谷氨酸生产工艺计算

工艺计算第一节：物料平衡计算凡引入某一系统或设备的物料重量Gm,必需等于用于转化形成产物所消耗的物量Gp和物料损失之和GtGm=Gp+Gt一、 物料衡算目的：（1） 确定生产设备的容量、个数和主要设备尺寸；（2） 工艺流程草图设计（3） 水、蒸汽、热量、冷量衡算；（4） 控制生产水平。二、 方法1．给出物料衡算流程示意图2．选定计算基准按每批投料量进行计算；按每吨产品消耗的原料量计算；按时间计算。3．确定工艺指标及消耗定额以及相关的基础数据；4．列出各工艺阶段的物料衡算表并绘出物料流程图。三、 实例（以年产商品味精10000t为实例）（一） 、生产规模及产品规格（1） 99%规格的味精占80%，即8000t/a;（2） 80%的味精占20%，即2000t/a；折算为100%味精为：8000X99%+2000X80%=9520（t/a）（二） 、生产工作制度全年生产日320天；2~3班作业，连续生产。三）、主要工艺技术参数序号生产工序参数名称指标淀粉质原料糖蜜原料1制糖（双酶法）淀粉糖化转化率％$982发酵产酸率g/dl三$3发酵糖酸转化率％$50$554谷氨酸提取提取收率％$86$805精制GLU-MSG收率％$92$906发酵操作周期hW48W48原料及动力单耗表序号物料名称规格单耗(t/t)淀粉原料大米原料糖蜜原料1玉米淀粉含淀粉86%2大米含淀粉70%3糖蜜含糖50%4硫酸98%5液氨99%6纯碱98%7活性炭8水3093093099电2000Kwh/t2000Kwh/t2000Kwh/t10蒸汽生产过程的总物料衡算(一)生产能力以年产商品MSGIOOOt为实例。折算为100%MSG9520t/a。日产商品MSG：1000/320=(t/d)(其中99%的MSG251,80%的)日产100%MSG:9520/320=(t/d)(二)总物料衡算(以淀粉质原料为例)1000kg纯淀粉理论上产100%MSG量：1000XX%X=(kg)1000kg纯淀粉实际产100%MSG:1000XX98%X50%X86%X92%X=(kg)1000kg工业淀粉(含量86%的玉米淀粉)产100%MSG量：X86%=(kg)淀粉单耗1t100%MSG消耗纯淀粉量：1000/二(t)1t100%MSG实际消耗工业淀粉量：1000/二(t)1t100%MSG理论上消耗纯淀粉量：1000/二(t)1t100%MSG理论上消耗工业淀粉量：86%=(t)总收率：可以按以下两种方法计算。实际产量(kg)/理论产量X100%=X100%=%(98%X50%X86%X92%)/%X100%=%淀粉利用率：X100%=%生产过程总损失：100%－%=%物料在生产过程中损失的原因：糖转化率稍低。发酵过程中部分糖消耗于长菌体以及呼吸代谢；残糖高；灭菌损失；产生其他产物。提取收率低，母液中Glu含量高。精制加工过程损耗及产生焦谷氨酸纳等。原料以及中间品的计算淀粉用量：X=(t/d)糖化液量：纯糖X86%XX98%=(t/d)折算为24%的糖液：24%=(t/d)发酵液用量：纯Glu量：X50%=(t/d)；折算为8g/dl的发酵液：8%=(m3)；X二(t)(为发酵液的相对密度)提取Glu量：纯Glu量：X86%=(t/d)折算为90%的Glu量：90%=(t/d)Glu废母液量(采用等电-新离子回收法，以排出的废母液含Glu%g/d计算)：()/%=591(m3/d)三)总物料衡算结果衡算结果列汇总表，如下表：工业原料，淀粉含量86%；糖含量50%。^料一淀粉质原料(工米淀粉)糖蜜(甜菜糖蜜) 生产1T100%MSGt/d生产1t100%MSGt/vd工业原料118糖液24%(t) 246.4谷氨酸(90%)(L)MSG(100%)(t)排出含%谷氨 591酸废母液排出含1%谷酸废母液650制糖工序的物料衡算淀粉浆量及加水量：淀粉加水比例为：1：，1000kg工业淀粉浆1000X(1+)=3500kg；加水量为2500kg。