年产3000吨味精发酵工段工艺设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书
目录
第一章 总论 5
1.1设计依据 5
1.2设计原则 5
1.3设计范围 6
第二章 味精的简介 6
2.1味精的结构和性质 6
2.1.1结构 6
2.1.2性质 7
2.2味精的应用价值 8
2.2.1食品方面 8
2.2.2医药方面 8
2.2.3日用化妆品方面 8
2.3味精的安全评价 9
2.4味精的合理使用 9
2.5味精的合理选购 10
2.6味精的生产方法 10
2.7味精的发展及趋势 12
2.7.1发展历程 12
2.7.2发展趋势 12
第三章 味精的生产工艺 13
3.1概述 13
3.2生产谷氨酸的菌株 14
3.3谷氨酸的发酵机理 15
3.4谷氨酸的发酵技术 16
3.4.1原料的预处理 16
3.4.2淀粉水解糖的制备 17
3.4.3种子扩大培养 17
3.4.4谷氨酸发酵 18
3.3谷氨酸的提取 22
3.4谷氨酸制取味精及味精成品加工 23
3.4.1谷氨酸中和 23
3.4.2除铁方法 24
3.4.2脱色方法 24
3.4.3中和液的浓缩与结晶 24
第四章 工艺的计算 26
4.1物料平衡计算 26
4.1.1物料衡算的意义 26
4.1.2谷氨酸发酵工艺流程示意图 26
4.1.3工艺技术指标及基础数据 26
4.1.4谷氨酸发酵车间的物料衡算 27
4.2热量衡算 30
4.2.1发酵热 30
4.2.2搅拌热 30
4.2.3向环境传热 30
4.2.4蒸汽带走的热 31
4.3蒸汽衡算 32
4.3.1种子罐实罐灭菌蒸汽量 32
4.3.2发酵罐实罐灭菌蒸汽量 33
4.4过程水衡算 35
4.4.1发酵罐发酵过程的冷却用水量 35
4.4.2种子罐发酵过程的冷却用水量 35
4.4.3辅助操作用水量 36
4.5发酵过程无菌空气耗用量 36
4.6用电量计算 38
4.6.1搅拌过程用电量计算 38
4.6.2物料输送中的耗电量 39
4.6.3空气压缩机耗电量 39
4.6.4照明用电量 39
第五章 设备的计算 40
5.1发酵罐的设计与选型 40
5.1.1发酵罐的选型 40
5.1.2生产能力、容器和数量的确定 40
5.1.3主要尺寸计算 41
5.1.4冷却面积的计算 41
5.1.5搅拌器设计 42
5.1.6搅拌轴功率的计算 43
5.1.7设备结构的工艺计算 44
5.1.7设备及材料的选择 48
5.1.8发酵罐壁厚的计算 48
5.1.9接管设计 50
5.2种子罐的设计与选型 50
5.2.1种子罐的选型 50
5.2.2种子罐容积和数量的确定 50
5.2.3冷却面积的计算 51
5.2.4设备材料的选择 52
5.2.5壁厚计算 52
5.2.6设计结构的工艺设计 53
5.2.7进风管和进出料管 56
5.2.8冷却水管 57
5.2.9支座选型 57
5.3空气分布器 57
5.3.1种子罐分过滤器 57
5.3.2发酵罐分过滤器 58
第六章 谷氨酸发酵车间附属设备选型 60
6.1补料罐设计 60
6.2泡敌罐设计 61
6.3尿素罐设计 63
6.4配料罐设计 64
6.4.1种子罐配料罐 64
6.4.2发酵罐配料罐 64
6.5泵的选择（待算） 65
6.5.1泡敌泵 65
6.5.2尿素泵 65
6.5.3补料泵 65
6.6空压机选型 66
6.6.1生产能力确定 66
6.6.2压头的确定 66
6.6.3选型 67
第七章 车间布置 67
7.1车间布置原则 67
7.2车间布置说明 68
7.2.1建筑 68
7.2.2生产工艺 68
7.2.3设备安装要求 68
第八章 生产制度 68
8.1工作安排 68
8.2中间体化验岗位责任制 69
8.3下罐管理制度 69
8.4清洗罐质量标准 70
第九章 设备 70
9.1车间设备概况 70
9.1.1种子制备设备 70
9.1.2培养基设备及无菌设备（略） 71
9.1.3种子罐及发酵罐 71
9.2车间设备材料选择原则 71
第十章 仪表控制方案 71
10.1发酵部分接种罐、发酵罐和补料罐 71
10.2工艺参数控制要求 71
10.3动力供应 72
第十一章 供电与通风 72
11.1供电 72
11.2采暖与通风 72
11.2.1采暖 72
11.2.2通风 72
第十二章 给排水 73
12.1生产用水情况概述及要求 73
12.2排水系统的划分 73
