年产50吨L-谷氨酸的工艺设计.docx

第页共页目录年产吨谷氨酸的工艺设计文献评述产品概述名称学名谷氨酸水化合物商品名谷氨酸因谷氨酸起源于小麦故俗称麸酸英文名其它名称产品规格及标准结构式分子式分子量理化性质谷氨酸为白色鳞片状晶体无臭稍有特殊的滋味和酸味呈微酸性微溶于冷水易溶于热水几乎不溶于乙醚丙酮和冷醋酸中不溶于乙醇和甲醇分解升华相对密度旋光度产品用途食品业氨基酸作为人体生长的重要营养物质不仅具有特殊的生理作用而且在食品工业中具有独特的功能日用化妆品等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第页共页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工业生产方法的选择和论证谷氨酸生产方法的选择与确定传统工艺中谷氨酸的生产方法有两种合成法和发酵法合成法丙烯腈与氢和一氧化碳在高温高压和催化剂的作用下得到氰基丙醛后者与氰化钾和氯化铵进行斯脱拉克反应生成氨基腈将氨基腈用氢氧化钠水解得谷氨酸二钠然后用硫酸中和生成谷氨酸析出将谷氨酸进行光学分离即可分成谷氨酸和谷氨酸后者经消旋化再返回到中和工序此法日本曾用之生产谷氨酸年之久于年停用发酵法此法是谷氨酸工业生产的主要方法薯类玉米木薯等的淀粉水解糖或糖蜜借助于微生物类以铵盐尿素等提供氮源于大型发酵罐中在通气搅拌下进行发酵个小时保持度值为发酵完毕表两种方法的比较缺点优点合成法需要高压有易燃有毒物质设备投资大年产量小于吨谷氨酸时不经济生产工艺复杂不用粮食采用石油废气发酵法需设置菌种实验室生产过程需要严格消毒灭菌原料来源广设备腐蚀性小劳动强度小可自动化连第页共页续化生产成本低所设计的谷氨酸生产厂不仅生产方法要可靠而且原料来源要广泛故选择发酵法为宜经过上述两种方法的优缺比较该法的生产虽然必须要求严格灭菌但这是不难办到的由于此法优点很多又是目前生产谷氨酸的主要方法所以本设计选用发酵法生产谷氨酸发酵法生产谷氨酸大致可分为三个阶段糖化发酵提取谷氨酸的生产工艺流程谷氨酸的生产主要包括以下工作谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制种子培养发酵工艺条件的控制谷氨酸的提取谷氨酸的精制谷氨酸发酵生产谷氨酸的工艺流程如下硫酸盐淀粉斜面空气玉米浆酶镁盐等水调和水解摇瓶种子空气净化系统调值中和压滤种子罐预热连消发酵罐尿素储罐等电点沉淀粗谷氨酸附图发酵法生产谷氨酸钠的工艺流程主要生产原料的选择淀粉是谷氨酸生产的主要原料每吨的谷氨酸大约需要消耗纯淀粉吨淀粉的质量对生产的好坏影响很大比较各类淀粉以玉米淀粉为最佳山芋淀粉次之小麦淀粉较差而大米淀粉较好因我国长江流域盛产大米和玉米故拟建的谷氨酸厂可选用这两种农产品的淀粉作为主要原料生产谷氨酸最好是用新鲜淀粉因为新鲜湿淀粉水解后的营养成分比干淀粉水解糖液丰富第页共页谷氨酸发酵生产中的生产菌种及培养基菌种谷氨酸发酵生产菌种主要有棒状杆菌属短杆菌属小杆菌属及节杆菌属的细菌除节杆菌外其他三属中有许多菌种适用于糖质原料的谷氨酸发酵这些细菌都是需氧微生物都需要以生物素为生长因子我国谷氨酸发酵生产所用菌种有北京棒状杆菌钝齿棒状杆菌天津短杆菌等本设计采用为生产菌菌种特点酮戊二酸脱氢酶丧失或活力极弱谷氨酸生产菌的谷氨酸脱氢酶活力很强且活力不被高浓度谷氨酸值抑制丙酮酸羧化支路旺盛使丙酮酸与二氧