸谷氨酸含量 % 95倒罐率 % 0.3 谷氨酸提取率 % 95发酵周期 h 40 味精对谷氨酸产率 % 122主要原材料质量指标淀粉原料的含量为 80
12、%，含水 14%（3）二级种子培养基（g/L）水解糖 50，糖蜜 20，磷酸二氢钾 1.2，硫酸镁 0.6，玉米浆 510，泡敌0.8，生物素 0.02mg，硫酸锰 2mg/L，硫酸亚铁 2mg/L。发酵初始培养基（g/L）水解糖 150，糖蜜 4，硫酸镁 0.6，氯化钾 0.8，磷酸 0.2，生物素 2，泡敌 1.0，接种量为 8%73.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算首先计算生产 1000kg 纯度为 100%的味精需耗用的原材料以及其他物料量。（1）发酵液量设发酵液初糖和流加高浓糖最终发酵液总糖浓度为 220kg/ ，则发酵液3量为：V1= 100022060%95%99.7%122%=6.
13、556（ m3）式中 220发酵培养基终糖浓度（kg/ ）m360%糖酸转化率95%谷氨酸转化率99.7%除去倒罐率 0.3%后的发酵成功率122%味精对谷氨酸的精制产率（2）发酵液配制需水解糖量以纯糖计算： m1=220V1=1442.32（ kg）（3）二级种液量V2=8%V1=0.52448（ 3）（4）二级种子培养液所需水解糖量m2=50V2=26.224（ kg）式中 50二级种液含糖量（kg/ ）3（5）生产 1000kg 味精需水解糖总量m=m1+m2=1468.544（ kg）（6）耗用淀粉原料量理论上，100kg 淀粉转化生成葡萄糖量为 111kg，故耗用淀粉量为：m淀粉 =
14、 1468.54480%102%111%=1621.339（ kg）8式中 80%淀粉原料含纯淀粉量102%淀粉糖化转化率（7）液氨耗用量 发酵过程用液氨调 pH 和补充氮源，耗用 260280kg ；此外，提取过程耗用 160170kg，合计每吨味精消耗 420450kg。（8）甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为： 20V2=10.4896（ kg）发酵培养基耗糖蜜量为： 4V1=26.224（ kg）合计耗糖蜜 36.7136kg（9）氯化钾耗量mKCL=0.8V1=5.2448（ kg）（10）磷酸二氢钾（ ）耗量2472m3=1.2V2=0.6294（ kg）（11）硫酸镁（ ）用量4
15、720.6（ V1+V2） =4.2485（ kg）（12）消泡剂（泡敌）耗用量1.0V1+0.8V2=6.9756（ kg）（13）玉米浆耗用量（8g/L）m4=8V2=4.19584（ kg）（14）生物素耗用量m5=0.02V2+0.002V1=0.0236016（ g）（15）硫酸锰耗用量m6=0.002V2=1.04896（ g）（16）硫酸亚铁耗用量m7=0.002V2=1.04896（ g）（17）磷酸耗用量9m5=0.2V1=1.3112（ kg）（18）谷氨酸（麸酸）量发酵液谷氨酸含量为： m160%（ 1-0.3%） =862.795824（ kg）实际生产的谷氨酸（提取率
16、 95%）为：862.995%=819.6560328（ kg）3.3 100000t/a 味精厂发酵车间的物料衡算表物料名称 生产 1t 味精（100%）的物料量50000t/a 味精生产的物料量每日物料量发酵液量/ m3二级种液量/ m3发酵水解用糖量/kg二级种培养用糖量/kg水解糖总量/kg淀粉用量/kg液氨用量/kg糖蜜用量/kg氯化钾用量/kg磷酸二氢钾用量/kg硫酸镁用量/kg泡敌用量/kg玉米浆用量/kg生物素用量/g硫酸锰用量/g硫酸亚铁用量/g磷酸用量/kg谷氨酸用量/kg6.5560.524481442.3226.2241468.5441621.33898642036.7
17、1365.2480.6293714.248486.9755844.195840.02360161.048961.048961.3112819.6560328655.6 10352.448 1031.44232 1082.6224 1061.468544 1081.62134 10842 1063.67136 1065.248 10562.9371 103424.848 103697.5584 103419.584 1032360.161.04896 1052183.148174.65184480.293 1038732.592489.025 103539.905 103139.86 10312