第十三章 环境保护 73
13.1生产过程中三废排放情况 73
13.2处理方案 73
13.3控制噪声的基本方法 74
第十四章 节能 74
14.1能耗分析 74
14.2节能措施 74
第十五章 技术保安与放火 74
15.1生产物料的性质 74
15.2主要技术保安措施 74
第十六章 车间维修 75
参考文献 76
第一章 总论

1.1设计依据
内蒙古科技大学数理与生物工程学院学院下达的《内蒙古科技大学（本科生）毕业设计任务书》
1.2设计原则
(1)设计需达到生物技术产品的数量和质量指标。
(2)依据相关资料，对味精生产工艺进行简述和论证，对工艺流程和条件参数进行优化，达到资金、原材料、公共设施和人员投入协调，经济最优。
(3)充分考虑各种明显的和隐在危险，保证生产人员的健康和安全，如生物反应器等压力容器，易燃、易爆、挥发性溶剂的管理以及菌种等微生物扩散等。
(4)符合国家和地方的环境保护法规，按照工业生态学减少原料和能量的使用，物料的多层多级综合利用和废弃物资源化循环利用的“3R”原则，达到清洁生产。
(5)保证整套系统不仅可以正常操作，而且也能满足开停车等非常规操作。
(6)保证系统能适应和抑制外部扰动的影响，达到整套系统的可能性。
1.3设计范围
根据设计任务书，本设计的生产规模为年产2600吨味精。
本设计主要针对的是味精生产工厂的发酵车间设计，其中包括工艺流程的设计、艺的计算、设备的计算、工艺流程图的设计与绘制，厂房布置图的设计与绘制及其人员配置等。

第二章 味精的简介

味精化学名称为又称L-谷氨酸钠，又称谷氨酸钠、麸酸钠、味素等。它是增强食品风味的增味剂，主要呈现鲜味，也称鲜味剂。
2.1味精的结构和性质
2.1.1结构
味精（谷氨酸钠）是 α-氨基戊二酸（L-谷氨酸）的钠盐的一水化合物。
化学式：，相对分子质量为187.13，呈斜方晶系柱状八面体，因有一不对称碳原子，故有旋光性，即D型（右旋）和L型（左旋）两种光学异构体，两者相等时为DL，比旋光度。
结构如下：
2.1.2性质
1.味精的物理性质
味精呈无色或白色柱状结晶或白色的结晶性粉末。无臭，有特殊鲜味。粒子相对密度为1.635，视相对密度为0.80~0.83。味精易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，水中溶解度为64.1%（0℃）。其pH为7.0，氮含量占7.48%。
味精熔点195℃，无吸湿性，对光稳定，水溶液加温也较稳定。于100℃的温度下加热3h，分解率为0.6%，在120℃时失去结晶水，150~160℃或长时间受热，失水而发生吡咯烷酮化，生成焦谷氨酸钠，其呈味力降低；240℃开始热分解，280℃炭化。
2.味精的化学性质
味精的化学名称为谷氨酸钠，是氨基酸的一种，也是蛋白质分解的最后产物，是采用微生物发酵的方法由粮食之城的现代调味品。
① 与酸、碱反应
与盐酸作用生成顾氨盐酸盐：
C5H8NO4Na + HCl = C5H9O4N + NaCl
C5H9O4N + HCl = C5H9O4N•HCl
与碱作用生成谷氨酸二钠盐：
C5H8NO4Na + NaOH = C5H7O4NNa2 + H2O
② 味精等电点：pI=6.96
谷氨酸钠的水溶性很好，在100毫升水中可以溶解74克谷氨酸钠。纯的味精外观为一种白色晶体状粉末。当味精溶于水（或唾液）时，它会迅速电离为自由的钠离子和谷氨酸盐离子（谷氨酸盐离子是谷氨酸的阴离子，谷氨酸则是一种天然氨基酸）。经证明，味精在100℃时加热半小时，只有0.3%的谷氨酸钠生成焦谷氨酸钠。在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。
2.2味精的应用价值
2.2.1食品方面
味精广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。用于食品内，有增香作用。甘氨酸具有甜味，和味精（谷氨酸钠）协同作用能显著提高食品的风味。谷氨酸作为风味剂可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。味精具有很强的鲜味(阈值为0.03％)，能够增加菜肴的色、香、味，促进食欲。科学证明，味精进入人体后可以完全被消化吸收，并参与到正常的新陈代谢中，不会发生沉积。味精在人体代谢过程中可生成谷氨酸，是构成蛋白质的氨基酸之一，人体体重的17%是蛋白质，而组成蛋白质的氨基酸中谷氨酸占20%。因此食用味精不仅能起到调味增进食欲的作用，还能补充人体一定的营养素。我国的味精均采用玉米、大米等粮食作物发酵酿制，纯度能达到99.9%，为纯天然发酵提取的绿色食品[1]。