化碳结合提供谷氨酸合成中大量需要的碳司二羧酸有充足的供给酮戊二酸还原氧化生物素缺陷型或甘油或油酸缺陷型培养过程斜面培养一级种子培养二级种子培养发酵罐斜面培养条件谷氨酸斜面菌种培养条件一般是类菌种类菌种培养一级种子培养采用液体培养基由葡萄糖玉米浆尿素磷酸氢二钾硫酸镁硫酸铁及硫酸锰等组成为三角瓶内振荡培养采用恒温控制贮于冰箱备用二级种子培养培养基除用水解糖代替葡萄糖加入泡敌其他与一级种于培养基相仿接种量培养温度为菌为培养时间即可移种或冷却至备用通风量种子罐搅拌转数发酵培养基培养基中另外加入植物油氯化钾泡敌外其他与二级种于培养基相仿在第页共页下培养约小时即可进行谷氨酸提取但必须注意发酵液中个成分的含量在谷氨酸发酵培养液中糖浓度为总尿量为碳氮比为碳氮比为时才开始积累谷氨酸不同的碳氮比对谷氨酸的合成有着显著的影响例如适量的氨离子可减少酮戊二酸的积累促进古氨酸的合成过量的氨离子会使生成的谷氨酸受谷酰胺合成酶的作用转化为谷酰胺另外还需要无机盐生长因子等谷氨酸生产过程中的反应历程谷氨酸发酵原料的处理因为所有谷氨酸生产菌株都不能直接利用淀粉或糊精因此必须先水解淀粉成葡萄糖将淀粉水解为葡萄糖的过程称为糖化制取的溶液叫淀粉水解糖在淀粉水解糖中主要糖分是葡萄糖另外尚有少量麦芽糖及其他一些二糖低聚糖等复合糖类这些低聚糖复合糖等杂质不能被菌体利用它们的存在不但降低了淀粉的利用率增加粮食消耗而且常影响到糖液的质量降低糖液中可发酵成分在谷氨酸发酵中淀粉水解糖质量的高低往往直接关系到谷氨酸菌的生长速度及谷氨酸的积累因此提高淀粉的出糖率保证水解糖液的质量满足发酵高产酸的要求是一个不可忽视的重要环节能够作为谷氨酸发酵工业原料的水解糖液必须具备以下条件糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖浓度的要求糖液洁净是杏黄色或黄绿色有一定的透光度糖液中不含糊精糖液不能变质淀粉水解糖的制备制备方法的选定根据原料淀粉的性质及采用的水解催化剂的不同水解淀粉为葡萄糖的方法有下列三种酸解法酸解法是以酸无机酸或有机酸为催化剂再高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法生产路线如下第页共页淀粉盐酸水调浆蒸汽糖化冷却碳酸钠活性炭中和脱色压滤糖液酶解法酶解法是利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺利用淀粉酶将淀粉转化为糊精及低聚糖使淀粉的可溶性增加这个过程称为液化利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖这个过程在生产中称为糖化淀粉的液化和糖化都是在酶的作用下进行的故酶解法又有双酶水解法之称其生产路线如下淀粉调浆液化灭酶糖化灭酶压滤糖化酸酶结合法酶酸法将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定程度然后用酸水解成葡萄糖的工艺淀粉调浆液化过滤加酸糖化中和脱色压滤糖液这些糖化方法各有特点其主要指标的优劣列于下表其中优好可差由该表可知从周期短来说酶酸法可取从原料广泛性的转化率而言双酶法更胜一筹表各种糖化方法的特点工艺简单生产周期短转化率高对淀粉要求不高糖液质量高酸解法双酶法酶酸法通过上述三种糖化方法的比较本设计拟选用双酶法制糖制糖工段双酶法