年产4.0万吨味精工厂设计(共20页).docx

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1、精选优质文档-倾情为你奉上年产4.0万吨味精工厂工艺设计1前言味精是采用微生物发酵的方法由粮食制成的现代调味品，是L-谷氨酸单钠(Mono sodium glutamate)的一水化合物（HOOC-CH2CH(NH2)-COONaH20），具有旋光性，有D-型和L-型两种光学异构体。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，现在是广泛使用的鲜味剂。1987年3月，联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精

2、的食用限量，再次确认为一种安全可靠的食品添加剂1。关于味精的生产有着两种方式，发酵法和水解蛋白质法，用发酵法生产味精最想起源于日本，当时日本一家私人公司发明了这个方法，从那以后发酵法便广泛流传开来，截止到目前为止世界上所有国家仍然是以这种方法生产味精的。但是在很久以前我们是用水解蛋白质的方法来生产味精的。味精可以参与体内的各种代谢活动，比如糖代谢，蛋白质代谢，这些代谢活动对我们的中枢神经系统的正常运行时非常重要的，此外，味精在治疗神经运动性发作和癫痫病发作方面还是有一定作用的。长期食用谷氨酸对于我们智力的提高还是有一定效果的。但是味精确实有时候会存在一定的危害，但这种危害是因为对味精特性不够了

3、解，食用方法不当造成的，如果烹饪时温度超过了120的话，谷氨酸钠就会发生裂解变成焦谷氨酸钠，这种物质不但会减退鲜味，而且具有一定的毒性，但是我们只要注意味精的加入时间就不会出现这样的问题。此外，我们还需要注意味精不能与碱性物质一起使用，在碱性环境中味精会发生化学反应生成谷氨酸二钠的化合物，所以存放味精时注意不要和苏打放在一起。谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多、产品产量最大的产业2。味精是一种弱酸强碱盐，当它遇到水以后可以完全解离成钠离子和谷氨酸离子。当人们使用的味精到达胃部，由于胃酸的作用会生成谷氨酸。谷氨酸对人体是一种非常重要的氨基酸，它不但能够参与身体内的许多

4、化学反应而且可以与其他氨基酸协同作用，构成对人体有用的蛋白质。味精还具有其他功效，比如说他可以提高人们的食量，促进人体对对各种食物的消化吸收。味精是由大量的谷氨酸组成，谷氨酸又是一种构成人体蛋白质的非常重要的组分，所以说味精对于人体健康来说也有着非常重要的作用。谷氨酰胺具有解除人体代谢所产生的氨的毒害作用，而谷氨酰胺又可以由谷氨酸与血氨结合而产生，故味精对于治疗一些疾病具有积极的作用。本设计的工艺流程为：发酵预处理（包括种子培养、原料预处理和制无菌空气）发酵等电点提取中和制味精浓缩结晶精制分装。该处理工艺的结构紧凑简洁，运行控制比较灵活。是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

5、效益。2 工艺流程选择及说明2.1工程概况2.1.1工厂概况味精工厂生产一般的过程主要为：1、发酵预处理（包括种子培养、原料预处理，制无菌空气），2、发酵，3、等电点提取，4、中和制味精，5、浓缩结晶，6、精制分装。味精生产厂家一般都会设置糖化车间、发酵车间、提取车间还有精制车间作为主生产车间。另外，为了保障生产过程中的蒸汽需求，同时还会设置动力车间，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。还要设置供水站，以保障对水的需求。所供的水经消毒、过滤系统的处理，输送到各个生产需求部位。2.1.2设计依据1、生物工程工厂设计概论3。2、相关味精资料。2.1.3设计范围本工程的设计范围为

6、：生产味精的量达到年产4万吨的要求。2.1.4设计原则1、采用合理、成熟、先进的处理工艺，并且要具有显著的环境、社会和经济效益。2、工艺设计和设备选型能在生产运行过程中具有较大灵活性、能适应水质和水量的变化。3、运行过程中，要便于操作管理和维修，节省动力消耗和运行费用。2.2味精发酵工艺流程2.2.1建设规模生产味精的量达到年产4万吨左右。2.2.2处理工艺流程的选择1、味精生产过程可划分为四个工艺阶段。（1）淀粉水解糖的制备及原料的预处理：所谓的糖化就是利用淀粉水解酶将多糖水解为可利用的单糖，此过程称为糖化工序。所得到的发酵液就是淀粉水解糖。我们之所以将淀粉进行糖化处理，是因为淀粉是多糖，而