2.2.2医药方面
谷氨酸在体内具有重要的生理功能。由于其有补脑和保肝作用，在临床上常用于治疗某些神经性疾患（如癫痫病、神经衰弱）和肝病（如肝昏迷、肝功能受损），谷氨酸的药理作用：（1）味精进入胃肠后很快就会分解出谷氨酸，在人身代谢过程中与酮酸发生氨基转移作用合成其他氨基酸，能解除新陈代谢过程中氨的毒害作用，对人体有益无害。（2）能与体内血氨结合成无毒的谷氨酰氨，使血氨下降，从而减轻肝昏迷症状。（3）参与脑内蛋白质和糖的代谢，促进脑细胞氧化过程。脑组织能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，当葡萄糖供应不足时，谷氨酸可作为脑组织的能源，改进和维持大脑机能[2][3]。此外，谷氨酸钠还具有胃酸缺乏等病的作用。
2.2.3日用化妆品方面
谷氨酸是世界上氨基酸产量最大的品种，可作为营养物作用于皮肤和毛发。谷氨酸可用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱落功效。用于皮肤，对治疗皱纹有功效。谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术提取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有较大的市场。
2.3味精的安全评价
味精在长期使用的过程中曾一度蒙受“不白之冤”。由于人们对味精的营养特性缺乏全面、科学的了解，认为味精没有营养，甚至对人体有害。一些人进餐后感到头痛、胸闷、恶心、呕吐、心悸、腹痛等不适就归咎于味精，称之为“味精症状”。此外，味精在长时间高温情况下会转变为谷氨酸钠，不显鲜味的同时还具有轻微的毒性，加之对“味精毒害健康”这类话题的反复炒作，味精曾一度被怀疑是不可安全食用的增鲜调味品。
1973年FAO/WHO食品添加剂专家联合组织一度规定，味精的ADI值0mg~120mg，即摄入量每天每千克人体体重不得超过120mg。但国际上许多权威机构都做过味精的各种毒理试验，到目前为止，还未发现味精在正常使用范围内对人体有任何危害的依据，即证明食用味精是安全的。1973年，联合国食品法规委员会（CAC）把谷氨酸钠归入推荐的食品添加剂的A（I）类（安全型类）。随后在1987年荷兰海牙举行的第19届联合国粮农及世界卫生组织食品添加剂法规委员会会议正式宣布，取消对味精食用加以限量的有关规定，并一致认为味精是食品风味的增强剂，使用是安全的。美国食品药品管理局（FDA）在搜集了9000种以上的文献和试验数据后，又追加以新的动物试验，得出了“在现在的使用量、使用方法条件下，长期食用味精对人体没有任何障碍”的结论[4]。1999年，我国完成了味精的长期毒理试验，这是我国首次独立完成对国内味精的试验，试验得出与国际上一致的结论，即使用味精是安全的。
2.4味精的合理使用
味精具有很强的鲜味，用水稀释3000倍，仍能感到其鲜味，味阈值为0.014%。基于味精呈鲜效果的影响因素，在使用味精时应注意一般罐头、腊肠类用量为0.1%~0.3%，浓缩汤料、速食粉可用3%~10%，水产品、肉类用量0.5%~1.5%，酱油、酱菜、腌渍食品用量为0.1%~0.5%，面包、饼干、配制酒、酿造酒用量为0.015%~0.06%，竹笋、蘑菇罐头用量为0.05%~0.2%。孕妇及婴幼儿不宜吃味精,因味精可能会引起胎儿缺陷；老人和儿童也不宜多食。高血压患者若食用味精过多，会使血压更高。所以，高血压患者不但要限制食盐的摄入量，而且还要严格控制味精的摄入，肾炎、水肿等疾病的病人亦如此[5]。味精的ADI 值0～120 mg，即摄入量每天每千克人体体重不得超过120 mg，但味精在pH5以下的酸性条件长时间受热，都会发生分子内脱水生成焦性谷氨酸，导致鲜味消失，还会产生轻微毒性，所以食用味精一定要注意食用量的限制。
2.5味精的合理选购
