年產5萬噸谷氨酸發(fā)酵工廠設計開題報告綜述

1、本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 題目： 年產5萬噸谷氨酸工廠發(fā)酵設計 開題報告課 題 類 型： 工業(yè)設計 學 生 姓 名： 劉少年 學 號： 3100402209 專 業(yè) 班 級： 生物工程102 學 院： 生物與化學工程學院 指 導 教 師： 李松 開 題 時 間： 2014年3 月 2014年 月 日1、 本課題的研究意義、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢引言：谷氨酸為無色晶體或結晶性粉末，分為、兩種晶型，通常型穩(wěn)定。分子式:COOCCH(NC2)CH2CH2COOH分子結構如下所示:谷氨酸是生物機體內氮代謝的基本氨基酸之一，在代謝上具有重要意義。L一谷氨酸是蛋白質的主要構成成分，谷氨酸鹽在自然界普遍存在

2、。多種食品以及人體內都含有谷氨酸鹽，它既是蛋白質或膚的結構氨基酸之一又是游離氨基酸，L型氨基酸美味較濃。谷氨酸(2一氨基戊二酸)有左旋體、右旋體和外消旋體。左旋體，即L一谷氨酸，是一種鱗片狀或粉末狀晶體，呈微酸性，無毒。微溶于冷水，易溶于熱水，幾乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200時升華，247一249分解，密度為1.538沙襯，旋光度+37一 +38.9(25)。谷氨酸的用途廣泛，它本身作為藥品，能治療肝昏迷癥，也可用來生產味精、食品添加劑、香料和用于生物化學的研究1。1.1研究目的及意義谷氨酸發(fā)酵是通氣發(fā)酵，也是我國目前通氣發(fā)酵產業(yè)中，生產廠家最多，產品產量最大的產業(yè)

3、。該生產工藝和設備具有很強的典型性，本論文對味精發(fā)酵生產工藝及主要設備作簡要介紹，以期有助于了解通氣發(fā)酵工藝及主要設備的有關知識。本設計是年產量為20000噸的味精廠，重點是產品的物料衡算，熱量衡算，同時工藝流程及設備選型等設計。本設計的重點車間為發(fā)酵工藝車間，重點設備為糖化，煮沸，發(fā)酵設備。該論文設計的目的是從生產實際出發(fā)，確保生產的各個環(huán)節(jié)中使用較少的人力、物力、財力取得較大的經濟效益。此為本設計的指導思想，亦是本設計最主要的特點。同時本設計從節(jié)約用地出發(fā)，充分利用廠房設備來安排產品，對于那些類型不相同，生產設備，生產條件十分相同，甚至是用同一廠房，設備來生產不同產品。1.2谷氨酸用途1.

4、食品行業(yè)應用較多的是制成谷氨酸鈉。谷氨酸鈉俗稱味精，是重要的鮮味劑，對香味具有增強作用。谷氨酸鈉廣泛用于食品調味劑，既可單獨使用，又能與其它氨基酸等并用，用于食品內，有增香作用。在食品中濃度為0.2%一0.5%，每人每天允許攝入量(ADI)為0一120微克/千克(以谷氨酸計)。在食品加工中一般用量為0.2一1.5克/公斤。谷氨酸作為風味增強劑可用于增強飲料和食品的味道，不僅能增強食品風味，對動物性食品有保鮮作用。2舊用化妝品谷氨酸為世界上氨基酸產量最大的品種，作為營養(yǎng)藥物可用于皮膚和毛發(fā)。用于生發(fā)劑，能被頭皮吸收，預防脫發(fā)并使頭發(fā)新生，對毛乳頭、毛母細胞有營養(yǎng)功能，并能擴張血管，增強血液循環(huán)，