7、味精发酵所利用的菌株只能以单糖作为有用碳源，所以只有将淀粉水解之后才能被其利用。而目前国内使用较为广泛的水解方法是双酶裂解法。从60年代以来，国外在酶水解法制糖领域不断取得新的进展，由此使得酶水解法取得了很大突破，日本最早实现了工业化生产，之后其他国家也开始模仿这种先进的制糖技术，双酶解法所用到的酶具有高度专一性作用，复合和分解反应较少。双酶解法反应条件温和，采用酶法生产不仅可以大幅度的改善糖液的质量，而且还可提高糖液的浓度和淀粉的转化率，是目前应用最为广泛，效益最好的制糖方法。原料预处理的目的就在于提前毁坏原料的原始结构，从而提高原材料的利用率，其次还可以预防设备的磨损，以及事先除去原材料中

8、的比较大的杂质。筛选机是味精厂常用的杂质过滤装置，所用的筛形式转筒筛和震动筛，但是较为振动筛使用比较方便，因为其结构比较简单。一般而言，在预处理过程中，我们都需要事先将原材料细化，也就是将其磨碎，这样其原始结构在很大程度上就被破坏了。而常用的粉碎设备有辊式粉碎机和锤式粉碎机。每一种粉碎机都有其各自的特色，不同的粉碎机有着可处理相应的原料。辊式粉碎机的主要功能是将物料细碎和中碎，盘磨机大多用于豆类，玉米，大米的预处理，而锤式粉碎机一般应用于质地比较脆的薯类材料4。（2）谷氨酸发酵及种子扩大培养：味精生产工厂需要大量的种子，为了满足对种子的需求，味精厂通常都建设有种子发酵车间，以此来扩大培养目的种

9、子。扩大培养的工艺流程是先是在实验室中小试，即在培养基中进行斜面培养，经过活化后的种子在转移到液体培养基中，进行培养，如果是好氧型的种子还需要放到摇床中进行扩大培养，经过实验检测如果是我们需要的种子，便可以进行中试培养，即在不同的种子罐中进行培养，最终目的就是工业化发酵生产足够多的种子，以满足发酵的需求。在发酵进行之前，我们首先要做的就是制备培养种子所需要的培养基，为了避免杂菌污染我们还要对培养基进行常规的灭菌处理。用于培养基灭菌的工艺有多种。一般我们采用喷射加热器维持管真空冷却系统，此外我们还可以用连消塔维持罐喷射冷却系统。但是此系统还有一个缺点，就是维持管很容易被堵塞，因为发酵液粘稠度较大

10、，不容易流动。此外还由于这种设备的制作加工成本较高，因此使得他的使用在很大程度上都受到了制约。目前国内味精生产工厂使用较为广泛的是体积大小在50至200m之间的发酵罐，这种发酵罐通常具有搅拌装置和通风装置。但是这种发酵罐存在一系列的缺点，如检查仪器灵敏度弱导致仪表不能够及时反应发酵罐里的各种参数的变化，此外在整个发酵过程中需要很多人工操作的地方，导致成本加大。由于以上原因造成了发酵过程不稳定，产酸率波动性大。味精发酵工厂还应建设无菌空气制造车间，因为谷氨酸发酵过程中的菌种需要空气。无菌空气的制作过程是高空空气采集塔首先从高空中吸取一定量的洁净的空气，空气压缩机对这些空气进行加压处理后进入油水分

