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年产5万吨味精糖化工段设计
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。
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 生产工艺
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。
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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，
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糖液质量好而获得广泛的应用。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
液化的原理 ：
α-淀粉酶是内切型淀粉酶，可从淀粉分子的内部任意切开α-1，4糖苷键，不能水解α-1，6糖苷键，液化产物除了麦芽糖和葡萄糖外，还含有一系列带有α-1，6糖苷键的寡糖。淀粉在糊化之前，α-淀粉酶是难以直接进入淀粉颗粒内部与淀粉分子发生作用的。所以淀粉一定要经过糊化阶段，酶才能开始发生作用。液化是利用液化酶使糊化淀粉水解成糊精和低聚糖等，使粘度大为降低，流动性增高。 （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
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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
图1-1 一次喷射双酶法制糖工艺流程图
喷射液化 淀粉乳 调浆 调PH（盐酸或石灰水、碳酸钠）、酶 过滤 过滤 升温灭酶 过滤 过滤 NaCO3
高温维持 闪蒸 降温 层流液化 糖化 酶、调PH 1.4 糖化工艺技术要点
1.4.1 调浆配料
淀粉乳调成15-20oBe。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%，如果水中Ca2+超过50mg / L，可以不加CaCl2。
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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120u / g干淀粉计算，糖化时间40-48h。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 全厂物料衡算
2.1 生产能力
商品味精年产量：50kt/a，则纯谷氨酸钠年产量为：49500t/a。
商品味精日产量：50000/300=166.7t/d，纯谷氨酸钠日产量：165.0t/d。
2.2 计算指标
表 2-1 计算指标
项目 淀粉糖化转化率 发酵产酸率（浓度） 发酵对糖转化率 培养菌种耗糖为发酵耗糖
谷氨酸提取收率 精制收率 商品淀粉中淀粉含量 发酵周期（含辅助时间）
全年工作日
数值 94.5% 10.5% 58.5% 1.5% 96.4% 96.5% 85.9% 45h 300d
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