年产6000t味精发酵车间工艺设计

年产6000t味精发酵车间工艺设计

设计任务书

请设计一年产6000t味精（100%MSG）发酵车间 一、基础数据：

生产规模：6000t／年味精

产品规格：100%MSG（一水谷氨酸钠）

发酵法生产谷氨酸的工艺技术指标

味精生产过程的原辅材料及动力单耗（1t100%MSG计算）

二级种子培养基及发酵培养基的组成（重量/体积）

二级种子培养基：水解糖2.5%，糖蜜2.0%，尿素0.35%，磷酸氢二钾0.10%，硫酸镁0.06%，玉米浆0.5~1.0%，泡敌0.06%，硫酸锰0.2mg/100mL，硫酸亚铁0.2mg/100mL。

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发酵培养基：水解糖16.4%，甘蔗糖蜜0.30%，硫酸镁0.06%，氯化钾0.08%，磷酸氢二钠0.02%，玉米浆0.20%，泡敌0.05%，硫酸锰0.2mg/100mL，硫酸亚铁0.2mg/100mL，植物油0.10%，接种量1%.

发酵过程加液氨量为发酵液体积的2.8%，液氨密度为0.62kg/L，消泡剂相对密度为0.8

通气量：0.2VVM 生产天数：330天 二、设计内容：

1. 根据设计任务，查阅有关资料、文献，搜集必要的技术资料，工艺参数，进行生产方法的选择比较，工艺流程与工艺条件确定的论证。简述工艺流程。 2. 工艺计算：发酵车间的物料衡算，热量衡算，无菌空气用量的计算。 3. 味精发酵车间生产设备的选型计算(包括设备的容量、数量、主要的外形尺寸)。 三、设计要求：

根据以上设计内容书写设计说明书。

完成初步设计阶段图纸：工艺流程图(包括无菌空气、配料连消、菌种与发酵)；发酵车间平面布置图。

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设 计 说 明 书

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目录

1． 味精生产条件的确定和工艺流程说明

1.1味精生产工艺概述……………………………………………………………（1） 1.2原料预处理……………………………………………………………………（2） 1.3淀粉水解糖制备………………………………………………………………（2） 1.4种子扩大培养及发酵…………………………………………………………（2） 1.5谷氨酸提取与中和制取谷氨酸钠……………………………………………（5） 1.6谷氨酸钠精制及味精成品加工………………………………………………（6）

2． 味精生产工艺计算

2.1工艺计算基础数据……………………………………………………………（7） 2.2发酵车间的物料衡算…………………………………………………………（8） 2.3发酵车间的热量衡算…………………………………………………………（11） 2.4无菌空气用量计算……………………………………………………………（15）

3． 生产设备选型计算

3.1间歇操作设备设计与选型

3.1.1发酵罐…………………………………………………………………（16） 3.1.2种子罐…………………………………………………………………（25） 3.1.3空气分过滤器…………………………………………………………（30） 3.2连续操作设备的设计选型

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3.2.1连消塔…………………………………………………………………（33） 3.2.2维持罐…………………………………………………………………（36） 3.2.3螺旋板换热器…………………………………………………………（38） 3.2.4喷淋冷却装置…………………………………………………………（39） 3.3设备一览表……………………………………………………………………（41）

重要符号说明…………………………………………………………………（42） 参考文献………………………………………………………………………（42）

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1 味精生产条件的确定和工艺流程说明

1.1味精生产工艺概述

味精生产全过程可划分为五个工艺阶段：（1）原料的预处理；（2）淀粉水解糖的制备；（3）种子扩大培养及发酵；（4）谷氨酸的提取与中和制取谷氨酸钠；（5）谷氨酸钠精制及味精成品加工。

与这五个工艺阶段相对应可分别设置淀粉车间、糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，还需设置动力车间，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。味精发酵生产的工艺流程简图见图1.1。