11、离器和空气冷凝器进行两级处理，之后再倒入空气储藏罐，在空气储藏罐中会对这些空气进行杀菌处理，所用到的过滤装置是由瓷环和焦炭填充的。经过这些过程处理后的空气才能送入发酵罐。在北方地区由于空气湿度小、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5。（3）谷氨酸的提取：目前关于谷氨酸的提取方法有很多种，如：离子交换膜电渗析法，盐酸水解等电点法，等电点锌盐法。但是一般应用范围较为广泛的是等电点离子交换法。然而所有这些提取方法都有着共同的缺点，研究技术难度较大，操作成本较高，无水排放量大，对环境造成的污染比较严重，因此限制了这些提取方法的进一步推广应用1。（4）味精成品加工及谷氨酸制取味精：

12、谷氨酸单钠是经过精制车间以谷氨酸为原料进行加工而成的，这就是我们所说的味精。谷氨酸单钠再经过一系列的包装，加工，提纯后就的到了成品。在得到成品的过程中还有一道脱色的工序，我们可以利用离子交换树脂，炭柱等材料吸取味精中和液中的色素。如果是小规模生产，我们可以利用箱式烘房干燥技术来干燥味精，因为其投资较低且设备简单。但是如果是大规模生产，箱式烘房干燥技术就不适用了，这时我们可以采用气流干燥技术，干燥时间短，干燥速度快，且产量大。但是这种技术存在一定的局限性，因为如果采用这种干燥技术就会增加厂房建设费用，提高生产成本，所以我们最终选用振动干燥床5。2、与这四个工艺阶段相对应的味精生产厂家一般都会设置

13、糖化车间、发酵车间、提取车间还有精制车间作为主生产车间。另外，为了保障生产过程中的蒸汽需求，同时还会设置动力车间，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。还要设置供水站，以保障对水的需求。所供的水经消毒、过滤系统的处理，输送到各个生产需求部位。2.2.3处理工艺路线的确定通过上述分析比较，其工艺流程如图2.1所示。斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养预处理水解过滤淀粉水解糖配料发酵空气压缩机冷却气液分离过滤除菌等电点调节沉淀离心粗谷氨酸溶解中和制味精 母液离子交换处理粗谷氨酸溶液粗谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精图2.1 味精厂生产工

14、艺2配料罐定容罐二级种子罐实消降温二级种子培养消泡剂水无机盐糖蜜玉米浆纯生物素氮液消泡剂水无机盐糖蜜玉米浆纯生物素一级种子斜面无菌空气发酵罐葡萄糖定容罐连消器维持罐换热器消泡剂高浓度糖液液氨图2.2 谷氨酸发酵的工艺流程63工艺流程计算3.1味精厂计算与构筑物设计3.1.1 基础数据及工艺技术指标（1）主要技术指标指标名称单位指标数倒灌率%1.0糖酸转化率%48淀粉糖转化率%95麸酸谷氨酸含量%90谷氨酸提取率%80发酵周期h48产品质量%99生产天数d/a300生产规模t/a40000发酵初糖Kg/m3150生产方法等电点离子交换提取味精对谷氨酸产率%112产品日均产量t/d134（2）接种

15、量5%。（3）发酵培养基：尿素40 g/L，硫酸锰0.002 g/L，糖蜜4 g/L，氯化钾0.8 g/L，水解糖100 g/L，硫酸亚铁0.002 g/L，碳酸氢二钠0.2 g/L，植物油1.0 g/L，泡敌0.6 g/L。（4）二级种子培养基：泡敌0.6 g/L，硫酸镁0.6 g/L，糖蜜20 g/L，水解糖23 g/L，玉米浆6 g/L，硫酸亚铁0.002 g/L，磷酸氢二钾1.0 g/L，尿素3.5 g/L，硫酸镁0.002 g/L。（5）主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80%，含水14%。3.1.2 谷氨酸发酵车间的物料衡算为了计算方便，首先需要计算出生产1吨100%纯度的味

