-
年产
1.5
万吨味精
生产工艺初步设计
摘
要
我国味精生产虽然发展很快，但还有生产效率低、生产成本高
、脱色
效果不理想、污水处理不彻底等缺陷，与国际先进水平相比仍有很大差距，
造成了很大的浪费。本设计在生产流程的各个方面加以完善，尤其在味精
脱色、污水处理等方面摒弃了传统不十分理想的方法，采用了新技术，进
一步消除了因
脱色和污水处理不彻底造成的资源浪费。
味精脱色采用
XSX-
8
吸附树脂，具有脱色好、投资省、处理成本低的优势；污水处理采用两步
生物处理法酵母反应器和活性污泥的连续系统处理味精废水，可以去除味
精废
水中
95%
的
COD
< br>，达到节能环保的要求。
关
键词：
味精；新技术；脱色；污水处理
1
A PRELIMINARY DESIGN OF
TECHNOLOGICAL PROCESS FOR
MSG
PRODUCTION
15,000 TONS PER YEAR
Abstract
Although the production of
monosodium glutamate in China has developed
rapidly, poor
colour
and
lustre,
low
productivity,
high
production
cost
and
bad
treatment
system
of
wastewater, which still have a big gap
compared with the international advanced level,
result
in lots of waste.
The
design improve various aspects
of
production processes,
especially in
bleaching of MSG
, treatment
of wastewater and so on. Those rejecte traditional
method which
are
not
good
and
use
new
technology.
Therefore
it
saves
lots
of
money
in
bleaching
and
treatment
of
wastewater.
XSX
-
8
polymeric
adsorbent
is
used
in
MSG
decoloring,which
has
good decoloration efficiency. It can
save investment and make low cost .Wastewater
treatment
by two-step method of
biological treatment of activated sludge and yeast
reactor system, can
remove monosodium
glutamate wastewater treatment in 95% of COD
monosodium glutamate
wastewater, energy
conservation and environmental protection
requirement.
KEY
WORDS
：
monosodium
glutamate
（
MSG
）
;
new
technique
;decolor;
treatment
of
wastewater
2
目
录
摘
要
..
..................................................
..................................................
....................................
1
ABSTRACT ......
..................................................
..................................................
.....................
2
第一章
综述
..................................................
..................................................
..........................
6
1.1
味精的发展
......................
..................................................
..............................................
6
1.2
味精的来源
......................
..................................................
..............................................
7
1.3
味精的性质与组成
...................
..................................................
.....................................
7
1.4
味精的营养价值
....................
..................................................
........................................
8
1.5
本课题的研究意义、设计指导思想及设计范围
.......
..................................................
.
8
1.5.1
本课题的研究意义
...................
..................................................
..............................
8
1.5.2
设计指导思想
.....................
..................................................
....................................
9
1.5.3
设计范围
.......................
..................................................
..........................................
9
第二章
工厂概况
...........
..................................................
..................................................
...
1
0
2.1
厂址选择
.......................
..................................................
...............................................
1
0
2.1.1
选厂原则
.......................
..................................................
........................................
1
0
2.1.2
厂址选择
.......................
..................................................
........................................
1
0
2.2
生产规模
.......................
..................................................
............................................... 11
第三章
味精生产工艺
.....................
..................................................
...................................
1
2
3.1
味精生产工艺流程图
..................
..................................................
................................
1
3
3.2
味精生产工艺
.....................
..................................................
.........................................
1
4
3.2.1
原料预处理及淀粉水解糖制备
..............
..................................................
.............
1
4
3.2.2
种子扩大培养及谷氨酸发酵
...............
..................................................
................
1
4
3.2.3
谷氨酸的提取及谷氨酸单钠的制备
............
..................................................
.......
1
6
3.2.4
味精的精制
......................
..................................................
.....................................
1
6
3.3
谷氨酸提取操作中的要点
................
..................................................
..........................
1
7
3
3.4
谷氨酸发酵过程计算机控制程序
.............
..................................................
.................
1
8
3.4.1
发酵过程控制
....
..................................................
..................................................
.
1
8
3.4.2
讨论
.........................
..................................................
..............................................
2
1
第四章
工艺计算
.......................
..................................................
...........................................
2
2
4.1
谷氨酸发酵工艺流程示意图
...............
..................................................
.......................
2
2
4.2
工艺技术指标及基础数据
................
..................................................
..........................
2
2
4.3
谷氨酸发酵车间的物料衡算
...............
..................................................
.......................
2
3
4.4
15000
< br>T
/
A
味精厂发酵车间的物料衡
算结果
.
............
..................................................
..
2
5
第五章
设备设计与选型
....................
..................................................
................................
2
7
5.1
发酵罐
........................
..................................................
..................................................
2
7
5.1.1
发酵罐的选型
.....................
..................................................
..................................
2
7
5.1.2
发酵罐相关数据的确定
.................
..................................................
......................
2
7
5.2
种子罐
........................
..................................................
..................................................
3
7
5.2.1
二级种子罐
......................
..................................................
.....................................
3
7
5.2.2
一级种子罐
......................
..................................................
.....................................
4
4
5.3
空气分过滤器
.....................
..................................................
.........................................
4
5
5.3.1
二级种子罐分过滤器
..................
..................................................
.........................
4
5
5.3.2
一级种子罐分过滤器
.
..................................................
..........................................
4
5
5.3.3
发酵罐分过滤器
....................
..................................................
...............................
4
6
5.4
味精厂发酵车间设备一览表
...............
..................................................
.......................
4
7
第六章
环境保护
.......................
..................................................
.........................................
4
8
6.1
味精厂的主要废弃物
..................
..................................................
................................
4
8
6.2
味精废水的来源及水质特点
...............
..................................................
.......................
4
8
6.2.1
味精废水的来源
...
..................................................
................................................
4
8
6.2.2
味精废水的水质特点
..................
..................................................
.........................
4
9
6.2.3
现有工厂处理味精废水存在的主要问题
..........
..................................................
.
5
0
6.3
废水处理工艺设计
...................
