畢業(yè)論文-年產(chǎn)12萬噸谷氨酸鈉車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì).doc

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號(hào)： 201020513011 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（題 目：120kt/a谷氨酸鈉車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 院：化工學(xué)院系 別：食品與生物工程系專 業(yè)：生物工程班 級(jí)：10-2班指導(dǎo)教師：二 零 一 四 年 六 月摘 要本設(shè)計(jì)為12萬噸谷氨酸鈉車間發(fā)酵工段工藝設(shè)計(jì)，根據(jù)谷氨酸鈉的物理化學(xué)以及各種特性對其分析，選擇合適的工藝流程，進(jìn)行物料衡算，熱量衡算，設(shè)備選型，在設(shè)計(jì)中物料衡算是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，它是根據(jù)質(zhì)量守恒定律進(jìn)入任何過程的物料質(zhì)量，必須等于從該過程離開的物料質(zhì)量與積存于該過程中的物料質(zhì)量之和，根據(jù)物料衡算計(jì)算出整個(gè)生產(chǎn)過程中需要的物料量和排出的物質(zhì)的質(zhì)量，設(shè)計(jì)中的熱量衡算是根據(jù)熱量守恒定律計(jì)算出每個(gè)工段的熱量消耗，本次發(fā)酵設(shè)計(jì)中只計(jì)算出發(fā)酵工段的耗蒸汽量和冷卻用水量，然后根據(jù)物料衡算跟熱量衡算選取發(fā)酵過程中所用發(fā)酵罐，種子罐，空氣過濾器等各種設(shè)備的大小，型號(hào)，規(guī)格以及數(shù)量。根據(jù)味精發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)手冊查找數(shù)據(jù)和各種中英文文獻(xiàn)設(shè)計(jì)完成本次設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：味精發(fā)酵，工藝計(jì)算，設(shè)備選型AbstractThe design for the 120,000 tons of monosodium glutamate fermentation workshop section process design, based on the physical chemical properties of sodium glutamate, and a variety of its analysis, select the appropriate process, for material balance, heat balance, equipment selection in the design of the material balance can be considered a very important aspect, which is based on the law of conservation of mass access to any process of quality materials, must be equal to the quality of material left from the process and the quality of the accumulation of material in the process and, according to the material balance calculating calculates the amount of material needed in the production process and the quality of the discharged material, design heat balance be calculated in accordance with the law of conservation of heat in each section of the calories consumed, the fermentation designed only to calculate the amount of steam consumption of fermented section and cooling water, and then based on material balance with the heat balance in the fermentation process used to select the size of the fermentation tanks, seed pots, air filters and other equipment, models, specifications and quantity. Find a variety of English literature data and the completion of the design according to the design of monosodium glutamate fermentation of industrial production manual.Key word:Monosodium glutamate fermentation ,Process calculation ,Equipment selection目 錄第一章 