16、精所需要的各种物料的量。（1）计算V1，V1是发酵液量： 式中：味精对谷氨酸的精制产率112%除去倒灌率1%后的发酵成功率99%谷氨酸提取率80%糖酸转化率48%发酵培养基初糖浓度（kg/m3）150（2）配制发酵液所需要的水解糖的量G1：（3）配制二级种液量 V2： （4）配制二级种子培养液所需的水解糖量G2：二级种子培养基水解糖含量23 g/L（5）生产1吨味精一共需要的水解糖量为G： （6）需要消耗的尿素量为V尿： V尿=V3+V4 二级种子培养液消耗尿素量V3 发酵培养基消耗尿素量V4所以一共需要消耗的尿素量为V尿=V3+V4=2.74+626.4=629.14（Kg）（7）所需要消耗

17、的淀粉总量为G淀粉：一般而言，100kg淀粉经过发酵后可以转化成111 kg葡萄糖单糖，所以我们需要的淀粉理论上为G淀粉：式中：淀粉糖转化率为95% 淀粉原料含淀粉量为80%（8）糖蜜需用量的计算： 发酵培养基消耗糖蜜量为V5 二级种子培养液消耗糖蜜量为V6 糖蜜消耗总量为V糖蜜=V5+V6 V糖蜜=V5+V6=62.64+15.66=78.3（Kg）（9）需要消耗的植物油量为G3：（10）需要消耗的七水硫酸镁量为G4：（11）需要消耗氯化钾的量为G氯化钾： （12）需要的泡敌量为G5： （13）需要七水磷酸氢二钠的量为G6：（14）需要麸酸谷氨酸的量为G麸： 发酵液产生的谷氨酸量为： 以谷氨

18、酸提取率为80%来计算，试剂产生的谷氨酸量为： G麸= 3.1.3 40000吨/年的味精工厂发酵车间物料衡算在上面的衡算过程中我们已经计算过了生产1吨的味精所需要消耗的各种物料的量，由此我们可以求得生产40000吨味精需要消耗的物料的量。 详细计算结果如下表：物料名称生产1t味精（100%）的物料量40000t/a味精生产的物料量每日物料量泡敌（kg）9.393.761051.25103氯化钾（kg）12.535.011051.67103糖蜜（kg）78.33.131061.04104发酵水解用糖（kg）23499.401073.13105水解糖总量（kg）2376.019.501073.1

19、7105植物油（kg）23.59.41053.13103硫酸镁（kg）9.873.951051.32103谷氨酸（kg）892.963.571071.19105淀粉（kg）2816.51.131083.76105发酵液（m3）15.666.261052.09103尿素（kg）629.142.521078.39104二级种液（m3）0.7833.131041.04102磷酸氢二钠（kg）3.131.251054.17102二级种培养用糖（kg）18.017.201052.401033.1.4 设备选型与设计1、发酵罐（1）关于发酵罐大的选择：应该选用机械搅拌涡轮通风发酵罐。（2）接下来需要计算所

20、需要的发酵罐体积，数量，平均生产能力。A选用的发酵罐体积为200立方米；B根据年产量40000吨味精，计算得到日均产量需要为134吨，此味精的纯度为99%，而每生产1吨纯度100%的味精都需要15.66立方米的糖液，由此计算每天需要的糖液量为V每糖。假设每个发酵罐只有70%的空间可以利用，即填充常数为0.7；由此可以计算出每天所需要的发酵罐的总体积V0，已知发酵周期为48小时。C选用的发酵罐其公称体积是200立方米，但是其总体积是230立方米，由此可以确定发酵罐的个数： N1：发酵罐个数 t：发酵周期由数据的需要公称体积为200立方米的发酵罐30个，但是出于额外的考虑应该选31个。若以公称体积

21、为200立方米的机械六弯叶通风发酵罐为例，则每天需要这样的发酵罐个数为N0：N0= V0200=14.83个，取为15个。为了满足生产要求，往往需要计算富裕量， 由此计算得出富裕量为：由此可以看出选为15个可以满足年产40000吨味精的生产要求。（3）发酵罐主要的尺寸计算：发酵罐高度与直径之比为H：D=2：1，联立方程计算出发酵罐的高度与直径：由 得 ；再由 H：D=2：1；得 。解得 ，可以将D视为5.0米，则H就为10米。发酵罐全容积验证：只要V全=V全，则就证明此发酵罐复合要求。 发酵罐容积计算：封头高度为：计算封头容积：V封=16.4（m3）计算发酵罐圆柱部分的体积为：V筒=197m3

