年产11万吨味精工厂初步工艺设计.docx
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年产11万吨味精工厂初步工艺设计
年产11万吨味精工厂初步工艺设计
味精自问世以来,发展迅速,现在已经成为应用喊广泛的调味品。
味精是我国新兴的发酵工业中规模最大的产品,在食品和生物技术领域中占有重要地位。
我国在本世纪六十年代,由于将生物工程应用于味精生产中,使味精生产能力和工艺技术水平取得突破性发展。
目前我国味精产量和质量已跃居世界首位。
味精主要以玉米淀粉为原料,其工艺流程为:
玉米淀粉→糖化→葡萄糖→谷氨酸发酵→谷氨酸→提取→粗谷氨酸→中和、加入食用纯碱→谷氨酸钠→精致→谷氨酸钠成品(味精)。
其中谷氨酸发酵的工艺流程为:
经连续消毒的培养基(玉米浆、无机盐、葡萄糖、生物素→在无菌空气中接入三级种子培养的菌种进行发酵→谷氨酸。
设计采用传统工艺,利用玉米淀粉水解制成的葡萄糖液进行谷氨酸发酵。
经中和、除铁、脱色等步骤生产目标产品——味精。
本设计的重点是产品的物料衡算,热量衡算,同时工艺流程及设备选型等设计。
本设计的重点车间为发酵工艺车间,重点设备为糖化,煮沸,发酵设备。
该论文设计的目的是从生产实际出发,确保生产的各个环节中使用较少的人力、物力、财力取得较大的经济效益。
此为本设计的指导思想,亦是本设计最主要的特点。
同时本设计从节约用地出发,充分利用厂房设备来安排产品,对于那些类型不相同,生产设备,生产条件十分相同,甚至是用同一厂房,设备来生产不同产品。
本设计为“年产2.2万吨味精发酵工厂设计”,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。
该生产工艺和设备具有很强的典型性,本论文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍,以期有助于了解通气发酵工艺及主要设备的有关知识。
关键词:
味精;设计;发酵工艺
第一章引言
味精,又称味素,是中国人最常用的调味品之一,主要的作用是增加食品的鲜味,也可用与汤和调味汁。
从生理生化功能来讲,味精被食用后,在体内转化为谷氨酸,被消化吸收构成蛋白质,并参与体内其他代谢过程,有较高的营养价值,它虽是一种非必需氨基酸,但在脱氨基、脱羧、解氨等反应中起着重要作用。
我国味精工业至今已走过了一百多年的发展历程,近几年来我国味精产量一直稳居世界第一。
而使用发酵法进行连续大规模生产味精既能减少成本,而且降低环境污染,实现收益最大化。
故本设计进行年产2.2万吨味精工厂初步工艺设计旨在理论上和实际模拟的基础上提供理论上的支持。
由于本人水平有限,希望各位老师对本设计的不足给予指正。
1.1味精简介
味精化学名称L-谷氨酸钠,采用微生物发酵方法生产,外观为白色粉末,易溶于水,是一种无色无味的晶体。
分子式为C5H8NO4Na·H2O,分子量187.13,为斜方晶系、柱状八面体,离子相对密度1.635,具有旋光性[1]。
1.2味精与健康
L-谷氨酸是蛋白质的主要构成成分。
谷氨酸盐普遍存在于自然界中,人们日常饮食中以及人的体内都含有谷氨酸盐。
一般谷氨酸盐在牛奶、乳酪和肉类等富含蛋白质的食物中含量比较高。
此外一些蔬菜也有相当高的谷氨酸盐存在。
味精的使用对人类是有益的,但每人每天摄入量过多是否会影响人体健康成为人们争议的话题。
在对味精进行一系列毒性试验后,联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)宣布:
取消味精的食用限量。
即得出结论,味精的使用量并不会对人体健康造成影响,消费者可以根据自身口味进行添加味精。
1.3味精工业发展历程