味精是家庭生活常用的调味品，科学合理地选用优质味精，不但能让人们享受到美食，而且可以达到增进健康的目的。而使用假冒伪劣味精，不仅影响到人们的正常饮食，而且可能会危及到人体健康和安全，为此在选购味精时应注意识别真假、优劣。优质味精其颗粒形状一致，颜色洁白有光泽，颗粒间呈散粒状态，用水稀释至1∶100的比例后，口尝仍感到有鲜味；而劣质味精颗粒形状不统一，大小不一致，颜色发乌发黄，甚至颗粒成团结块，用水稀释至1∶100的比例后，只能尝到苦味、咸味或有甜味但无鲜味。味精的质量不仅与颗粒的洁白明亮程度有关，还取决于谷氨酸钠的含量。市场上销售的味精，在包装上都标明谷氨酸钠的含量，一般可分为99%、95%、90%、80% 4种规格，除99%以外，其他3种分别加5%、10%、20%食盐。谷氨酸钠含量高，色泽洁白的，其质量就好[8]。从增进人体健康的角度出发，选购时可从产品名称、配料表和谷氨酸钠含量来判定产品是纯味精（无盐味精）、含盐味精还是特鲜（强力）味精。尽量使用含谷氨酸钠99%的纯味精。
2.6味精的生产方法
(1)化学水解法
蛋白质原料(如面筋)加盐酸水解，利用谷氨酸盐在盐酸溶液中溶解度最小的特点，经过滤、中和、脱色、结晶而制得。每生产1吨99%味精好用面筋3.8吨。此法由于原料来源少，收率低，周期长，设备腐蚀严重，劳动条件差，成本高等，现已被淘汰。
(2)司蒂芬废液提取法
以甜菜为原料的糖厂，约有甜菜重4%的糖蜜副产物。从糖蜜中回收蔗糖后的废液，称为司蒂芬废液，经浓缩，用50%的NaOH溶液水解可制得味精。这是因为甜菜糖液中含有谷氨酰胺，在制糖过程中变成吡咯烷酮羧酸，与碱供热即水解为L-谷氨酸。此法设备庞大，工艺复杂，而且原料有局限性，很少有工厂使用此法生产。
(3)发酵法
1956年，日本木下祝郎发表了用细菌发酵葡萄糖生成的论文，1958 年利用菌种生产味精的发酵技术开发成功，由此开创了味精生产的新时代。发酵法可用广泛存在的淀粉质为原料，不局限于面筋的蛋白质，周期短，收率高，成本低，是目前世界上各国采用的主要方法。所用的细菌有短杆菌，棒杆菌，小杆菌和节杆菌。淀粉水解为葡萄糖后，加适量有机氮源和尿素，在适当的通风、搅拌下，葡萄糖经细菌作用，经过三羧酸循环，在谷氨酸脱氢酶的作用逆反应下，在还原性辅酶Ⅱ的存在下，α-酮戊二酸进行还原、氨化反应生成大量L-谷氨酸。粗谷氨酸用纯碱中和至pH7.0，即生成有鲜味的谷氨酸一钠。若中和至pH9.2以上，则生成完全无鲜味的谷氨酸二钠。此法每生产1吨99%味精耗用淀粉2.5吨。
用甘蔗和甜菜制糖后的糖蜜，也可发酵生产谷氨酸，但糖蜜中生物素含量较高，会导致代谢途径不向谷氨酸方向进行，并使细菌细胞膜中不饱和脂肪酸和磷脂增高，阻碍谷氨酸向体外分泌。所以要改用耐生物素的油酸、甘油缺陷性和温度敏感型菌种；或者添加青霉素适当阻止细胞壁合成；添加表面活性剂以增加细胞膜透性等才能提高产量。用石油或醋酸为原料也能发酵生产味精，但消费者担心石油残留物会致癌，未能投产。
(4)合成法
石油裂解气丙烯经羰化、氨化称为丙烯腈，再经氰胺化为α-氨基戊二腈，以NaOH水解、H2SO4酸化成DL型谷氨酸，再经光学拆分为L-谷氨酸。此法需20MPa的高压，120℃以上高温。用此法生产时有毒气（氢氰酸）存在，设备投资比发酵法大1倍，工艺复杂，故未能推广。
2.7味精的发展及趋势
2.7.1发展历程
1866年德国里坦森用硫酸分解小麦中的面筋，最先分离出谷氨酸。1872年赫拉西维茨等用酪蛋白也制得谷氨酸。1890年沃尔夫利用α-酮戊酸经溴化后合成DL-谷氨酸。1908年日本池田菊苗在研究海带汁的鲜味时，证实此鲜味物质即为L-谷氨酸一钠。1956年，日本木下祝郎发表了用细菌发酵葡萄糖生成的论文，1958 年利用菌种生产味精的发酵技术开发成功，由此开创了味精生产的新时代。
我国味精生产已经有多年的生产历史，从1923年我国面筋水解法生产味精到1958年利用淀粉糖发酵法生产味精研究开始，我国利用发酵法生产味精，已经走过了50年的历程，使发酵产酸发生了很大变化，味精发酵生产技术也在不断变革，80年代以前，我国大部分味精厂采用淀粉糖发酵法，一般发酵工艺采用生物素亚适量进行发酵控制，发酵产酸一般在5~6％左右，糖酸转化率在50％左右，70年代开始新疆石河子味精厂首先利用甜菜甜蜜，采用高生物素、大种量、高通风的发酵技术进行发酵生产，使发酵产酸达到8.5％左右，糖酸转化率在60~65％，90年代后期，我国部分味精厂在淀粉味精发酵行业开始进行以适量高生物素、大种量、高通风的发酵技术实验，加上我国大专院校、科研机构对淀粉制糖工艺、发酵菌种以及工艺控制方法及装备水平进行大量研究和改进,发酵产酸率和糖酸转化率都发生了巨大变化,发酵产酸一般12～14%左右，糖酸转化率在56~60%。
味精产业2004 年的全球市场约为170 万吨，2010 年增长到210 万吨。我国是味精生产大国，2003 年中国味精产量118.9 万吨，占世界53％，2006 年产量136 万吨，居世界第一，而技术水平和设备水平的不断提高，也逐渐缩短了与国际先进水平的差距。