22、说明这样的设计是合理的，因为他们的体积几乎相等。（4）我们先用六弯叶涡轮搅拌器，这种搅拌器流体类型为径向流，在有挡板时可从桨叶为界形成上下两循环流，具有高剪切力和较大的循环能，其中剪切力最大的是直叶开启涡轮式，剪切力最小的是弯叶开启涡轮式，斜叶开启涡轮居中。因此直叶开启涡轮更适合分散操作过程。弯叶排出性能更好，且桨叶不易磨损，更适合用于固定悬浮。对于固体溶解也是很适合的。其它搅拌操作过程，他们都能用的上，所以操作过程范围最广的是涡轮式搅拌器，适用粘度范围51042000kg/m3，通常运转速n=10-300rpm，v4-100m/s。最高转速可达600rpm。这种搅拌器的罐径与各部分的搅拌器尺

23、寸都是存在一定关系的： 弯叶的板厚度：=12（mm）叶片之间的距离：叶片的弦的长度：叶盘距离：底端距离：弧长度：叶片宽度：搅拌器的叶子直径：搅拌器的叶子直径：可以近似为d=1.7米。（5）发酵罐冷却面积的计算味精工厂中谷氨酸发酵会产生很大的热量，几乎每一个小时，每一立方米的谷氨酸发酵液就能产生大约为4.186000kJ/(m3h)的热量7，这些热量如果不能及时的传递出去的话后果不堪设想，尤其是对发酵罐的损害是极为严重的，所以我们需要一些吸收热量的装置及时将热量传递出去。本设计采用的是蛇管竖式换热器，K的取值为4.18500 kJ/(m3h)。设平均温度差为tm：带入这些数据得：因为选用的是体积

24、为200立方米的发酵罐，而每罐实际装液量为：（6）关于发酵罐中搅拌器的功率确定低浓度的淀粉水解糖醪液由于其黏度不是很大，满足看做是牛顿流体的条件。1） 关于雷诺系数Re的计算式中 醪液的粘度，=1.310-3Ns/m2 醪液的密度，=1050 kg/m3 搅拌器旋转速度N， 搅拌器的直径D，D=1.7m将相关数据带入以上等式中得：由于雷诺系数大于了10000，所以该流体应该视为湍流，搅拌器的功率准数Np为4.7，2） 在不通气的时候搅拌器的功率为P0：式中 Np是湍流搅拌条件下的搅拌准数，取值为4.7 醪液密度取值为1050kg/m3 旋转速度N取值为1.33r/s 搅拌器直径D取值为1.7米

25、将以上数据带入表达式计算得：3） 关于通风情况下搅拌器轴功率Pg的计算：式中 无风时搅拌器的轴功率为P0， 搅拌器直径D取值为D3=1.73106=4.9106 搅拌器旋转素的为80r/min 通风量用Q来表示则 将上述结果带入式中得：4） 电动机功率P的计算：滑动轴承传动3=0.98，滚动轴承传动2=0.99，三角带传动1=0.92；在端面增加 密封装置的功率为1%，将这些数据带入到上式中：（7）关于设备结构的工艺计算1） 冷却装置采用竖式蛇管形式布置2） 为了能够有效处理发酵罐与轴的动静问题我们采用的是在罐的两面用机械的方法密封。3） 我们这个发酵罐不用设置挡板，因为发酵罐里设有竖式冷却蛇

26、管和扶梯4） 本发酵罐采用的是单一管道通风在最大负载情况下消耗的水量为W式中 Q总总的产生的热量，是指1立方米的发酵液，在发酵条件最适的情况下，在一个小时内的产热量与发酵液总容积相乘。无缝管的选取，经查看金属材料表，应该选择894mm的无缝钢管，因为，故可以认为这个直径的钢管复合要求，。 在前面我们已经计算出了冷却管的总面积，可以以此为已知条件计算冷却管的总长度L。F=296.9平方米目前所选用的894mm的无缝钢管，其每米长的有效冷却面积为由此可得：冷却管所占去的体积为： 冷却管高度和冷却管长度L0：此外还需要接8米长的冷却管：竖直排式的冷却蛇管的高度可以看做是静止液面的高度，而且蛇管下部也