18、225.62881746.5184209.582211414.743842322.8694721397.214727.85933349.30368349.30368436.6296272.945 103101.04896 1051.3112 1058.19656 107第四章 连续灭菌和发酵工段能量衡算4.1 热量衡算的方法热量衡算是更具能量守恒定律建立起来的，热平衡方程表示如下：Q 入=Q 出+Q 损式中 Q 入-输入的热量总和（ kJ）Q 出输出的热量总和（ kJ）Q 损-损失的热量总和（ kJ）11通常 Q 入=Q1+Q2 +Q3Q 出=Q4+Q5 +Q6+Q7Q 损=Q8式中 Q1-物
19、料带入的热量（kJ）Q2-由加热剂（或冷却剂）传给设备和所处理的物料的热量（热量）Q3-过程的热效应，包括生物反应热。搅拌热等（ kJ）Q4-物料带出的热量（kJ）Q5-加热设备需要的热量（kJ）Q6-加热物料需要的热量（kJ）Q7-气体或蒸汽带出的热量（kJ）最终得 Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6+Q7+Q8值得注意的是，对具体的单元设备，上述的 Q1Q8 各热量不一定都存在，故进行热量衡算时，必须根据具体情况进行具体分析4.2 连续灭菌和发酵工段能量衡算4.2.1 计算指标（以淀粉质为原料）计算指标见表 4-1 计算指标项目 指标淀粉糖化转化率 102%发酵产酸率 11%发酵对糖转化率
20、 60%培养菌种耗糖为发酵耗糖的 1.5%谷氨酸提取收率 95%12精制收率 122%商品淀粉中淀粉含量 80%发酵周期（含辅助时间） 40h 发酵时间 32h全年工作日 300d发酵罐容积 300m发酵罐表面积 310m发酵罐装料系数 0.8发酵罐体质量 45t冷却排管重量 7t灭菌前培养基含糖量 19%每罐培养基连续灭菌时间 3h物料间接加热即冷热物料交换的后温度 75c培养基连续灭菌温度 120c空罐灭菌时间 1.5h空罐灭菌温度 127c空罐灭菌的蒸汽渗透量 10%发酵热高峰值 3.0104kJ/mh4.2.2 培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐容积为 300m，装料系数为 0.80，每罐产
21、 100%味精量：3000.8011%95%122%1.272=38.91t1.272:纯味精相对分子质量/纯谷氨酸相对分子质量=187147=1.272年产商品味精 10 万吨，日产 100%MSC333 蹲。发酵操作时间 40h（其中发酵时间 32h）需发酵罐台数：333（38.9124）40=14.3，取 15 台由于装罐率 0.80，所以每罐初始培养基体积 240m，糖浓度 15.0g/dl，灭菌前培养基含糖 19.0%，则灭菌前培养基总质量：2401519%=189.47t13每日投（放）料罐次：33338.91=8.6 罐，取 9 罐日装运：14.33240=11.44 罐，取 1
22、2 罐次灭菌加热过程中用 0.4Mpa（表压）I=2743kJ/kg，使用板式换热器将物料由20c 预热至 75c，再加热至 120c，冷却水由 20c 升到 45c。每罐连续灭菌时间 3h，输料流量：189.473=63.16t/h消毒灭菌用蒸汽量（D）:D=631303.97（120-75）/（2743-1204.18）=5t/h式中：3.97 为糖液的比热容，KJ/（kg ）4.18 为水的比热容，KJ/（kg ）每天用蒸汽量：539=135t/d高峰用蒸汽量：512=60t/h平均用蒸汽量：135/24=5.6t/h4.2.3 培养液冷却用水量120c 热料通过与冷热料交换，由 120
23、c 降至 75c，再用水冷却至 35c；冷却水由 30c 升至 45c。计算冷却水用量（W）W=631603.979(75+273)-(35+273)/(45+273)-(30+273) 4.186=159735.75kg/h每日用水量：W39=4312865.36kg/d平均用水量：27W=19735.75kg/h最大用水量：12W=1916829kg/h4.2.4 发酵罐空罐灭菌蒸汽量发酵罐体加热：300m，1Cr18Ni9 的发酵罐体重 45t，冷却排管重 7t，1Cr18Ni9 的比热容0.5kJ/（ kgc） ，用 0.4Mpa（表压）蒸汽灭菌，使发酵罐在 0.15Mpa（表压）下由
24、 20c 升至 127c，其蒸汽量为：14(45000+7000) (127-20) 0.5/(2743-1274.18)=1257.6（kg）填充发酵罐空间的蒸汽量：因 300m发酵罐的全容积大于 300m，考虑到罐内之排管，搅拌器等所占之空间罐之自由空间仍按 300m计算，填充空间需蒸汽量：D 空=Vp=3001.39=417kg式中：V发酵罐全容积（m）P加热蒸汽的密度（kg/ m）0.15mPa（表压）时为 1.39（kg/ m）灭菌过程中的热功当量损失：辐射与对流联合给热系数 ，罐外壁温度 70ca=33.9+0.19（70-20）=43.4kJ/（ mh）300m发酵罐的表面积为