..................................................
...................................
5
0
6.3.1
传统上对味精废水的处理方法
..............
..................................................
.............
5
0
4
6.3.2
本设计对味精废水的处理方法
..............
..................................................
.............
5
1
6.4
环境影响评价
.....................
..................................................
.........................................
5
3
第七章
平面布置
...........
..................................................
..................................................
...
5
4
结论
.........................
..................................................
..................................................
.............
5
5
参考文献
.......................
..................................................
..................................................
.......
5
6
附录
.........................
..................................................
..................................................
.............
5
7
致谢
.........................
..................................................
...............................
错
误！未定义书签。
5
第一章
综述
<
/p>
味精是人们普遍采用的鲜味剂，
是
L-<
/p>
谷氨酸单钠盐的一水化合物，
学名叫谷氨酸钠，
< br>亦称味素。
早期味精是由酸法水解蛋白质进行制造的，
自从
1956
年日本协和发酵公司用发酵
法生产以后，发酵法生产迅速发展，目前世界各国均以此法进行生产。在我国，通常用
玉米、大米、淀粉来生产味精
［
1
］<
/p>
，也可用甜菜、蜂蜜等通过化学合成制作。
味精易溶于水，具有吸湿性，味道及其鲜美，溶于
3000
倍的水中仍具有鲜味，它
是既能增加人们的食欲，又能提供一定营养的家常调味品。
味精在一般烹调加工条件下较稳定，但若长时间处于
100
℃以上的高温中，谷氨酸
钠则易变为对人体有
致癌性的焦谷氨酸钠；若在碱性环境中，味精会起化学反应产生谷
氨酸二钠。所以要适当
地使用和存放。
本文将对味精发酵生产工艺、主要设备及废水
处理作简要的介绍，并对某些工艺进
行创新。
1.1
味精的发展
20
世纪初，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗从海带汤中分离出了谷氨酸钠分
子，最
初的味精诞生了。
我国味精生产始于
1923
年，至
1965
年的
42
年间，其生产方法一直沿用传统的蛋白质
酸
水解法，它是用含蛋白质的面筋和豆粕为原料，经水解提取，原料消耗高
(
约需
30
吨
小麦的面筋生产
1
吨味精
)
、
收得率低、操作环境差、劳动强度大、污染严重，
42
年间，<
/p>
年产量最高不过
4000
吨，生产发展速
度缓慢。这一方面是由于生产工艺落后，技术水平
低；另一方面，与当时人民的生活水平
还比较低、餐饮业不旺盛也有关系。
二十世纪五十年代，日本
首先研究成功用微生物发酵法生产谷氨酸制味精，开创了
可以用糖蜜或淀粉等非蛋白质资
源生产谷氨酸的新途径。
我国在此影响下，也于
1958
年组织有关科研单位、大专院校、企业联合攻关，选育
菌种，
于
1964
年选育出
优良的黄色短杆菌。
首先在上海味精厂
50m
< br>3
发酵罐上试验取得成
6
功，当时，被国家科委评为重大成果之一。
< br>1966
年以后全国味精厂相继全面推广。
这一新工艺的发明和生产是氨基酸工业科学技术的重大突破，
是二十世纪六
十年代
谷氨酸发酵的重要成果，为生物技术在氨基酸工业中的应用开辟了广阔的前景。它
不仅
改变了落后的酸水解工艺，
而且为节约宝贵的蛋白质资源和
粮食深加工提高农产品附加
值作出了积极的贡献。
1965
年以后，
我国味精生产全部采用以淀粉或
糖蜜为原料的微生物发酵工艺，
大大
的促进了生产的发展，味精
行业面貌大变，劳动条件大大改善，经济效益明显提高，到
1985
年全国味精生产企业达到
140
家。随着酶制剂的应用和生
产工艺及装备的改进，技
术水平不断提高，进一步推动了味精生产的快速发展。
40
年来，
产量的年
平均增长速度为
17
％，
为我国味精生
产快速增长，
成为年产量占
世界产量
7
0
％左右的第一生产大国。技术水平和装备水平的不断提高，大大缩短与国外
先进水平的差距。
1.2
味精的来源
谷氨酸是一种普遍存在的氨基酸。它主要以络合状态存在于富含蛋白质的食物中，
如蘑菇、海带、西红柿、坚果、豆类、肉类以及大多数奶制品。部分食物中的谷氨酸以
自由态存在，并且只有这种自由形态的谷氨酸盐能够增强食物的鲜味。西红柿、发酵的
大
豆制品、酵母提取物、某些尖奶酪以及发酵或水解蛋白质产品（如酱油或豆酱）所能
带来
的调味作用中，
部分归功于谷氨酸的存在。
谷氨酸被分离出来，
提纯，
制成其钠盐，
即谷氨酸钠。
1.3
味精的性质与组成
味精的主要成分为谷氨酸钠，具有旋光性，有
D-
型和
L-
型两种光学异构
体。此外
还含有少量食盐、水分、脂肪、糖、铁、磷等物质。
纯的味精外观为一种白色晶体状粉末。味精易溶于水，当它溶于水（或唾液）时，