文獻(xiàn)綜述11.1 谷氨酸概述11.2 谷氨酸理化性質(zhì)11.2.1 物理性質(zhì)11.2.2 化學(xué)性質(zhì)21.3 谷氨酸的生物合成途徑21.4 發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸31.4.1 谷氨酸發(fā)酵原理31.4.2 谷氨酸發(fā)酵工藝41.5 谷氨酸的提取6第二章 物料衡算72.1 生產(chǎn)要求72.2 總物料平衡的計(jì)算72.2.1 生產(chǎn)能力72.2.2 計(jì)算指標(biāo)（以淀粉質(zhì)為原料）82.2.3 物料衡算（以單位1t的玉米計(jì)算）82.2.4 總物料衡算結(jié)果102.3 糖化工段物料衡算102.3.1 淀粉漿量及加水量102.3.2 液化酶量112.3.3 CaCl2量112.3.4 糖化酶量112.3.5 糖液產(chǎn)量112.3.6 過濾糖渣量112.3.7 生產(chǎn)過程進(jìn)入的蒸汽冷凝水及洗水量122.3.8 衡算結(jié)果匯總122.4 發(fā)酵工段物料平衡計(jì)算122.4.1 發(fā)酵培養(yǎng)基和用糖量122.4.2 發(fā)酵配料132.4.3 配料用水142.4.4 接種量142.4.5 連續(xù)滅菌過程進(jìn)入的蒸汽及補(bǔ)水量142.4.6 加消泡劑量142.4.7 發(fā)酵生化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的水分142.4.8 發(fā)酵液的質(zhì)量152.4.9 發(fā)酵過程從排風(fēng)帶走的水分152.4.10 發(fā)酵過程化驗(yàn)取樣、放罐殘留及其他損失162.4.11 發(fā)酵終止時(shí)的質(zhì)量162.4.12 衡算結(jié)果匯總162.5 中和等電工段物料衡算172.5.1 發(fā)酵液數(shù)量182.5.2 高流量182.5.3 硫酸用量182.5.4 等電液數(shù)量182.5.5 谷氨酸產(chǎn)量182.5.6 加水量182.5.7 洗水量182.5.8 母液（上清液）數(shù)量192.5.9 物料衡算匯總192.6 離交工段物料衡算192.6.1 母液調(diào)pH用硫酸量202.6.2 母液數(shù)量202.6.3 調(diào)高流用硫酸量202.6.4 洗脫液用99%液氨數(shù)量202.6.5 高流量202.6.6 排出廢液量202.6.7 配洗脫液用水量202.6.8 物料衡算匯總212.7 中和脫色工段物料衡算212.7.1 谷氨酸數(shù)量212.7.2 離子膜堿用量212.7.3 粉末活性炭用量222.7.4 中和脫色液數(shù)量222.7.5 廢碳渣數(shù)量222.7.6 用水量222.7.7 物料衡算匯總232.8 精制（結(jié)晶）工段物料衡算232.8.1 中和脫色液數(shù)量232.8.2 產(chǎn)MSG量232.8.3 產(chǎn)母液量232.8.4 蒸發(fā)結(jié)晶過程加水242.8.5 MSG分離調(diào)水洗水量242.8.6 結(jié)晶過程蒸發(fā)水分242.8.7 物料衡算匯總24第三章 熱量衡算253.1 連續(xù)滅菌、發(fā)酵工段熱量衡算253.1.1 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量253.1.2 培養(yǎng)液冷卻用水量263.1.3 發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽用量263.1.4 發(fā)酵過程產(chǎn)生的熱量及冷卻用水量28第四章 設(shè)備選型294.1 發(fā)酵罐294.2 種子罐394.3 空氣分過濾器45 4.4 味精廠發(fā)酵車間設(shè)備一覽表47參考文獻(xiàn)48致 謝49第一章 文獻(xiàn)綜述第一章 文獻(xiàn)綜述1.1 谷氨酸概述谷氨酸一種酸性氨基酸。化學(xué)名稱為-氨基戊二酸。谷氨酸是里索遜1856年發(fā)現(xiàn)的，為無色晶體，有鮮味，微溶于水，而溶于鹽酸溶液，等電點(diǎn)3.22。大量存在于谷類蛋白質(zhì)中，動(dòng)物腦中含量也較多。谷氨酸是生物機(jī)體內(nèi)氮代謝的基本氨基酸之一，在代謝上具有重要意義。其結(jié)構(gòu)式如圖1-1所示1。圖 1-1 谷氨酸鈉結(jié)構(gòu)式L-谷氨酸是蛋白質(zhì)的主要構(gòu)成成分，谷氨酸鹽在自然界普遍存在的。它即是蛋白質(zhì)或肽的結(jié)構(gòu)氨基酸之一，又是游離氨基酸，L型氨基酸美味較濃。L-谷氨酸又名“麩酸”或?qū)懽鳌胺蛩帷?，發(fā)酵制造L-谷氨酸是以糖質(zhì)為原料經(jīng)微生物發(fā)酵，采用“等電點(diǎn)提取”加上“離子交換樹脂”分離的方法而制得。1.2 谷氨酸理化性質(zhì)1.2.1 物理性質(zhì) 谷氨酸的立體異構(gòu)體 谷氨酸分為L型、D型、DL型三種。 谷氨酸具有一般氨基酸的性質(zhì)，其分子具有不對稱的碳原子，所以有旋光性。它的氨基在不對稱碳原子右方的稱為D型（或右型），在不對稱碳原子左方的稱為L型（或左型），在化學(xué)命名中以前左旋用“l(fā)”表示，右旋用“d”表示，消旋體用“dl”表示。現(xiàn)在化學(xué)才統(tǒng)一用D型、L型和DL型表示光學(xué)異構(gòu)體，而左旋和右旋則用（-）與（+）表示。 在動(dòng)植物和微生物等生物機(jī)體中天然存在的，都是L型谷氨酸，L-谷氨酸是味精的前體。