制糖可使淀粉对糖的转化率高达糖纯度达并具有能耗底副产物少及利于发酵和提取等优点被国内工厂广泛采用流程第页共页淀粉糊化淀粉液化酶糊精低聚糖糖化酶葡萄糖酶与碘显色反应依次为蓝色糊精紫色糊精红色糊精浅红色糊精无色寡糖葡萄糖副反应葡萄糖分解羟甲基糠醛葡萄糖龙胆二糖异麦芽糖复合二糖概述先在调浆配料槽调浆配料将淀粉乳调成用碳酸钠水溶液调氯化钙的用量为干淀粉的用泵打入缓冲器喷射加热温度层流罐温度液化时间以碘色反应呈棕色即可然后液化液经灭酶再经板式换热器冷却至以下进入糖化罐糖化温度糖化酶用量按干淀粉计算糖化时间以无水乙醇检查无白色沉淀为终点终点值为再将物料加热至灭酶糖液用碳酸钠水溶液调节然后过滤进入贮糖罐发酵工段发酵机制首先是糖代谢阶段葡萄糖经糖酵解途径和己糖磷酸支路途径生成丙酮酸谷氨酸生产菌在生物素供应充足的情况下经途径所分解葡萄糖占总量的当控制生物素亚适量途径所占比例为生成的丙酮酸一部分氧化成乙酰辅酶乙酰一部分固定生成草酰乙酸或苹果酸然后草酰乙酸和乙酰辅酶进入三羧酸循环在柠檬酸合成酶上午作用下生成柠檬酸进而转化为酮戊二酸酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有存在的条件下生成谷氨酸当生物素缺乏时菌种生长十分缓慢当生物素过量时则转为乳酸发酵因此一般将生物素控制在亚适量条件下才能得到高产量的谷氨酸由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢至少步反应尽量控制通过固定反应供给四碳二羧酸为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物在谷氨第页共页酸发酵的菌体生长期需要异柠檬酸裂解酶反应走乙醛酸循环途径但在菌体生长期以后进入谷氨酸生长期为了大量合成积累谷氨酸最好没有异柠檬酸裂解酶反应封闭乙醛酸循环循环理想的发酵途径按如下反应进行理论转化率为若固定反应完全不起作用丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的作用下脱氢脱羧全部氧化成乙酰通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸按如下反应进行理论转化率为因此实际的理论转化率为谷氨酸生物合成调节机制优先合成与反馈机制糖代谢调节氮代谢调节其他代谢调节控制细胞膜的渗透性通过控制发酵培养基中的化学成分达到控制磷脂细胞膜的形成或阻碍细胞壁正常的生物合成使谷氨酸生产菌处于异常的生理状态以解除细胞对谷氨酸向胞外漏出的渗透屏障使细胞内谷氨酸不能积累到引起反馈调节的浓度谷氨酸就会在细胞内继续不断的被优先合成又不断的透过细胞膜分泌于发酵培养基中得以积累培养基的灭菌采用连续灭菌法灭菌是一种由连消塔维持罐喷淋冷却器组成的连续灭菌流程配好的培养基由配料罐放出加入的消泡剂用泵送入连消塔低侧将培养基加热到灭菌由上侧流出进入维持罐维持停留从罐上侧流出经喷淋冷却至后进入发酵罐发酵阶段发酵培养基灭菌后立即通入无菌空气搅拌通入冷却水当培养基温度下降到时将二级种子罐培养的菌种接入发酵罐接种量为发酵培养基的随着谷氨酸产生菌的生长繁殖控制温度发酵至第页共页值在时流加尿素量为发酵至流加尿素量为风压控制在通风比一般控制在发酵时间一般为再发酵过程中要及时加入消泡剂在发酵初期菌体生长迟滞约后即进人对数生长