产年10万吨谷氨酸工厂发酵车间设计-学位论文.doc

毕业论文
开 封 大 学

学生毕业设计

设计题目： 年产10万吨谷氨酸工厂发酵车间设计
班级： 10级生化二班 姓名： 郭重阳
学号： 2010051106 指导教师： 韩艳霞
起止时间： 2013年3月1日至2013年5月30日

2013年 5月 30日

目 录
一、 前言 2
（一）、课程设计目的 2
（二）、目前生产存在问题及对策(谷氨酸) 2
（三）、采取必要措施： 2
（四）今后发展方向： 3
二、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间工艺流程设计任务书 4
三、 可行性分析 5
四、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间工艺流程设计 6
五、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间的物料衡算 7
（一）、工艺技术指标及基础数据 7
（二）、谷氨酸发酵车间的物料衡算 7
六、 设备的设计与选型 10
（一）、设计原则与内容 10
（二）、容积、生产能力、数量的计算 10
（三）、设备选材 11
（四）、设备的选型 12
（五）、发酵罐的计算 13
七、 环境保护 14
（一）、三废状况 14
（二）、三废治理 14
八、 设计评价 15
九、 机会与收获 16
十、 参考文献 17

一、 前言
（一）、课程设计目的
本课程是生物化工工艺专业的一门实用性和技术性很强的专业课程。学习本课程的目的是使学生在学完本专业的有关课程后，尤其是在学完《生化工艺》、《发酵工程及设备》、《化工设计》这门课程后，综合运用3年所学的全部知识，进行工厂的初步设计。通过专业课程设计使学生掌握应具备的基本设计技能。待学生走上工作岗位后既能担负起工厂技术改造的任务，又能进行车间或全厂的工艺设计。

（二）、目前生产存在问题及对策(谷氨酸)
随着经济的发展和技术水平的不断提高，我国的谷氨酸生产水平也有相应的提高。但与国际先进生产水平相比，还存在着以下问题:
1) 规模小，操作费和设备费用高
2) 技术水平低
3) 生产过程自动化低，劳动生产率低
4) 主要原材料(燃料)价格高，使得生产成本高
5) 经营管理体制不完善，影响技术水平的发挥和生产稳定
（三）、采取必要措施：
1) 合理利用原材料
2) 采用新工艺，新技术，提高技术水平
3) 生产设备大型化，自动化，关键设备先进化
4) 加强废水处理和综合利用，提高环境效益
5) 深化改革，降低生产成本，参与国际市场竞争
6) 跳出单一产品模式，开发多品种，提高企业抗风险能力
（四）今后发展方向：
今后的发展方向是采用诱变、细胞工程、基因工程的手段选育出从遗传角度解除了反馈调节和遗传性稳定的更理想的菌种以提高产酸率；采用过程控制检测调节与自控，逐步使用现代化的电子仪表，电子计算机控制，加强科学管理，完善受控参数，进行最佳化控制，连续化、自动化、稳产高产；在工艺设备上进一步探求新工艺、新设备，以提高产率和受的率；继续研究微生物生理生化遗传变异和发酵机制等外问题，以更好地控制谷氨酸的发酵。

二、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间工艺流程设计任务书
1、完成10万t／a谷氨酸工厂发酵车间工艺流程的设计
2、对主要设备（重点为发酵罐）进行设计与选型
3、对谷氨酸生产的发酵车间进行物料衡算
4、对结果进行评价