图1.1味精生产工艺流程简图

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1.2原料预处理

此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料中淀粉的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。以制取玉米淀粉为例，其工艺流程为：

玉米亚硫酸浸泡粉碎除杂

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。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。

1.3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。本设计采用较先进的双酶法糖化工艺流程，它明显优于传统的酸法或酶酸法糖化工艺。采用耐高温α-淀粉酶喷射液化及高转化率糖化酶糖化工艺，有着转化率高、糖液质量好、收率高的优点。应用表明，味精行业应用双酶法糖化工艺流程，对大米糖转化率可达到95%以上，比老工艺提高3～5%，所制的糖液透光率在85～90%，比老法提高1倍左右。另外，糖液供发酵使用前，还需经过过滤除去糖渣，由于板框式过滤机操作最为安全，因此本设计采用板框过滤。

1.4种子扩大培养及发酵

种子扩大培养为谷氨酸发酵过程提供所需的大量种子，发酵车间内设有种子室，完成生产菌种的扩大培养任务。从斜面出发，经复壮培养，摇瓶培养，扩大

至一级种子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，并对其作连续灭菌处理。培养基连续灭菌的基本流程如图1.2所示。连续灭菌的基本设备一般包括：（1）配料预热罐，将配制好的料液预热至60～70○C，以避免连续灭菌时料液与蒸汽温度相差过大而产生水汽撞击声；（2）连消塔，连消塔的主要作用是使高温蒸汽与

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料液迅速接触混合，并使料液的温度很快升高到灭菌温度（126～132○C）；（3）维持罐，连消塔加热的时间很短，光靠这段时间的灭菌是不够的，维持罐的作用是使料液在灭菌温度下保持5～7min，以达到灭菌的目的；（4）冷却管，从维持罐出来的料液要经过冷却排管进行冷却，生产上一般采用冷水喷淋冷却，冷却到40～50○C后，输送到预先已经灭菌过的罐内。图1.3为喷射加热连续灭菌流程，流程中采用了蒸汽喷射器，它使培养液与高温蒸汽直接接触，从而在短时间内可将培养液急速升温至预定的灭菌温度，然后在该温度下维持一段时间灭菌，灭菌后的培养基通过一膨胀阀进入真空冷却器急速冷却，从图中可以看出，由于该流程中培养基受热时间短，营养物质的损失也就不很严重，同时该流程保证了培养基物料先进先出，避免了过热或灭菌不彻底等现象。图1.4为薄板换热器连续灭

连消塔

蒸汽

蒸汽

冷却水

无菌培养基

泵

冷却管

配料罐

维持罐

图1.2培养基连续灭菌流程图

蒸汽

T=140C

原料介质

膨胀阀

真空

○

保温段 闪急冷却器

灭菌介质

图1.3喷射加热连续灭菌流程

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出料 35C

○

55C

○

120C

○

蒸汽 147C

○

水 20C

○

31C

○

进料 35C

○

100C

120C

○

○

维持管 120C

○

图1.4薄板换热器连续灭菌流程

菌流程，流程中采用了薄板换热器作为培养液的加热和冷却器，蒸汽在薄板换热器的加热段使培养液的温度升高，经维持段保温一段时间后，培养基在薄板换热器的冷却段进行冷却，从而使培养基的预热、加热灭菌及冷却过程可在同一设备内完成。该流程的加热和冷却时间比喷射加热连续灭菌流程要长些，但由于在培养基的预热过程同时也起到了灭菌后培养基的冷却的作用，因而节约了蒸汽和冷却水的用量。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，因而本设计仍采用第一种连续灭菌流程，但为节约部分热能，增加了螺旋板式换热器，先将热物料与冷物料接触换热，一方面预热冷料，另一方面为灭菌后热物料降温。降温后的热物料通过喷淋冷却继续降至所需温度。