期代谢旺盛糖耗快这时必须流加尿素以供给氮源本阶段主要是菌体生长几乎不产酸菌体内生物素含量由丰富转为贫乏时间约随后转人谷氨酸合成阶段此时菌体浓度基本不变糖与尿素分解后产生的酮戊二酸和氨主要用来合成谷氨酸这一阶段应及时流加尿素以提供氨及维持谷氨酸合成最适需大量通气并将温度提高到谷氨酸合成最适温度发酵后期菌体衰老糖耗慢残糖低需减少流加尿素量当营养物质耗尽谷氨酸浓度不再增加时及时放罐发酵周期约为在发酵过程中条件的控制如下氧谷氨酸产生菌是好氧菌通风和搅拌不仅会影响菌种对氮源和碳源的利用率而且会影响发酵周期和谷氨酸的合成量尤其是在发酵后期加大通气量有利于谷氨酸的合成温度菌种生长的最适温度为当菌体生长到稳定期适当提高温度有利于产酸因此在发酵后期可将温度提高到谷氨酸产生菌发酵的最适在但在发酵过程中随着营养物质的利用代谢产物的积累培养液的会不断变化如随着氮源的利用放出氨会上升当糖被利用生成有机酸时会下降磷酸盐它是谷氨酸发酵过程中必需的但浓度不能过高否则会转向缬氨酸发酵发酵结束后常用离子交换树脂法等进行提取谷氨酸的提取发酵后发酵液呈不太粘稠的液体值为谷氨酸含量待发酵后应立即进行谷氨酸提取在提取谷氨酸之前应先进行菌体的分离从发酵液中提取谷氨酸常用的方法是等电点离子交换法将发酵液放入等电罐中搅拌冷却加入菌体细麸酸并使降温至加演算调值前期加酸速度稍快左右将发酵液的值调至中期加酸要慢经过将值调至停止加酸育晶然后加酸使值调至谷氨酸等电点第页共页然后搅拌使晶体不断长大再静置沉降放出上清夜去除谷氨酸结晶表面少量的菌体细麸酸将底部的谷氨酸结晶取出后进行离心分离将分离的母液和洗水则合于等电点上层清夜作为一次母液由低温等电点结晶这一步所得的谷氨酸提取率达母液中还残存的谷氨酸可采用离子交换法收回上柱前一次母液常用离子交换法洗脱时的后流分调值至从交换柱底进料料液不断从柱上部溢出上柱过程中流速要控制适当当达到交换容量时停加柱液水洗柱子除去残存菌体等杂质然后用热水预防树脂当柱温达到时放净热水从柱子上部用的溶液洗脱洗脱的开始流出液值为收集为前流分谷氨酸含量很底作冲洗水用接着是谷氨酸含量很高的流分谷氨酸含量很少铵离子量较多当流出液值在停止搜集这部分流出液用来调节上柱母液值并回收其中的谷氨酸搜集的高流粉分用酸调值至一般采用加晶种快速冷却法要求在内从流出时冷却至以下搅拌冷却谷氨酸结晶大量析出静置真空抽滤水洗离心分离得到谷氨酸计算书谷氨酸工厂发酵车间的物料衡算谷氨酸发酵工艺流程示意图见附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工艺技术指标及基础数据主要技术指标表谷氨酸发酵主要技术指标指标名称指标数指标名称指标数生产规模发酵初糖第页共页生产方法中糖发酵一次等电点提取淀粉糖化转化率生产天数糖酸转化率产品质量纯度谷氨酸含量倒罐率谷氨酸提取率发酵周期日产量主要原材料质量指标淀粉原料中淀粉含量含水二级种子培养基配方如下表二级种子培养基配方淀粉硫酸镁硫酸亚铁糖蜜泡敌尿素玉米桨硫酸氢二钾硫酸锰发酵培养基配方如下表发酵培养基配方淀粉硫酸镁硫酸亚铁糖蜜泡敌尿素植物油硫酸氢二钾硫酸锰氯化钾接种量发酵车间的物料衡算以生产纯度的谷氨酸需耗用的原料及其他物料量为例发酵液量式中发酵培养基初糖浓度第页共页糖酸转化率谷氨酸提取率除去倒罐率后的发酵成功率发酵液配制需水解糖量以纯糖汁二级种液量二级种子培养液需水解糖量式中二级种液含糖量