三、 可行性分析
1、工艺简炼。在用粮食制谷氨酸的工艺中，第一步是用水解糖(糖化酶)把粮食中的淀粉(长链葡萄糖)变成单个的葡萄糖;第二步是用酵母菌再把葡萄糖变成谷氨酸和母液。其中第一步是相当复杂的。而果谷氨酸制造技术是将淀粉中的糖加上菌种发酵，即可变成谷氨酸，省去了艰难的第一步。
2、原料成本低。按每千克谷氨酸0.5元，每千克辣椒2元计算，前者的成本只有后者的24% 。
3、设备简单。整个制谷氨酸过程中所用的发酵罐、换热器、过滤机、灌装机等设备，一般工厂都有，可将闲置设备加以改装，充分利用设备资源，不用另外投资，提高了设备利用率。
4、可实现全年生产。谷氨酸生产无季节性，生产周期短，不象酒每年只能加工一次。按发酵周期为巧天左右计算，一年至少可以生产20批。
5、能耗小。此项技术在春夏秋冬季节都可以发酵，而且不需特别加热，利用室温即可进行，节省能源。

四、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间工艺流程设计
谷氨酸发酵工艺流程示意图
谷氨酸发酵采用淀粉原料，双酶法糖化，中糖发酵，一次等电点提取的工艺。其工艺流程示意图如图所示。

水解糖→预热器→连消塔→维持罐→冷却器→灭菌培 无菌 ←过滤除菌←压缩机←空气
养基 空气

发
酵罐
尿素（或液氨）→ 灭菌 → 母液
→成熟发酵液 → 等电点罐 → 分离机
消泡剂 → 灭菌 → 谷氨酸

图 谷氨酸发酵工艺流程示意图

五、 10万t／a谷氨酸工厂发酵车间的物料衡算
（一）、工艺技术指标及基础数据
(1)主要技术指标如表所示。
表 谷氨酸发酵工艺技术指标
指标名称

单 位

指标数

指标名称

单 位

指标数

生产规模

t／a

10万
发酵初糖

kg／m3

150

生产方法

中糖发酵，一次等电点提取

淀粉糖化转化率

％

95

年生产天数

d／a

300

产品日产量

t／d

10

糖酸转化率

％

48

产品质量

纯度99％

麸酸谷氨酸含量

％

90
倒罐率
倒罐率

%

1.0

谷氨酸提取率
谷氨酸提取率

%

80
发醇周期

h

48

(2)主要原材料质量指标 淀粉原料的淀粉含量为80％，含水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，硫酸锰2mg／L，硫酸亚铁2mg／L。
(4)发酵培养基(g／L) 水解糖150，糖蜜4，硫酸镁0.6，氯化钾0.8，磷酸氢二钠0.2，硫酸亚铁2mg/L，硫酸锰2mg／L，尿素(总尿)40，泡敌0．6，植物油1.0。接种量为2％。
（二）、谷氨酸发酵车间的物料衡算
首先计算生产1000kg纯度为100％的谷氨酸需耗用的原辅材料及其他物料量。
(1)发酵液量
V1=1000÷(150×48％×80％×99％)
=15.66()
式中 150—发酵培养基初糖浓度(kg／)
48％——糖酸转化率
80％——谷氨酸提取率
99％——除去倒罐率l％后的发酵成功率

(2)发酵液配制需水解糖量
以纯糖算，G1=V1×150=2349(kg)
(3)二级种液量
V2=2%V2=0.313（）
(4)二级种子培养液所需水解糖量
G2=25V2=7.83(kg)
式中25—二级种液含糖量(kg／)
(5)生产1000kg谷氨酸需水解糖总量为：
G=G1+G2=2356.8(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，故理论上耗用淀粉量为：
G淀粉=2356.8÷(80％×95％×111％)
=2793.7(kg)
式中 80％——淀粉原料含纯淀粉量
95％——淀粉糖化转化率
(7)尿素耗用量
二级种液耗尿素量为3．5V2=1.1(kg)
发酵培养基耗尿素为40V1=626.4(kg)
故共耗尿素量为627.5(kg)
(8)甘蔗糖蜜耗用量
二级种液耗用糖蜜量为20 V2=6.26(kg)
发酵培养基耗糖蜜量为4Vl=62.64(kg)
合计耗糖蜜69.9(kg)
(9)氯化钾耗量
GKCl=0.8 V1=12.53(kg)
(10)磷酸氢二钠(Na2HPO4·7H2O)耗量。
G3=0.2 V1=3.13(kg)
(11)硫酸镁(MgS04·7H20)用量
0.6(V1+V2)=9.58(kg)
(12)消泡剂(泡敌)耗用量
0.6 V1=9.4(kg)
(13)植物油耗用量
1.5 V1=23.5(kg)
(14)谷氨酸(麸酸)量
发醇液谷氨酸含量为：
G1×48％(1-1％)=1116.2(kg)
实际生产的谷氨酸(提取率80％)为：
1116.2×80％=893(kg)
（三）、10万t／a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表
由上述生产1000kg谷氨酸(100％纯度)的物料衡算结果，可求得10万t／a谷氨酸厂发酵车间的物料平衡计算。具体计算结果如下表所示。
表 10万t／a谷氨酸厂发酵车间的物料衡算表