1.2.2 化學(xué)性質(zhì) 谷氨酸可以與酸發(fā)生反應(yīng) 谷氨酸可以與堿發(fā)生反應(yīng)谷氨酸與氫氧化鈉反應(yīng)生成谷氨酸單鈉和水谷氨酸與碳酸鈉反應(yīng)生成氨酸單鈉和水，放出二氧化碳 加熱 谷氨酸長期加熱，經(jīng)脫水后生成焦谷氨酸（無鮮味） 谷氨酸與亞硝酸作用 谷氨酸與亞硝酸反應(yīng)生成羥基酸，釋放出氮?dú)?谷氨酸在氨的存在下，通過谷氨酰胺合成酶的催化能生成谷氨酰胺 甲醛反應(yīng) 氨基酸與甲醛發(fā)生反應(yīng)后，堿性的氨基被遮蓋，用標(biāo)準(zhǔn)NaOH溶液滴定羧基1.3 谷氨酸的生物合成途徑 谷氨酸合成方式許多研究者利用不同的谷氨酸產(chǎn)生菌對其合成方式和途徑進(jìn)行了研究。這些研究表明，谷氨酸產(chǎn)生菌菌體內(nèi)形成谷氨酸的方式主要有兩種，即氨基酸的轉(zhuǎn)移作用和還原性氨基化作用。 氨基轉(zhuǎn)移作用在氨基轉(zhuǎn)移酶的催化下，除甘氨酸以外，任何氨基酸都可以與酮戊二酸變成谷氨酸。同樣谷氨酸與其他酮酸之間在轉(zhuǎn)氨酶的催化下，也能生成酮戊二酸和新的氨基酸。 還原性氨基化作用在NH+和供氫體（還原型輔酶，即NADPH2)存在的條件下，酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的催化下形成谷氨酸。 谷氨酸合成途徑谷氨酸生物合成途徑主要有糖酵解途徑（EMP途徑）、磷酸己糖途徑（HMP途徑）、三羧酸循環(huán)（TCA)、乙醛酸循環(huán)體、二氧化碳固定和還原氨基化反應(yīng)等。生成谷氨酸的有關(guān)酶類主要有蘋果酸酶、丙酮酸羧化酶、異檸檬酸脫氫酶、異檸檬酸裂解酶、酮戊二酸脫氫酶、谷氨酸脫氫酶等。1.4 發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸谷氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)全過程可劃分為三個(gè)工藝階段:(1)原料的預(yù)處理及糖化;(2)種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵;(3)谷氨酸的提取與這三個(gè)工藝階段相對應(yīng)的生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置了糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間等作為主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過程中對蒸汽的需求，同時(shí)還設(shè)置了動(dòng)力車間，利用鍋爐燃燒產(chǎn)生蒸汽，并通過供氣管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全廠生產(chǎn)用水，還要設(shè)置供水站。所供的水經(jīng)消毒、過濾系統(tǒng)處理，通過供水管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。1.4.1 谷氨酸發(fā)酵原理谷氨酸的生物合成包括酵解途徑（EMP）、磷酸乙糖途徑（HMP途徑）、三羧酸（TCA途徑）、乙醛羧酸循環(huán)、伍德沃克曼反應(yīng)（CO2的固定反應(yīng)等）。谷氨酸產(chǎn)生菌的-酮戊二酸氧化能力微弱，尤其在生物素缺乏條件下，三羧酸循環(huán)到達(dá)-酮戊二酸時(shí)，即受到阻擋。有氨離子存在時(shí)，-酮戊二酸因谷氨酸脫氫酶的催化作用，經(jīng)還原氨基化反應(yīng)會(huì)生成谷氨酸。谷氨酸的生物合成中必須有谷氨酸脫氫酶和異檸檬酸脫氫酶的共軛反應(yīng)。在氨離子存在時(shí)，兩者非常密切的偶連起來，形成強(qiáng)的氧化還原共軛系，不與NADPH2的末端的氧化系相連接，是-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸。谷氨酸生產(chǎn)菌需要氧化型NADP，以供異檸檬酸氧化作用。生成的還原型NADPH2又因?yàn)?酮戊二酸的還原氨基化而在生為NADP。由于谷氨酸產(chǎn)生菌的谷氨酸脫氫酶比其他微生物強(qiáng)大得多，所以由三羧酸循環(huán)所得的檸檬酸的氧化中間產(chǎn)物，不再繼續(xù)往下氧化，而以谷氨酸的形式積累起來。1.4.2 谷氨酸發(fā)酵工藝1.4.2.1 發(fā)酵培養(yǎng)基谷氨酸發(fā)酵的培養(yǎng)基主要成分有碳源、氮源、生長因子和無機(jī)鹽等。 碳源大多數(shù)谷氨酸生產(chǎn)菌可以利用葡萄糖、蔗糖、果糖等，極少數(shù)可以直接利用淀粉。除這些外還可以利用醋酸、酒精、石蠟油等為碳源生產(chǎn)谷氨酸。由葡萄糖生成谷氨酸的總反應(yīng)式如下:C2H12O6+NH3+1/2O2C5H9NO4+CO2+3H2O 氮源谷氨酸產(chǎn)生菌細(xì)胞中的蛋白、核酸、磷脂、某些輔酶及其他主要產(chǎn)物（谷氨酸）等均為含氮化合物，為了合成這些化合物，在培養(yǎng)基中必須添加氮源物質(zhì)。通常工業(yè)發(fā)酵所用培養(yǎng)基碳和氮的比值（C/N）為100/（0.5-2），而谷氨酸發(fā)酵所要求的C/N為100/（20-30）。實(shí)際生產(chǎn)中，一般用尿素或氨水作為氮源 無機(jī)鹽它們是構(gòu)成細(xì)胞和調(diào)節(jié)菌體生命活動(dòng)的營養(yǎng)物質(zhì)。如鎂、磷、鉀、錳、鐵等，是代謝中輔酶或輔基的組分，是培養(yǎng)基不可缺少的。