年产1000吨味精提取车间

1前言1.1味精生产的历史及发展状况谷氨酸(Glutamicacid,简写为Glu)最早是1866年由德国人Riffhausen用H2SO4水解面筋而得到的。1908年日本人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,产品称“味の素”。我国将谷氨酸(实际上是谷氨酸单钠盐)称为味精大概也源于此。1956年,日本协和发酵公司开始选育由碳水化合物转变为谷氨酸的菌种,不久即获得成功。之后发酵法生产谷氨酸即取代水解法成为工业生产谷氨酸的主要方法。今天,世界上几乎所有谷氨酸都由发酵法获得。然而,关于发酵法制取谷氨酸的研究工作并未终止,主要在于节能降耗,降低生产成本，改善生产和生态环境等方面。检索了近十年来的有关文献,研究内容大致可归纳为下述几个方面:(1)寻找开发新菌种,提高糖类发酵的产酸率。(2)开发新资源,寻找开发以石油化工产品为原料发酵生产谷氨酸的方法。(3)开发新工艺,如采用固定化细胞技术,采用新型反应器等。(4)优化操作控制,包括生产工艺参数控制及细胞内代谢调控。(5)有关从发酵液中分离提取谷氨酸新技术的研究。[1]综上所述,国内外谷氨酸早已大规模生产,但其研究工作并未停止（主要目的在于节能降耗,提高劳动生产率）；国外(主要是日本)已将研究重点转向利用基因工程技术改良菌种，将代谢途径研究与基因工程技术相结合无疑将会是未来的研究方向,这也是大幅度提高谷氨酸产率,降低生产成本的必由之路。当然,细胞的固定化及共固定化研究、连续生产方法的研究、利用粗原料直接生产谷氨酸的研究,对于节能降耗、降低生产成本也很有意义。相比之下,国内的研究还很滞后,因此,努力赶超国外先进水平,也应从上述各方面入手。1.2新技术类型及应用1.2.1离子交换树脂提取谷氨酸利用离子交换树脂吸附发酵液中的谷氨酸，然后再进行洗脱，以使发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖的聚合物、蛋白质、色素等离子性杂质得以分离。1.2.2凝聚剂除菌体一次等电或浓缩等电提取使用安全性高的壳聚糖作絮凝剂，其阳离子性能与发酵液中菌体（带负电荷）与蛋白凝聚使其沉淀而进行分离。1.2.3膜分离过程的味精生产工艺膜分离过程在常温下进行，无相变化，能耗低、设备简单，操作控制方便，利用膜分离技术与提取谷氨酸工艺技术（包括新工艺提取）结合，提高谷氨酸产量、质量、味精质量，降低生产成本与节能减排等综合效益更显著，更符合清洁工艺生产。1.3设计的任务和依据1.3.1编制设计说明书1）产品品种和年均生产天数的确定2）生产工艺的确定3）原辅材料消耗定额的确定4）物料、热、水等衡算5）设备布置的简要说明1.3.2绘制图表1）与设计说明书相对应的表格及主要设备一览表2）图纸（CAD）（1）工艺过程全图（2）带控制点的工艺流程图（3）车间布置图（4）典型设备图1.3.3本次设计的依据1）任务书2）相关文献资料及在本设计应用情况3）行业经济指标基础数据2厂址选择及总平面设计2.1味精厂厂址选择原则：厂址选择是建设前期必须作的一项政策性很强的综合性工作。它关系到工投产后的生存和发展。选择味精厂厂址的原则是：1)符合国家方针政策。正确处理各种关系，既要努力提高经济技术效果，又要符合工农业合理布局的要求。2)要有充足可靠的水源，水质应符合《生活饮用水卫生标准》和味精生产的需要。3)所选厂址周围应有良好的卫生环境。空气质量要好，选在城市主导风向的上风侧，不受其他单位的烟尘和污染源影响，以满足味精生产的需要。4)要有可靠的供电保证。味精厂用电量大，而且是连续生产，在供电距离、容量和保安电方面需得到供电部门保证。5)有良好的工程地质地形和水文条件。6)应有方便的交通运输条件。7)要有利于“三废”处理和综合利用。废水、炉渣、滤泥有去向，有处理场地。8)注意专业化协作，靠近动力供应中心。总之在厂址选择时，应尽量多选几个进行分析比较，从中选出最佳者，最后编制完成厂址选择报告。2.2工厂总平面布置原则工厂总平面布置将工程项目在厂址内进行全面的规划设计，使建筑物、构筑物、道路和绿化带等布局经济合理。此项工作涉及到生产和工厂的将来发展，必须进行周密的设计总平面布置原则：1)从生产工艺出发，安排好建筑物、构筑物、道路、堆场、各种管道和绿化等方面的相互关系，结合用地条件进行合理布置，使建筑群组成一个有机整体。