会迅速电离为自由的钠离子和谷氨酸阴离子。
化学名：
L-
谷氨酸单钠一水化物
(
简称
MSG)
或
2-
氨基戊二酸单钠
-
水化物，结构
7
式：
HOOC-CH
2-
CH
2
-CH-COONa
·
H
2
O
︱
NH
2
IUPAC
英文名：
sodium (2S)-2-amino-5-hydroxy-5-oxo-
pentanoate
1.4
味精的营养价值
首先，味精能增进菜
肴的鲜味，促进食用者的食欲，能够刺激消化液的分泌，有助
于食物在体内的消化吸收。
其次，味精经口食入后，很快在消化道被分解为谷氨酸进入血
液输送到肌体各部，
参与各种生理必须的蛋白质的合成，谷氨酸是自然界存在的二十种氨
基酸之一，是组成
蛋白质的基本结构。
再次，谷氨酸还具有特殊功能，在人体内起着十分重要的生理作用：
(1)
谷氨酸在
人体内通过转氨酶的作用将其分子中的氨基转移给丙氨酮酸，
形成丙氨酸。
(2)
谷氨酸与
血液中的氨形成无毒的谷氨酰氨，使血液中氨的浓度下降，减少氨中毒的危险性。
(3)
谷氨酸在体内与胱氨酸、
甘氨酸结合形成谷胱甘肽。
该化合物是一种很有效的抗氧化剂，
对于延续衰老，促进疾病恢
复均有好处。能够分解体内代谢过程中所产生的过氧化物，
避免肌体遭受过氧化物的侵害
，
有利于维持身体健康。
(4)
谷氨酸
在体内能够形成氨基丁
酸，它是一种神经递质，帮助神经的传导。
1.5
本课题的研究意义、设计指导思想及设计范围
1.5.1
本课题的研究意义
味精是一种安全可
靠的食品添加剂，它能够增加菜肴的色、香、味，促进食欲，有
益于人体健康。市场需求
量大，已成为家家户户菜肴之必备辅助食品。
初步估算，
中国大陆增鲜消费品市场的容量超过
300
亿元，
占调味品行业总体容量
的近
25
%
，其中，
以味精为代表的传统增鲜调味品直接市场容量又占到
70%
以上，
可以
8
说，味精是目前中国大陆
增鲜调味品市场最重要的品种。专家预测，味精年产量将保持
8%-10%
左右的增速。
基于味精需求量之大、前景之好，本
毕业设计选题为年产
1.5
万吨味精生产工艺初
步设计。工艺是要不断创新、不断寻求更高效合理的生产途径及更环保的生产方法的，
< br>而原有味精生产工艺在某些方面不够理想，因此在这里加以改进，并在原有味精生产工
艺基础上开发结合新工艺、新技术，使味精的生产在某些方面达到一个突破，使整个流
程更加完善。
另外，做年产
1.5
万吨味精生产工艺初步设计能够结合大学四年学过的很多知识，
使我对生产工艺、物料衡算、设备选型等更加熟悉、有更全面的掌握，使所学知识更加
扎
实并且融会贯通，是大学四年课程的一个很好的总结。
因此，本毕业设计是非常有必要的。
1.5.2
设计指导思想
（
1
）查阅大量文献，加大科技含量，采用先进
、可靠、合理、经济的工艺。
（
2<
/p>
）尽量在生产过程中实现资源的全面综合利用，可以大幅度降低能量消耗。
（
3
）坚持环境保护，采取
可靠的治理措施，强化洁净工艺技术，做到达标排放。
1.5.3
设计范围
（
1
）原料粉碎、液化、糖化、扩培、发酵、提取、
精制、污水处理。
（
2
）与上述工序配套的设备、自控、电气、土建、给排水管道等。
（
3
）本设计为今后的发展留有一定的空间。
9
第二章
工厂概况
2.1
厂址选择
2.1.1
选厂原则
①地价合理，有发展空间，
自然环境适宜发酵生产，远离居民区，选非耕田，有国
家批准的土地使用证明。
②水源充足
(
经钻井
试验
)
，水质好，有通畅的排水渠道。
③原辅料，能源丰富价廉，运输便捷。
④对治理污染有良好条件。
⑤当地政府优惠政策落实有保证。
2.1.2
厂址选择
选择山西省侯马市。
空地：侯马市地
处山西省临汾市南部，处于临汾、运城、晋城三市及晋、冀、豫三
省中间。位于汾河与浍
河交汇处，东临曲沃，西接新绛，南连闻喜，北靠襄汾。市境内
地势较平坦，属晋南盆地
的一部分。该市空地充足，适合建厂。
交通：侯马市土地肥沃
，该厂位于市东郊，有得天独厚的交通优势，同蒲、侯月、
侯西铁路交汇，公路有晋韩、
大运高速路，交通便利。在此建厂能方便原辅料的运输，
降低运输成本。
气温：全年平均气温
12.6
℃，一月最冷，平均
-2.4
℃；七月最热
< br>,
平均气温
26.1
℃。
全年无霜期平均约
197
天。气候条件较好，
适合发酵生产。
降水：年平均降水量
492.1
㎜，水利条件较好。
总的
来说，
山西省侯马市原料、
燃料及电力十分充足，
交通便利，
适合建造味精厂。
10
2.2
生产规模
< br>味精厂的生产规模主要由市场决定，
其次是建厂的交通、
运输、
水、
电、
原料供应、
污水处理等，而市场占有率是由品牌和生产成本决定，主要是后者。生产成本低，市场
开拓就有潜力。
生产成本主要取决于以下
4
个方面：①地区优势（包括原材料、动力价格和地方政
策等）
；
②技术水平和管理水平；
③规模效益
（在生产规模较小时，
如年产量
2
万吨以下，
增加产量，明显降低成本，但产量较大时
，影响不大）
；④运转费用（取决于设备设计、
设备配套和技术
管理等）
。
生产成本的降低应从建厂开始，应重视合理设计设备，合理进行设备配套，将产量
规模
与设备规模结合，降低运作费用；选择先进的生产工艺和强化技术管理，提高技术
水平，
降低单耗
[2]
。
11
第三章
味精生产工艺
味精生产全过程可划分为四个工艺阶段：
(1)
原料的预处理及淀粉水解糖的制备；
(2)
种子扩大培养及谷氨酸发酵；
(3)
谷氨酸的提
取及谷氨酸单钠的制备；
(4)
味精精制。
与这四个工艺阶段相对应，在味精生产厂设置糖化车间、发酵车间、提取车间和精
制车间作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，设置锅炉房，利用<
/p>
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，
还需设置水泵房，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
［
3
］
。
12
3.1
味精生产工艺流程图
摇瓶扩大培养
水解
过滤
淀粉水解糖
过滤除菌
配料
冷却
气液分离
除铁
过滤
脱色
浓缩结晶
菌种
斜面培养
原料
预处理
空气
空气压缩机
种子罐扩大培养
细谷氨酸
发酵
离心
等电点调节
小结晶
干燥
大结晶
干燥
沉淀
离心
拌盐粉碎
过滤
粗谷氨酸
母液
粉状味精
成品味精
溶解
中和制味精
图
3
-
1
味精生产总工艺流程图
Fig.
