教师参考：年产3万吨味精工厂糖化工段设计说明书

生物工程专业课程设计说明书

年产3万吨味精工厂糖化工段

设计说明书

（教师参考用）

桂林理工大学化学与生物工程学院

2011年9月

摘要

谷氨酸是利用微生物发酵生产的一个具有代表性的产品，生产工艺涉及种子培养、发酵、提取、脱色、离心和干燥等重要的单元操作和工程概念。通过对谷氨酸车间的工艺设计，可以加强对自己对所学知识的综合利能力。通过本毕业设计训练，可以提高自己理论联系实际的能力和工程设计方面的能力。

本设计是以商品淀粉（纯度为86%）为原料进行设计，使用一次喷射双酶法为糖化工艺，以年实际工作日300天计算，日产味精90吨。对全厂物料、糖化工段物料进行衡算，对糖化工段的罐体如调浆罐、储浆罐、维持罐、层流罐、糖化罐、储糖罐以及一些标准设备如液化喷射器、板框过滤机、板式换热器和泵等进行了详细计算，以确定它们的参数，便于设备布置图的绘制。

关键词：谷氨酸钠；糖化；工艺计算

Abstract

Glutamate is produced by microbial fermentation of a representative of the products, production processes involved in seed culture, fermentation, extraction, bleaching, centrifugation and drying unit operations and other important engineering concepts.Through the workshop process design glutamate, can enhance their knowledge of the comprehensive profitability.Graduate training through the design, can improve their ability to integrate theory with practice and engineering design capabilities.

The design is based on refined starch (86% purity) as raw materials for the design, the use of a jet of two enzymes for the saccharification process, the actual working days to 300 days calculated at 90 tons of monosodium glutamate production.The whole plant material, the heat balance on the line for sugar chemical segment, such as mixing tanks tank, slurry storage tank, the maintenance tank, laminar flow tank, saccharification tanks, storage sugar and some standard equipment such as liquid jet, framefilter, plate heat exchanger and pump a detailed calculation, to determine their parameters, to facilitate the drawing of equipment layout.

Key words:glutamate;saccharification;process calculation

目录

引言 (1)

第一章糖化工段工艺 (2)

1.1 味精简介 (2)

1.2 设计方案的确定 (2)

1.2.1 糖化方法的选择论证 (2)

1.2.2 液化工艺条件的论证 (3)

1.3 糖化工艺流程[6] (4)

1.4 糖化工艺技术要点 (5)

1.4.1 调浆配料 (5)

1.4.2 喷射液化 (5)

1.4.3 糖化 (5)

1.4.4 过滤 (5)

1.4.5 贮存 (5)

第二章糖化工段物料衡算 (6)

2.1 生产能力 (6)

2.2 计算指标 (6)

2.3 总物料衡算 (6)

2.3.1 商品淀粉用量 (7)

2.3.2 糖化液量 (7)

2.3.3 产谷氨酸量 (7)

2.3.4 衡算结果汇总 (7)

2.4 糖化工段物料衡算 (8)

2.4.1 淀粉浆量及加水量 (8)

2.4.2 液化酶量 (8)

2.4.3 CaCl2量 (8)

2.4.4 糖化酶量 (8)

2.4.5 糖液产量 (9)

2.4.6 过滤糖渣量 (9)

2.4.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量 (9)

2.4.8衡算结果汇总

9

第三章糖化工段设备选型 (10)

3.1 糖化罐的选型计算 (10)

3.2 设备选型汇总 (10)

结论 (12)

引言

味精又称谷氨酸一钠，其基本成分为L-谷氨酸，具有强烈的肉类鲜味。将其添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，故被广泛使用。味精在胃酸作用下生成的谷氨酸，被人体吸收后，参与人体内许多代谢反应，并与其他氨基酸一起共同构成人体的组织蛋白。谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷，还能促进中枢神经系统的正常活动，对治疗脑震荡和脑神经损伤有一定功效[1]。