25、310 m2，耗用蒸汽量：D 损=31043.4（70-20）/（2743-1274.18）=304.1（kg/h）罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗：3100.00110004.18（127-20 ）/（2743-1274.18）=62.9kg式中：0.001 附壁水平均厚度（1mm）1000水密度（kg/ m）灭菌过程蒸汽渗漏，每空罐灭菌 1.5h，取总汽消耗量的 10%，则每空罐灭菌蒸汽消耗量：（1257.6+417+304.11.5+62.9）/（1-0.05）=2437.2kg/罐每日用蒸汽量：2438.29=21934.4kg/d=21.9t/d平均用蒸汽量：21934.4/24=913
26、.96（kg/h ）=0.91（t/h）高峰用蒸汽量：（2437.15/1.5）12=19497.2（kg/h）=19.5（t/h ）4.1.5 发酵过程产生的热量及冷却用水量根据部分味精厂的实测和经验数，谷氨酸的发酵热高峰值约153.0104KJ/（M H）300 M发酵罐，装料量 240M使用新鲜水，冷却水进口温度10C，出口温度 20C，冷却水用量（W）：W=3.0104240/(20-10) 4.18=172248.8(kg/h)日运转 12 台，高峰用水量：172.212=2066.99（t/h ）每罐发酵周期 32h，设用需冷加水冷却 16h，则日用水量：2066.99160.89
27、=238116.67（t/d）式中： 0.8各罐发热状况均衡系数平均用水量：238116.67/24=9921.53（t/h）100000 吨味精生产厂连续灭菌和发酵车间总热量衡算表名称 压力（Mpa ）每小时高峰用量（kg/h）每小时平均用量（kg/h）每昼夜消耗量（kg/d）年消耗量(kg/a)蒸汽 0.4 79500 6510 756900 47070000冷却水 3983814 89657.28 4550982.03 1365294609总结与体会通过这次课程设计,使我对生物工程设计的内容和步骤有了更进一步的了解，从大体上讲,本次设计达到了预期的效果,达到了指导老师的要求。这次课程设计
28、使我深深地认识到:工科学生做设计工作所要求的严谨性,对16于工程二字的沉重性,我开始意识到工程二字要求我们对专业知识有很深地了解,在熟练掌握专业知识的基础上灵活运用.本次设计为年产 10 万吨的味精厂生产工艺设计，是一个真实性课题,在重新熟悉课本和认真查阅资料的基础上，并结合设计任务书的要求,我对本设计味精厂的工艺流程有了更深刻的了解。在这个过程中,我逐渐懂得了如何运用专业性眼光去看待问题,分析问题和解决问题。在工艺流程确定后,就开始了对谷氨酸的物料衡算和热量衡算进行计算,我对谷氨酸发酵中所用到的一些原料有了更深的认识,在计算中自己遇到了不少问题,在自己的努力下,最终问题都一一得到解决,也使自
29、己对味精生产流程有了一个清晰的认识.这次课程设计是自己四年所学知识的一个综合应用,是一次难得的学习机会,使自己受益匪浅. （6）在设计中,我也能真正味精生产工艺的操作流程。体会到味精生产过程的物料,热量等复杂问题和发酵问题。在这次课程设计中，我了解到发酵对我们生物工程的重要性，发酵是我们生物工程的基础，让我更进一步了解到生物工程的设计过程，也为以后做好更好的基础。因此,此课程设计对本人是一个很好的锻炼,达到了味精发酵工程的一个比较深入地了解,是比较成功的课程设计。本次课程设计是在刘老师的精心指导下，由我独立完成的。本次课程设计是我大学中对发酵工程和物料衡算的回顾与总结。同时，通过该次课程设计，
30、我亦从指导老师处学到了许多的常规设计方法，设计思想，并懂得了在做设计中如何去查资料与应用资料。了解了本专业各方面的设计课题与设计方法，这次使我的知识面更加广阔与完整，使我受益非浅。可以这样说：在刘老师的耐心指导和自己的努力下，我完成了课程设计应完成的任务，达到了课程设计的教学要求。在这里，万分的感谢刘老师的辛勤栽培和其他同学的热情的帮助！通过这次课程设计，我了解到我在学习中的不足，也了解到了学习和实际的区别，我要从这次课程设计中了解到自己的不足，从中能更好的去弥补，对以后的社会就业起了不可忽视的作用。最后，感谢老师对我们的悉心教导和关心。让我们进一步了解生物工程和发酵工程的设计过程。17参考文献【1】吴思芳.发酵工厂工艺设计概论,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,1998.18【3】梁世中.生物工程设备,中国轻工业出版社,2002.【4】吴思芳.生物工程工厂设计概论,中国轻工业出版社,1995.【5】梁润钟.发酵工程设备,中国轻工业出版社,1991.【6】高孔荣.发酵设备,中国轻工业出版社,1991.