1861年德国的立好生从小麦面筋中用硫酸水解,最先分离出谷氨酸;1872年Dittmer推定出谷氨酸结构;1908年日本东大教授池田菊苗从海带煮出汁第一次提取出谷氨酸钠,创造了新的人工调味料,获得专利。
1909年池田与铃木三郎助合作工业化生产味精,从此诞生味精工业;1923年中国上海天厨味精厂上市,采用水解法生产味精。
直到1958年日本木下祝郎等以发酵法制谷氨酸研究成功,敲开了发酵法生产味精的大门。
从60年代到现在,世界各国味精厂逐步兴起发酵法生产味精[2]。
1.4中国味精发展现状及发展方向
1.4.1中国味精发展现状
⑴产量增长快
⑵现代化味精生产厂发展迅速
⑶技术水平处于世界领先水平
⑷三废处理得当,污染小
⑸味精生产成本低,市场竞争力大,出口增加[3]
1.4.2中国味精工业存在问题
⑴研发投入少
⑵环境治理不彻底,需要提高完善
⑶盲目扩张引发行业内竞争激烈,行业整体利润越来越低
⑷生产设计不正规,盲目投资给企业带来巨大问题[4]
⑸连续化、自动化水平低,不利于现代化管理
1.4.3中国工业味精发展方向
⑴专业与相关多元化发展
⑵加大三废治理的投入,节能减排
⑶加大对研发的投入,提高创新能力
⑷提高自动化水平,实现现代化生产
⑸深化改革,友好合作,提高国际竞争力[5]
1.5味精生产工艺
1.5.1淀粉糖化工艺
比较常用的淀粉糖化方法有酸解法、酶酸法和酶解法。
三种糖化工艺各有优缺点。
酸解法是传统制糖方法。
它利用无机酸为催化剂,在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖;酶酸法是将淀粉先用酶液化,然后用酸水解成葡萄糖;酶解法也叫双酶法,是通过淀粉酶液化和糖化酶糖化将淀粉转化为葡萄糖。
本设计采用酶解法,该方法所得糖液纯度高,从各方面条件来看,此法最好。
1.5.2发酵工艺
谷氨酸发酵工艺有以下几种:
谷氨酸一次高中糖发酵工艺,此方法有利于提高谷氨酸产量和设备利用率,也有利于节约原材料与能源消耗,但是初糖浓度高,环境渗透压高;亚适量生物素流加糖发酵工艺,此方法产酸与转化率和设备利用率,经济效益明显;高生物素添加青霉素流加糖发酵工艺,此法与“亚适量”工艺比较,具有产酸速度快、产酸高、转化率高、发酵周期短、设备利用率高等优点,是国外普遍采用的方法。
本设计采用亚适量生物素流加糖发酵的方法[6]。
1.5.3提取工艺
从发酵液提取谷氨酸的方法有很多,等电点法、离子交换法、锌盐法、钙盐法等。
本设计采用等电点法,此法具有提取率高,减少酸碱消耗等优点。
1.5.4精制工艺
得到谷氨酸经过水解、,用碱中和、脱色、除离子,再经蒸发、结晶、分离、干燥、筛选等操作得到精致味精,最后经过包装得到商品味精[7]。
第二章工厂设计概论
2.1工厂设计参数
味精外观为白色结晶粉末,颗粒状大小。
目前我国生产的味精从结晶形状分有粉状结晶或柱状结晶;根据谷氨酸钠含量不同分为60%、80%、90%、95%、99%等不同规格,其中以80%及99%二种规格最多。
本设计味精产品中99%规格的MSG占85%,80%规格的MSG占15%,其他参数见表
表2-1味精工厂设计主要技术参数
序号
生产工序
参数名称
指标
1
制糖(双酶法)
淀粉糖化转化率(%)
97
2
发酵
产酸率(g/dl)
12.0
3
发酵
糖酸转化率(%)
51.5
4
谷氨酸提取
提取收率(%)
96
5
精制
收率(%)
95
6
发酵
操作周期(h)
46
2.2味精生产工艺流程
第三章基础衡算
3.1物料衡算
物料衡算是根据质量守恒定律而建立起来的,物料衡算是进入系统的全部物料重量等于离开该系统的全部物料重量,即:
∑F=∑D+W.(3-1)
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(㎏)