在谷氨酸發(fā)酵中，常應(yīng)用K+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等陽離子和PO43-、SO42-、Cl-等陽離子作為無機(jī)鹽。不同離子所需的含量也不同。 生長因子凡是微生物生長不可缺少，而其自身又不能合成的微量有機(jī)物質(zhì)都稱為生長因子。生物素是當(dāng)前谷氨酸身長菌的重要生長因子。除生物素外，谷氨酸產(chǎn)生菌還需要維生素B1(硫胺素)等。 發(fā)酵培養(yǎng)基營養(yǎng)成分的配比常因菌種、設(shè)備和工藝不同而不同，此外與原料來源和質(zhì)量以及廠家不同有關(guān)。1.4.2.2 培養(yǎng)基滅菌谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基一般采用淀粉水解糖為主要碳源，實(shí)罐滅菌條件是105-110保溫6min。連續(xù)滅菌所采用的滅菌條件是，連消塔滅菌溫度為110-115，維持罐溫105-110，約6-10min。培養(yǎng)基滅菌后冷卻至30左右，即可接入種子進(jìn)行發(fā)酵。1.4.2.3 發(fā)酵控制主要指發(fā)酵條件的管理，包括溫度、通氣、PH值與泡沫的控制。要獲得谷氨酸發(fā)酵的產(chǎn)品率，除了選用優(yōu)良菌種外。在發(fā)酵條件控制和嚴(yán)格無菌操作方面是非常重要的。 在發(fā)酵中谷氨酸產(chǎn)生菌的生長繁殖與谷氨酸合成都是在酶的催化下進(jìn)行的。不同酶促反應(yīng)所需的溫度不同。谷氨酸發(fā)酵分前期和后期兩個(gè)階段。前期（0-12h）主要是合成細(xì)胞物質(zhì)，菌體大量增殖階段。而控制這些合成反應(yīng)的最適溫度為30-32；在發(fā)酵中后期，是谷氨酸大量積累階段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脫氫酶的最適溫度為32-36，故在發(fā)酵中后期應(yīng)適當(dāng)提高罐溫，以利谷氨酸形成和積累。不同菌種對溫度的敏感性也不一樣，故應(yīng)視菌種進(jìn)行溫度控制。 發(fā)酵液PH值的變化是微生物代謝過程的標(biāo)志。主要是通過培養(yǎng)基配比及發(fā)酵條件的控制，使其適宜于生產(chǎn)菌的PH值。發(fā)酵前期通?？刂苝H在7.5-8.0左右。發(fā)酵中后期，應(yīng)滿足催化谷氨酸合成的酶對pH的要求，故將其發(fā)酵pH控制在7.0-7.5 谷氨酸產(chǎn)生菌（谷氨酸棒桿菌）屬兼性好氣菌，在供氧充足與不足的條件下都可生成，但其代謝產(chǎn)物不同。通風(fēng)量小，供氧不足時(shí)，進(jìn)行不完全氧化。如果通氣量大，葡萄糖在菌體內(nèi)被氧化成丙酮酸。只有在供氧適當(dāng)時(shí)還原性輔酶大部分不經(jīng)呼吸鏈被氧化成水，在充足的NH+條件下，才有利于谷氨酸脫氫酶的催化，還原氨基化反應(yīng)，大量形成并積累谷氨酸。攪拌可以提高通風(fēng)效果，使空氣變成小氣泡，增加氣液接觸面積，提高溶解氧量。因?yàn)槲⑸锖粑荒芾萌芙庥谂囵B(yǎng)基中的氧氣，而空氣進(jìn)入發(fā)酵罐后，其氧分子并不是全部被發(fā)酵液吸收，所以在討論通氣量時(shí)，必須考慮氧的溶解系數(shù)，,在通氣攪拌條件相同時(shí)，Kd值大即表示設(shè)備通氣效果好，反之則差。（4） 在谷氨酸發(fā)酵中，由于強(qiáng)烈的通風(fēng)與菌體代謝所產(chǎn)生的二氧化碳，使培養(yǎng)液產(chǎn)生大量的泡沫，在泡沫過多時(shí)，會(huì)使培養(yǎng)液溶解氧減少，氣體交換受阻，影響菌的呼吸和代謝。消泡的方法有兩種。一是機(jī)械消泡法。包括采用靶式消泡器或離心式、刮板式、蝶形等消泡器。另一種是化學(xué)消泡法，即采用化學(xué)消泡機(jī)進(jìn)行消泡，一般發(fā)酵中采用天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等消泡劑。（5） 不同谷氨酸產(chǎn)生菌對糖濃度的要求不同，其發(fā)酵時(shí)間也有所差異。一般低糖（10%-12%）發(fā)酵，其發(fā)酵時(shí)間在36-38h。中糖（14%）發(fā)酵為45h.1.5 谷氨酸的提取發(fā)酵完成后，發(fā)酵液中會(huì)積累大量的谷氨酸，將谷氨酸從發(fā)酵液中分離出來的過程，稱為谷氨酸的提取。谷氨酸的提取方法有五種：等電點(diǎn)法、離子交換法、鋅鹽法、滲透膜法和溶劑抽提法。目前我國大多數(shù)采用等電點(diǎn)法提取谷氨酸。等電點(diǎn)法提取谷氨酸的工藝流程如下： 鹽酸 發(fā)酵液 調(diào)酸 停酸育晶 等電攪拌 靜置沉降 離心分離 谷氨酸（pH4.5-4.0）（2h） （pH3.0-3.2）1. 調(diào)節(jié)等電點(diǎn)將發(fā)酵結(jié)束的醪液引入等電點(diǎn)桶或等電點(diǎn)池中，待醪液溫降至30后加鹽酸調(diào)pH，大約2h左右將發(fā)酵液pH調(diào)至4.0-4.5時(shí)，觀察晶核是否形成，若已經(jīng)形成晶核，就應(yīng)停止加酸，育晶1-2h，使晶核增大，然后慢慢地將pH調(diào)節(jié)至3.0-3.2為止，此時(shí)繼續(xù)攪拌20h。2. 谷氨酸分離停止攪拌后，靜置分離4h，關(guān)閉冷卻水，放出上清液，除去谷氨酸沉淀表層菌體及細(xì)麩酸（放入另一缸中回收利用）。底部谷氨酸結(jié)晶取出送離心機(jī)分離，所得濕谷氨酸供精制使用。47第二章 物料衡算第二章 物料衡算2.1 生產(chǎn)要求120kt/a谷氨酸鈉車間發(fā)酵工段物料衡算2.2 總物料平衡的計(jì)算物料衡算是根據(jù)質(zhì)量守衡定律而建立起來的。