年产5万吨谷氨酸发酵工厂设计开题报告

本科毕业设计(论文)开题报告

题目：年产5万吨谷氨酸工厂发酵设计

开题报告

课题类型：工业设计

学生姓名：刘少年

学号：3100402209

专业班级：生物工程102

学院：生物与化学工程学院

指导教师：李松

开题时间：2014年3 月

2014年月日

一、本课题的研究意义、研究现状和发展趋势

引言：谷氨酸为无色晶体或结晶性粉末，分为α、β两种晶型，通常β型稳定。分子式:COOCCH(NC2)CH2CH2COOH分子结构如下所示:

谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。L一谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，谷氨酸盐在自然界普遍存在。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐，它既是蛋白质或肤的结构氨基酸之一又是游离氨基酸，L型氨基酸美味较浓。谷氨酸(2一氨基戊二酸)有左旋体、右旋体和外消旋体。左旋体，即L一谷氨酸，是一种鳞片状或粉末状晶体，呈微酸性，无毒。微溶于冷水，易溶于热水，几乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200℃时升华，247℃一249℃分解，密度为1.538沙衬，旋光度+37一 +38.9(25℃)。谷氨酸的用途广泛，它本身作为药品，能治疗肝昏迷症，也可用来生产味精、食品添加剂、香料和用于生物化学的研究[1]。

1.1研究目的及意义

谷氨酸发酵是通气发酵，也是我国目前通气发酵产业中，生产厂家最多，产品产量最大的产业。该生产工艺和设备具有很强的典型性，本论文对味精发酵生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺及主要设备的有关知识。本设计是年产量为20000吨的味精厂，重点是产品的物料衡算，热量衡算，同时工艺流程及设备选型等设计。本设计的重点车间为发酵工艺车间，重点设备为糖化，煮沸，发酵设备。

该论文设计的目的是从生产实际出发，确保生产的各个环节中使用较少的人力、物力、财力取得较大的经济效益。此为本设计的指导思想，亦是本设计最主要的特点。同时本设计从节约用地出发，充分利用厂房设备来安排产品，对于那些类型不相同，生产设备，生产条件十分相同，甚至是用同一厂房，设备来生产不同产品。

1.2谷氨酸用途

1.食品行业

应用较多的是制成谷氨酸钠。谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。谷氨酸钠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。在食品中浓度为0.2%一0.5%，每人每天允许摄入量(ADI)为0一120微克/千克(以谷氨酸计)。在食品加工中一般用量为0.2一1.5克/公斤。谷氨酸

作为风味增强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。

2旧用化妆品

谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。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，有生发防脱发功效。用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。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制取，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大的市场。聚谷氨酸是一种出色的环保塑料，可用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途，可在自然界迅速降解，不污染环境。

3.医药行业

谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨酸被人体吸收后，易与血氨形成谷酞氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酞胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痈以及对弱智儿童均有一定疗效。用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠(钾)注射液，谷氨酸钙注射液，乙酞

谷氨酸注射液等[2]。

随着科学的进步，研究的深入，谷氨酸新的应用领域将越来越广。

1.3发展趋势

1.发酵法生产谷氨酸的历史

谷氨酸的研究和发展已有百余年的历史。1890年Wolff 利用α-酮戊酸合成消旋谷氨酸。1908年日本东大教授Kilunae lkeda（池田菊苗）从呈味成分的海带煮出汁中提取得到谷氨酸钠，创造了新的人工调味料，并获得专利。1909年池田与铃木合作获得了蛋白质酸水解法生产谷氨酸的专利权，并进行了工业化生产，味之素公司率先把味精作为商品推出，从此诞生了味精工业。1936年美国国际化学药品公司以甜菜废糖液（Steffen废液）为原料，用抽提法生产味精。1957年木下等发明了以淀粉、糖蜜为原料利用微生物发酵法生产谷氨酸，从而使谷氨酸发酵实现工业化生产。国内自1964年上海工业微生物研究所与上海天厨味精厂协作，采用黄色短杆菌以发酵法生产谷氨酸获得成功以后，1965年在上海天厨味精厂50m3发酵罐首先投产，完成了以蛋白质原料水解法向发酵法生产味精的转变。由中国科学院微生物研究所与杭州味精厂合作，于1966年采用北京棒杆菌发酵法生产谷氨酸在杭州味精厂投产，进行一次投糖发酵产酸4.5%-6%。到了七八十年代，甜菜糖蜜（加抑制剂法）发酵生产谷氨酸投产，产酸6%-8%，转化率50%左右。此后，利用微生物发酵法生产谷氨酸在国内各味精厂相继推广，有力地推动了我国味精工业的崛起。迄今为止，国内已全部采用发酵法生产味精。发酵法生产谷氨酸的成功，是现代发酵工业的重大创举，也是氨基酸生产中的重大革新，大大推动了其它氨基酸发酵研究和生产的发展[3]

2 我国谷氨酸发酵的现状和产业发展趋势

味精作为商品问世以来已有近百年的历史，味精工业发展较快。我国味精工业的产量稳居世界第一位，2007年全国味精产量达190万吨。味精工厂的味精平均销售价格为7,800元/吨，成本为7,000元/吨。按照上述产量计算，我国味精工业中纯味精的总产值约150亿元，加上相当于上述总值30%的副产品（主要是饲料蛋白、化肥、液态肥料）的产出，我国味精工业年生产总值约为200亿元人民币。