我国的味精生产始于1923年，上海天厨味精厂最先用水解法生产。1932年沈阳开始用脱脂豆粉水解生产味精。我国从1958年开始谷氨酸生产筛选及其发酵机理的基础性研究，1964年首先在上海进行工业化试生产。目前国内味精生产已全部用发酵法。所以，今后菌种，工艺技术和生产规模方面还需加大改革力度，使生产水平再上一个新台阶！

目前，企业生产味精都是以发酵法生产，但每生产1吨味精要排放20～25吨母液，其属于高浓度有机酸性废水，需对母液进行回收，发展高效提取工艺，提高谷氨酸提取率和降低工艺用水，减少废水排放量，实现味精的清洁生产，在发展工业经济的同时走上可持续发展的文明道路，这样，我国的味精工业不但真正收到经济效益和环境效益的共同丰收，而且也会减轻政府对行业的管理负担，形成多种因素和谐统一，走上良性运行可持续发展的健康道路。

第一章糖化工段工艺

1.1 味精简介

学名：L-谷氨酸单钠盐-水化合物

商品名：味精、味素、谷氨酸钠，因味精起源于小麦，俗称麸酸钠

英文名：Monosodium L-Glutamate，简写MSG

结构式：HOOC-CH2-CH2-CH-COONa·H2O

︱

NH2

分子式：NaC5H8O4N·H2O，分子量：187.13

味精于1909年被日本味之素（味の素）公司所发现并申请专利。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）。要注意的是如果在100℃以上的高温中使用味精，经科学家证明，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，对人体影响甚微。还有如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质。所以要适当使用和存放。

味精不仅应用于食品行业，还被广泛应用于医药、工业、农业等方面。味精2004年的全球市场约为170万吨，预计2010年将增长到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[2]。

味精曾一度被怀疑是不可安全食用的增鲜调味品[3]。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。[4]

1.2 设计方案的确定

1.2.1 糖化方法的选择论证

糖化工段主要有酸解法、酶酸法、双酶法这三种方法。酸解法是传统的制糖方法，它是利用无机酸为催化剂，在高温高压条件下，将淀粉转化为葡萄糖。酶酸法是将淀粉乳先用α-淀粉酶液化，然后用酸水解成葡萄糖。双酶法是通过淀粉酶液化

和糖化酶糖化将淀粉转化为葡萄糖。三种糖化工艺，各有其优缺点。从糖液质量、收得率、耗能以及对粗淀粉原料的适应情况看，双酶法最佳、酶酸法次之、酸解法最差。但双酶法生产周期长，糖化设备较庞大。从糖浆的黏度来看，双酶法最低、酸解法最高。双酶法制糖工艺可根据升温方式的不同分为升温液化法、喷射液化法。喷射液化法又依所用加热设备的不同分为一次喷射液化法和二次喷射液化法。一次喷射液化法由于能耗低，设备少，糖液质量好而获得广泛的应用[5]。所以本次设计采用一次喷射双酶法。

1.2.2 液化工艺条件的论证

α-淀粉酶能能水解淀粉及其产物内部的α-1，4糖苷键，不能水解α-1，6糖苷键，但能越过α-1，6糖苷键继续水解α-1，4糖苷键，而将α-1，6糖苷键留在水解产物中。

（1）淀粉液化条件

淀粉是以颗粒状态存在的，具有一定的结晶性结构，不容易与酶充分反应,如淀粉酶水解淀粉颗粒和水解糊化淀粉的比例为1﹕20000。因此必须先加热淀粉乳，使淀粉颗粒吸水膨胀，使原来排列整齐的淀粉层结晶结构被破坏，变成错综复杂的网状结构。这种网状会随温度的升高而断裂，加之淀粉酶的水解作用，淀粉链结构很快被水解为糊精和低聚糖分子，这些分子的葡萄糖单位末端具有还原性，便于糖化酶的作用。由于不同原料来源的淀粉颗粒结构不同，液化程度也不同，薯类淀粉比谷类淀粉易液化。