3-1. The
flow diagram of Monosodium
glutamate production process
13
3.2
味精生产工艺
3.2.1
原料预处理及淀粉水解糖制备
（
1
）原料预处理
此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体
杂质，
防止机器磨损。
用于除杂的设备为筛选机，常用振动筛，结构
简单，使用方便；用于原料粉碎的设
备有盘磨机、锤式粉碎机和辊式粉碎机，这里选择辊
式粉碎机，实现物料的中碎和细碎
［
4
］
。
本次设计原料为淀粉，将原料粉
碎到
0.6-1.5mm
的颗粒后才能进行糖化发酵，目的
是为了增加原料接触面积。
（
2
）淀粉水解糖制备
由
于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉作为碳源，
因而必须将淀粉水解为葡萄糖，
才
能供发酵使用。淀粉水解为葡萄糖先要进入液化阶段，然后再与糖化酶作
用进入糖化阶
段。
液化阶段：
首先利用
α
-
淀粉酶将淀粉浆液化，
降
低淀粉黏度并将其水解成糊精和
低聚糖。液化使用喷射液化器，工作蒸汽压
0.4Mpa
，温度维持在
90
℃，液化时间
60min
，
碘色反
应呈棕色即可。然后
130-140
℃灭酶
5-10min
。经板式换热器冷却到
70
℃以下，进
入糖化罐。从换热器出来的热水供配料和洗滤渣用。
糖化阶段：一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内将进一步水解为葡萄
糖。
糖化过程需要加入糖化酶，糖化温度控制在
60
℃左右，
pH
值
4.0-
4.4
，糖化时间
32h
。糖
化结束后，将糖化罐加热至
80-85
℃
，灭酶
30min
。过滤得葡萄糖液，经过换热器、维
持罐进行连续消毒后作为培养液进入发酵罐
[5]
。
3.2.2
种子扩大培养及谷氨酸发酵
（
1
）种子扩大培养
在生物化工中菌种的优良与否直接影响到发酵产物的质量和产量，
所以有专门的菌
种培养和保藏设备，在微生物学上利用自然选育来防止菌种退化。
<
/p>
种子扩大培养是为了保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，
发酵车
间内设置有种子
14
站，完成生产菌种的扩大培养任务。在生产之前，技术人员经过挑选将发酵菌种从保藏
菌种中取出，从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培
养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产菌种。
（
2
）谷氨酸发酵
谷氨酸发酵开始前，首先必须配制
发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。用于
灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋
冷却系统外，
还可采用喷射加热器—维持管—
真空冷却系统或薄
板换热器灭菌系统。但由于糖液黏度较大，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，故采用连消
塔—维持罐一喷淋冷却
系统。
消毒后的谷氨酸培养液在流量监控下进入谷氨酸发酵罐
，
经过罐内冷却蛇管将温度
冷却至
32
℃
，接入菌种，添加氯化钾、硫酸锰
、消泡剂及维生素等，通入无菌空气，
菌种经一段时间适应后，发酵过程即开始缓慢进行
。谷氨酸发酵是一个复杂的微生物生
长过程，谷氨酸菌摄取原料的营养，并通过体内特定
的酶进行复杂的生化反应。培养液
中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内，反应物
转化为谷氨酸产物。整个发酵过
程一般要经历
3
个时期，即适应期、对数增长期和衰亡期。每个时期对培养液浓度、温
度、
pH
值及供风量都有不同的要求。因此，在发酵过程中，必须为菌体
的生长代谢提
供适宜的生长环境。经过大约
34
小时的培养，当产酸、残糖、光密度等指标均达到一
定要求时即可放罐
[5]
。
发酵设备采
用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在
50m
3
到
200m
3
之间。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<
/p>
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、油水分离器两级处
理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维
分过滤器除菌后，送至发酵
罐使用。在北方地区由于空气湿度小、温度低，可采用空气
压缩、冷却过滤流程，省去一
级冷却设备。根据不同的生长时期要改变通风量，其中在
对数增长期，由于菌体生存于发
酵液中，发酵液中的溶解氧
(D0
值
)
对菌体极为重要。
另外，发酵过程常
常会出现噬菌体污染，为了避免出现大面积噬菌体污染，需要在
发酵生产管理上要抓好环
境消毒工作，
环境消毒工作要进行考核，
空气过滤器定期更换、
15
定期消毒
,
做好纯化罐的定期检修工作。
3.2.3
谷氨酸的提取及谷氨酸单钠的制备
该过程由等电点中和与二次中和两部分完成。
（
1
）谷氨酸的提取
利用氨基酸两性的性质，谷氨酸在等电点时，绝大部分分子以偶极离子状态存在，