生产谷氨酸所需水解糖总量为耗用淀粉原料量理论上淀粉转化生成葡萄糖量为故理论上耗用淀粉量为淀粉式中淀粉原料含纯淀粉量淀粉转化率尿素耗用量二级种子液耗尿素量为发酵培养基耗尿素量为共耗甘蔗糖蜜耗用量二级种液耗用糖蜜量为发酵培养基耗用糖蜜量第页共页共耗氯化钾耗量磷酸氢二钾耗用量硫酸镁耗用量硫酸镁泡敌耗用量泡敌植物油耗用量植物油谷氨酸量发酵液谷氨酸量实际生产的谷氨酸量提取率谷氨酸发酵车间的物料衡算表由上述生产谷氨酸纯度的物料衡算结果可求得物料衡算表表年产谷氨酸吨的物料衡算表物料名称生产谷氨酸物料量物料量每发酵周期物料量发酵液量二级种子液量发酵用糖二级种子液用糖糖液总量淀粉尿素糖蜜氯化钾磷酸氢二钾硫酸镁泡敌植物油谷氨酸第页共页谷氨酸发酵车间热量衡算蒸汽消耗量计算按直接蒸汽混合加热估计升温过程所需的蒸汽量千克式中培养基液体量千克培养基料液比热容千焦千克摄氏度加热到的料液温度摄氏度加热开始的料液温度摄氏度蒸汽热焓千焦千克加热过程中热损失而增加的蒸汽消耗量这里取升温过程中所需蒸汽量千克发酵罐实罐灭菌保温时的蒸汽量保温时蒸汽消耗量与操作有很大关系比较难计算一般按直接蒸汽加热时消耗量的来估算千克发酵罐实罐灭菌过程的蒸汽消耗量千克种子罐实罐灭菌蒸汽消耗量所以根据种子罐的接种量为估算蒸汽消耗量为千克发酵车间总消耗蒸汽量总总千克全厂消耗蒸汽量全全总千克冷却水用量计算灭菌降温的计算千焦第页共页发酵热的计算千焦计算冷却水用量式中冷却水的比热容千焦千克摄氏度循环水取冷冻水或冷盐水取冷却水用量千克所以根据种子罐的接种量为估算冷却水用量为则根据经验估算的整个工厂水用量为耗电用量计算发酵用量搅拌机的额定功率为用电量度种子罐用电量搅拌机的额定功率为用电量度小计度总电量全厂总电量度食品安全与生产安全食品安全本工厂母液中富马酸含量约为残糖还含有约的谷氨酸生产菌种这样的废水排入环境势必会影响环境卫生采用的处理工艺如下第页共页废水预沉淀污水泵生产安全高度重视安全生产认真贯彻安全第一预防为主全员动手综合治理的方针坚持全员全过程全方位全天候的安全管理原则在人员资金设施等方面提供切实保证建立了一套有效的安全工作体系连续实现安全生产总体平稳建立了一整套安全管理的制度规定并持续补充完善做到了各项工作有章可循对风险较大的现场作业实行严格的作业许可证制度和安全确认制度建立了安全检查网络体系认真组织各类专项安全检查和安全大检查严格执行国家规定的安全预评价制度对新建改建扩建项目实行安全设施消防设施职业卫生设施与主体工程同时设计同时施工同时投产的三同时监督积极治理隐患努力创造安全文明的生产环境对已建成的装置设施和公用工程开展风险评价积极进行隐患治理按照分级管理分步实施的原则从隐患的检查评估制定方案立项审批直到竣工验收的全过程实施规范化程序化管理年总部隐患治理项目共项总投资亿元一批重大隐患得到治理有力地保证了装置的安全生产积极推进健康安全环境一体化管理中国石化的目标是追求最大限度地不发生事故不损害人身健康不破坏环境创国际一流的业绩各企业按照总部的统一部署全面推行管理体系进一步规范了安全行为为企业建立安全生产的长效机制奠定了基础重点加强对关键生产装置要害生产部位等重大危险源的安全监督管理有针对性地制定重大事故防范措施及应急救援预案并组织开展事故预案演练提高应对突发事故的能力同时采用国际上先进的安全评价方法对在役装置的安全性进行评价及时发现并消除生产装置存在的缺陷和隐患确保安全生产