3.1.1生产过程的总物料衡算
⑴生产能力
本设计中所给的是年产量为11万吨的味精生产,折算为100%的MSG的量为:
11×85%×99%+11×15%×80%=115380(吨)
一处全年生产日为320天,则日产商品味精:
110000/320=375(t/d),(其中99%MSG:
100980吨,80%MSG:
14400吨)
日产100%MSG的量:
115380/320=360.5625(t/d)
⑵总物料衡算
本设计是以淀粉为主要原料,以5000㎏纯淀粉为例计算。
15000㎏纯淀粉理论上产100%MSG含量:
5000×1.11×81.7%×1.272=5767.69(㎏)
其中:
1.11-淀粉水解理论转化率。
81.7%-糖酸理论转化率。
1.272-精制理论收率。
②5000㎏纯淀粉实际产100%MSG含量:
5000×1.11×97%×55.5%×96%×95%×1.272=3648.51(㎏)
其中:
97%为淀粉糖化转化率。
55.5%为发酵时糖酸转化率。
.
96%为谷氨酸提取收率。
95%为精制收率。
③5000㎏工业淀粉产100%谷氨酸量:
3648.51×86%=3137.72(㎏)
④淀粉单耗:
5t100%谷氨酸消耗淀粉量:
5t100%MSG实际消耗工业淀粉量:
5t100%MSG理论上消耗纯淀粉量:
5t100%MSG理论上消耗工业淀粉量:
⑤总收率:
⑥淀粉利用率:
⑦生产过程总损失:
物料在生产过程中损失的原因:
a.糖化转化率未达到100%。
b.发酵过程中部分糖消耗于长菌体及呼吸代谢,残糖高,灭菌损失,产生其他物
质。
c.提取后母液中Glu含量高。
d.精制加工过程损耗及产生焦谷氨酸钠等。
⑧原料及中间品计算
a.淀粉用量
b.糖化液量
折算为24%的糖液:
c.发酵液量:
纯Glu量:
折算成8g/dl的发酵液:
=3713.63(m³)
(1.05为发酵液的相对密度)
d.提取Glu量:
纯Glu量:
297.09×89%=264.41(t/d)
折算为90%的Glu量:
(t/d)
e.Glu废母液量(采用等电—新离子回收法,以排出之废母液含Glu0.7g/dl
计算):
⑶总物料衡算结果
表3-1年产11万吨味精总物料衡算结果列汇总(工业原料淀粉含量86%)
原料
项目
淀粉原料
生产1t100%MSG(t)
生产12万吨MSG(t/d)
工业原料
1.594
574.74
糖液(24%)(t)
8.006
2171.71
谷氨酸(90%)(t)
0.9394
293.789
MSG(100%)(t)
1.0
360.56
排出含7%谷氨酸废母液
16.47
4668.57
3.1.2制糖工序的物料衡算
⑴淀粉浆量及水量:
淀粉加水比例为1:
2.5。
5000㎏工业淀粉产淀粉浆为:
5000×(1+2.5)=17500(㎏),加水量为12500㎏。
⑵粉浆干物质浓度
⑶液化酶量:
使用液体α—淀粉酶(占淀粉总量的0.25%)
17500×0.25%=43.75(㎏)
⑷CaCl2量:
17500×0.25%=43.75(㎏)
⑸糖化酶量:
(用液体糖化酶)
17500×0.25%=43.75(㎏)
⑹糖化液产量:
24%糖液的相对密度为1.09则体积为
⑺加珍珠岩量:
(为糖液的0.15%)
⑻滤渣产量:
含水70%废珍珠岩
⑼生产过程进入的蒸汽和洗水量:
18895+94.5-17500-(43.75×3)-28.35=1329.9(㎏)
⑽衡算结果:
根据物料衡算,日投入工业淀粉640.95吨,物料衡算汇总列表:
表3-2制糖工序物料衡算汇总
项目
进入系统物料比例
(kg)
日投料量
(kg)
项目
离开系统物料比例
(kg)
日投料量
(kg)
工业淀粉
5000