其分子在静电引力的作用下，易于形成较大的聚合体，即等电点下溶解度最低，可经长
时间的沉淀得到谷氨酸。因此提取即用无机酸将发酵液的
pH
< br>值调整到等电点
pH3.2
处并
获得谷氨酸的结晶。
等电点中和
（酸
中和）
首先将谷氨酸发酵液送至中和罐定容，
并向中和罐盘管内
注
入冷冻盐水，将发酵液温度降至
22
℃，然后加硫酸中和，使其
pH
值从
7
.0
降至
3.2
，温度
从
22
℃降至
8
℃。该过程要先以较快的速率加酸，将
pH
先调整至
5.0
，停止加酸
1.5h
，保
证晶体增长。然后继续缓慢加酸调整，直至
p
H
降为
3.2
，温度冷却至
8
℃，使之达到等电
点，停止中和及搅拌。
（
2
）谷氨酸单钠
的制备
二次中和（碱中和）是将上述溶液过滤得到谷氨酸结晶
，加入
40-60
℃的温水溶解，
用碳
酸钠将谷氨酸溶液的
pH
值调至
5.6
。谷氨酸是两性电解质，在不同的
pH
值下有不同
的电离方式。
pH
值低，溶
液中的谷氨酸浓度百分率高；
pH
高，溶液中的谷氨酸二钠的<
/p>
浓度百分率高。谷氨酸及谷氨酸二钠均无味精的鲜味，因此，碱中和时必须控制适宜的
pH
值，
以使谷氨酸尽可能生成谷氨酸单钠
。
碱中和时速度要缓慢，
以免中和时产生大量
< br>的二氧化碳泡沫，
造成液面升高或逸出。
加碱的速度过快
，
搅拌不均匀还会导致局部
pH
值过高
，同样影响中和效果。中和温度要控制在
70
℃以内，温度过高
，会使谷氨酸钠脱
水，生成焦谷氨酸钠，影响产品质量与收率
[
5]
。
3.2.4
味精的精制
谷氨酸单钠粗品经提纯、加工、包装，得到成品，即味精。
<
/p>
谷氨酸钠溶液经过脱色及离子交换柱除去
Ca
2+
、
Mg
2+
、
Fe
2+
离子，即可得到高
纯度的谷氨酸钠溶液。将纯净的谷氨酸钠溶液
导入结晶罐，进行减压蒸发，当波美度达
到
29.5
时放入晶种，
进入育晶阶段，
根据结晶罐内溶液的
饱和度和结晶情况实时控制谷
16
氨酸钠溶液输入量及进水量。经过十几小时的蒸发结晶，当结晶形体达到一定要求、物<
/p>
料积累到
80
％高度时，将料液放至助晶
槽，结晶长成后分离出味精，送去干燥和筛选。
结晶罐的基本
操作条件为罐内真空度
0.075-0.085MPa
，
温度为
70
℃，
浓缩
液浓度波
美度为
33-36
，结晶时间
10-14h
，操作原则是争取最大的结晶速度和收率并获得均
匀整
齐的晶型
[5]
。
精制味精脱色一般采用
K-15
碳柱脱色，此法成熟，但是脱色效果不理想，一般仅
平均提高中和液透光率
5-6
个百分点。对中和液色度大的，需反复脱色；有时还要加保
险粉，制约生产；且洗脱困难，冲洗热水及酸、碱用量大，时间长，有机废水多。
本设计选用
XSX-8
吸
附树脂对味精进行脱色，解决了上述难题。它的优点：
1
、味<
/p>
精质量高。
1)
脱色好。进柱中和液透光
率
85
％，出料
96
< br>—
99
％；进柱中和液透光率
7
5
—
80
％，出料
95-98
％；提高值远优于
K-15
，且不需加保险粉；
2)
可吸附
2
0-30
％硫酸盐，
对降低味精硫酸盐有好处，
K-15
无此功能。
2
、投资省。同规模投资省
20-30
％，因
为
XSX-8
吸附能力是
K-15
的
4-5
倍，新工艺设备少，填料量是
K-15
的
l/4
。
3
、处理成本低。
废水少
3/4
。再生省热水
3
/4
，省酸碱
30-50%
，省时间<
/p>
60%
，故处理成本低。本工艺综合
比较
产品质量、投资、运行费用、环保、操作等各方面均可证明，其性价比优于
K-15
碳柱工艺
[6]
。
3.3
谷氨酸提取操作中的要点
（
1
）
pH
值
谷氨酸在等电点时，绝大部分以偶极离子状态存在，并含有等量的阴离子
(Glu
-
)
和
阳离子
(Glu
+
< br>)
，正负电荷相等，总静电荷为零。在溶液中由于谷氨酸分子之间相互碰撞，
并在静电引力的作用下，
结合成较大的聚合体，
故在等电点时谷氨酸表现最低的溶解度，
利用此原理，将发酵液中的谷氨酸结晶。<
/p>
正常谷氨酸发酵液
pH
值为
6.7
左右。需要将发酵液的
pH
值调整至
3.0
—
3.2
之间才能
达到其目的。在调整
pH
值过程中并非使
pH
值
均匀下降，必须保证溶解度均匀下降，并
保证溶解度的下降速度。
可检测其溶解度下降规律，
确定
pH
值的下降速度来得以实现工
艺的优化，用试纸检测
pH
值时必须用高纯度的谷氨酸校正
pH
试纸，这样
才能达到
pH
值
的准确性，达到较高的
收率。
17
（
2
）温度
降低温度也是降低溶解度的方法之一。
在育晶前以育晶温度的需
要来进行调整；
育
晶至
pH3.8
，温度控制在不回升的基础上缓降，下降速度越慢好；
pH3.8<
/p>
—
pH
终点可适当
加快降温速度，避免
pH
、温度迭加因素影响质量；
pH
终点后应满开冷却水阀门尽快拉
至温度终点
，
然后搅拌几个小时，
进行沉降。
理论
上，
温度终点越低收率越好
(
理论上<
/p>
-5
℃
母液会结冰，可拉至
-3
℃～
-4
℃
)
，但这里必须考虑其冷冻能力及生产成本
(
成本最为重
要
)
，
所以终点温度控制比这要高很多
[7]
。
3.4
谷氨酸发酵过程计算机控制程序
为了
实现发酵条件最优化，
采用电子计算机控制发酵条件。
谷氨酸发
酵中的一些参
数实现计算机自动控制，使微生物的生长、基质消耗、谷氨酸积累等可控参
数趋于稳定
和最优化。
3.4.1
发酵过程控制
谷氨酸发酵是用糖液和其它生物素等组成的基质溶液，
在通风供氧和适宜
温度、
酸