从市场需求来看，2007年国内谷氨酸年产量约190万吨，国内人均消费味精仅1kg，与日本、香港、台湾、东南亚等国家及地区的味精消费水平（1.5kg）相比，还是较低的。味精综合开发利用的效益显著，通过提高产酸率，吨味精成本可降低500元左右，其生产成本将低于日本的味精生产成本，具备了参与国际市场的竞争力，可以抓住机遇扩大味精出口量。

另外，谷氨酸还是许多重要化学品、医药品、保健食品和其他氨基

酸制品（如谷胱甘肽、焦谷氨酸、谷氨酰胺、聚谷氨酸、沙利度胺等）的重要中间体。根据有关资料统计，目前国内主要将谷氨酸作为纯

粹调味品（比例为 85%）；在国外，将谷氨酸作为纯粹调味品的比例仅为 52%，而将其用做化工、医药和保健食品中间体的比例却高达48%。预计我国在今后 5-20 年内，将谷氨酸用做化工、医药和保健食品中间体的比例将会大大提高。根据以上分析，预计 2020 年全球谷氨酸产量可以达到 320 万吨，我国占总分额的 70%，将达到 224 万吨。

二、主要设计（研究）内容

1研究内容

为了解味精生产中原料预处理、发酵、提取部分的生产方法和生产流程，根据实际情况来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量计算及设备的选择。最后，画出发酵工段的工艺流程图和平面布置图。整个设计内容大体分成三部分，第一部分主要是味精生产的工艺和设备选择；第二部分包括发酵罐、种子罐及空气分过滤器的设计与选型；第三部分是工艺流程和平面布置图。

2研究方法

味精主要以玉米淀粉为原料，其工艺流程为：玉米淀粉→糖化→葡萄糖→谷氨酸发酵→谷氨酸→提取→粗谷氨酸→中和、加入食用纯碱→谷氨酸钠→精致→谷氨酸钠成品（味精）。其中谷氨酸发酵的工艺流程为：经连续消毒的培养基（玉米浆、无机盐、葡萄糖、生物素→在无菌空气中接入三级种子培养的菌种进行发酵→谷氨酸。

设计采用传统工艺，利用玉米淀粉水解制成的葡萄糖液进行谷氨酸发酵。经中和、除铁、脱色等步骤生产目标产品——味精[4]。发酵选用T6-13棒状杆菌为生产菌种，采用“三高”强制发酵工艺（即高生物素、大接种量、高青霉素）与高浓度流加糖工艺，以提高产率。

3谷氨酸生产工艺和设备选择（重点与难点）

3.1 味精生产工艺概述

味精生产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的成品加工。与这四个工艺阶段相对应的味精生产厂家一般都设置的糖化车间、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，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过工期管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。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。

3.2 原料预处理及淀粉水解糖制备

3.2.1 原料的预处理

此工艺操作的目的在于初步破坏原料的结构，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。

3.2.2 淀粉水解糖制备

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，所制得的糖液成为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作

碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用[5]。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。双酶法制糖工艺，具有明显的淀粉转化率高，有利于发酵和提取的特点。双酶法制糖工艺过程基本分为两种：两次喷射工艺、一次喷射工艺。两次喷射工艺过程存在着明显的弱点。一次喷射工艺过程明显改变了两次喷射的弱点，具有蒸汽消耗和动力消耗小，容易控制，糖液质量稳定，设备数量少，占地面积小，生产环境好，可实现计算机控制等优点[6]。主要工艺操作及2.3 种子扩大培养及谷氨酸发酵

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。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种子。

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-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。但由于糖液粘度较大，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。现阶段我国谷氨酸发酵三种工艺并行。对不同工艺的评价在于节能降耗，节能的关键为发酵过程通风的总耗电量，既每吨发酵谷氨酸所耗的KWH总量。设备生产强度以每立方米发酵罐总容积每小时所产谷氨酸的数量进行比较。由此得出目前的三种工艺没有一种是合理或者是不合理的。在于设计和生产过程的把握。

发酵设备国内味精厂大多数采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50立方米到200立方米之间。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。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[7]。

3.4 谷氨酸的提取

谷氨酸的提取一般采用等电点-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[8]。

三．计划安排（论文进展的时间安排）

四．阅读的主要参考文献

[1]邹忠梅，俞长远.人体生命之源一氨基酸[MI北京:中国医药科学出版社2000，7一l2.

[2].蒋澄.氨基酸的应用[M」北京:世界图书出版公司19%，21一25

[3].于信令.味精工业手册[M].北京,中国轻工业出版社, 1995.70

[4]Robert J. Hanchar, Farzaneh Teymouri, Chandra D． Separation of Glucose and Pentose Sugars by Selective Enzyme Hydrolysis of AFEX-Treated Corn Fiber[J]．Applied Biochemistry and Biotechnology, 2007, 3: 313-325

[5]尤新．淀粉糖品生产与应用手册[M]．中国轻工业出版社，2010,3: 64-85

[6]董少鹏,王东升．改进谷氨酸生产技术路线的探讨[J]．中国新技术新产品，2010，(12)：11

[7]Rui Liu,Qixing Zhou．Fluxes and Influencing Factors of Ammonia Emission from Monosodium Glutamate[J]．Bull Environ Contam Toxicol,2010 ,85:279-286

[8]周秀琴．谷氨酸发酵液除菌体提取谷氨酸研究进展[J]．发酵科技通讯，2009，38(1)：24-26

五、指导教师意见（签名）

201 年月日