640950
糖液
18895
242215
配料水
12500
1602375
液化酶
43.75
1121.7
CaCl2
43.75
1121.7
滤渣
94.5
12115
糖化酶
43.75
1121.7
珍珠岩
28.34
726.8
洗水和蒸汽
265.98
34096
累计
18989.5
2434265
18989.5
2434265
3.1.3连续灭菌和发酵工序的物料衡算
⑴发酵培养基数量:
①5000㎏工业淀粉,得到24%的糖液18895㎏,发酵初始糖浓度16.4g/dl,其数量为:
16.4g/dl的糖液相对密度为1.06,糖液质量为:
27651×1.06=29310(㎏)
②配料
按放罐体积计算:
玉米浆:
23496×0.2%(w/v)=46.99(㎏)
甘蔗糖蜜:
23496×0.3%(w/v)=14.1(㎏)
无机盐(P、Mg、K等)4699×0.2%(w/v)=70.49(㎏)
配料用水:
配料时培养基中含糖量不低于19%,向24%的糖液中加水量为:
③灭菌过程中加入蒸汽量及补水量:
29310-18895-4972.37-46.99×2-70.49=5278.16(㎏)
④发酵零小时数量验算:
18895+70.49+46.99×2+4972.37+5278.16=29310(㎏)
其体积为:
⑵接种量:
23496×1%(w/v)=234.96(L).
234.96×1.06=249.06(㎏)
⑶发酵过程加液氨数量
为发酵液体积的2.8%.则液氨的量为:
23496×2.8(w/v)=657.888(㎏)
液氨溶重为0.62㎏/L,则液氨的体积为:
⑷加消泡剂的量
、
为发酵液的0.05%,消泡剂的量为:
23496×0.05%(w/v)=11.745(㎏)
消泡剂的相对密度为0.8,其体积为:
发酵过程从排风带到走的水分
进风25℃,相对湿度ϕ=70%,水蒸汽分压18㎜Hg(1mmHg=133.322Pa)排风32℃,相对湿度ϕ=100%,水蒸汽分压27㎜Hg,进罐空气的压力为1.5大气压(表压)(1大气压=1.01325Pa),排风0.5大气压(表压),出空气的湿含量差:
X出—X(㎏水/㎏绝干空气)
通风比1:
0.2,带走水量:
23496×0.2×60×36×1.157×0.001×0.01=117.44(㎏)
式中1.157为32℃时干空气密度(㎏/m3)
过程分析:
放残留及其他损失:
260㎏。
⑹发酵终止时的数量:
29310+249.06+657.888+11.745-117.44-260=29851.25(㎏)
⑺衡算结果汇总:
年产11万吨商品味精日投工业淀粉640.95吨,连续灭菌和发酵工序的物料衡算总列于表中。
表3-3连续灭菌和发酵工序物料衡算汇总
项目
进入系统1t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
项目
离开系统1t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
24%糖液
18895
484.38
发酵液
29851.25
765.3
玉米浆
46.99
1.2
空气带走水量
117
2.9
甘蔗糖蜜
70.49
1.8
无机盐
9.4
1.2
配料水
4972.37
127.5
过程分析、放罐残留及其他损失
260
6.7
灭菌过程进气、水
15278.16
135.3
接种量
249.06
6.4
液氮
657.89
16.9
消泡剂
11.74
0.3
累计
18135.42
774.9
累计
30228.5
774.9
3.1.4谷氨酸提取工序的物料衡算
按5000㎏工业淀粉计算:
1发酵液数量:
23496L,29851.25㎏.