物料名称
物料名称

生产1t谷氨酸(100%)

10万 t/a

每日物料量

发酵液(m3)

15．66

1566000
5220
二级种液(m3)

0．313

31300
104
发酵水解用糖(kg)

2349

234900000
783000
二级种陪养用糖(kg)

二级种培养用糖(kg)

7.83
7．83

783000
261000
水解糖总量(kg)

2356．8

235680000
785600
淀粉(kg)

2793．7

279370000
931233
尿素(或液氨) (kg)

尿素(或液氨)(kg)

627．5

62750000
209166
糖蜜(kg)

69．9

6960000

23000
氯化钾(kg)

12．53

1253000
4176
磷酸氢二钠(kg)

3．13

313000
1043
硫酸镁(kg)

硫酸镁(1【g】

9．58

958000

3193
泡敌(kg)

9．4

940000
3133
植物油(kg)

23．5

2350000
7833
谷氨酸(kg)

893

89300000
297666
六、 设备的设计与选型
在工艺计算的基础上，确定车间发酵设备的台数，型号和尺寸。据此，进行车间布置设计，并为后期的非工艺设计项目打好基础，同时，为设备的制作和采购提供资料。
（一）、设计原则与内容
在漫长的谷氨酸生产历史中，其生产由手工操作到机械化、自动化，设备由简单到复杂，容量由小到大，种类由少到多，而生产不同品种所使用的发酵设备也各有特点。
从产业化研究的结论来看，设计最实用的发酵设备应满足以下要求:
（1）发酵设备的容量能够满足谷氨酸生产的要求。
（2）发酵设备的材料应不易析出或极少析出对谷氨酸生产产生不利影响的物质。
（3）发酵设备应符合所生产谷氨酸品种的特殊要求，并能够确保其正常进行和谷氨酸精的质量。
（4）发酵设备应具有适当的高径比。其高度与直径比一般为1.6}-3.0倍左右，罐身越长，发酵初期酵母成长时氧的利用率越高。
（5）发酵设备应能承受一定的压力。由于发酵罐在消毒及正常工作时，罐内有一定的压力(气压和液压)和温度，因此，罐体各部件要有一定的强度。
（6）发酵设备内应尽量减少死角，使灭菌能彻底进行，避免染菌或沉积污垢。
（7）发酵设备应具有足够的换热面积。由于微生物在生长代谢过程中会释放出大量的热量，为了控制发酵过程不同阶段所需的温度，应设计有足够的夹套换热面积。
（8）发酵设备的数量要与谷氨酸产业化生产工厂的生产能力相适应，要尽可能向定型化、机械化和自动化方向发展。
（9）发酵设备力求操作简单，结构合理，便于推广。
（二）、容积、生产能力、数量的计算
谷氨酸发酵罐的装满系数一般为0.7-0.9，因为发酵时液面上需要留有一定的高度，以防止发酵液的溅出和保证谷氨酸液面上方的产业化研究的二氧化碳浓度。
(1)主要参数
装满系数:0.8; 比重:l;
工作日:300d; 生产周期:15d;
投料次数:20/批。
(2)生产能力:100000/(300/15 )=5000t
(3)发酵罐容积与数量计算:V=Vo/Ø
式中V—发酵罐容积(m3 )
Vo—谷氨酸体积(m3 )
Ø—装满系数
V=5000/20/0.8=300m3
前发酵罐V=12 m3，N=8个
后发酵罐V=12 m3，N=14个
贮谷氨酸罐V=50 m3，N=14个
（三）、设备选材
传统的发酵容器，木桶和水泥池，难以满足谷氨酸工业大规模生产和实现自动化的需要，现代化工业生产谷氨酸采用的材质主要有两种:不锈钢和碳钢，该生产设备具有加工能力强;能减少厂房面积，室内或室外露天放置均可;机械化、自动化程度高;清洗和杀菌方便、彻底等优点。
采用不锈钢加工的生产设备，易清洗，耐腐蚀，不渗漏，对谷氨酸无不良影响，是一种比较理想的发酵设备，在国内同行业己推广使用。这种罐虽然投资费用较高，但很适合质量高、产量大的加工厂使用。碳钢罐设备投资低，使用前必须涂一层涂料，防止罐壁生锈，是中、小型企业使用较多的贮谷氨酸设备。
本项目生产设备材质选用不锈钢1 Crl 8Ni9Ti。在使用不锈钢罐时，所有的焊口部分应进行钝化处理，否则，焊口会发黑，很容易将铁带入谷氨酸中。钝化处理有两种方法：
其一，采用浓硝酸接触所有发黑的地方，约五分钟，然后用清水冲洗，直到经黑色表面洗回不锈钢的本色为止。
其二，采用王水(浓硝酸与浓硫酸按1：3比例制成的的混合液体）加硅藻土拌成浆糊状物，将其涂在焊口发黑的位置，十分钟后用清水冲洗干净，即可出现不锈钢的本色表面。
钝化处理过程中应注意安全，人站在上风口处，避免接受酸雾的侵害。因为所用的浓酸具有强腐蚀性，且易产生烟雾，所以事先应做好防护准备。
（四）、设备的选型
发酵车间设备一览表