既便于组织生产，又有利于企业管理。2)物料走向要合理并应沿最短的路线运输。避免人流货流交叉。3)主要生产车间要朝向好，具有良好的采光和通风条件；炎热地区要注意西晒问题。4)味精工厂可划分为生产区、动力区、仓储辅助区和其他区。以生产区为中心进行布置。5)洁净间（如无菌间、摇瓶间、菌种保藏间等）是保藏和培养菌种的地方，是味精生产的核心。洁净间极其周围对洁净要求很高的地方，须达到A级（美国联邦标准209C，100级）。所以洁净间要布置在全年最多风频的上风则，且要远离公路及厂内主干道。6)建、构筑物间距应符合防火、卫生规范及各项安全要求。7)建筑物、道路管道及绿化布置要整齐、美观，协调统一。防止分散、杂乱、盲目建设。8)厂房布置可采取分散式或集中式。9)根据厂址的气温条件，对一些装置可采取露天布置。10)为减少污染，锅炉房、堆场、污水处理站、液氨贮槽和酸碱贮槽等应布置在厂区的下风侧。3味精生产的工艺过程及基本要求3.1味精发酵菌种介绍及选择3.1.1现有谷氨酸生产菌的分类现有谷氨酸生产菌主要是棒状菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌。这四个属在细菌的分类系统中彼此比较接近。短杆菌属隶属于短杆菌科（Brevibacteriaceae），而棒状杆菌属、小杆菌属及节杆菌属则都隶属于棒状杆菌科（Corynebacteriaceae）。短杆菌科和棒状杆菌科均属于细菌目中的革兰氏染色阳性、无芽孢杆菌及有芽孢杆菌的一大类。3.1.2现有谷氨酸生产菌的主要特征虽然从细菌的鉴定和分类的结果来看，现有谷氨酸生产菌分属于棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属，但是它们在形态及生理方面仍有许多共同的特征。归纳起来主要有以下特征。1）细菌形态为球形、棒形以至短杆形。2）革兰氏染色阳性，无芽孢，无鞭毛，不能运动。3）都是需要型微生物。4）都是生物素缺陷型。5)脲酶强阳性。6)不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白以及明胶等。7)发酵中菌体发生明显的形态变化，同时发生细菌膜渗透性的变化。8)CO2固定反应酶系活力强。9)异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱。10)α-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱。11)还原型辅酶Ⅱ（NADPH2）进入呼吸链能力强。12)柠檬酸合成酶、乌头酸酶异柠檬酸脱氢酶以及谷氨酸脱氢酶活力强。13)能利用醋酸，不利用石蜡。14)具有向环境中泄漏谷氨酸的能力。15)不分解利用谷氨酸，并能耐高浓度的谷氨酸，产谷氨酸5%以上。3.1.3国内生产菌及其比较我国的谷氨酸发酵已有20多年的历史。目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌株主要有:北京棒杆菌（AS.1299）、T338、S-941、D110、WTH-1;钝齿棒杆菌（AS1.542）、HU7251、B9、B9-17-36、F-263;天津短杆菌（T6-13）、FM-8207、FM-415、U-9、CMTC6282、TG-3、TG-866、D85等菌株。其中多数厂家生产上常用的菌株是B9、T6-13及7338等。现将北京棒杆菌（7338）与钝齿棒杆菌（B9）的比较及钝齿棒杆菌（B9）与天津短杆菌（T6-13）的比较列表于表1及表2表1北京棒杆菌（7338）与钝齿棒杆菌（B9）的比较表2钝齿棒杆菌（B9）与天津短杆菌（T6-13）的比较项目B9T6-13细胞大小大小且多细胞形态草黄色变化大淡白变化更大发酵温度前期30-320C中后期34-350C前期32-340C中后期36-380C脲菌活力强更强糖酸转化率40-45%以上45%之间分泌胶体量较少较多菌体本生等电点不在Glu结晶等电点范围内pH4.2-3.0接近Glu结晶等电点生物素用量T6-13比B9低20%左右项目T338B9细胞大小小大细胞形态变化不明显明显变化伸长、膨大菌体等电点pH4.2-3.0接近Glu等电点不在Glu等电点范围内菌落颜色乳白色草黄色脲酶活力低高生物素用量范围较窄4-5μg/L左右范围宽5-8μg/L生长因子生物素硫胺素生物素发酵周期稍长适中噬菌体类型不相同不发生交叉感染酯酶谱带、蛋白酶谱带都不相同噬菌体类型侵染B9的噬菌体亦可感染T6-13从以上两个表格可以看出天津短杆菌T6-13要优越于其他两种菌株，本毕业设计选用的菌株是T2-310，该菌株是以天津短杆菌T6-13为出发菌株,经Cｏ60—γ射线、紫外线（UV)和硫酸二乙酯(DE)复合诱变并经高温驯化,获得一株琥珀酸和生物素双营养缺陷型突变株。