度条件下，缓慢进行的生化反应过程。在整个发酵期间
，必须严格控制微生物生长所需
要的环境条件，如通风量、
pH
值、罐温、生物素等。环境因素控制不当，可能导致“发
酵转换
”现象，即改变微生物代谢途径，使谷氨酸产量锐减，副产酸大量增加，直接影
响生产效
益。由于原料及生物素是由工艺决定的，因此通风量、
pH
值、
罐温、适时补糖
就成为保证发酵正常进行的关键因素
[8]
。
3.4.1.1
制糖工段的控制
<
/p>
主要控制回路有调浆罐温度及
pH
值的控
制、一次喷射温度的控制、糖化温度的控
制。
调浆罐定容可采用流量或液位测量方式，
在调浆罐中，
使淀粉与水混合，
调浆罐温
度用进入盘管的蒸汽控制在
30
℃，
pH
值用纯碱
溶液控制在
6.4
。
这些系统均采用单
回路
PID
控制，只要控制器参数调整适宜，都能满足控制要求
。待溶液混合均匀后，用泵将
淀粉浆送入喷射器，在喷射器中利用蒸汽将浆打入缓冲罐中
，喷射器出口温度控制在
18
<
/p>
100
～
105
℃。降压后，用泵送入分离器中，在分离器中，气体从顶部放出，淀粉浆进入
层流罐后经
冷却器将温度降至
60
℃。接着进入糖化罐，糖化罐中的温度控
制在
60
℃左
右，在罐中加入糖化酶使
之糖化，再经过滤器进入糖液储罐。
3.4.1.2
谷氨酸发酵工段的控制
谷氨酸发酵是
一个较为复杂的生化过程，
要使菌体生长迅速、
代谢正常、
多出产物，
必须为其提供良好的生长环境。一般主要控制参数有通风
量或溶解氧、发酵液
pH
值、
发酵温度
、罐压等。因为发酵过程中菌体生长及次级代谢产物的合成都非常复杂，再加
上发酵的规
模较大，对各种影响因素灵敏，所以发酵过程比较适合运用自动化对生产进
行相应的控制
。
溶解氧的控制：
谷氨酸菌的生长必
须在有氧的环境下进行，
根据不同的生长时期改
变通风量，其中
在对数增长期，菌体生长代谢最活跃，需要的氧量最多。由于菌体生存
于发酵液中，发酵
液中的溶解氧（
DO
值）对菌体极为重要。空气经过分配器的小
孔进
入发酵罐底部，
鼓泡而上，
再经过
充分的搅拌，
对
O
2
< br>向液相扩散起到重要的作用。
因此，
生物供氧不能简单停
留在按发酵阶段调整通风量的设定值上，
这里采用溶解氧在线分析
器、排气
CO
2
和
< br>O
2
浓度分析器组成了多变量的先进控制系统，计算机根
据发酵液中实际
氧含量及菌体生长代谢情况调节通风量控制系统的设定值和搅拌电机转速
，
对改善溶解
氧的浓度起到了良好的作用。
pH
值控制：发酵过程的
pH<
/p>
值变化比较缓慢，并且受温度、通风量、菌体的生长代
谢情况影响
，
比一般的酸碱中和过程复杂得多。
在整个发酵过程中，
pH
设定值是时间的
函数，每时每刻对
pH
值的动态精度要求都很高，发酵全程
pH
值不能低于
6.4
，否则产酸
率、产酸速率将明显下降。在发酵的初始阶段，因为其产酸能力较低，不能过快的增加
液氨流量，应对控制器输出适当限幅。采用具有多种约束的非线性
PID<
/p>
控制方法，以获
得优良的控制效果。
<
/p>
温度控制：
根据发酵进行的时间和工艺要求设计一个最优发酵温度
设定函数，
然后
通过计算机根据此函数自动控制温度变化。从发
酵开始，温度设定在
32
℃，每经过
1
2h
，
升温
1-2
℃，当发酵时间接近
34h
时，温度升至
< br>37
℃。
罐压可以采用单回路
PID
控制，
通常控制在
0.05
～
0.1 M Pa
，
以防止外界的不洁空气
进入造成染菌，罐压过高将增大阻力
与能耗。罐压可以采用单回路
PID
控制，但因其与
19
通风量控制系统耦合密切，控制器参数整定需要解耦。
自动补料控制：
在发酵液中糖浓度接近
0
时
(1g/dl
以下
)
进行流加
,
尽量减少因培
养
基浓度波动过大对发酵过程造成的危害
,
稳定发酵周期
,
提高产酸率和转化率。
< br>即进行零
糖流加。
消沫控制：可以采用带缓冲区的位式控制。
3.4.1.3
中和提取工段的控制
提取过程要最大
限度的获得发酵液中的谷氨酸，
按照等电点分离的原理，
可设计
温
度程序设定控制及
pH
程序设定控制
。
在等电点中和控制过程中，
pH<
/p>
控制精度要求较高、难度较大，这是由于中和过程
开始时系统具有
较大的灵敏度，
使得初始加酸量难以控制适当，
pH
值极易出现超调，
进
而引起中和初值
pH
值的大幅度波动。而在中和后期，随着
pH
值的降低，系统反应灵敏
度减弱，若控制器仍按原来的规律和强度调
节，达到中和终点的时间就会延长，因此，
引入控制器参数的自调整或非线性控制策略。
在中和过程中，
温度和
pH
值必须同时按设
定的参考轨迹同步变化，对温度和
pH
的变化速率也有严格的要求，
pH
与温度两个控制
回路之间具有一定相关性。
在二次中和过程中，
要将
pH
值从
3.2
调整到
5.6
，
随着
中和点的接近
,
系统静态放大系
数逐渐
增大，导致系统稳定性下降。因此，二次中和过程与等电点中和具有相反的控制
特性，这
一工序需设计两套不同的中和控制系统，以保证生产的需要。
3.4.1.4
精制工段的控制
<
/p>
将上一工段的谷氨酸钠，经脱色与离子交换脱去铁、钙、镁等杂质，形成脱色液，
送入结晶罐。在罐中加入精种养精，并加水最终形成味精颗粒。
味精结晶过程要经过形成过饱和溶液、
晶核形成及晶体成长
3
个阶段。
结晶的生长
要
投入一定的晶核，这样可以使晶体生长速度加快。这时必须严格控制结晶罐内的过饱
和度
，使之在增加晶种后，不产生新晶核，也不溶化晶种，使结晶操作工作在介稳区，
有利于
晶核的稳定增长。结晶操作的原则是要争取最大的结晶速度与收率，并获得均匀
