年產(chǎn)5萬噸谷氨酸發(fā)酵工廠設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告 題目： 年產(chǎn)5萬噸谷氨酸工廠發(fā)酵設(shè)計(jì) 開題報(bào)告課 題 類 型： 工業(yè)設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名： 劉少年 學(xué) 號(hào)： 3100402209 專 業(yè) 班 級(jí)： 生物工程102 學(xué) 院： 生物與化學(xué)工程學(xué)院 指 導(dǎo) 教 師： 李松 開 題 時(shí) 間： 2014年3 月 2014年 月 日1、 本課題的研究意義、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)引言：谷氨酸為無色晶體或結(jié)晶性粉末，分為、兩種晶型，通常型穩(wěn)定。分子式:COOCCH(NC2)CH2CH2COOH分子結(jié)構(gòu)如下所示: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。L一谷氨酸是蛋白質(zhì)的主要構(gòu)成成分，谷氨酸鹽在自然界普遍存在

2、。多種食品以及人體內(nèi)都含有谷氨酸鹽，它既是蛋白質(zhì)或膚的結(jié)構(gòu)氨基酸之一又是游離氨基酸，L型氨基酸美味較濃。谷氨酸(2一氨基戊二酸)有左旋體、右旋體和外消旋體。左旋體，即L一谷氨酸，是一種鱗片狀或粉末狀晶體，呈微酸性，無毒。微溶于冷水，易溶于熱水，幾乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200時(shí)升華，247一249分解，密度為1.538沙襯，旋光度+37一 +38.9(25)。谷氨酸的用途廣泛，它本身作為藥品，能治療肝昏迷癥，也可用來生產(chǎn)味精、食品添加劑、香料和用于生物化學(xué)的研究1。1.1研究目的及意義谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國目前通氣發(fā)酵產(chǎn)業(yè)中，生產(chǎn)廠家最多，產(chǎn)品產(chǎn)量最大的產(chǎn)業(yè)

3、。該生產(chǎn)工藝和設(shè)備具有很強(qiáng)的典型性，本論文對(duì)味精發(fā)酵生產(chǎn)工藝及主要設(shè)備作簡要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝及主要設(shè)備的有關(guān)知識(shí)。本設(shè)計(jì)是年產(chǎn)量為20000噸的味精廠，重點(diǎn)是產(chǎn)品的物料衡算，熱量衡算，同時(shí)工藝流程及設(shè)備選型等設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)車間為發(fā)酵工藝車間，重點(diǎn)設(shè)備為糖化，煮沸，發(fā)酵設(shè)備。該論文設(shè)計(jì)的目的是從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，確保生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中使用較少的人力、物力、財(cái)力取得較大的經(jīng)濟(jì)效益。此為本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，亦是本設(shè)計(jì)最主要的特點(diǎn)。同時(shí)本設(shè)計(jì)從節(jié)約用地出發(fā)，充分利用廠房設(shè)備來安排產(chǎn)品，對(duì)于那些類型不相同，生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)條件十分相同，甚至是用同一廠房，設(shè)備來生產(chǎn)不同產(chǎn)品。1.2谷氨酸用途1.

4、食品行業(yè)應(yīng)用較多的是制成谷氨酸鈉。谷氨酸鈉俗稱味精，是重要的鮮味劑，對(duì)香味具有增強(qiáng)作用。谷氨酸鈉廣泛用于食品調(diào)味劑，既可單獨(dú)使用，又能與其它氨基酸等并用，用于食品內(nèi)，有增香作用。在食品中濃度為0.2%一0.5%，每人每天允許攝入量(ADI)為0一120微克/千克(以谷氨酸計(jì))。在食品加工中一般用量為0.2一1.5克/公斤。谷氨酸作為風(fēng)味增強(qiáng)劑可用于增強(qiáng)飲料和食品的味道，不僅能增強(qiáng)食品風(fēng)味，對(duì)動(dòng)物性食品有保鮮作用。2舊用化妝品谷氨酸為世界上氨基酸產(chǎn)量最大的品種，作為營養(yǎng)藥物可用于皮膚和毛發(fā)。用于生發(fā)劑，能被頭皮吸收，預(yù)防脫發(fā)并使頭發(fā)新生，對(duì)毛乳頭、毛母細(xì)胞有營養(yǎng)功能，并能擴(kuò)張血管，增強(qiáng)血液循環(huán)，