该菌株具有耐高糖、耐高谷氨酸(GA)、不分解利用GA及耐高温(38℃～45℃)的优点。当采用淀粉水解糖为C源(初糖浓度160～180ｇ/L)和生物素亚适量时,使用此菌株进行高温摇瓶发酵试验的GA产率和糖酸转化率分别是83.3～115.74ｇ/L和52.06～64.30%。当在工业规模水平上发酵时,该菌株平均GA产率和转化率分别是90.8ｇ/L和56.4%,而单罐发酵的最大产率和转化率分别达98ｇ/L和62.8%。3.2谷氨酸发酵机制谷氨酸的生物合成包括酵解途径（EMP）、磷酸己糖途径（HMP）、三羧酸（TCA环）循环、乙醛酸循环、伍德-沃克曼反应（CO2的固定反应等）。1）生成谷氨酸的主要酶反应在谷氨酸发酵中，生成谷氨酸的主要酶反应有以下三种：(1)谷氨酸脱氢酶（GDH）所催化的还原氨基化反应NADPOHNADPHNH224谷氨酸酮戊二酸GDH(2)转氨酶（AT）催化的转氨反应这一反应是利用已存在的其他氨基酸，经过转氨酶的作用，将其他氨基酸与α-酮戊二酸生成L-谷氨酸。(3)谷氨酸合成酶（GS）催化反反应以上三个反应中，还原氨基化是主导性反应。2）谷氨酸生物合成的理想途径NADPH2NADPα-酮戊二酸+谷氨酰胺2谷氨酸GS图1由葡萄糖发酵谷氨酸的理想途径3）谷氨酸发酵的代谢途径在谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行，生物素充足菌HMP所占比例是38%，控制生物素亚适量的结果，发酵产酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占的比例约为26%，生成丙酮酸后，一部分氧化脱羧生成乙酰COA，一部分固定CO2生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰CoA在柠檬酸合成酶催化作用下，缩合成柠檬酸，再经下面的氧化还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径见图2。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。但是，在菌体生长期以后，进入谷氨酸生长期，为了大量生成、积累谷氨酸，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封锁乙醛酸循环。这就说明在谷氨酸发酵中，菌体生长期的最适条件和谷氨酸生长积累的最适条件是不一样的。在生长之后，理想的发酵按如下反应进行：C6H12+NH3+1.5O2→C5H9O4N+CO2+3H2O图2由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径3.3工艺流程以下是谷氨酸发酵的工艺流程无菌空气菌种水淀粉α-淀粉酶制备液化糖化酶糖化过滤二级种子玉米浆糖化液滤渣无机盐糖蜜配料补糖连续灭菌消泡剂发酵尿素无菌空气制备流程：3.4技术要求3.4.1以玉米淀粉为原料1)调浆配料根据需要将淀粉乳调成15—200Bé,用Na2CO3水溶液调pH6.4—6.5,CaCl2用量为干淀粉的0.15—0.3%;如果水中Ca2+超过50mg/L，也可不加CaCl2,α-淀粉酶加量按10—12U/g干淀粉计算，如无锡产的耐高温α-淀粉酶（液体）为20000U/ml，则每1t干淀粉加酶0.5—0.6L。2）喷射液化工作蒸汽压力0.4MPa，淀粉乳供料泵压力0.2—0.4MPa。喷射温度100—1050C，层流罐维持95—1000C，液化时间60min，以碘色反应呈棕红色即可。然后液化液经130—1400C灭酶5—10min，再经板式换热气冷却至700C以下，进入糖化