物料衡算是進(jìn)入系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量等于離開系統(tǒng)的全部物料質(zhì)量，即：式中 F進(jìn)入系統(tǒng)物料量， D離開系統(tǒng)的物料量， W損失的物料量，2.2.1 生產(chǎn)能力已知：年工作日d=330，年產(chǎn)商品味精（99%）12萬噸，所以日產(chǎn)商品味精（100%）商品味精年產(chǎn)量：120kt/a，則純谷氨酸鈉年產(chǎn)量為：1200000.99=118800 t/a商品味精日產(chǎn)量：120000/330=363.6 t/d純谷氨酸鈉日產(chǎn)量：12000099%330=360.0 t/d考慮到生產(chǎn)過程中存在物料損失等客觀因素，故取日產(chǎn)味精（100%）360.0t/d。2.2.2 計(jì)算指標(biāo)（以淀粉質(zhì)為原料）表2-1 計(jì)算指標(biāo)見表淀粉糖化轉(zhuǎn)化率98%發(fā)酵產(chǎn)酸率（濃度）11.5%發(fā)酵對糖轉(zhuǎn)化率59.5%培養(yǎng)菌種耗糖為發(fā)酵耗糖1.5%谷氨酸提取收率96.2%精制收率94.9%玉米中淀粉含量86.2%發(fā)酵周期（含輔助時(shí)間）40h全年工作日330d2.2.3 物料衡算（以單位1t的玉米計(jì)算） 1000玉米產(chǎn)谷氨酸鈉量：1000（1+11.5%）98%59.5%（100%1.5%）96.2%94.9%1.27286.2%= 641.05 式中 11.5%發(fā)酵產(chǎn)酸率 98%淀粉糖化轉(zhuǎn)化率 59.5%發(fā)酵對糖的轉(zhuǎn)化率 1.5%培養(yǎng)菌種耗糖為發(fā)酵耗糖的百分?jǐn)?shù) 96.2%谷氨酸提取收率 94.9%精制收率 86.2%玉米中淀粉含量 1.272 淀粉單耗1t谷氨酸鈉實(shí)耗玉米量：1000/641.05=1.56 t/t 總收率：式中 81.7%谷氨酸對糖的理論轉(zhuǎn)化率 原料及中間品計(jì)算 1t谷氨酸鈉實(shí)耗商品淀粉量：1000/641.05=1.56 t/t商品淀粉日用量：3601.56=561.6 t/d 淀粉漿量：1560（1+1.8）=4368 kg式中 1.8淀粉加水比例為1：1.8 純糖量：156086.2%1.1198%=1462.79 kg 糖化液量：1462.79/30%=4875.94 kg將純糖轉(zhuǎn)為30%或34g/dL糖液 發(fā)酵液量發(fā)酵液中純谷氨酸量：1462.7959.5%(100%-1.5%)=857.3 kg折算為含谷氨酸11g/dl的發(fā)酵液量：857.3/11=7794L7794/1.07=7284.11kg式中 1.07發(fā)酵液相對密度 產(chǎn)味精量產(chǎn)谷氨酸:857.396.2%=824.72kg折算為99%味精：824.72/99%=833.05kg2.2.4 總物料衡算結(jié)果表2-2 總物料衡算結(jié)果匯總表原料規(guī)格玉米淀粉原料生產(chǎn)1t谷氨酸鈉玉米淀粉/t86%1.56糖液/t30%4.88谷氨酸/t100%0.857味精/t100%1.02.3 糖化工段物料衡算商品淀粉配料水30%糖液糖化工段液化酶CaCl2糖化酶濾渣蒸汽冷凝水及洗水量圖 2-1 制糖工序物料衡算圖2.3.1 淀粉漿量及加水量在工業(yè)生產(chǎn)中，淀粉加水比例為1:1.8 1000kg工業(yè)淀粉產(chǎn)淀粉漿：M=1000（1+1.8）=2800 kg 1000kg工業(yè)淀粉加水量：M=10001.8=1800 kg 粉漿干物質(zhì)的濃度：2.3.2 液化酶量使用耐高溫-淀粉酶（20000U/ml），加酶量10U/g干淀粉。1000kg干淀粉加酶量：0.5L液化酶質(zhì)量約為0.6kg。2.3.3 CaCl2量一般加量為干淀粉的0.15%，即1000kg干淀粉加CaCl2：10000.15%=1.5 kg2.3.4 糖化酶量一般加糖化酶量為120U/g干淀粉，如液體糖化酶為100000U/ml，則每1000kg干淀粉加糖化酶量:1.2L糖化酶質(zhì)量約為1.5kg。2.3.5 糖液產(chǎn)量30%的糖液相對密度為1.1321，相當(dāng)于：1.132130%=34g/dL則體積：V=3115.611.1321=2752 L2.3.6 過濾糖渣量濕渣（含水70%）10kg，折干渣量:10（1-70）=3 kg2.3.7 生產(chǎn)過程進(jìn)入的蒸汽冷凝水及洗水量3125.6+10-3.6-1800=1332 kg2.3.8 衡算結(jié)果匯總表2-3 制糖車間工序的物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目物料比例/kg日投料量/t項(xiàng)目物料比例/kg日產(chǎn)料量/t商品淀粉1000561.630%糖液31251755配料水18001010.88濾渣105.616液化酶0.60.337CaCl21.50.842糖化酶1.50.842蒸汽冷凝水及洗水量1332748.05累計(jì)4135.62322.5531351760.622.4 發(fā)酵工段物料平衡計(jì)算發(fā)酵配料、連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序的物料衡算2.4.1 發(fā)酵培養(yǎng)基和用糖量 1000kg商品淀粉，可產(chǎn)100%糖量：其中初始發(fā)酵定容用糖占53%，即93753%=497kg 100%糖流加補(bǔ)料用糖占47%，即：93747%=440kg 100%糖初糖用30%的糖液配料：即：初唐配13g/dL，初定：13g/dL糖液相對密度1.05，則：38231.05=4014 kg流加補(bǔ)糖用60g/dL濃糖漿（相對密度1.223），則：7331.223=897kg2.4.2 發(fā)酵配料每噸商品淀粉產(chǎn)100%糖937kg，發(fā)酵配料用各種營養(yǎng)物質(zhì)比例見下表。