序号

设备编号

名称

规格型号

数量

备注
1
1-01
配料罐
V=24 m3
1
带搅拌
2
1-02
种母罐
V=2 m3
2

3
1-03
椭圆芯转子泵
Q=20 m3/h
2
带电机
4
1-04
前发酵罐
V=12 m3
6
带夹套
5
1-05
离心式泵
Q=20 m3/h
8
带电机
6
1-06
后发酵罐
V=12 m3
12

7
1-07
板框过滤机
Q=20 t/h
2
不锈钢
8
1-08
贮罐
V=50 m3
14
立式
9
1-09
澄清罐
V=12 m3
3

10
1-10
调配罐
V=12 m3
2

11
1-11
膜过滤机
Q=5 m3/h
2

12
1-12
槽
V=10 m3
2
加盖
13
1-13
离心泵
Q=15 m3/h
1

（五）、发酵罐的计算

糖液圆柱部分的体积：

当H0 = 2D时

圆筒高：H0 = 2D = 4m
封头高：ha = 0.25D = 0.5m
封头直边高：hb取50 mm
罐的总体积V总

罐的总高度
H = H0+2（ha + hb）= 5.1m

七、 环境保护
（一）、三废状况
谷氨酸生产企业是耗能和排污大户，谷氨酸废水主要来自麦芽车间（浸麦废水），糖化车间，发酵车间（发酵罐洗涤，过滤洗涤废水），灌装车间（洗瓶，灭菌废水及瓶子破碎流出的产品）以及生产用冷却废水等
谷氨酸工业废水主要含糖类，醇类等有机物，有机物浓度较高，虽然无毒，易于腐败，排入水体要消耗大量的溶解氧，对水体环境造成严重危害。
谷氨酸废水按有机物含量可分为3类：①清洁废水如冷冻机冷却水，麦汁冷却水等。这类废水基本上未受污染。②清洗废水如漂洗酵母水、洗瓶水、生产装置清洗水等，这类废水受到不同程度污染。③含渣废水如麦糟液、冷热凝固物。剩余酵母等，这类废水含有大量有机悬浮性固体。
（二）、三废治理
谷氨酸发酵气体除杂净化的方法可区分为吸收、吸附和吸收吸附综合处理等方法三类。由于二氧化碳中的大部分杂质均溶于水，所以，目前工业上都采用水洗的方法来净化二氧化碳。进一步净化可采用活性炭吸附，高锰酸钾或重铬酸钾溶液氧化，也可以用硅胶钠型沸石等处理。
废渣可以回收利用。
目前采用的污水净化措施有机械、化学法、物理化学法淀粉质原料谷氨酸厂污水的净化主要采用机械法和生物法处理可达到目的。要得到高质量的水则还要采用物理、化学方法进行补充净化处理。

八、 设计评价
1、本项目在技术、设备、生产成本、投资回报率、社会效益等方面表现出了明显的优势，具有操作简单、周期短、费用低等特点，应用前景十分广阔。