粉浆干物质浓度10005X86%/3500=%(3)液化酶量：使用液体a-淀粉酶35005X%=8.75kg(4)CaCl2：量3500X%=8.75kg5)糖化2酶量：用液体糖化酶3500X%=8.75kg(6)糖化液产量1000X86%XX98%/24%=3898kg24%糖化液的相对密度为3898/=3576(L)7)加珍珠岩量：为糖液的15%3898X=5.85kg(8)滤渣产量：含水70%废珍珠岩()=19.5kg生产过程进入的蒸汽和洗水量3898+(X3)=385.4kg衡算结果(年产万吨味精)：根据总物料衡算，日投入工业淀粉，物料衡算汇入下表：

制糖工序物料衡算汇总表进入系统离开系项目物料比例日投料量kg项目物料比例日投料量kg工业淀粉100063190糖液3898246315配液化酶2500157975滤渣1232料水553CaCl2553糖化酶553珍珠岩370洗水和蒸汽24353累计247547累计247547三连续灭菌和发酵工序的物料衡算1)发酵培养基数量①1000kg工业淀粉，得到24%的糖化液3898kg。发酵初始糖浓度16.4g/dl，其数量为：3898x3898x24%16.4%(W/V)=5704(L)16.4g/dl的糖相对密度为，5704X=6046kg配料按放罐发酵液的体积计算：5704X%/16%=5847(L)玉米浆：5847X%(w/v)=11.7kg甘蔗糖蜜:5847X%(w/v)=17.5kg无机盐：5847X%(w/v)=11.7kg配料用水：配料时培养基的含糖量不低于19%，向24%的糖液中加入水量为：3898X24%/19%-3898=1026(kg)灭菌过程中加入蒸汽及补水量：1081kg④发酵零小时数量验算：3898++++1026+1081=6046kg其体积为：6046/=5704(L)与以上结果计算一致。接种量5847X1%(w/v)=(L)X=62kg发酵过程加液氨数量，为发酵液体积的%：5847X%=164kg加消泡剂量：为发酵液的%。5847X%=2.9kg消泡剂的相对密度为，=(L)发酵过程从排风带走的水分进风25°C相对湿度为70%，水蒸汽分压18mmHg,排风32°C，相对湿度为100%，水蒸汽分压27mmHg。进罐空气的压力为大气压，排风大气压。进出空气的湿含量差为:X-X0.62227x100%X-X0.62227x100%1.5x760—27x100%-0.62218x70%2.5x760-18x70二水/kg干空气)通风比：1:,带走水量:5847XX60X36XXX=29(kg)式中为320C时干空气密度(kg/m3)(7)衡算结果汇总:年产万吨商品味精日投工业淀粉,连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总列入下表:连续灭菌和发酵工序的物料衡算汇总表进入系统离开系统项目1t工业淀粉之匹配物料(kg)t/d项目1t工业淀粉之匹配物料(kg)t/d24%糖液3898发酵液6194391玉米浆空气带走水量29甘蔗糖蜜过程分析放罐残留及其他损失52无机盐配料水1026灭菌过程进蒸汽及水68接种量62液氨164消泡剂累计62753966275四、谷氨酸提取工序的物料衡算采取冷冻等电及其新离交回收工艺。

(按1000kg工业淀粉之匹配量计)发酵液数量：5847L；6194kg。