2.7.2发展趋势
就国内市场来讲，随着我国人民生活水平提高和膳食结构的改变，以及对味精认识的普遍提高，味精的需求量不断增大，人均消费水平逐年提高，我国华东、中南、西南、华南地区人均年消费量已上升为1.0kg左右，近年来西北地区也从原来的人均年消费水平不足0.1kg增长到现在的人均0.5kg左右。我国味精的主要消费群体在城市，城市居民年消费量占到总产量的70%以上，农村市场的发展潜力巨大。
从全球范围来看，味精的消费主要集中在日本、东南亚、非洲等地，最近几年欧洲的南美洲等地的味精需求量开始逐年增长，尤其是国外市场对味精的消费不仅仅限于调味，而是广泛的作为一种原材料或香料表面活性剂应用于医药和化妆品行业。
由此可见，味精行业在食品和其他工业中将占据重要的地位，味精的消费市场开拓是很有前景的。

第三章 味精的生产工艺

3.1概述
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；(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。如图3-1。与这四个工艺阶段相对应味精生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间和精制车间作为主要生产车间。

图3-1味精生产总工艺流程图
3.2生产谷氨酸的菌株
由味精生产企业、行业专家和有相关专业刊物的报道看，我国现有生产谷氨酸的菌种有3种：生物素亚适量型菌种、高生物素及表面活性剂型菌种、温度敏感型菌种。
(1)生物素亚适量型菌种
它是谷氨酸发酵较为普遍使用的菌种，具有产酸稳定、提取收率高、发酵周期短、不易染菌、放管体积小和经济效益好等优点。现在全国味精行业近百家生产厂所用的生物素亚适量菌种为S9114和FM415两种，基本各占50%。生物素亚适量型菌种工艺路线是液化、糖化、发酵、提取和精致，为等电加离交的提取工艺。污水处理采用离交流出液等高浓度污水，提取菌体蛋白后做复合肥，其余污水做厌氧-好氧处理后，达到国家规定的标准排放。
(2)高生物素及表面活性剂型菌种
高生物素及表面活性剂型菌种以糖蜜为原料，不具有广泛代表，已被取代。
(3)温度敏感型菌种
温度敏感型菌种是现在一种新兴的菌种，此菌种的优点是发酵产酸率高和糖酸转化率高，但是提取收率低和提取困难是困扰其优势成果转化的主要原因。据调查，只有山东铃兰和河南周口两家在使用温度敏感型菌种，尚处于生产试验阶段；安徽丰源原设计用温度敏感型菌种，设计能力年产6000t谷氨酸，据业内人士介绍，丰源厂已转产为赖氨酸。
总的来讲，各谷氨酸生产企业经济效益还是相当可观的。从现在的谷氨酸市场考察情况看，谷氨酸的利润空间还是很大的，生物素亚适量型菌种发酵和提取整体工艺配套成熟、可靠应用广泛，经济效益好。此设计选用生物素亚适量型菌种。
3.3谷氨酸的发酵机理
谷氨酸发酵机理主要有糖酵解途径（EMP途径）、磷酸己糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA）、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应（CO2的固定反应）等。图3-2是以谷氨酸棒杆菌为实验材料所证实的谷氨酸合成途径。葡萄糖经过EMP和HMP途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰辅酶A进入TCA循环，另一部分固定二氧化碳生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，再经过还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。

图3-2 由葡萄糖生成合成谷氨酸的代谢途径
①苹果酸酶；②丙酮酸羧化酶；③丙酮酸脱羧酶；④异柠檬酸脱氢酶；
⑤异柠檬酸裂解酶；⑥α-酮戊二酸脱氢酶；⑦谷氨酸脱氢酶；⑧苹果酸脱氢酶；⑨乳酸脱氢酶
3.4谷氨酸的发酵技术
3.4.1原料的预处理
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，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。
3.4.2淀粉水解糖的制备