2、发展谷氨酸产业是人民健康发展的需要，产业化研究工作的完成为我省乃至全国食品行业应用现代技术起到了积极的示范和推广作用，将极大地促进食品产业化工作顺利进行。
3、在发酵工业领域，发酵罐等生物反应器正在向大型化发展，100-200m3中型罐在实际生产中已有普遍应用，600m3的大型罐也己开始走进发酵工厂，生产装置露天化己成趋势刚。因此，谷氨酸的生产应尝试运用大型设备，以提高生产能力。
4、谷氨酸在贮存过程中，有失光、浑浊、沉淀等现象的出现，严重影响了谷氨酸的感官质量。因此，对如何提高谷氨酸的稳定性还需做进一步研究。
5、计算机操作在现代工业中发挥着重要作用，如果谷氨酸生产过程也能实现现代化控制技术，将有力地推动食品产业的快速发展.

九、 机会与收获
本次设计在韩艳霞老师的严格要求下完成，经韩老师的精心指导，让我受益匪浅。在此向韩老师致以崇高的敬意。
通过设计使我们初步掌握谷氨酸生产的基础知识、设计原则及方法，学会各种手册的使用方法和技巧查找；掌握各种结果的校核，能画出工艺流程图；在设计过程中不仅要考虑理论上的可能性，还要考虑生产上安全性和经济合理性。在短短的两周里，从开始的一头雾水，到同学讨论，再进行整个流程的计算及设备的选择，我真切感受到了理论知识与实践结合中的种种困难，也体会到利用所学的有限的理论知识去解决实际中的各种问题的不易。我们从中也明白了学无止境的道理，在我们所查到的很多参考书中，很多的知识是我们从来没有接触到的，我们对食物的了解还仅限于皮毛，所学的知识结构还很不完善，我们对设计对象的理解还仅限于书本，对实际当中事物的方方面面包括经济成本方面考虑的还很不够。
通过本次课程设计的训练，让我对自己的专业有了更加理性和感性的认识，还对我们的继续学习室一个很好的指导方向，我们了解谷氨酸生产的基本内容，掌握了主要程序和方法，增强了分析和解决工程实际问题的能力。整个设计虽然完成了，但还存在许多不足之处，还需要进一步学习。

十、 参考文献

［1］ 王传荣.《发酵食品生产技术》[M].北京：科学出版社，2006.
［2］ 岳春.《食品发酵技术》[M]．北京：化学工业出版社，2009．
［3］ 逯家富等.《谷氨酸生产技术》[M]. 北京：科学出版社，2004．
［4］ 王方林，胡斌杰.《生化工艺》[M]．北京：化学工业出版社，2007．8
［5］ 吴烨东，吴国峰，贾树彪．新型食品的沿革及发展[J]．2007
［6］ 杨祖荣编.《化工环境保护概念》[M].化工工业出版社，2009.7
［7］ 高安全，王迪，崔金海编.《化工设备机械基础》[M].化工工业出版社， 2007.12

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