加98%硫酸量：为发酵液的％(W/V)5843X%=210(kg)98%硫酸的相对密度,故:210/=114(L)谷氨酸产量分离前谷氨酸量：100%谷氨酸量:5843X8%(W/V)=(kg)分离后谷氨酸量：纯谷氨酸: X86%=402(kg)90%谷氨酸: 402/90%=(kg)母液数量： 母液含谷氨酸0.7g/dl.4-=9343(kg)谷氨酸分离洗水量X20%=89(L)母液回收过程中用水以及酸碱等数量9343-5843-114-89=3297(L)=3297kg谷氨酸提取工序物料衡算汇总表进入系统离开系统项目1t工业淀粉之匹配物料(kg)t/d项目1t工业淀粉之匹配物料(kg)t/d发酵液619490%谷氨酸硫酸210母液9343590分离用洗水89回收加水等3297208累计9790累计五、精制工序的物料衡算(1)谷氨酸数量100%Glu402kg；90%Glu446.6kg(2)NaCO量23X%=161(kg)加活性炭X%=(kg)(4)中和液数量=1278(L)402x1.272=1278(L)40%(W/V)1278X=1482(kg)式中含40%(W/V)MSG溶液的相对密度20oBe')5)中和加水量1482-161=873(kg)产MSG量产100%MSG量：精制收率92%,产100%量为：402XX92%=(kg)产母液量：母液平均含MSG量25%(W/V)402XX8%/25%=164(L),母液的相对密度则：164X二(kg)废湿活性炭数量：湿碳含水75%()二(kg)MSG分离调水洗水量X5%=24(kg)10)中和脱色液在结晶蒸发过程中蒸发出的水量1482+(kg)11)物料衡算汇总,列入表10-12中。表10-12精制工序物料衡算汇总表进入系统离开系统项目1t工业淀粉及匹配物料(kg)t/d项目1t工业淀粉及匹配物料(kg)t/d90%Glu100%MSGNa2C03161母液活性炭废碳中和加水873蒸发水量850分离洗水24累计1506累计六、味精生产过程物料衡算图以投料1000kg工业淀粉为基准，所得各部中间物料及其匹配辅料的衡算结果汇总于图10-4；按年产万吨味精衡算结果(以每日量为基准)汇总于图10-5。第六节热量衡算热量衡算是根据能量守恒定律建立起来的,热平衡方程表示如下Q+Q+Q二Q+Q+Q123456式中Q 物料带入的热量(J)1Q2——蒸汽热量J)2Q3——各种热效应，如发酵热、稀释热、溶解热等(J)Q——物料带走热量J)4Q5——消耗于设备上热量J)5

Q——设备向外界散失热量J)6一、液化工序热量衡算液化工序流程如图10-6所示。一)液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量(D),可按下式计算:Q——设备向外界散失热量J)6一、液化工序热量衡算液化工序流程如图10-6所示。一)液化加热蒸汽量加热蒸汽消耗量(D),可按下式计算:GC(t2-tl)D=I-y式中G 淀粉浆量(kg/h)C——淀粉浆比热容(kJ/(kg•K))t——浆料初温(20+273=293K)1t2——液化温度(90+273=363K)I一加热蒸汽焓，2738kJ/kg(，表压)入——加热蒸汽凝结水的焓，在363K时为377kJ/kg(1)淀粉浆量G：根据物料衡算，日投工业淀粉；连续液化，24=(t/h)。加水为1：,粉浆量为：2630X=9205(kg/h)。粉浆干物质浓度2630x86%X100%=%(2)3)式中9205粉浆比热C可按下式计算：X l00-XC=C+C0100水100C0——淀粉质比热容，取(kg•K)X——粉浆干物质含量，％Ck——水的比热容，(kg•K)水24.6100-24.6C=+ 二(kJ/100100(kg•K))4)蒸汽用量9205x3.53(90-20)D= =9632738-377二)灭酶用蒸汽量灭酶时将液化液由90°C加热至100°C,9205x3.53(100-90)D-= (2738-419) =140(kg/h)kg/h)在100°C时的入为419kJ/kg。灭=要求在20min内使液化液由90°C升至100°C，则蒸汽高峰量为:60140X =420(kg/h)20以上两项合计，平均量963+140=1103（kg/h）；每日用量X24二（t/d）。高峰量： 963+420=1383（kg/h）三）液化液冷却用水量使用板式换热器，将物料由100°C降至65°C，使用二次水，冷却水进口温度20°C,出水温度58.7°C，需冷却水量（W）：W=即189(t/d)(9250+1103)x3.53(100-W=即189(t/d)(58.7-20)x4.18 二7873無訓)二、 化工序热量衡算日产24%的糖液2461,即246/=6）。