针对发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风发酵罐（通用式），罐体大小在50m3到200m3之间。机械搅拌发酵罐具有使用性好、适应性强、放大容易、从小型到中型直至大型都可应用等优点，是目前使用最多的一种发酵罐，因而本设计予以采用。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、丝网分离器三级处理，再经过两次玻璃棉过滤、一次金属膜过滤得到无菌空气，送至发酵罐及种子罐使用。在北方地区由于空气

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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。

由于发酵过程中会产生大量的泡沫，通常采用豆油、玉米油等天然油脂或环氧丙烯环氧乙烯聚醚类化学合成消泡剂进行消泡。应尽量控制其用量及加入方式，否则会影响菌体的代谢。

1.5谷氨酸提取与中和制取谷氨酸钠

由糖质原料转化为谷氨酸的发酵过程是一个复杂的生物化学反应过程，发酵结束后，发酵液中不仅有发酵目的产物谷氨酸，而且还有菌体、残糖、色素、胶体物质以及其他发酵副产物。提取的目的便是从从复杂的发酵液中得到目的产物谷氨酸。生产上选择谷氨酸提取工艺的原则是：工艺简单，操作方便；所用原材料价格低廉、来源丰富；提取收率高，产品纯度高；劳动强度小；设备简单，造价低。在提取过程中，还应注意尽量不造成或减少对环境的污染。

常用的谷氨酸提取方法有以下几种：（1）等电点法：利用谷氨酸是两性电解质的性质，将发酵液加硫酸调pH至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出。（2）离子交换法：先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸将发酵液调至一定的pH，采用阳离子交换树脂吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯谷氨酸的目的。（3）金属盐法：利用谷氨酸与Zn2+、Ca2+、Co2+等金属离子作用生成难溶于水的谷氨酸金属盐而沉淀析出。（4）离子交换膜电渗析法：根据渗透膜对各种离子的选择透性不同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。本设计采用等电点法。生产上等电点法提取谷氨酸的工艺有很多，归纳起来有：直接常温等电点法、水解等电点法、低温等电点法、等点—离子交换法和浓缩连续等电点法等。目前，我国味精厂已采用浓缩连续等电点法提取谷氨酸，对于谷氨酸含量10.5%的发酵液，其提取收率为88%左右。本设计亦采用浓缩连续等电点法。其具体操作是：将发酵液和硫酸同时加入等电点罐中，始终保持罐内pH在3.0～3.2，发酵液在等电点罐中采用低温等电点法结晶，待析晶完全后，以晶体及母液作为“种子”，维持一定的温度和pH，然后一边连续添加新发酵液，一边从等电点罐底部放出已结晶的谷氨酸，使进出料量保持一致，放出的物料在育晶罐中进行育晶，让晶体长大。育晶结束后进行分离，得到谷氨酸晶体。浓缩连续等电点法提取谷氨酸的特点是：（1）析出的谷氨酸晶体颗粒粗大，大小均匀，

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光泽度好，沉降快，易分离。（2）适用于不正常发酵液谷氨酸的提取。（3）可节省育晶时间，提高设备利用率。

提取的到的谷氨酸一般采用加入纯碱的方法中和得到谷氨酸钠，其中和反应

1/2CO2+

1/2H2O

按上述的中和反应方程式计算，谷氨酸与纯碱反应生成谷氨酸一钠盐，中和100kg谷氨酸，理论上需要36.02kg的Na2CO3。

1.6谷氨酸钠精制及味精成品加工

谷氨酸钠中和液经过除铁、脱色处理，结晶得到一水合谷氨酸钠（MSG），即味精。粗品经分离、干燥、粉碎、筛分、包装得到成品。

1.6.1中和液的除铁

由于原辅材料不纯而夹带铁离子，特别是铁质设备的腐蚀而游离出较多铁离子，使中和液中铁含量一般在10mg/L以上，味精中含铁离子过量，不符合食品标准规定。含铁量高时，还会使味精呈黄色，影响成品色泽。中和液中的铁离子可能是二价离子，也可能是三价离子，但以二价离子居多，并与谷氨酸形成络合物。目前国内除铁离子的方法包括传统的硫化钠除铁法和树脂除铁法。采用树脂除铁法，不仅能够解决硫化钠除铁所引起的环境污染问题，改善了操作条件，而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁方法，目前应用较为广泛。因此，本设计采用树脂法除铁。