在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作为碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。淀粉水解方法有：酸水解法，酶水解法，酸酶水解法和酶酸水解法。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺，如图3-3。糖化结束后，将糖化罐加热至80-85℃，灭酶30min。过滤得葡萄糖液，经过压滤机后进行油水，再经过滤后连续消毒后进入发酵罐。
图3-3 双酶法制糖工艺
3.4.3种子扩大培养
种子扩大培养为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站，完成生产菌种的扩大培养任务。谷氨酸的发酵过程为：斜面活化→一级种子培养→二级种子扩大培养→发酵培养。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。
(1)斜面培养基的组成：葡萄糖0.1%，牛肉膏1.0%，蛋白胨1.0%，氯化钠0.5%，琼脂2.0%，pH7.0~7.2。121℃灭菌30min(传代和保藏斜面不加葡萄糖)。
(2)一级种子培养：种子扩大培养的目的是为了获得大量健壮的细胞。一级种子培养基应该营养丰富，有利于菌体的生长繁殖；其组分与斜面培养基相同。为了避免培养过程中因产生有机酸引起培养基pH下降而造成菌体老化，培养基的含糖量要低，一般在2.5左右。
培养条件：在1000ml三角瓶中，装入一级种子培养基180-200ml，灭菌后接种，然后置摇床上，放于摇床上在30~32℃振荡培养10~12h。往复式摇床的冲程为7.6cm，频率100次/min。旋转式摇床偏心距为5cm，转速为220r/min。
(3)二级种子培养：通过以及扩大，种量还不能满足发酵用的需要，因此需进一步扩大接种量，二级种子培养基的组成与原来一致，但配比上可有差异，这是因为可保证菌种较快适应环境，缩短发酵周期。
培养条件：二级种子是在种子罐里培养的培养二级种子的接种量为0.2~0.5%，温度为32~34℃，培养时间为6~8h。种子罐的搅拌转速和通风量因种子罐大小而异，如表3-4所示。种子罐的培养基装量为罐体积的70%，种子罐的径高比为1∶2，搅拌器为二档六弯叶涡轮型，叶径比为1∶（0.3~0.35）[7]。
表3-4 种子罐通风量和搅拌转
罐体积(L)
通风量
搅拌转速(r/min)
50
1∶0.5
350
250
1∶（0.3~0.35）
300
500
1∶0.25
230
表注：1∶0.5表示1min对1m³发酵液通入0.5m³空气
（4）发酵培养：发酵培养基不仅提供菌体生长繁殖所需要的营养和能量，而且是形成谷氨酸的物质来源。因此，发酵培养基应含有足够多的碳源和氮源，发酵培养基的组成和配比因菌种、设备工艺条件和原料来源不同而异。
3.4.4谷氨酸发酵
一般认定的为无论是野生株还是突变株，在增值旺盛，进行正常代谢的微生物培养液中不存在特生物合成代谢中间产物大量分泌积累的现象。因此为了积累特定的氨基酸，必须用某些方法使微生物代谢调节异常化。谷氨酸产生菌之所以能够在体外大量积累谷氨酸，首先是菌体的代谢异常化，即具有一定生理特性的菌株是生产谷氨酸的内因和依据。这种代谢异常化的菌株对环境条件是敏感的。谷氨酸发酵是建立在容易变动的代谢平衡上，是受多种条件支配的。
（1）发酵培养基的控制
与种子培养基不同，发酵培养基不仅是供给菌体生长繁殖所需要的营和能源，而且是构成谷氨酸的碳架来源，要积累大量谷氨酸，就要有足够多的碳源和氮源，其量大大地高于种子培养基，对于菌体繁殖所必需的因子—生物素却要控制其用量。
①碳源
目前所发现的谷氨酸产生菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖和麦芽糖等，这里主要是将淀粉水解糖作为碳源，培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有很大影响。在一定的范围内，谷氨酸产量随糖浓度的增加而增加，但是糖浓度过高，由于渗透压增大，对菌体生长和发酵都不利。
②氮源
氮源是合成菌体蛋白质、核酸等含氮物质和合成谷氨酸氨基的来源，同时，在发酵过程中一部分氨用于调节pH值，形成谷氨酸铵盐。因此，谷氨酸发酵需要的氮源比一般的发酵工业高。碳氮比对谷氨酸发酵影响很大，在发酵的不同阶段，控制碳氮比以促进以生长为主阶段向产酸阶段转化。氮源有无机氮和有机氮，，菌体利用无机氮源比较迅速，利用有机氮比较缓慢。常用的无机氮源有尿素、液氨、碳酸氢铵。