表2-4發(fā)酵配料所用物質(zhì)的比例名稱質(zhì)量（t）質(zhì)量（kg）玉米漿（CSL）0.0028t2.8kg糖蜜0.0035t3.5kgMgSO47H2O0.0024t2.4kgKCL0.0055t5.5kgNa2HPO412H2O0.0071t7.1kg其他（生物素等）0.0007t0.7kg總計(jì)0.022t22kg2.4.3 配料用水初始配料時(shí)培養(yǎng)基含糖量不低于20%，向30%的糖液中加水量為：1657(30%/20%-1)=829 kg2.4.4 接種量發(fā)酵初定容3823L，種量為10%，即382.3L。種子液相對密度1.02，則：382.31.02=389.9 kg2.4.5 連續(xù)滅菌過程進(jìn)入的蒸汽及補(bǔ)水量4041-1657-22-829-389.9=1143.1 kg 1t商品淀粉可產(chǎn)100%谷氨酸的質(zhì)量M=93759.5%98%96.2%=525.6 kg 發(fā)酵過程消耗的液氨量M=525.60.30=157.68 kg式中 0.30工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)酵耗氨量占谷氨酸量的百分比V=157.680.5874=268.44 L式中 0.587499%液氨在35的相對密度2.4.6 加消泡劑量加消泡劑量0.5%（W/V），則：0.5%525.6=2.628 kg2.4.7 發(fā)酵生化反應(yīng)過程所產(chǎn)生的水分1t商品淀粉在發(fā)酵液中所產(chǎn)生的100%谷氨酸量：93759.5%98%=546.4 kg生成1mol谷氨酸產(chǎn)3molH2O；生成1mol菌體產(chǎn)7molH2O。根據(jù)發(fā)酵反應(yīng)式，發(fā)酵產(chǎn)生的水分為：546.4式中 18水的相對分子質(zhì)量 147谷氨酸的相對分子質(zhì)量長菌過程產(chǎn)生水分，1g菌體產(chǎn)酸11g，應(yīng)產(chǎn)生水分為：以上合計(jì)產(chǎn)生水：200.7+42.58=243.28 kg2.4.8 發(fā)酵液的質(zhì)量參考味精工業(yè)手冊根據(jù)設(shè)計(jì)可確定發(fā)酵液的數(shù)量大約為50002.4.9 發(fā)酵過程從排風(fēng)帶走的水分 出進(jìn)空氣的濕含量差：式中 1.5進(jìn)罐空氣的壓力為1.5大氣壓 27排風(fēng)為32，相對濕度100%時(shí)，水蒸氣分壓為27mmHg 100%排風(fēng)為32時(shí)，相對濕度為100% 18進(jìn)風(fēng)為25，相對濕度70%時(shí)，水蒸氣分壓為18mmHg 70%進(jìn)風(fēng)為25時(shí)，相對濕度為70% 帶走的水分量：M=50000.360321.1570.0010.011=37kg式中 5000發(fā)酵液的數(shù)量為5000 0.3通風(fēng)比為1:0.3 6060min 32發(fā)酵時(shí)間 1.15732時(shí)的干空氣密度，kg/m32.4.10 發(fā)酵過程化驗(yàn)取樣、放罐殘留及其他損失參考味精工業(yè)手冊，估算確定出發(fā)酵過程的損失量為13kg。2.4.11 發(fā)酵終止時(shí)的質(zhì)量1t商品淀粉，發(fā)酵終止時(shí)：1657+897+22+829+1143.1+389.9+243.28+157.68+2.628+119.6-37-13=5411.19 kg（30%糖）+（補(bǔ)濃糖）+（營養(yǎng)物）+（配料水）+（滅菌水）+（種子）+（反應(yīng)生成水）+（液氨）+（消泡劑）+（空消蒸汽）-（尾氣帶水）-（損失）=（終止數(shù)量）式中 119.6控消時(shí)耗用的蒸汽量V=5411.191.07=5057.19 L式中 1.07發(fā)酵液相對密度2.4.12 衡算結(jié)果匯總 年產(chǎn)100kt谷氨酸鈉，以商品淀粉（86%）1000kg為單位計(jì)算，配料、連續(xù)滅菌和發(fā)酵工序的物料衡算匯總見表2-5。表2-5 發(fā)酵工段物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目1t工業(yè)淀粉之匹配物料/kg每天進(jìn)入系統(tǒng)的物料/（t/d）項(xiàng)目1t工業(yè)淀粉之匹配物料/kg每天離開系統(tǒng)的物料/（t/d）30%糖液1657930.57發(fā)酵液5411.193038.9260g/L濃糖漿897503.76尾氣帶水3720.78玉米漿2.81.57損失137.3糖蜜3.51.97無機(jī)鹽等15.75.68配料水829465.57滅菌進(jìn)入蒸汽及補(bǔ)水1143.1641.96種液389.9218.97反應(yīng)水243.28136.63液氨157.6888.55消泡劑2.6281.48空消蒸汽119.667.17累計(jì)54611930672.5 中和等電工段物料衡算母液中和等電工段水高流90%Glu發(fā)酵液圖 2-2 中和等電工序物料衡算圖2.5.1 發(fā)酵液數(shù)量由前面的計(jì)算結(jié)果可知發(fā)酵液數(shù)量為5411.19kg；5057.19L2.5.2 高流量為發(fā)酵液的45%，即：5411.19 45%=2435.04 kg2.5.3 硫酸用量92.5%硫酸用量為純谷氨酸量的90%，即：546.490%=491.76 kg2.5.4 等電液數(shù)量5411.19+2435.04=7846.23 kg2.5.5 谷氨酸產(chǎn)量（1）分離前Glu量100%Glu量：5057.1911.5%=581.58 kg（2）分離后Glu量100%Glu量：581.5896.2%=559.48 kg90%Glu量：559.48/90%=621.64 kg2.5.6 加水量查手冊可知：479kg。