1.6.2中和液的脱色

一般谷氨酸钠中和液都具有深浅不同的黄褐色色素，色素产生的主要原因是在淀粉制糖、培养基灭菌、发酵液浓缩等生产过程中各种成分的化学变化产生有色物质。如葡萄糖聚合产生焦糖；铁质的设备接触酸碱产生电化学作用，其结果

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使设备腐蚀，游离出许多铁离子，除产生红棕色外，还与水解糖内丹宁结合，生成紫黑色单宁铁；另外，葡萄糖与氨基酸在受热情况下也会产生黑色素等。使谷氨酸夹带大量的色素，致使中和液色泽较深，色素带入味精成品中将影响味精的色泽和纯度，因此要对中和液进行脱色处理。目前国内脱色方法主要有活性炭脱色和树脂脱色法。常用的活性炭有粉状活性炭和颗粒状活性炭，脱色的树脂常用弱酸性阳离子树脂122或通用1号，也可使用弱碱性阳离子交换树脂701或705。由于树脂脱色力较活性炭差，不能单独使用，故本设计采用活性炭脱色。

2 味精生产工艺计算

2.1工艺计算基础数据

设计任务书指出，本发酵车间年产6000t100%MSG（一水谷氨酸钠），生产天数为330天，其工艺技术指标如表2.1。

表2.1发酵法生产谷氨酸的工艺技术指标

下面，根据表2.1计算淀粉含量为86%的工业玉米淀粉在味精生产中的单耗（1t100%MSG计算）：

1000kg工业玉米淀粉实际生产100%MSG的量为：

1000×86%×1.11×98%×50%×99%×86%×90%×1.272=455.912kg 则生产1000kg100%MSG的实际工业玉米淀粉消耗量为：

1000×1000

=2193.406kg=2.193t

根据设计任务书及以上计算，得到原辅材料及动力单耗如表2.2。

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表2.2味精生产过程的原辅材料及动力单耗（1t100%MSG计算）

另外，设计任务书中指出的其他基础数据如下：

（1）二级种子培养基组成（g/100mL）：水解糖2.5%，糖蜜2.0%，尿素0.35%，磷酸氢二钾0.10%，硫酸镁0.06%，玉米浆0.5~1.0%，泡敌0.06%，硫酸锰0.2mg/100mL，硫酸亚铁0.2mg/100mL。

（2）发酵培养基组成（g/100mL）：水解糖16.4%，甘蔗糖蜜0.30%，硫酸镁0.06%，氯化钾0.08%，磷酸氢二钠0.02%，玉米浆0.20%，泡敌0.05%，硫酸锰0.2mg/100mL，硫酸亚铁0.2mg/100mL，植物油0.10%，接种量1%。