糖化操作周期30h,其中糖化时间25h。糖化罐100m3，装料75m3，需糖化罐225.7 30X——=225.7 30X——=75 24台），取4台使用板式换热器，使糖化液（经灭酶后）由85°C降至60°C，用二次水冷却，冷却水进口温度20°C，出口温度45°C，平均用水量为：10308x3.53（85-60）（45-20）x4.18 =8705（kg/h）式中10308为糖化液量（液化液+蒸汽冷凝水=9205+1103）要求在2h把75m3糖液冷却至40°C，高峰用水量为:8705103087500087051030875000x1.092=34518(kg/h)25每日糖化罐同时运转:X—:30=(灌225.7每投（放）料灌次：=375(灌)每日冷却水用量：2XX=216(t/d)三、连续灭菌和发酵工序热量衡算一）培养液连续灭菌用蒸汽量发酵罐200ma装料系数，每罐产100%MSG量:200XX8%X86%X92%X=（t）年产万吨商品味精，日产100%MSG发酵操作时间48h（其中发酵时间38h）,需发酵罐台数:台），取6台），取6台。X—=11.27 24每投（放）料灌次：29.7511.27日运转：3848罐）每罐初始体积140ma，糖浓度每投（放）料灌次：29.7511.27日运转：3848罐）每罐初始体积140ma，糖浓度16.4g/dl,灭菌前培养基含糖19%，其数量：140x16.4%t)灭菌加热过程中用蒸汽(表压)1=2743J/kg,使用板式换热器将物料由20°C预热至75°C，再加热至120°C。冷却水由20°C升至45°C。见图10-7流程所示。每罐灭菌时间3h,输料流量:120.8丁=(t/h)消毒灭菌用蒸汽量(D)：40300x消毒灭菌用蒸汽量(D)：40300x3.97(120-75)D=2743-120x4.18=3212(kg/h)t/h)式中为糖液的比热容(kJ/(kg?K))每日用蒸汽量：X3X3二(t/d)高峰量：h平均量：—24二(t/h)(二)培养液冷却水用量参照图10-7,120°C热料通过与生料热交换，降至80°C，再用水冷却至35°C。冷却水由20°C升至45°C，计算冷却水量(W)40300x3.97(80-35)W= (45-20)x4.18 二68896(kg/h)二69(t/h)全天用水量：69X3X3=621(t/d)三)发酵罐空罐灭菌蒸汽用量发酵罐体加热:200m3,1Cr18Ni9的发酵罐体重，冷却排管重6t,1Cr18Ni9其蒸汽量为：的比热容(kg・K),用(表压)蒸汽灭菌，使发酵罐在Mpa(表压)下，由20°C升至127°C。其蒸汽量为：=986(kg)(34300+6000)x0.5x(127-20=986(kg)2718-127x4.18填充发酵罐空间所需的蒸汽量：因200m3发酵罐的全容积大于200ma，考虑到罐内之排管、搅拌器等所占之空间，罐之自由空间仍按200m3计算。填充空间需蒸汽量：D=Vp=200X=(kg)空式中V——发酵罐自由空间即全容积(ma)P——加热蒸汽的密度(kg/m3)，表压时为灭菌过程的热损失：辐射与对流联合给热系数a，罐外壁温度70°C。a=+(70—20)=(kJ/(m2・h・K))，耗用蒸汽量=199(kg)200m3发酵罐的表面积为201，耗用蒸汽量=199(kg)201x43.4(70-20)D=损2718-127x4.18罐壁附着洗涤水升温的蒸汽消耗=41(kg)201x0.001x1000627-20)x4.18=41(kg)2718-127x4.18式中——附壁水平均厚度(1mm)灭菌过程蒸汽渗漏，取总汽消耗量的5%，空罐灭菌蒸汽消耗量为：