5、有生發(fā)防脫發(fā)功效。用于皮膚，對(duì)治療皺紋有療效。谷氨酸為天然植物成分，由世界上最先進(jìn)的生物酶工程技術(shù)制取，以護(hù)發(fā)生發(fā)、護(hù)膚類化妝品為日用化妝品的發(fā)展方向，用谷氨酸合成生物表面活性劑具有大的市場(chǎng)。聚谷氨酸是一種出色的環(huán)保塑料，可用于食品包裝、一次性餐具及其它工業(yè)用途，可在自然界迅速降解，不污染環(huán)境。3.醫(yī)藥行業(yè)谷氨酸還可用于醫(yī)藥，因?yàn)楣劝彼崾菢?gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸之一，雖然它不是人體必須的氨基酸，但它可作為碳氮營養(yǎng)與機(jī)體代謝，有較高的營養(yǎng)價(jià)值。谷氨酸被人體吸收后，易與血氨形成谷酞氨，能解除代謝過程中氨的毒害作用，因而能預(yù)防和治療肝昏迷，保護(hù)肝臟，是肝臟疾病患者的輔助藥物。腦組織只能氧化谷氨酸，而不能氧

6、化其它氨基酸，故谷酞胺可作為腦組織的能量物質(zhì)，改進(jìn)維持大腦機(jī)能。谷氨酸作為神經(jīng)中樞及大腦皮質(zhì)的補(bǔ)劑，對(duì)于治療腦震蕩或神經(jīng)損傷、癲癰以及對(duì)弱智兒童均有一定療效。用谷氨酸制成的成藥有藥用谷氨酸內(nèi)服片，谷氨酸鈉(鉀)注射液，谷氨酸鈣注射液，乙酞谷氨酸注射液等2。隨著科學(xué)的進(jìn)步，研究的深入，谷氨酸新的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V。1.3發(fā)展趨勢(shì)1.發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸的歷史谷氨酸的研究和發(fā)展已有百余年的歷史。1890年Wolff 利用-酮戊酸合成消旋谷氨酸。1908年日本東大教授Kilunae lkeda（池田菊苗）從呈味成分的海帶煮出汁中提取得到谷氨酸鈉，創(chuàng)造了新的人工調(diào)味料，并獲得專利。1909年池田與鈴木合作

7、獲得了蛋白質(zhì)酸水解法生產(chǎn)谷氨酸的專利權(quán)，并進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，味之素公司率先把味精作為商品推出，從此誕生了味精工業(yè)。1936年美國國際化學(xué)藥品公司以甜菜廢糖液（Steffen廢液）為原料，用抽提法生產(chǎn)味精。1957年木下等發(fā)明了以淀粉、糖蜜為原料利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸，從而使谷氨酸發(fā)酵實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)自1964年上海工業(yè)微生物研究所與上海天廚味精廠協(xié)作，采用黃色短桿菌以發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸獲得成功以后，1965年在上海天廚味精廠50m3發(fā)酵罐首先投產(chǎn)，完成了以蛋白質(zhì)原料水解法向發(fā)酵法生產(chǎn)味精的轉(zhuǎn)變。由中國科學(xué)院微生物研究所與杭州味精廠合作，于1966年采用北京棒桿菌發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸在杭州味精

8、廠投產(chǎn)，進(jìn)行一次投糖發(fā)酵產(chǎn)酸4.5%-6%。到了七八十年代，甜菜糖蜜（加抑制劑法）發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸投產(chǎn)，產(chǎn)酸6%-8%，轉(zhuǎn)化率50%左右。此后，利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸在國內(nèi)各味精廠相繼推廣，有力地推動(dòng)了我國味精工業(yè)的崛起。迄今為止，國內(nèi)已全部采用發(fā)酵法生產(chǎn)味精。發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸的成功，是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的重大創(chuàng)舉，也是氨基酸生產(chǎn)中的重大革新，大大推動(dòng)了其它氨基酸發(fā)酵研究和生產(chǎn)的發(fā)展32 我國谷氨酸發(fā)酵的現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)味精作為商品問世以來已有近百年的歷史，味精工業(yè)發(fā)展較快。我國味精工業(yè)的產(chǎn)量穩(wěn)居世界第一位，2007年全國味精產(chǎn)量達(dá)190萬噸。味精工廠的味精平均銷售價(jià)格為7,800元/噸，成本為