5、有生發(fā)防脫發(fā)功效。用于皮膚，對治療皺紋有療效。谷氨酸為天然植物成分，由世界上最先進的生物酶工程技術制取，以護發(fā)生發(fā)、護膚類化妝品為日用化妝品的發(fā)展方向，用谷氨酸合成生物表面活性劑具有大的市場。聚谷氨酸是一種出色的環(huán)保塑料，可用于食品包裝、一次性餐具及其它工業(yè)用途，可在自然界迅速降解，不污染環(huán)境。3.醫(yī)藥行業(yè)谷氨酸還可用于醫(yī)藥，因為谷氨酸是構成蛋白質的氨基酸之一，雖然它不是人體必須的氨基酸，但它可作為碳氮營養(yǎng)與機體代謝，有較高的營養(yǎng)價值。谷氨酸被人體吸收后，易與血氨形成谷酞氨，能解除代謝過程中氨的毒害作用，因而能預防和治療肝昏迷，保護肝臟，是肝臟疾病患者的輔助藥物。腦組織只能氧化谷氨酸，而不能氧

6、化其它氨基酸，故谷酞胺可作為腦組織的能量物質，改進維持大腦機能。谷氨酸作為神經中樞及大腦皮質的補劑，對于治療腦震蕩或神經損傷、癲癰以及對弱智兒童均有一定療效。用谷氨酸制成的成藥有藥用谷氨酸內服片，谷氨酸鈉(鉀)注射液，谷氨酸鈣注射液，乙酞谷氨酸注射液等2。隨著科學的進步，研究的深入，谷氨酸新的應用領域將越來越廣。1.3發(fā)展趨勢1.發(fā)酵法生產谷氨酸的歷史谷氨酸的研究和發(fā)展已有百余年的歷史。1890年Wolff 利用-酮戊酸合成消旋谷氨酸。1908年日本東大教授Kilunae lkeda（池田菊苗）從呈味成分的海帶煮出汁中提取得到谷氨酸鈉，創(chuàng)造了新的人工調味料，并獲得專利。1909年池田與鈴木合作

7、獲得了蛋白質酸水解法生產谷氨酸的專利權，并進行了工業(yè)化生產，味之素公司率先把味精作為商品推出，從此誕生了味精工業(yè)。1936年美國國際化學藥品公司以甜菜廢糖液（Steffen廢液）為原料，用抽提法生產味精。1957年木下等發(fā)明了以淀粉、糖蜜為原料利用微生物發(fā)酵法生產谷氨酸，從而使谷氨酸發(fā)酵實現(xiàn)工業(yè)化生產。國內自1964年上海工業(yè)微生物研究所與上海天廚味精廠協(xié)作，采用黃色短桿菌以發(fā)酵法生產谷氨酸獲得成功以后，1965年在上海天廚味精廠50m3發(fā)酵罐首先投產，完成了以蛋白質原料水解法向發(fā)酵法生產味精的轉變。由中國科學院微生物研究所與杭州味精廠合作，于1966年采用北京棒桿菌發(fā)酵法生產谷氨酸在杭州味精

8、廠投產，進行一次投糖發(fā)酵產酸4.5%-6%。到了七八十年代，甜菜糖蜜（加抑制劑法）發(fā)酵生產谷氨酸投產，產酸6%-8%，轉化率50%左右。此后，利用微生物發(fā)酵法生產谷氨酸在國內各味精廠相繼推廣，有力地推動了我國味精工業(yè)的崛起。迄今為止，國內已全部采用發(fā)酵法生產味精。發(fā)酵法生產谷氨酸的成功，是現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的重大創(chuàng)舉，也是氨基酸生產中的重大革新，大大推動了其它氨基酸發(fā)酵研究和生產的發(fā)展32 我國谷氨酸發(fā)酵的現(xiàn)狀和產業(yè)發(fā)展趨勢味精作為商品問世以來已有近百年的歷史，味精工業(yè)發(fā)展較快。我國味精工業(yè)的產量穩(wěn)居世界第一位，2007年全國味精產量達190萬噸。味精工廠的味精平均銷售價格為7,800元/噸，成本為