=1632(kg/h)986+324+199+41=1632(kg/h)1-0.05每空罐灭菌，用蒸汽量：1632X=2448（kg/罐）每日用蒸汽量：2448X3=7344（kg/d）,平均量7344/24=306（kg/h）（四）发酵过程产生的热量及冷却用水量发酵过程的热量计算有下列几种方法：（1）通过计算生化反应热来计算总发酵热Q总总Q总二生物合成热+搅拌热-汽化热总生物合成热可通过下列方程计算CHO+6O 6CO+6HO+2813KjCHO+NH+6126 32CHON+CO++890kJ594 2搅拌热=860XXP（P——搅拌功率，kW）汽化热二空气流量（m3/h）X（l进-1出）p进出式中I进、I出——进出之空气热焓（kJ/kg干空气）进出p 空气密度（kg/m3）2）通过燃烧热进行计算Q二工Q-EQ总 作用物燃烧 产物燃烧有关物料的燃烧热:葡萄糖:15633kJ/kg谷氨酸:15424kJ/kg玉米浆:12289kJ/kg菌体:20900kJ/kg以发酵6~~12h耗糖速率最快，为放热高峰.（3）通过冷却水带走的热量进行计算在最热季节，发酵放热高峰期，测定冷却水量及进、出口温度，然后即可算出最大发热量Q（kJ/（m3•K））最大4.18x冷却水流量（kg/h人-1）Q （单d最大 发酵液总体积53丿4）通过发酵液的温度升高进行计算关闭冷却水，观察罐内发酵液温度升高，用下式计算Q最大最大4.18(GCt+GCt)(kJ/(m3•K))(kJ/(m3•K))最大V式中G——发酵液重量（kg）C 发酵液比热容（kJ/（m3・h））t——1h内发酵液温度升高数（K）G1 设备筒体的重量（kg）C；——设备筒体的比热容（kJ/（kg•K））V—发酵液体积（m3）以上四种方法，以（3），（4）比较简单实用。根据部分味精厂的实测和经验数谷氨酸的发酵热高峰值约X104（kJ/（ma・h））。200m3发酵罐，装料量140m3,使用新鲜水，冷却水进口温度10°C,出口温度20°C,冷却水用量(W)：3.0x104x140W=(20-10)x4.18=100500kg/h=100(t/h)日运转台，高峰用水量：100X=420(t/h)日用水量：420XX24=8064(t/d)平均水量：8064=336(t/d)24式中——各罐发热状况均衡系数四、谷氨酸提取工序冷量衡算等电罐200m3,装液量146m3，相对密度，由30°C降至5°C,降温速度2°C/h。其冷量为：146X103XX2X=X106(kJ/h)式中——发酵液比热容(kJ/(kg?K))中和时，HSO对水的溶解热为92kJ/mol,6h加98%HSO2 4 2 45100kg，其溶解热为：5100x98%X92=782(kJ/h)6x98X106/3600=333(kW)每天运转台罐，总制冷量：333X=1399(kW)五、谷氨酸钠溶液浓缩结晶过程的热量衡算年产万吨商品味精，日产100%MSG，选用25m3强制内循环结晶罐，浓缩结晶操作周期24h，其中辅助时间4h。每罐产100%MSG10t，需结晶罐台数：29.75E6)=，取4台式中一一每罐投入的晶种量(t)(一)热平衡与计算加热蒸汽量每罐投入40g/dI的中和脱色液(俗称原液)23m3，流加30g/dI母液32m3，过程中加水6m3，在70°C下真空蒸发结晶，浓缩3h，育晶17h。放料数量20m3热量衡算来料带入热量：进料温度35°C，比热为(kg?K)Q=(23X+32X)XX35X103=X106(kJ)来料加水带入热量：Q=6XX35X103=X105(kJ)来水晶种带入热量：MSG比热容(kJ/(kg?K))Q=1600XX20=X104(kJ)寺曰来晶结晶放热：MSG结晶热为mol=X105(kJ)Go-1.6)x106=X105(kJ)晶热187