（3）发酵过程加液氨量为发酵液体积的2.8%，液氨密度为0.62kg/L，消泡剂相对密度为0.8。

（4）通气量：0.2VVM。

2.2发酵车间的物料衡算

首先计算产生1000kg100%的味精需耗用的原辅材料及其他物料量： （1）发酵液量V1：

V1=1000÷（164×50%×99%×86%×90%×1.272）=12.51（m3）

式中：164——发酵培养基初糖浓度（kg/m3）；

50%——糖酸转化率；

99%——除去倒罐率1%后的发酵成功率；

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86%——提取收率； 90%——精制收率；

1.272——味精对谷氨酸的理论产率。 （2）二级种子液量V2：

V2=1%V1=0.01×12.51m3=0.1251m3

（3）水解糖用量G：

以纯糖计算，发酵所需水解糖量：G1=V1×164=12.51×164=2051.64（kg）；

二级种子培养所需水解糖量：G2=V2×25=0.1251×25=3.1275（kg） 式中：25——二级种子液初糖浓度（kg/m3）。

则水解糖总用量为G=G1+G2=2051.64+3.1275=2054.7675（kg）。 （4）耗用淀粉原料量G淀粉

G淀粉=2054.7675÷（86%×98%×1.11）=2196.42（kg）

式中：86%——玉米淀粉中淀粉含量；

98%——淀粉糖化转化率； 1.11——葡萄糖对淀粉的理论产率。 （5）甘蔗糖蜜耗用量：

发酵所需甘蔗糖蜜量为：3.0×V1=3.0×12.51=37.53（kg）； 二级种子培养所需甘蔗糖蜜量：20×V2=20×0.1251=2.502（kg）； 则甘蔗糖蜜耗用量为：37.53+2.502=40.032（kg）。 （6）硫酸镁（MgSO4·7H2O）耗用量：

0.6（V1+V2）=0.6×（12.51+0.1251）=7.58（kg）

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（7）氯化钾耗用量：

0.8V1=0.8×12.51=10.008（kg）

（8）磷酸氢二钠（Na2HPO4·7H2O）耗用量：

0.2 V1=0.2×12.51=2.502（kg）

（9）玉米浆耗用量：

发酵所需玉米浆量为：2.0V1=2.0×12.51=25.02（kg）； 二级种子培养所需玉米浆量：8V2=8×0.1251=1.0（kg）； 则玉米浆耗用量为：25.02+1.0=26.02（kg）。 （10）泡敌耗用量：

0.5V1+0.6V2=0.5×12.51+0.6×0.1251=6.33（kg）；

泡敌密度为0.8kg/L，则泡敌耗用量以体积表示为：

6.33

=7.91（L） （11）硫酸锰耗用量：

2×10-3（V1+V2）=2×10-3×（12.51+0.1251）=25.27×10-3（kg）=25.27g （12）硫酸亚铁耗用量：

2×10-3（V1+V2）=2×10-3×（12.51+0.1251）=25.27×10-3（kg）=25.27g （13）植物油耗用量：

1.0V1=1.0×12.51=12.51（kg）

（14）尿素耗用量：

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3.5V2=3.5×0.1251=437.85×10-3（kg）=437.85g

（15）磷酸氢二钾耗用量：

1.0V2=1.0×0.1251=125.1×10-3（kg）=125.1g

（16）液氨耗用量：

28V1=28×12.51=350.28（kg）；

已知液氨密度为0.62kg/L，则液氨耗用量以体积表示为：

350.28

=564.97（L） （17）谷氨酸量：

发酵液中谷氨酸含量为：G1×50%×99%=2051.64×50%×90%=1015.56（kg）； 实际得到的谷氨酸量为：1015.56×86%=873.38（kg）。

已知味精生产任务为6000t/a，生产天数为330d/a，根据以上物料衡算结果，可求得6000t/a味精厂发酵车间的物料平衡，具体计算结果如表2.3所示。

表2.3 6000t/a味精厂发酵车间的物料平衡

物料名称（单位） 生产1000kg

100%MSG的物料量

发酵液（m3）

12.51

年物料量 每日物料量

75060 750.6 1.233×107 1.32×107 240192 45480 60048 15012 156120 47460

227.45 2.27 37359.409 39934.91 727.855 137.82 181.964 45.491 473.09 143.82

二级种子液（m3） 0.1251 水解糖（kg） 玉米淀粉（kg） 甘蔗糖蜜（kg） 硫酸镁（kg） 氯化钾（kg）

2054.7675 2196.42 40.032 7.58 10.008

磷酸氢二钠（kg） 2.502 玉米浆（kg） 泡敌（L）

26.02 7.91