9、7,000元/噸。按照上述產量計算，我國味精工業(yè)中純味精的總產值約150億元，加上相當于上述總值30%的副產品（主要是飼料蛋白、化肥、液態(tài)肥料）的產出，我國味精工業(yè)年生產總值約為200億元人民幣。從市場需求來看，2007年國內谷氨酸年產量約190萬噸，國內人均消費味精僅1kg，與日本、香港、臺灣、東南亞等國家及地區(qū)的味精消費水平（1.5kg）相比，還是較低的。味精綜合開發(fā)利用的效益顯著，通過提高產酸率，噸味精成本可降低500元左右，其生產成本將低于日本的味精生產成本，具備了參與國際市場的競爭力，可以抓住機遇擴大味精出口量。另外，谷氨酸還是許多重要化學品、醫(yī)藥品、保健食品和其他氨基酸制品（如谷胱

10、甘肽、焦谷氨酸、谷氨酰胺、聚谷氨酸、沙利度胺等）的重要中間體。根據(jù)有關資料統(tǒng)計，目前國內主要將谷氨酸作為純粹調味品（比例為 85%）；在國外，將谷氨酸作為純粹調味品的比例僅為 52%，而將其用做化工、醫(yī)藥和保健食品中間體的比例卻高達48%。預計我國在今后 5-20 年內，將谷氨酸用做化工、醫(yī)藥和保健食品中間體的比例將會大大提高。根據(jù)以上分析，預計 2020 年全球谷氨酸產量可以達到 320 萬噸，我國占總分額的 70%，將達到 224 萬噸。2、 主要設計（研究）內容1研究內容為了解味精生產中原料預處理、發(fā)酵、提取部分的生產方法和生產流程，根據(jù)實際情況來選擇發(fā)酵工段合適的生產流程，并對流程中的

11、原料進行物料衡算、熱量計算及設備的選擇。最后，畫出發(fā)酵工段的工藝流程圖和平面布置圖。整個設計內容大體分成三部分，第一部分主要是味精生產的工藝和設備選擇；第二部分包括發(fā)酵罐、種子罐及空氣分過濾器的設計與選型；第三部分是工藝流程和平面布置圖。2研究方法味精主要以玉米淀粉為原料，其工藝流程為：玉米淀粉糖化葡萄糖谷氨酸發(fā)酵谷氨酸提取粗谷氨酸中和、加入食用純堿谷氨酸鈉精致谷氨酸鈉成品（味精）。其中谷氨酸發(fā)酵的工藝流程為：經連續(xù)消毒的培養(yǎng)基（玉米漿、無機鹽、葡萄糖、生物素在無菌空氣中接入三級種子培養(yǎng)的菌種進行發(fā)酵谷氨酸。設計采用傳統(tǒng)工藝，利用玉米淀粉水解制成的葡萄糖液進行谷氨酸發(fā)酵。經中和、除鐵、脫色等步

12、驟生產目標產品味精4。發(fā)酵選用T6-13棒狀桿菌為生產菌種，采用“三高”強制發(fā)酵工藝（即高生物素、大接種量、高青霉素）與高濃度流加糖工藝，以提高產率。3谷氨酸生產工藝和設備選擇（重點與難點）3.1 味精生產工藝概述味精生產過程可劃分為四個工藝階段：（1）原料的預處理及淀粉水解糖的制備（2）種子擴大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵（3）谷氨酸的提?。?）谷氨酸制取味精及味精的成品加工。與這四個工藝階段相對應的味精生產廠家一般都設置的糖化車間、發(fā)酵車間、提取車間和精制車間作為主要生產車間。另外，為保障生產過程中對蒸汽的需求，同時還設置了動力車間，利用鍋爐燃燒產生蒸汽，并通過工期管路輸送到各個生產需求部位。為保障全

13、廠生產用水，還要設置供水站。所供的水經消毒、過濾系統(tǒng)處理，通過供水管路輸送到各個生產需求部位。3.2 原料預處理及淀粉水解糖制備3.2.1 原料的預處理此工藝操作的目的在于初步破壞原料的結構，以便提高原料的利用率，同時去除固體雜質，防止機器磨損。用于除雜的設備為篩選機，常用的是振動篩和轉筒篩，其中振動篩結構較為簡單，使用方便。用于原料粉碎的設備除盤磨機外，還有錘式粉碎機和輥式粉碎機。盤磨機廣泛用于磨碎大米、玉米，豆類等物料，而錘式粉碎機應用于薯干等脆性原料的中碎和細碎作用，輥式粉碎機主要用于粒狀物料的中碎和細碎。3.2.2 淀粉水解糖制備在工業(yè)生產上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制