⑵加98%硫酸量:
为发酵液的3.6%(w/v)
23496×3.6%=845(㎏)
98%硫酸的相对密度1.84,故其体积为:
⑶谷氨酸产量:
1分离前谷氨酸量:
100%Glu量:
23496×11%(w/v)=2584.56(㎏)
2分离后谷氨酸量:
100%的Glu量:
2584.56×89%=2300(㎏)
90%的Glu量:
⑷母液数量:
母液含Glu0.7g/dl则母液的体积为:
⑸谷氨酸分离洗水量:
2555×20%=511(L)
⑹母液回收过程中用水以及酸、碱等数量:
40651+2555-29851.25-845-511=11998.75
⑺物料衡算结果
根据以上计算,再乘以574.74即得出每日之物料量,汇总列入表中。
表3-4谷氨酸提取工序物料衡算汇总
项目
进入系统1t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
项目
离开系统1t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
发酵液
29851.25
765.4
90%谷氨酸
2555
65.5
H2SO4
845
21.7
分离用水
511
13
母液
40651
1041.8
回收加水
11998.75
307.2
累计
43206
1107.3
累计
43206
1107.3
3.1.5精制工序的物料衡算
⑴谷氨酸数量:
100%Glu2300㎏,90%Glu2555㎏
⑵Na2CO3量:
2加活性炭量:
2555×0.3%=7.665(㎏)
⑷中和液数量:
式中1.16为含40%(w/v)MSG溶液的相对密度(20℃)
⑸中和加水量:
8484.24-2555-7.665-935.13=4986.45(㎏)
⑹产MSG量:
100%MSG量,精制收率94%,产100%MSG量为:
2300×1.272×94%=2750.1(㎏)
⑺产母液量:
母液平均含MSG量25%(w/v)
母液的相对密度为1.1,则其质量为:
819.17×1.11=909.28(㎏)
⑻废湿活性炭数量:
湿炭含水75%
⑼MSG分离调水洗水量:
2750.1×5%=137.5(㎏)
⑽中和脱色液在结晶蒸发过程中蒸发出的水量:
8484.24+137.5-2750.1-909.28-30.66=4951.7(㎏)
⑾年产11万吨商品味精日投工业淀粉574.74吨,精制工序的物料衡算汇总
表3-5精制工序物料衡算汇总表
项目
进入系统5t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
项目
离开系统5t工业淀粉匹配物料(kg)
t/d
90%Glu
2555
53.35
100%Glu
2750.1
57.42
Na2CO3
935.13
19.52
母液
909.28
18.98
活性炭
7.665
0.16
废炭
30.66
0.64
中和加水
4986.45
104.11
蒸发水量
4931.7
102.97
分离洗水量
137.5
2.87
累计
8621.7
180
累计
8621.7
180
3.2热量衡算
热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的热平衡方程表示如下:
Q1+Q2+Q3=Q4+Q5+Q6(3-2)
式中:
Q1—物料带入的热量(J)
Q2—蒸汽热量(J)
Q3—各种热效应,如发酵热,稀释热,溶解热等(J)
Q4—物料带走热量(J)
Q5—消耗设备上热量(J)
Q6—设备向外界散失热量(J)
3.2.1液化工序热量衡算
⑴液化加热蒸汽量
(3-3)
加热蒸汽消耗量(D)可按下式计算
式中:
G—淀粉浆量(㎏/h)
C—淀粉浆比热容[KJ/(㎏·℃)]