淀粉酶的液化能力与温度和pH值有直接关系。每种酶都有最适的作用温度和pH值范围，而且pH和温度是互相依赖的，一定温度下有较适宜的pH值。在37℃时，酶活力在pH值5.0～7.0范围内较高，在pH值6.0时最高，过酸过碱都会降低酶的活性。α-淀粉酶一般在pH值6.0～7.0较稳定。

酶活力的稳定性还与保护剂有关，生产中可通过调节加入的CaCl2的浓度，提高酶活力的稳定性。一般控制钙离子浓度0.01mol / L。钠离子对酶活力稳定性也有作用，其适量浓度为0.01mol / L左右。

现在研究发现当物料pH大于5.7后，在最终糖液中即有可能生成麦芽酮糖。研究还发现，随着液化pH的不断升高，麦芽酮糖的含量也在同步增长。在液化pH 低于5.6时，即可避免在糖化过程中产生麦芽酮糖。

工业生产上，为了加速淀粉液化速度，多采用较高温度液化，例如85～90℃

或者更高温度，以保证糊化完全加速酶反应速度。但是温度升高时，酶活力损失加快。因此，在工业上加入Ca2+或Na+,使酶活力稳定性提高。

（2）液化程度的控制

淀粉经液化后，分子量逐渐减少，黏度下降，流动性增强，给糖化酶的作用提供了条件。但是，如果让液化继续下去，虽然最终水解物也是葡萄糖和麦芽糖等，但这样所得糖液葡萄糖DE值低；而且淀粉的液化是在较高温度下进行的，液化时间加长，一部分已经液化的淀粉又会重新结合成硬束状态，使糖化酶难以作用，影响葡萄糖的产率，因此必须控制液化进行程度。

淀粉液化的目的是为了给糖化酶的作用创造条件，而糖化酶水解糊精及低聚糖等分子时，需先与底物分子生成络合结构。这就要求被作用的底物分子有一定的大小范围，才有利于糖化酶生成这种结构，底物分子过大或过小都会妨碍酶的结合和水解速度。根据发酵工厂的生产经验，在正常液化条件下，控制淀粉水解程度在葡萄糖值为10～20之间为好（即此时保持较多量的糊精及低聚糖，较少量的葡萄糖）。而且，液化温度较低时，液化程度可偏高些，这样经糖化酶糖化后糖化液的DE值较高。淀粉酶液化终点常可以典液显色来控制。

1.3 糖化工艺流程[6]

图1-1 一次喷射双酶法制糖工艺流程图

1.4 糖化工艺技术要点

1.4.1 调浆配料

淀粉乳调成15-20o Be。研究发现，在淀粉液化过程的配料阶段，当物料pH大于

5.7后，在最终糖液中即有可能生成麦芽酮糖。研究还发现，随着液化pH的不断升高，麦芽酮糖的含量也在同步增长。在液化pH低于5.6时，即可避免在糖化过程中产生麦芽酮糖，而这就需要采用低pH 特性的淀粉酶。

用Na2CO3水溶液调pH5.5-5.6，以减少不可发酵糖的产生（α-淀粉酶pH范围为5.5-7.0）。CaCl2用量为干淀粉的0.15-0.3%，如果水中Ca2+超过50mg / L，可以不加CaCl2。

1.4.2 喷射液化

工作蒸汽压0.4MPa,淀粉乳供料泵压力为0.2-0.4MPa，喷射温度100-105℃，液化温度控制在90℃，液化时间60min,碘色反应呈棕色即可。然后130-140℃灭酶5-10min。冷却至70℃以下，进入糖化罐。

1.4.3 糖化

温度60±1℃，pH4.0-4.4，糖化酶加量按100-120u / g干淀粉计算，糖化时间24-32h。要求每两小时或四小时检查一次糖化液的糊精状况，直至无明显糊精为糖化结束，即以无水乙醇检查无白色沉淀为终点。终点DE值为95%-98%。注意控制监测及时判断终点以防糖化过度产生异麦芽糖。