9、7,000元/噸。按照上述產(chǎn)量計(jì)算，我國味精工業(yè)中純味精的總產(chǎn)值約150億元，加上相當(dāng)于上述總值30%的副產(chǎn)品（主要是飼料蛋白、化肥、液態(tài)肥料）的產(chǎn)出，我國味精工業(yè)年生產(chǎn)總值約為200億元人民幣。從市場(chǎng)需求來看，2007年國內(nèi)谷氨酸年產(chǎn)量約190萬噸，國內(nèi)人均消費(fèi)味精僅1kg，與日本、香港、臺(tái)灣、東南亞等國家及地區(qū)的味精消費(fèi)水平（1.5kg）相比，還是較低的。味精綜合開發(fā)利用的效益顯著，通過提高產(chǎn)酸率，噸味精成本可降低500元左右，其生產(chǎn)成本將低于日本的味精生產(chǎn)成本，具備了參與國際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力，可以抓住機(jī)遇擴(kuò)大味精出口量。另外，谷氨酸還是許多重要化學(xué)品、醫(yī)藥品、保健食品和其他氨基酸制品（如谷胱

10、甘肽、焦谷氨酸、谷氨酰胺、聚谷氨酸、沙利度胺等）的重要中間體。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)主要將谷氨酸作為純粹調(diào)味品（比例為 85%）；在國外，將谷氨酸作為純粹調(diào)味品的比例僅為 52%，而將其用做化工、醫(yī)藥和保健食品中間體的比例卻高達(dá)48%。預(yù)計(jì)我國在今后 5-20 年內(nèi)，將谷氨酸用做化工、醫(yī)藥和保健食品中間體的比例將會(huì)大大提高。根據(jù)以上分析，預(yù)計(jì) 2020 年全球谷氨酸產(chǎn)量可以達(dá)到 320 萬噸，我國占總分額的 70%，將達(dá)到 224 萬噸。2、 主要設(shè)計(jì)（研究）內(nèi)容1研究內(nèi)容為了解味精生產(chǎn)中原料預(yù)處理、發(fā)酵、提取部分的生產(chǎn)方法和生產(chǎn)流程，根據(jù)實(shí)際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產(chǎn)流程，并對(duì)流程中的

11、原料進(jìn)行物料衡算、熱量計(jì)算及設(shè)備的選擇。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產(chǎn)的工藝和設(shè)備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐及空氣分過濾器的設(shè)計(jì)與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。2研究方法味精主要以玉米淀粉為原料，其工藝流程為：玉米淀粉糖化葡萄糖谷氨酸發(fā)酵谷氨酸提取粗谷氨酸中和、加入食用純堿谷氨酸鈉精致谷氨酸鈉成品（味精）。其中谷氨酸發(fā)酵的工藝流程為：經(jīng)連續(xù)消毒的培養(yǎng)基（玉米漿、無機(jī)鹽、葡萄糖、生物素在無菌空氣中接入三級(jí)種子培養(yǎng)的菌種進(jìn)行發(fā)酵谷氨酸。設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)工藝，利用玉米淀粉水解制成的葡萄糖液進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵。經(jīng)中和、除鐵、脫色等步

12、驟生產(chǎn)目標(biāo)產(chǎn)品味精4。發(fā)酵選用T6-13棒狀桿菌為生產(chǎn)菌種，采用“三高”強(qiáng)制發(fā)酵工藝（即高生物素、大接種量、高青霉素）與高濃度流加糖工藝，以提高產(chǎn)率。3谷氨酸生產(chǎn)工藝和設(shè)備選擇（重點(diǎn)與難點(diǎn)）3.1 味精生產(chǎn)工藝概述味精生產(chǎn)過程可劃分為四個(gè)工藝階段：（1）原料的預(yù)處理及淀粉水解糖的制備（2）種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵（3）谷氨酸的提?。?）谷氨酸制取味精及味精的成品加工。與這四個(gè)工藝階段相對(duì)應(yīng)的味精生產(chǎn)廠家一般都設(shè)置的糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產(chǎn)車間。另外，為保障生產(chǎn)過程中對(duì)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，并通過工期管路輸送到各個(gè)生產(chǎn)需求部位。為保障全

13、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。3.2 原料預(yù)處理及淀粉水解糖制備3.2.1 原料的預(yù)處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料的結(jié)構(gòu)，以便提高原料的利用率，同時(shí)去除固體雜質(zhì)，防止機(jī)器磨損。用于除雜的設(shè)備為篩選機(jī)，常用的是振動(dòng)篩和轉(zhuǎn)筒篩，其中振動(dòng)篩結(jié)構(gòu)較為簡單，使用方便。用于原料粉碎的設(shè)備除盤磨機(jī)外，還有錘式粉碎機(jī)和輥式粉碎機(jī)。盤磨機(jī)廣泛用于磨碎大米、玉米，豆類等物料，而錘式粉碎機(jī)應(yīng)用于薯干等脆性原料的中碎和細(xì)碎作用，輥式粉碎機(jī)主要用于粒狀物料的中碎和細(xì)碎。3.2.2 淀粉水解糖制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制