t1—浆料初温(20+273=293K)
t2—液化温度(90+273=363K)
I—加热蒸汽焓2738KJ/㎏(0.3mPa表压)
λ—加热蒸汽凝结水的焓,在363K时为377KJ/㎏
①淀粉浆量G:
根据物料衡算,日投工业淀粉574.74t,连续液化
加为1:
2.5,粉浆量为:
②粉浆干物质浓度:
③粉浆比热C可按下式计算
(3-4)
④蒸汽用量:
(2)灭酶用蒸汽量
灭酶时将液化液由90℃加热至100℃,在100℃时的λ为419
D灭==284.5(kg/h)
要求在20min内使液化液由90℃升温至100℃,则蒸汽高峰量为:
以上两项合计,平均量1956+284.5=2240.5(㎏/h)=2.24(t/d);每日用量:
2.24×24=53.76(t/d)
高峰量:
1956+853.5=2809.5(㎏/h)=2.810(t/d)
⑶液化液冷却用水
使用板框换热器,将物料由100℃降至65℃,使用二次水,冷却水进口温度20℃,出水温度58.7℃,需冷却水量(W)为
3.2.2糖化工序热量衡算
⑴糖化罐数量计算:
日产24%的糖液2171.71吨,即,糖化操作周期30h,其中糖化时间25h,糖化罐100m³,装料系数0.75,需糖化罐数:
⑵液化液冷却用水
使用板式换热器,使糖化液由85℃降至60℃,用二次水冷却,冷却水进口温度为20℃,出口温度为45℃,平均用水量为:
式中20930.5为糖化液量(糖化液量=液化液+蒸汽冷凝水=18690+2240.5=20930.5)
要求在2h内把75m3液糖液冷却到60℃,高峰用水量为:
每日糖化罐同时运转:
每投放料罐次:
每日冷却水用量:
2×34.5×5.93=409.17(t/d)
3.2.3连续灭菌和发酵工序热量衡算
⑴培养液连续灭菌用蒸汽量:
发酵罐200m3装料系数0.7,每罐产100%MSG量:
200×0.7×11%×89%×94%×1.272=16.39(t)
年产味精12万吨,日产MSG360.56吨。
发酵操作时间48h(其中发酵时间38h)需发酵罐台数:
每日投(放)料罐次:
日运转:
每罐初始体积140m3糖浓度16.4g/dl,灭菌前培养基含糖19%,其数量:
灭菌加热过程中用0.4mPa(表压)I=2743KJ/㎏,使用板式换热器将物料由20℃预热至75℃,再加热至120℃,冷却水由20℃升到45℃。
每罐灭菌时间3h,输料流量:
消毒灭菌用蒸汽量(D)
式中3.97为糖液的比热容,[KJ/(㎏·℃)]
每天用蒸汽量:
3.2×3×5=48(t/d)
高峰量:
16(t/h)
平均量:
(2)培养液冷却用水量:
由120℃热料通过与生料热交换,降至80℃,再用水冷却至35℃,冷却水由20℃升至45℃,计算冷却水量(W):
全天用水量:
(3)发酵罐空罐灭菌蒸汽量:
①发酵罐体加热:
200m3,1Cr18Ni9的发酵罐体重34.3t,冷却排管重6t,1Cr18Ni9的比热容0.5KJ/(㎏·℃),用0.2mPa蒸汽灭菌,使发酵罐在0.15mPa下由20℃升至127℃,其蒸汽量为:
②填充发酵罐空间的蒸汽量:
因200m3发酵罐的全容积大于200m3,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200m3计算,填表充空间需蒸汽量:
D空==Vρ=
式中V—发酵罐全容积(m3)
ρ—加热蒸汽的密度(㎏/m3)0.2mPa(表压)时为1.622
③灭菌过程的热功当量损失:
辐射与对流联合给热系数α,罐外壁温度70℃.α=33.9+0.19×(70-20)=43.4[㎏/(m3·h·K)]
200m³发酵罐的表面积为201㎡,耗用蒸汽量:
D损=199(
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