2.5.7 洗水量為90%Glu量的14.5%，即：621.6414.5%=90.14 kg2.5.8 母液（上清液）數(shù)量7846.23+479-621.64+90.14= 7793.73 kg2.5.9 物料衡算匯總表2-6 谷氨酸等電工段物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料 /kg每天進(jìn)入系統(tǒng)的物料/（t/d）項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/kg每天離開系統(tǒng)的物料/（t/d）發(fā)酵液5411.193038.9290%Glu621.64349.11高流2435.041367.52母液7793.734376.96水479269累計(jì)8325.234675.458325.234675.452.6 離交工段物料衡算母液92.5%硫酸99%液氨洗脫液用水高流廢液離交工段圖 2-3 離交工序物料衡算圖2.6.1 母液調(diào)pH用硫酸量1t商品淀粉相應(yīng)用92.5%硫酸495.7kg。其中調(diào)pH用酸占66%，即：491.7666%=324.56 kg2.6.2 母液數(shù)量由前面計(jì)算結(jié)果可知母液量為7793.73kg。2.6.3 調(diào)高流用硫酸量為總用酸量的34%，即：491.7634%=167.2 kg2.6.4 洗脫液用99%液氨數(shù)量為純Glu的12%，即：559.4812%=67.14 kg2.6.5 高流量2435.04kg。2.6.6 排出廢液量廢液中含Glu0.29g/dL，相對密度1.02（581.58-559.48）/0.29%=7620.69 kg7620.691.02=7773.1 kg2.6.7 配洗脫液用水量7773.1+2435.04-（324.56+167.2+67.14）-7793.73=1855.51 kg2.6.8 物料衡算匯總表2-7 離交工序物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/ kg每天進(jìn)入系統(tǒng)的物料項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/ kg每天離開系統(tǒng)的物料/（t / d）母液7793.734376.96高流2435.041367.5192.5%硫酸491.76276.17廢液7773.14365.3799%液氨67.1437.71洗脫液用水1855.511042.05累計(jì)10208.145732.8910208.145732.892.7 中和脫色工段物料衡算活性炭水中和脫色工段中和脫色液90%Glu廢碳渣離子膜堿圖 2-4 中和脫色工序物料衡算圖2.7.1 谷氨酸數(shù)量100%Glu量：559.48kg，90%Glu量：621.64kg。2.7.2 離子膜堿用量理論上1mol谷氨酸需1molNaOH，即40/147=0.272，1kg谷氨酸100%NaOH0.272kg。559.48kg100%Glu需用30%液體離子膜堿量：559.480.272/30%=507.26 kg。30% NaOH相對密度1.328507.26/1.328 =381.97 L。2.7.3 粉末活性炭用量加活性炭量按純谷氨酸量的2.5%，559.48kg100%Glu需用活性炭量：559.482.5%=13.99 kg2.7.4 中和脫色液數(shù)量要求濃度達(dá)到20B，40g/dL。(559.481.272)/40%=1779.15 L1779.151.16=2063.81 kg式中1.16含40%MSG溶液的相對密度2.7.5 廢碳渣數(shù)量含水75%，則：13.99/(1-75%)=55.96 kg2.7.6 用水量2063.81-621.64-507.26-13.99+55.96=976.88 kg2.7.7 物料衡算匯總表2-8 中和脫色工序物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/kg每天進(jìn)入系統(tǒng)的物料/（t/d）項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/kg每天離開系統(tǒng)的物料/（t/d）90%Glu621.64349.11中和脫色液2063.811159.04離子膜堿507.26284.88廢碳渣55.9631.43活性炭13.997.86水976.88548.62累計(jì)2119.771190.462119.771190.472.8 精制（結(jié)晶）工段物料衡算40g/dL中和脫色液結(jié)晶過程加水分離調(diào)水洗水100%MSG母液蒸發(fā)水分精制(結(jié)晶)工段圖 2-5 精制（結(jié)晶）工序物料衡算2.8.1 中和脫色液數(shù)量1779.15L，2063.81kg，20B，含MSG40g/dL。