14、得的糖液成為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用5。目前，國內(nèi)許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。雙酶法制糖工藝，具有明顯的淀粉轉(zhuǎn)化率高，有利于發(fā)酵和提取的特點(diǎn)。雙酶法制糖工藝過程基本分為兩種：兩次噴射工藝、一次噴射工藝。兩次噴射工藝過程存在著明顯的弱點(diǎn)。一次噴射工藝過程明顯改變了兩次噴射的弱點(diǎn)，具有蒸汽消耗和動(dòng)力消耗小，容易控制，糖液質(zhì)量穩(wěn)定，設(shè)備數(shù)量少，占地面積小，生產(chǎn)環(huán)境好，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制等優(yōu)點(diǎn)6。主要工藝操作 及2.3 種子擴(kuò)大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵種子擴(kuò)大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過程所需的大量種子，發(fā)酵車間內(nèi)設(shè)置有種子站，完成生產(chǎn)菌種

15、的擴(kuò)大培養(yǎng)任務(wù)。從試管斜面出發(fā)，經(jīng)活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴(kuò)大至一級(jí)乃至二級(jí)種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產(chǎn)種子。谷氨酸發(fā)酵開始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對(duì)其作高溫短時(shí)滅菌處理。用于滅菌的工藝除采用連消塔-維持罐-噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采用噴射加熱器-維持管-真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流動(dòng)性差，容易將維持管堵塞，同時(shí)真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應(yīng)用較少?，F(xiàn)階段我國谷氨酸發(fā)酵三種工藝并行。對(duì)不同工藝的評(píng)價(jià)在于節(jié)能降耗，節(jié)能的關(guān)鍵為發(fā)酵過程通風(fēng)的總耗電量，既每噸發(fā)酵谷氨酸所耗的KWH總量。設(shè)備生產(chǎn)強(qiáng)度以每立方米發(fā)酵罐總?cè)莘e每小時(shí)所產(chǎn)谷氨酸

16、的數(shù)量進(jìn)行比較。由此得出 目前的三種工藝沒有一種是合理或者是不合理的。在于設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的把握。發(fā)酵設(shè)備國內(nèi)味精廠大多數(shù)采用機(jī)械攪拌通風(fēng)通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50立方米到200立方米之間。對(duì)于發(fā)酵過程采用人工控制，檢測(cè)儀表不能及時(shí)反映罐內(nèi)參數(shù)變化。 由于谷氨酸發(fā)酵為通風(fēng)發(fā)酵過程，需供給無菌空氣，所以發(fā)酵車間還有一套空氣過濾除菌及供給系統(tǒng)7。3.4 谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等電點(diǎn)-離子交換法，國內(nèi)有些味精廠還采用等電點(diǎn)-鋅鹽法、鹽酸水解-等電點(diǎn)法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產(chǎn)成本高，技術(shù)難度大等問題，應(yīng)用上受到限制8。三計(jì)劃安排（論文進(jìn)展的時(shí)間安排） 序號(hào)設(shè)計(jì)各

17、階段任務(wù)預(yù)計(jì)使用時(shí)間1文獻(xiàn)檢索，準(zhǔn)備開題報(bào)告2月28日至3月28日2進(jìn)行味精發(fā)酵工藝設(shè)計(jì)3月28日至4月24日3繪制圖紙4月25日至5月15日4設(shè)計(jì)論文撰寫5月16日至5月29日5對(duì)論文進(jìn)行修改，準(zhǔn)備答辯5月30日至6月17日四閱讀的主要參考文獻(xiàn)1鄒忠梅，俞長遠(yuǎn).人體生命之源一氨基酸MI北京:中國醫(yī)藥科學(xué)出版社2000，7一l2.2.蔣澄.氨基酸的應(yīng)用M北京:世界圖書出版公司19%，21一253.于信令.味精工業(yè)手冊(cè)M.北京,中國輕工業(yè)出版社, 1995.704Robert J. Hanchar, Farzaneh Teymouri, Chandra D Separation of Glucose and Pentose Sugars by Selective Enzyme Hydrolysis of AFEX-Treated Corn FiberJApplied Biochemistry and Biotechnology, 2007, 3: 313-3255尤新淀粉糖品生產(chǎn)與應(yīng)用手冊(cè)