14、得的糖液成為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵使用5。目前，國內許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。雙酶法制糖工藝，具有明顯的淀粉轉化率高，有利于發(fā)酵和提取的特點。雙酶法制糖工藝過程基本分為兩種：兩次噴射工藝、一次噴射工藝。兩次噴射工藝過程存在著明顯的弱點。一次噴射工藝過程明顯改變了兩次噴射的弱點，具有蒸汽消耗和動力消耗小，容易控制，糖液質量穩(wěn)定，設備數(shù)量少，占地面積小，生產環(huán)境好，可實現(xiàn)計算機控制等優(yōu)點6。主要工藝操作 及2.3 種子擴大培養(yǎng)及谷氨酸發(fā)酵種子擴大培養(yǎng)為保證谷氨酸發(fā)酵過程所需的大量種子，發(fā)酵車間內設置有種子站，完成生產菌種

15、的擴大培養(yǎng)任務。從試管斜面出發(fā)，經活化培養(yǎng)，搖瓶培養(yǎng)，擴大至一級乃至二級種子罐培養(yǎng)，最終向發(fā)酵罐提供足夠數(shù)量的健壯的生產種子。谷氨酸發(fā)酵開始前，首先必須配制發(fā)酵培養(yǎng)基，并對其作高溫短時滅菌處理。用于滅菌的工藝除采用連消塔-維持罐-噴淋冷卻系統(tǒng)外，還可采用噴射加熱器-維持管-真空冷卻系統(tǒng)或薄板換熱器滅菌系統(tǒng)。但由于糖液粘度較大，流動性差，容易將維持管堵塞，同時真空冷卻器及薄板加熱器的加工制造成本較高，因而應用較少?，F(xiàn)階段我國谷氨酸發(fā)酵三種工藝并行。對不同工藝的評價在于節(jié)能降耗，節(jié)能的關鍵為發(fā)酵過程通風的總耗電量，既每噸發(fā)酵谷氨酸所耗的KWH總量。設備生產強度以每立方米發(fā)酵罐總容積每小時所產谷氨酸

16、的數(shù)量進行比較。由此得出 目前的三種工藝沒有一種是合理或者是不合理的。在于設計和生產過程的把握。發(fā)酵設備國內味精廠大多數(shù)采用機械攪拌通風通用式發(fā)酵罐，罐體大小在50立方米到200立方米之間。對于發(fā)酵過程采用人工控制，檢測儀表不能及時反映罐內參數(shù)變化。 由于谷氨酸發(fā)酵為通風發(fā)酵過程，需供給無菌空氣，所以發(fā)酵車間還有一套空氣過濾除菌及供給系統(tǒng)7。3.4 谷氨酸的提取谷氨酸的提取一般采用等電點-離子交換法，國內有些味精廠還采用等電點-鋅鹽法、鹽酸水解-等電點法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產成本高，技術難度大等問題，應用上受到限制8。三計劃安排（論文進展的時間安排） 序號設計各

17、階段任務預計使用時間1文獻檢索，準備開題報告2月28日至3月28日2進行味精發(fā)酵工藝設計3月28日至4月24日3繪制圖紙4月25日至5月15日4設計論文撰寫5月16日至5月29日5對論文進行修改，準備答辯5月30日至6月17日四閱讀的主要參考文獻1鄒忠梅，俞長遠.人體生命之源一氨基酸MI北京:中國醫(yī)藥科學出版社2000，7一l2.2.蔣澄.氨基酸的應用M北京:世界圖書出版公司19%，21一253.于信令.味精工業(yè)手冊M.北京,中國輕工業(yè)出版社, 1995.704Robert J. Hanchar, Farzaneh Teymouri, Chandra D Separation of Glucose and Pentose Sugars by Selective Enzyme Hydrolysis of AFEX-Treated Corn FiberJApplied Biochemistry and Biotechnology, 2007, 3: 313-3255尤新淀粉糖品生產與應用手冊