2.8.2 產(chǎn)MSG量精制收率94.9%，產(chǎn)100%MSG量：559.481.27294.9%=675.36 kg2.8.3 產(chǎn)母液量母液平均含MSG25g/dL，則：559.481.272(1-94.9%)/25=145.18 L145.181.1=159.7 kg式中 1.1母液相對密度2.8.4 蒸發(fā)結(jié)晶過程加水約為脫色液的10%，即：2063.8110%=206.38 kg2.8.5 MSG分離調(diào)水洗水量約為MSG產(chǎn)量的5%，即675.365% = 33.77 kg2.8.6 結(jié)晶過程蒸發(fā)水分2063.81-675.36+145.18+206.38+33.77=1773.78 kg2.8.7 物料衡算匯總表2-9 精制工序物料衡算匯總表進(jìn)入系統(tǒng)離開系統(tǒng)項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/kg每天進(jìn)入系統(tǒng)的物料（t/d）項(xiàng)目1t商品淀粉及相應(yīng)物料/kg每天離開系統(tǒng)的物料（t/d）40g/dL中和脫色液2063.81313.88100%MSG675.36379.28結(jié)晶過程加水206.38115.9母液145.1881.53分離調(diào)水洗水33.7718.97蒸發(fā)水分1773.78996.15累計(jì)2303.961293.92303.961293.9第三章 熱量衡算第三章 熱量衡算3.1 連續(xù)滅菌、發(fā)酵工段熱量衡算熱量衡算（heat balance），物料經(jīng)物理或化學(xué)變化時(shí)，如其動(dòng)能、位能或?qū)ν饨缢髦?，對于總能量的變化影響甚小甚至可以忽略時(shí)，則能量守恒定律可以簡化為熱量衡算。它是建立過程數(shù)學(xué)模型的一個(gè)重要手段，是化工計(jì)算的重要組成部分。3.1.1 培養(yǎng)液連續(xù)滅菌用蒸汽量發(fā)酵罐公稱容積500m3，裝料系數(shù)0.85，每罐產(chǎn)MSG量：5000.850.1150.9620.9491.272=56.76t年產(chǎn)味精12萬噸，日產(chǎn)味精（100%）360t，發(fā)酵生產(chǎn)周期40h（發(fā)酵32小時(shí)，輔助8小時(shí)），需發(fā)酵罐臺(tái)數(shù)：（360/56.76）（40/24）=8.6臺(tái)，取9臺(tái)每日投（放）罐次數(shù)：924/40=5.4罐次日運(yùn)轉(zhuǎn)：932/40=7.2臺(tái)每罐發(fā)酵初始體積：50055%=275糖濃度13g/dL，滅菌前含糖量20g/dL，其數(shù)量：30013/20=195密度1.05t/m3：1951.05=204.75滅菌加熱過程中用0.4MPa蒸汽（表壓），h1=2748.5kJ/kg，使用螺旋板式換熱器將物料由20預(yù)熱至70，再加熱至120；冷卻水由20升至45。每罐滅菌時(shí)間2h，物料流量：3001.05/2=157.5 t/h滅菌用蒸汽量：157.510003.7(120+273)-(70+273)/2748.15-1204.186=12972.02kg/h=12.97t/h式中 3.7糖液比熱容，kJ/（kg）每日蒸汽用量：12.9795.4=630.34 t/d平均蒸汽用量:630.34/24=26.26 t/d3.1.2 培養(yǎng)液冷卻用水量120熱料通過與冷熱料交換，由120降至75，再用水冷卻至35；冷卻水由30升至45。冷卻水用量（W）:157.510003.7(75+273)-(35+273)/(45-35)4.186=371237.46kg/h=371.24 t/h每日用水量:371.2495.4=18042.26 t/d平均用水量：18042.26/24=751.76 t/d；使用發(fā)酵冷卻循環(huán)水。3.1.3 發(fā)酵罐空罐滅菌蒸汽用量3.1.3.1 發(fā)酵罐體加熱用蒸汽量發(fā)酵罐公稱容積500m3，材質(zhì)為SS304，發(fā)酵罐罐體重118t，比熱容0.5kJ/（kg），使用0.4MPa蒸汽（表壓）滅菌，發(fā)酵罐罐壓保持在0.15MPa（表壓）下，由20升至127，維持1h。其蒸汽用量為：11810000.5(127+273)-(20+273)/2748.15-535.4=2852.56kg/h=2.85 t/h式中 2748.50.4MPa（表壓）蒸汽熱焓，kJ/kg 535.40.15MPa，127時(shí)蒸汽凝結(jié)水熱焓，kJ/kg每日蒸汽用量：2.855.4=15.39 t/d平均用蒸汽量：15.39/24=0.64 t/h。3.1.3.2 填充發(fā)酵罐空間所需蒸汽量公稱容積500m3發(fā)酵罐的全容積為550m3，其蒸汽用量為：5501.39=764.5kg/h=0.76 t/h式中 加熱蒸汽的密度（kg/m3），1.39kg/m3發(fā)酵罐滅菌（0.15MPa，表壓）1h。每日用蒸汽量：0.765.4=4.1 t/d平均用蒸汽量：4.1/24=0.171 t/h。3.1.3.3 滅菌過程的熱損失輻射與對流聯(lián)合給熱系數(shù)，罐外壁溫度60。kJ /（m2h）500m3發(fā)酵罐的表面積為475m2，消耗蒸汽量：3.1.3.4 罐壁附著洗滌水升溫所需蒸汽量式中 0.001附壁水平均厚度3.1.3.5 滅菌過程蒸汽排汽及滲漏量取總耗汽量的10%，空罐滅菌蒸汽消耗量為：(2.85+0.76)1000+356+96/1-10%=4513.3kg/h=4.5 t/h每個(gè)空罐滅菌1h，蒸汽消耗量為4.5t/