27、可以插入封头250毫米深处，假设在发酵罐中所有附件额外占有的体积为0.5立方米，那么一共占去的体积为：而圆柱筒体的液面深度为：由此计算可得竖式蛇管总高度为：蛇管两端弯曲部分的总高为600毫米，竖式蛇形管两端的总长度为：由以上条件可以计算出只管的高度为：由以上条件又可以得出一圈蛇形管的总长度为：每组蛇形管需要盘绕的圈数n0:在前面我们已经计算出了冷却面积为F=232.5m2，所以这样的设计是可以满足要求的。（8）关于设备材料质地的选择8关于设备材料的选择有以下几条标准，经久耐用，经济实惠，以此来降低生产成本，所以我们选择的是A3钢。（9）关于发酵罐铁壁厚度的计算1） 关于发酵罐壁厚S的确定式中

28、P代表设计压力，但是在实际操作中我们应该取P的1.05倍以确保发酵罐的安全，所以在此P应该等于0.4兆帕。 壁厚附加厚度用C来表示 壁间焊接的缝隙厚度用来表示 发酵罐内直径为用D来表示，取值为500厘米 A3型号的钢材所能够承受的应力为127兆帕，用表示式中 钢板负偏差用C1表示，取值为0.8毫米 发酵液腐蚀余量用C2表示，取值为2毫米 加工减薄量用C3表示，取值为0毫米所以我们应该选择厚度为14毫米的A3型号的钢材。2） 关于封头厚度的计算：关于椭圆形的封头厚度计算，我们可以利用一下公式计算：式中：P取值为0.4兆帕 D取值为500厘米 经计算的出C值为0.38厘米 取值为127兆帕 取值为

29、0.7最后得出：（9） 接管的设计1） 关于接管长度h的设计是依据各个接管是否含有保湿层和根据接管的直径共同决定的，一般取值为100200毫米之间。2） 关于接管直径的计算：按照排料管大小计算：该发酵罐的实际装醪量为135立方米，如果假定让其在4小时内拍完醪液，则物料的体积流速为：假设发酵液流淌的速度为v=1米/秒时，那么排料管的横截面积为F物，排料管直径为：选取1334mm的无缝管，由于125毫米118毫米，故认为此无缝管复合要求。如果按照通风管来计算的话，将空气压缩在0.4兆帕的条件下，其支路管道的气体流速为2025米/秒。在20摄氏度，0.1兆帕的常温常压下，通风比为0.10。18vvm

30、，但是我们需要将其换算成气压为0.4兆帕，温度为30摄氏度的条件下的取值。取风量Q1的最大值，则：工作状态下的通风量可以用理想气态方程式得出：假定通风速度为25米/秒，那么通风管的横截面积Ff为：那么通风管的直径d气为：因为通风管还有一种排料的功能，为了满足工业生产上的需求，在选择无缝钢管时我们应该选择较大的那一个。选用1334毫米的无缝钢管。排料时间的计算，由排料时间计算公式：t=2P经过前面的计算我们已经知道Q=0.0108m3/s，发酵液流速为v=1m/s； 排料管的横截面积为：将上述数据全部带入排料时间计算公式得出：排料时间为1.8小时。参考文献1张克旭氨基酸发酵工艺学，中国轻工业出版社，1992：279-280。2张启先我国发酵工业发展现伏与对策科技导报，1992（2）：44-45。3吴思芳.生物工程工厂设计概论,中国轻工业出版社,1995.4高孔荣发酵设备，中国轻工业出版社，1991：1-5。5王旭 禹郑超味精发酵生产工艺及其主要设备，高等函授学报（自然科学版），1995（4）：45-48。6伦世仪.生化工程,北京轻工业出版社,1992.7吴思方发酵工厂工艺设计概论，中国轻工业出版，1995。8华南工学院，发酵工程与设备，北京轻工业出版社，1981。专心-专注-专业