整齐的晶
型。为了满足上述要求，可通过自动化对真空度、料液浓度、结晶罐的温度及
液位等加以
控制
[9]
。
20
真
空度控制：通过控制喷射水流量来调节抽出气体的量实现真空度控制。
料液浓度（过饱和度）控制：适时调整进料速度，保持相对稳定的过饱和度，以利
于晶体成长；当饱和度变化至有可能出现新晶核时，加水溶解。
结晶罐的温度控制：罐的温度与浓度有直接关系，为了保证蒸发结晶的正常进行，
则
在一定真空度下，结晶罐的物料温度必须按一定的程序曲线升温，使物料浓度达到预
定的
过饱和度。控制手段是调节进入结晶罐换热器的蒸汽流量。
液
位控制：
液位参数既可以作为过饱和度控制系统的约束条件，
也
可以由这两个变
量共同构成开关超驰控制。正常情况下，由浓度控制器控制进罐料液流量
，当液位到达
某一限制值时，则由液位控制器控制入罐料液流量。
3.4.2
讨论
随着计算机及自动化技术的不断发展，
现代自动化技术在工业生产中的应用越来越
广。自动化的加入，让工业生产在效益上大
大提高的同时改善生产环境，减少人员的工
作强度。对于我国发展中国家，国内有些味精
企业，实行大规模自动化，无论在资金上
还是人员上在短期都是比较困难的，所以，在生
产流程的主要阶段实行自动化控制还是
具有可行性的。
21
第四章
工艺计算
4.1
谷氨酸发酵工艺流程示意图
谷氨酸发酵工艺流程示意图如图
4-1
所示。
水
解
槽
预
热
器
连
消
塔
维
持
罐
冷
却
器
< br>灭
菌
培
养
基
无
菌
空
气
过
滤
除
菌
压
缩
机
尿素
消泡剂
母液
灭菌
灭菌
<
/p>
发
酵
罐
成
熟
发
酵
液
等
电
点
罐
分
离
机
图
4-1
谷氨酸发酵工艺流程示意图
Fig. 4-1. The
schematic
drawing of glutamate fermentation process
谷
氨
酸
4.2
工艺技术指标及基础数据
（
1
）查《发酵工厂工艺设计概论》
P
326
表
3
味精行业国
家企业标准
［
10
］
< br>，选用主要指标
如表
4-1
所示
。
表
4-1
味精发酵工艺技术指标
index
of MSG fermentation technology
指标名称
生产规模
年生产天数
产品日产量
产品质量
单位
t/a
d/a
t/a
纯度
%
指标数
15000
300
50
99
22
指标名称
倒灌率
发酵周期
发酵初糖
淀粉糖转化率
糖酸转化率
麸酸谷氨酸含量
谷氨酸提取率
味精对谷氨酸产率
单位
%
h
Kg/m
3
%
%
%
%
%
指标数
1.0
48
150
95
48
90
80
112
（
2
）主要原材料质量指标：淀粉原料的淀粉含量为
80%
，含水<
/p>
14%
。
（
3
）二级
种子培养基（
g/L
）
：水解糖
25
，糖蜜
20
，尿
素
3.5
，磷酸氢二钾
1.0
，硫酸镁
0.6
，玉米浆
5~10
，泡敌
0.6
，硫酸镁
0.002
，硫酸亚铁
0.002
。
（
4
）
发酵培养基
（
g/L
）
：
水解糖
150
，
糖蜜<
/p>
4
，
硫酸镁
0.
6
，
氯化钾
0.8
，
磷酸氢二钠
0.2
，
硫酸亚铁
0.002
，硫酸锰
0.002
，尿素
40
，泡敌
0.6
，植物油
1.0
。
（
5
）接种量为
2%
。
4.3
谷氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产
1000kg
纯度为
100%
的味精需耗用的原辅材料及其他物料量。
< br>
（
1
）发酵液量
V
1
V
1
?
1000
?
?
15
0
?
48
%
?
80
%
?
99
%
?
112
%
?
?
15
.<
/p>
66
m
3
?
?
式中
150
—
—发酵培养基初糖浓度（
kg/m
3
）
48%
——糖酸转化率
80%
——谷氨酸提取率
99%
——除去倒灌率
1%
后的发酵成功率<
/p>
112%
——味精对谷氨酸的精制产率
（
2
）发酵液配制需水解糖量
G
1
以纯糖算，
23
G
1
?
V
1
?
150
?
2349
(
kg
)
（
3
）二级种液量
V
2
V
2
?
2
%
V
1
?
0
.
313
m
3
（
4
< br>）二级种子培养液所需水解糖量
G
2
?
?
G
2
?
25
V
2
?
7
.
83
m
3
式中
25
——二级种液含糖量（
kg/m
3
）
（
5
）生产
1000kg
味精需水解糖总量
G
为：
?
?
G
?
G
1
?
G
2
?
2356
.
8
< br>?
kg
?
（
6
）耗用淀粉原料量
理论上，
100kg
淀粉转化生成葡萄糖量为
111kg
，故理论上耗用的淀粉量
G
淀粉
为：
G
淀粉
?
23
56
.
8
?
?
80
%
?
95
%
?
111
%
?
?
2793
.
7
?
kg
?
式中
80%
——淀粉原料含纯淀粉量
95%
——淀粉糖转化率
（
7
）尿素耗用量
二级种液耗尿素量为
V
3
V
3
?
3
.
5
V
2
?
1
.
1
?
kg
?
发酵培养基耗尿素为
V
4<
/p>
V
4
?
40
V
1
?
626
.
4
?
kg
?
故共耗尿素量为
627.5kg
（<
/p>
8
）甘蔗糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量
V
5
V
< br>5
?
20
V
2
?
6
.
26
?
kg
?
发酵培养基耗糖蜜量
V
6
V
6
?
< br>4
V
1
?
62
.
64
?
kg
?