晶热母液带走热量：分离母液12m3，折算为相对密度时151,比热容为(kJ/(kg?K))Q=15X103XX70=X106(KJ)随二次蒸汽带走热量：Q=(23+32+6-20)X2626X106=X108(kJ)二蒸式中20——结晶罐放罐时的结晶液量(m3)随结晶MSG带走热量：Q=10X103XX70=X106(kJ)L1J曰出晶需外界供给热量：Q=(Q+Q+Q)-(Q+Q+Q+Q)母二蒸出晶 来料来水来晶晶热=(X106+X108+X106)-(X106+X105+X104+X105)=X107(kJ)计算蒸汽用量每罐次用汽量：热损按5%折算。9.5x107D=(2717-535)x0.95=45830(kg/罐)每罐浓缩结晶时间20h,每小时耗蒸汽高峰量：45830/20=2292(kg/h)4台罐(实际是台)同时运转,高峰用蒸汽量：X2292=8022(kg/h)每日用蒸汽量：X45830=160405(kg/d)=160(t/d)每小时平均用蒸汽量：160/24二(t/h)(二)冷却二次蒸汽所消耗冷却水量二次蒸汽数量,即水蒸发速度23+32+6-20-- =(m3水/h)冷却水量:使用循环水，进口温度30°C,出口温度45°C,70°C水蒸汽焓(kJ/kg),需冷却水量(W)W==8000(kg/h)=80(t/h)(45-30)x4.182.05x103x(W==8000(kg/h)=80(t/h)(45-30)x4.184台罐,高峰用水量：80X4=320(t/h)全日用水量：80X20X=5600(t/d)平均用水量：5600/24=233(t/h)为保证循环水温度不高于30°C，需加进二次水4000t/d。六、干燥过程的热量衡算分离后之湿MSG含水2%，干燥后达至IJ%,进加热之空气为18°C，相对湿度屮=70%,通过加热器使空气升至80°C，从干燥器出来的空气为60°C。年产万吨商品味精,日产湿味精,二班生产,即16=(t/h)。干燥水分量：30400x2%-29750x0.2%=34(kg/h)1618°C空气湿含量屮=70%,X0=(kg/kg干空气),I0=kg干空气；加热80°C,l「kg干空气用公式△二(IT)/(X-X)=Q+Q-Q,p2121物料损失初温式中△——空气经过干燥后的热量变化(kJ/kg—出空气加热器之空气热焓(kJ/kg)—出干燥器之空气热焓(kJ/kg)I0——冷空气之热焓(kJ/kgX0——空气湿含量(kJ/kg干空气)X：——进干燥器之空气湿含量(kJ/kg干空气)X2 出干空气之空气湿含量(kJ/kg干空气)Q初温——物料初始温度时的物料中每g水之热含量(J/kg)初温Q物料 加热物料所耗热量Q损失 损失热量，通常为有效热量的10%损失Q=X103X(60-18)XX34物料=3924(kJ/kg水)Q=X(595X+X60X+3924-18X)损失=645(kJ/kg水)△=18X4.二-4494(kJ/kg水)设x2==I+△(X-X)=+(-4494)()121二(kJ/kg空气)空气耗量为：34/(kg/h)80°C时空气的比容0.83m3/kg实际消耗空气量为：18888X=15677(m3/h)耗用蒸汽量(D)：使用(表压)蒸汽加热，热损失按15%计:=618(kg/h)D二(104.5—41.8)x18888x1.15=618(kg/h)D= (2706.7—504.7)每日用蒸汽量：618X16=9888(kg/d)平均每小时用蒸汽量：9888/24=412(kg/h)七、生产过程耗用蒸汽衡算汇总及平衡图衡算结果：每日用蒸汽量为338t/d，每小时平均量为h,高峰量为h°100%MSG单耗蒸汽量：338/=(t/t)。以上计算不包括采暖及生活用蒸汽。蒸汽衡算汇总列入表10-13；蒸汽平衡如图10-8所示。第七节水平衡一、糖化工序用水量(1)配料用水量：日投工业淀粉，加水比1：,用水量为：X=158(t/d)因连续生产，平均水量二高峰水量=158/24二(t/h)(用新鲜水)

液化液冷却用水量：平均量=高峰量二二(t/h),189t/d(二次水)糖液冷却水用量(使用二次水):每日用冷却水量216(t/h)，平均量:216/24=9(t/h),高峰量：(t/h)。二