③无机盐
微生物对无机盐的需要量很少，但无机盐含量对菌体生长和代谢产物的合成影响很大。磷酸盐对谷氨酸发酵影响很大，磷浓度过高时，菌体的代谢转向合成缬氨酸，但磷含量过低，菌体生长不好；镁是某些细菌的叶绿素的组成成分，它的离子状态是许多重要的酶的激活剂。镁离子含量过少，影响基质的氧化。培养基中的硫已经在硫酸镁中供给，不必另加；谷氨酸发酵产物生长所需要的钾盐比菌体生长需要量高。
④生长因子
以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生物素缺陷型，以生物素为生长因子。生物素的作用主要影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。生物素浓度对菌体生长和谷氨酸积累都影响，大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”。生物素过量，大量繁殖而不产或少产谷氨酸，在生长中表现为长菌快、耗糖快、尿素消耗多、pH值低。生物素过量，发酵向乳酸发酵转换。供氧充足，生物素过量，糖代谢倾向于完全氧化。
（2）青霉素添加的时间和浓度的控制
青霉素添加的时间和浓度是影响产酸的关键。在即将添加前半小时，每隔5 min测定OD、菌体重量、pH值等参数，严密注视该添加的时间与浓度。一般掌握在发酵3.5～4.5h、OD净增0.35～0.4时，加入青霉素3～5国际单位/ ml发酵液，加入后OD值再净增一倍，菌体经过繁殖保持稳定。若添加青霉素后，OD控制不住，有时还需再补加1～2次适当浓度的青霉素。
（3） 初糖、接种量和生物素的控制
采用较低初糖（8~10%），渗透压低利于长菌；接种量大（10%）、高生物素（50~100 ug /L），使菌生长快，发酵前期菌体多，添加青霉素后，又同步进行生产型，故产酸速度很快。发酵周期可控制（一般30~32 h），周期稳定，上罐、放罐均可有计划进行，有利于生产管理和动力平衡。
（4）发酵过程pH值变化及控制
在谷氨酸发酵过程中，由于菌体对培养基中的营养成分的利用和代谢产物的积累，使得培养液的pH值不断变化。在谷氨酸发酵过程中，pH的变化是发酵的重要指标。谷氨酸生产菌的最适pH值因菌株而异，一般为pH6.5-8.0，在中性和微碱性条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。谷氨酸在发酵不同阶段对pH值的要求不同，发酵前期幼龄菌对氮的利用率高，pH值变化大。发酵前期若pH值偏低，菌体生长旺盛，消耗营养快，菌体转入正常代谢，繁殖菌体而不产谷氨酸；若pH值偏高，抑制菌体生长，糖代谢缓慢，发酵时间延长。故谷氨酸发酵在正常情况下，为了保证足够的氮源，发酵前期控制pH值7.5左右，发酵中期控制pH值7.2左右，发酵后期控制pH值6.5-6.8，放罐时pH值 6.5～6.6。在发酵过程中根据pH值变化流加液氨或氨水调节pH值，保持一定的NH4+/GA比，同时作为氮源。
（5）发酵过程温度的控制
谷氨酸生产菌的最适宜生长温度为30~34℃，发酵产酸的最适宜温度为34~38℃。若长菌期温度偏高，菌体在短时间生长可能会快，但容易衰老，表现为OD值增长不高，前期短时间内耗糖快，很快耗糖速度下降，发酵周期长，谷氨酸生产少；若长菌期温度偏低，菌体生长缓慢，导致发酵周期长。必要时可以加玉米浆来促进生长。一般控制在发酵开始的温度上，每隔5-6h升1℃即可。在发酵中期、后期菌体生长已停止，由于谷氨酸脱氢酶的最适宜温度比菌体生长繁殖的温度高，为促进产酸性细胞积累谷氨酸，需要适当提高温度，有利于提高谷氨酸产量。
（6）定容的控制
开始定容45～50%，以便留出较大的流加糖空间，最后定容至80%。
（7）通气量与总△OD的控制
在菌体生长期，供氧必须满足菌体呼吸的需氧量。供氧量不足，菌体呼吸受到抑制而影响生长。但通气量并非越大越好。当菌体生长速度达最大值，如果再提高供氧，不但造成浪费，而且由于高氧水平抑制生长且不能有效地产生谷氨酸。只要根据细胞繁殖数量的增加适当增加供氧即可。与菌体生长期相比，谷氨酸生产期需要大量的氧气，谷氨酸发酵在细胞最大呼吸速率时，谷氨酸产量大，因此，在谷氨酸生产期要求充分供氧，以满足细胞最大呼吸的需氧量。
发酵前期，采用低风量较宜；发酵中期以高风量为宜；发酵后期又适当减少风量，以促进产生的α-酮戊二酸还原氨基转化成谷氨酸，当残糖降到1%，可将通风量降到最低，以促进中间产物转换成谷氨酸。