1.4.4 过滤

糖液先用NaCO3水溶液调pH4.8-5.0，不加或少加助滤剂，过滤。

1.4.5 贮存

为防止糖液贮存中发酵变质，应保证糖液温度不低于60℃。

第二章糖化工段物料衡算

2.1 生产能力

商品味精年产量：30kt / a，则纯谷氨酸钠年产量为：29700t/a。（商品味精为99%纯谷氨酸钠）

商品味精日产量：30000/300=100 t / d，纯谷氨酸钠日产量：99 t / d。

2.2 计算指标

表2-1 计算指标

项目数值

淀粉糖化转化率98%

发酵产酸率（浓度）12%

发酵对糖转化率60%

倒罐率2%

谷氨酸提取收率96%

精制收率95%

味精对谷氨酸的产率112%

商品淀粉中淀粉含量86%

全年工作日300d

2.3 总物料衡算

物料衡算是根据质量守衡定律而建立起来的。物料衡算是进入系统的全部物料质量等于离开系统的全部物料质量，即

∑∑+

=W

F

D

式中F－进入系统物料量，㎏

D—离开系统的物料量，㎏

W—损失的物料量，㎏

图2-1 味精生产工艺总物料衡算流程图

2.3.1 商品淀粉用量

1000kg 纯淀粉实际产100%MSG 量:

1000 ×1.111 ×98%×60%×(100%－2%)×96%×95%×1.272=742.68kg

其中：1.111淀粉转化为葡萄糖的理论产率（C 6H 10O 5（分子量162）→C 6H 12O 6（分子量180），180/162=1.111）；98%淀粉糖化转化率；60%发酵对糖的转化率；2%倒罐率；96%谷氨酸提取收率；95%精制收率；1.272谷氨酸转化为味精的理论产率（C 5H 9NO 4（分子量147）→C 5H 10NO 5Na （分子量187），187/147=1.272）。

1000kg 商品淀粉产100%MSG 量：

742.68 × 86% = 638.70 kg （86%—商品淀粉中淀粉含量）

1吨100%MSG 实耗商品淀粉量： t

/t 57.170.6381000

日产100%味精99t ，单耗商品淀粉1.57 t ，日耗商品淀粉量：

99 × 1.57 = 155.00 t/d

2.3.2 糖化液量

日产纯糖量：

155.00 × 86% × 98% ×1.111= 145.14 t/d

（86%—商品淀粉中淀粉含量；98%—淀粉糖化转化率；1.111—淀粉转化为葡萄糖的理论产

率）

折算为30%的糖液：（发酵时糖液浓度为30%）

145.14/30% = 483.79 t

即日产30%糖液 483.8 t 。

2.3.3 产谷氨酸量

日产纯谷氨酸量:

145.14 × 60% ×（100%-2%）× 96%× 95% = 77.83 t/d

2.3.4 衡算结果汇总

表 2-2 总物料衡算结果汇总表

商品淀粉 / t 86% 155.00 糖液 / t 30% 483.79 谷氨酸 / t 100% 77.83 味精 / t 100% 99

2.4 糖化工段物料衡算

图2-2 糖化工段物料衡算图

2.4.1 淀粉浆量及加水量

淀粉加水比例为1:2，1000kg 商业淀粉产淀粉浆：1000 ×（1+2）= 3000 kg 加水量：2000kg 。

2.4.2 液化酶量

使用耐高温α-淀粉酶（20000U / ml ）,加酶量10U / g 干淀粉。1000kg 干淀粉加酶量：

L 5.0ml 50020000

10

10001000==??

0.5L 液化酶质量：0.5 × 1.2 = 0.6 kg 。

2.4.3 CaCl 2量

一般加量为干淀粉的0.15%，即1000kg 干淀粉加CaCl 2：

1000 ×0.15% = 1.5 kg

2.4.4 糖化酶量

一般加糖化酶量为120U / g 干淀粉，如液体糖化酶为100 000U / ml ，则每1000kg 干淀粉加糖化酶量:

10001000120

1200mL 1.2L 100000

??==

1.2L 糖化酶质量：1.2 × 1.25 = 1.5 kg 。

2.4.5 糖液产量

1000kg 商品淀粉产30%糖液质量：

3121.17kg

%30%

98111.1%861000=??? 或：17.3121100000

.15579.483=?kg

（由日产30%糖液与日投入商品淀粉的关系可得）

2.4.6 过滤糖渣量

湿渣（含水70%）10kg,折干渣量:

()101-70%3kg ?=

2.4.7 生产过程进入的蒸汽冷凝水及洗水量

3146.45 + 10 -（1.5 + 1.5 + 0.6）- 3000 = 152.85 kg

2.4.8 衡算结果汇总

表2-3 糖化工段的物料衡算汇总表

进入系统

离开系统 项目 物料比例/ kg 日投料量/ t 项目 物料比例/ kg 日产料量/ t 商品淀粉 1000.00 155.00 30%糖液 3121.17 483.79 配料水 2000.00 310.00 滤渣 10.00 1.55 液化酶 0.60 0.09 CaCl 2 1.50 0.23 糖化酶 1.50

0.23

蒸汽冷凝水及洗水

量

127.57 19.77

累计

3131.17

485.34

3131.17

485.34

第三章 糖化工段设备选型

3.1 糖化罐的选型计算

日产30%糖液483.79t ，即

483.79/1.1321=427.34 m 3

糖化周期40h ，一个糖化周期产糖液体积：

427.34 ×（40/24）= 712.23 m 3

糖化罐取140m 3，装料系数85%，实际装料体积为：

140 × 85% = 119 m 3

一个糖化周期需要的糖化罐数：

712.23/119 = 5.99，取6台

取H = 2D 罐下部使用圆锥形，取圆锥高度为D / 4，由

23

3D H D V ()140m 434

ππ=+=

解得D = 4.45，取D = 4.4m ，H = 8.8m ，则V = 135.2m 3。 装液量，119/135.2 × 100% = 88.02%，装液量合适。

3.2 设备选型汇总

表3-1 糖化定制设备汇总表

容

积(m 3)

D (m) H

(m) h 封

(m) 材料

壁

厚

数

量 电机型号

调浆罐 10.86 2.4 2

.4 /

碳钢

5

1

Z2-62

储浆罐 16.9 2.2 4.4 / 碳钢 5 1 Z2-62

维持罐

2.61

3 0.碳钢

4 1 /

层流罐

9.4

2

1

.4

5

.6

0.

375

碳钢44/

糖化罐

13

5.2

4

.4

8

.8

/碳钢

1

6

Y2-280M-

2

储糖罐

10

48/补胶铸铁82/

表3-2 糖化标准设备汇总表

设备液化喷射器板框过滤机板式换热器

型号CHA-20BAY20 / 635-25BR20

数量122

表3-3 泵设备汇总

型号

流量，m3

/ h

扬程，

m

转速，r /

min

电机功率，

kW

数

量

泵

Ⅰ

G70-14560960-720152泵

Ⅱ

G50-12060960 5.52泵

Ⅲ

IS100-80-12560~120

16.5~2

4

2900112泵

Ⅳ

IS150-125-31

5

120~24029~341450302泵

ⅤIS65-50-12515~30

18.5~2

1.8

2900 3.02

图3-1 糖化流程设备示意图

结论

本次设计对味精生产的全工段进行物料和热量的计算，日耗商品淀粉464.83吨，日产商品味精90吨。对糖化工段做了主要设备的选型计算，根据物料衡算的数据计算出需要1个调浆罐、1个储浆罐、1个维持罐、4个层流罐、6个糖化罐和2个储糖罐以及它们的具体参数，其中调浆罐和储浆罐所用的搅拌电机均为Z2-62型，糖化罐的搅拌电机要大不少，为Y2-280M-2型。工段里用到的四处泵前三处是浓浆泵，因为料液黏度较高，还含有固体颗粒，最后一个泵是将糖化液打到储糖罐的，所以用普通离心泵就行了，从设备选型的结果来看，由于本次设计目标年产量不高，所以设备数量不多，尺寸也不算大。由于水平有限，本次设计难免有错误或疏漏，敬请批评指正。

课程设计任务书

指导教师：

2012 年12 月28 日