合计耗糖蜜
69.9kg
24
（
9
）氯化钾耗量
G
KCl
G
KCl
?
0
.
8
V
1
12
.
53
?
kg
?
（
10
）磷酸氢二
钠（
Na
2
HPO
4
·
7H
2
O
）耗量
G
3
G
3
?
0
.
2
V
1
?
3
.
13
?
kg
?
（
11
）硫酸镁（
MgSO
4
·
7H
2
O
）用量<
/p>
G
4
G
4
?
0
.
6
?
V
1
?
V
2
?
?
9
< br>.
58
?
kg
< br>?
（
12
）消泡剂（泡敌）耗用量
G
5
G
5
?
0
.
6
V
1
?
9
.
4
?
kg
?
（
13
< br>）植物油耗用量
G
6
G
6
?
1
.
5
V
1
?
23
.
5
?
kg
?
< br>（
14
）发酵液谷氨酸含量为：
G
1
?
48<
/p>
%
?
1
?
1
%
?
?
1116
.
2
?
kg
?
实际生产的谷
氨酸（提取率
80%
）为：
?
kg
?
<
/p>
1116
.
2
?
80
%
?
89
3
4.4
15000t/a
味精厂发酵车间的物料衡算结果
由上述生产
1000kg
味精（
100%
纯度）的物料衡算结果，可求得
15000
t/a
味精厂发
酵车间的物料平衡计算，具体计算结果见表
4-2
所示。
25
表
4-2
味精厂发酵车间的物料衡算
Table.4-2. material balance of MSG
fermentation workshop
物料名称
生产
1t
味精
（
100%
）
的物料量
15000t/a
味精生
产的物料量
2.35×
10
5
4695
3.52×
10
7
每日物料量
发酵液（
m
）
二级种液（
m
）
发
酵
水
解
用
糖
（
kg<
/p>
）
二级种培养用糖
（
kg
）
水解糖总量（
kg
）
淀粉
(kg)
尿素（或液氨）
糖蜜（
kg
）
氯化钾（
kg
）
磷酸氢二钠（
kg
）
硫酸镁（
kg
）
泡敌（
kg
）
植物油（
kg
）
谷氨酸（
kg
）
< br>
3
3
15.66
0.313
2349
783
15.65
1.17×
10
5
7.83
1.1
8×
10
5
391.5
2356.8
2793.7
627.5
69.9
12.53
3.13
9.58
9.4
23.5
893
3.53×
10
7
<
/p>
4.19×
10
7
9.41×
10
6
1.05×
10
6
1.88×
10
5<
/p>
4.70×
10
4
1.44×
10
5
1.40×
10
5
3.53×
10<
/p>
5
1.34×
10
7
1.18×
< br>10
5
1.40×
10
5
3.14×
10
4
3495
626.5
156.5
479
470
1175
44650
26
第五章
设备计算与选型
5.1
发酵罐
5.1.1
发酵罐的选型
选用机械涡轮搅拌通风发酵罐。
性能
优良的机械涡轮搅拌通风发酵罐应满足：
（
1
< br>）
具有适应的高径比，
一般为
1
.7-4
左右，罐身越长，氧的利用率越高；
（
2
）能承受一定的压力；
（
3
）其搅拌通风装置能使
气液充分混合，保证发酵液必须的溶解氧
；
（
4
）具有足够的冷却面积；
（
5
）罐内应尽量
少
死角，
避免藏污积垢；灭菌能彻底，
避免染菌；
（
6
）搅拌器的轴封应严密，
减少泄漏。
5.1.2
发酵罐相关数据的确定
（
1
）发酵罐容积的确定：
< br>选用
200m
3
发酵罐。
（
2
）生产能力的计算：
现每天生产
99%
纯度的味精
50t
，<
/p>
谷氨酸的发酵周期为
48h(
包括发酵罐
清洗、
灭菌、
进出物料等辅助操作时间
)
，则每天需糖液体积为
V
50t
，每吨
100%
的味精需糖液
15.66m
3
）
。
糖
（每天产纯度
为
99%
的味精
V
糖
?
15
.
66
?
50
?
99
%
?
775.17
m
3
?
?
< br>
设发酵罐的填充系数
υ
=70
%
，则每天需要发酵需要发酵罐的总体积为
V
< br>0
（发酵周
期为
48h
）
。
V
0
?
V
糖
< br>/
υ
?
775
< br>.
17
?
1107
.
4
m
3
< br>0
.
7
?
?
（
3
）
发酵罐个数的确定：
公称体积为
20
0m
3
的发酵罐，总体积为
230
m
3
。
N
1
?
V
0
τ
775.1
7
?
48
?
?
9
.
63
?<
/p>
个
?
V
总
υ
?
24
230
?
0
.
7
?
24
取公称体积
200
m
3
发酵罐
11
个，其中一个留作备用。
27
实际产量验算：
230
?
0
.
7
< br>?
5
?
300
< br>?
15580
.
6
?
t
/
a
< br>?
15
.
66
< br>?
99
%
富裕量
1
5580
.
6
?
15000
?
3
.
< br>9
%
15000
能满足产量要求
（
< br>4
）主要尺寸的计算：
取高径比
H
：
D=2
：
1
[11]
V
全
?
V
筒
?
2
V
封
?
230
m
3
；
则有
<
/p>
V
全
?
0
.
785
D
2
?
2
D
?
π
3
D
?
2
?
230
24
H=2D
；
解方程得
1
.
57
D
3
?
0
.
26
D<
/p>
3
?
230
<
/p>
D
?
3
230<
/p>
?
5
.
004<
/p>
?
m
?
1
.
83
取
D=5m
H=2D=10m
；
封头高
?
mm
?
H
封
?
h
a
?
h
b
?
1300
封头容积
V
封
=16.4
（
m3
）
圆柱部分容积
< br>V
筒
=197m
3
验算全容积
V
全
‘
V
V
封
?
197
?
2
?
16
.
4
?
229
.
8
m
3
全
?
V
筒
?
2
?
?
V<
/p>
全
=V
’
全
符合设计要求，可行。
28