发酵过程最好实现自动化。如不能实现，随时测定排气CO2，CO2宜控制在12～13%左右，发酵后期可降到10%，最后放罐前也要控制在8%，决不能降到0，不能太低，否则通气量过大而影响产酸。人工控制操作，可采用梯形控制，两头小中间大，开始分2~3次提风，△OD为0.2时提一次风，△OD为0.35～0.4时添加青霉素后提一次风，△OD为0.6~0.65时再提至最大风量。20~22 h降一次风，24~26 h降一次风，28 h再降一次风。总△OD控制在0.7~0.8。
（8）泡沫的控制
在谷氨酸发酵中，由于通气搅拌与菌体代谢产生的CO2，使得培养液中产生大量泡沫，目前消除泡沫大多采用机械消泡器与消泡剂相结合的消泡方法。通常采用基础料中加入消泡剂与中间流加消泡剂相结合的方法来控制泡沫。在基础料中加入消泡剂主要起抑制泡沫的作用，在发酵培养基配置时加入0.02%的消泡剂，连同培养基一起灭菌。在发酵过程中，采用中间流加消泡剂的方法。即先将消泡剂配置一定浓度，经过灭菌、冷却，当发酵过程产生泡沫时间歇流加进入发酵罐。尽量少加，每次流加量以能够把泡沫消除为宜。
（9）流加糖的控制
采用适当初糖浓度，在发酵过程中流加葡萄糖，有利于菌体生长和谷氨酸生产，从而提高单位发酵容积的产量。一般生产上流加糖浓度范围是280-600g/L，选择流加糖的浓度要结合接种量、生物素浓度、发酵初糖浓度及发酵初始体积进行综合考虑。
流加的方法有间歇流加法和连续流加法。间歇流加法一般在发酵残糖浓度为40-50g/L时进行第一次流加，流加糖量控制在使残糖浓度上升20-30g/L为宜，由于菌体不断耗糖，当残糖量下降到一定浓度时再进行流加。通常发酵中期控制流加糖以后的残糖浓度在30-60g/L，并且使残糖浓度有逐步下降的趋势，到发酵后期控制流加糖以后的残糖浓度在20-30g/L，注意最后一次流加的时间和流加的量，确保发酵放罐时残糖在4g/L以下，才有利于谷氨酸提取和不会造成葡萄糖的浪费。连续流加法一般在发酵残糖浓度为10-15g/L时开始流加糖，用流量计计量流量，控制流加糖的流量，使残糖浓度维持在10-15g/L，在发酵结束前的最后1-2h停止流加，让菌体消耗掉残糖，确保发酵放罐时残糖在4g/L以下。连续流加法可实现优化控制。
3.3谷氨酸的提取
谷氨酸的提取一般采用低温等电点-离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制。
低温等电点—离子交换法提取谷氨酸是在发酵液经等电点提取谷氨酸以后，将母液通过离子交换柱进行吸附，洗脱回收，使洗脱所得的高流分与发酵液合并，进行等电点提取。回收率可达95%左右。其工艺流程图见图3-5。

图3-5 谷氨酸的提取过程
3.4谷氨酸制取味精及味精成品加工
精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包装，得到成品。以下就制取味精的技术方法做简要说明。
3.4.1谷氨酸中和
在谷氨酸的中和操作中，先把谷氨酸加入水中，成为饱和溶液，然后加碱进行中和。实际测定谷氨酸饱和溶液的pH接近3.2。此时溶液中的谷氨酸大部分以GA±的形式存在。也就是说，在中和反应的起点，溶液中的谷氨酸大部分是以GA±的形式存在。随着碱的不断加入，溶液的pH逐渐升高，谷氨酸的电离平衡发生移动，GA±逐渐减少，而GA-逐步增加。当绝大部分的谷氨酸都以谷氨酸一价负离子的形式存在时，即为中和生成谷氨酸一钠的等电点。当中和的pH在谷氨酸的第二等电点6.96时，谷氨酸一钠离子在溶液中约占总离子浓度的99.59%。
3.4.2除铁方法
目前国内除铁离子的方法主要用硫化钠和树脂法两种。硫化钠除铁的方法是传统的方法，目前采用较少，树脂除铁法采用较为广泛。
硫化钠除铁是利用硫化钠使溶液中存在的少量铁变成硫化亚铁沉淀。硫化钠在水中可以变成硫化氢和氢氧化钠。
树脂除铁中用于谷氨酸中和液除铁的树脂有通用1号、122号弱酸性阳离子树脂。以通用1号树脂除铁效果好，特别是提取采用等电离交工艺，制得的谷氨酸除铁离子低，采用此法除铁，不但解决了硫化钠除铁所引起的环境污染问题，改善了操作条件，而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁方法。
3.4.2脱色方法
目前国内脱色方法主要有活性炭脱色和树脂脱色法。常用的活性炭有粉状性炭和颗粒活性炭，脱色的树脂常用弱酸性阳离子树脂122或通用1号，