谷氨酸发酵设备管理现状及发展趋势

周俊杰

(莲花健康产业集团股份有限公司,河南 项城 466200)

谷氨酸发酵以小麦、大米和玉米等粮食为原料,首先采用淀粉或糖质经发酵后生产出谷氨酸,然后经等电点、结晶沉淀、离子交换或锌盐法精制等工艺来提取谷氨酸钠,最后经过脱色、脱铁、蒸发、结晶等工序制成谷氨酸钠结晶,俗称味精。味精是无色至白色的柱状结晶或白色的结晶粉末,是人们日常生活中常用的调味品,它能够增加食物的鲜味。经过长期的发展,谷氨酸发酵已成为具有一定规模和技术装备水平的发酵食品产业体系。

谷氨酸发酵拥有较复杂的工艺设备、电器和传动装置,包含正负压操作,具有满足微生物快速增长和形成产物的各种条件。该工艺有充足的碳源和氮源、足够的氧气、一定的矿物质和微量元素,合适的温度、无菌度,其设备便于灭菌和清洗。谷氨酸发酵具有好气性,因此均使用机械搅拌通风发酵进行生产。通过机械搅拌,使空气和发酵液充分混合,增加发酵液中的溶解氧,以满足微生物生长、繁殖和代谢的需要。谷氨酸发酵相关的装备体系由液化糖化制备、谷氨酸发酵提取、谷氨酸精制和自动化控制等设备系统组成。发酵技术装备是衡量一个企业是否先进,是否具备市场竞争力,是否不断领先于竞争者的重要指标之一。结合发酵设备管理情况,研究分析发酵设备管理的现状、采取的有效措施,展望未来发展前景,对提高发酵生产设备管理理念,提升发酵装备技术管理水平,保证发酵设备完好、高效,提高发酵生产效率和市场竞争力很有意义。

1 谷氨酸生产装备体系概述

1.1 液化糖化制备系统

1.1.1 调 浆 罐

调浆罐由罐体、搅拌装置等组成,在该设备中,将淀粉和水调成淀粉乳,调至所需的pH,加定量液化酶。罐体为圆柱形,搅拌装置采用的传动装置一般选用摆线针轮减速机(立式带电机)或圆弧齿圆柱蜗杆减速机和三角带传动。输出轴转数为30～60 r/min,搅拌器可取45°折桨叶。为增加搅拌力度,在调浆罐的罐壁上添加隔板。

1.1.2 喷 射 器

料液与蒸汽通过喷射器在微湍流状态下完成混合,比其他形式的混合更加均匀和安全。喷射器是液化的关键设备,根据喷射物料的不同可分为两种,一种是喷射蒸汽以带动料液,称为“汽带料”式;另一种是喷射料液以带动蒸汽,称为“料带汽”式。喷射温度的稳定靠调节蒸汽阀门或回流阀门控制。

1.1.3 层 流 罐

连续喷射器喷射出的高温配料淀粉乳,在罐内保持一定的温度和时间进行液化。层流罐为封闭罐,上有排空门以便卸压,罐顶安装压力表以进行限压操作。层流罐要密封、耐热和耐压,能保持所需温度。罐的数量和容积,根据保温时间长短、流量多少、投料量和产量确定。

1.1.4 维 持 罐

液化喷射后的料液在维持罐里维持3～8 min,使料液充分糊化,以达到液化的彻底性,使最终的糖化液收率提高。维持罐由罐体组成,外部接压力表和温度表,通过控制进、出料的流量,保持料液从进到出所需的恒温及维持时间。罐的数量和容积主要根据产量任务和料液的维持时间确定。

1.1.5 糖 化 罐

淀粉完全液化后的料液,经配料加酶,调至所需的pH,在恒温条件下,彻底水解成葡萄糖。糖化罐由罐体、搅拌装置和换热蛇管等组成。罐体材质要满足机械强度要求并耐压、耐腐蚀。糖化罐的数量和容积要根据产量任务、糖化时间和轮换使用周期等因素来计算确定。

1.1.6 过 滤 机

糖化液经过滤得到澄清的糖液后才可传给发酵工序。过滤机主要分为3种:1) 板框过滤机,由若干个滤板和滤框形成若干滤室,两旁是滤布;2) 箱式板框过滤机,由滤框组成,每个滤框都装有一块滤布;3) 预涂层式真空过滤机,近年来使用量增加,其构造与一般转鼓式真空过滤机基本相同,不同之处是其具有一个刮刀。

1.1.7 浓 缩 器

为提高溶液中溶质的质量浓度,将溶液中部分溶剂汽化并分离的装置称为浓缩器,又称蒸发器,分生膜式、降膜式、生-降膜式和刮板式搅拌薄膜浓缩器。设蒸发量为E(t/h)、蒸汽耗用量为So(t/h)、效数为n,其关系为

So=E/[(0.75-0.8)×n]

(1)

按照式(1)计算,效数n越大,耗汽量So越小,计算可得其平均结果如表1所示。浓缩器的效数最多不超过6效,常用的为2～4效。

表1 浓缩效数耗汽量计算平均结果表

1.2 谷氨酸发酵提取系统

1.2.1 冷 却 器

空气净化系统使用的冷却器主要是列管式冷却器。空气经空气压缩机传输至空贮罐,再到发酵系统的空气净化系统的冷却器,冷却器的冷却介质是深井水。冷却用水由底部进,顶部出。对于该类设备,在使用和维修保养中需要注意:1) 定时排污;2) 定时检查阀门及连接处的垫子是否正常,发现问题,及时整修。

1.2.2 总过滤器

总过滤器是空气净化系统的重要设备。目前总过滤器的过滤介质是玻璃棉,其优点是耐高温、寿命长;原来使用的棉花不耐高温,容易碳化,且棉纤维的长短也不一。而玻璃棉的纤维则可以较长,并且长短可以在采购玻璃纤维原料时进行控制。

1.2.3 发 酵 罐

谷氨酸发酵具有好气性,采用机械搅拌通风发酵罐进行生产[1]。搅拌使空气和发酵液充分混合,增加发酵液中的溶解氧,以满足微生物生长、繁殖和代谢的需要。为了提高空气利用率,罐的高径比一般取2。发酵罐搅拌器一般设2～3档,其直径取罐径的1/3。小型冷却装置一般采用夹套冷却,大、中型冷却装置多采用立式排管或蛇管冷却。

1.2.4 种 子 罐

由于发酵罐容积大,在发酵生产中必须有足够的种子才能完成发酵。为提高发酵罐的利用率,种子需要扩大培养,因此,发酵生产都安装有种子罐,种子罐体积根据发酵罐的体积和种量进行确定。以200 m3发酵罐为例,其种子罐的体积为20 m3,即种子罐的体积是发酵罐体积的10%。

1.2.5 等 电 罐

谷氨酸发酵液在等电罐中加酸调pH,经搅拌冷却使谷氨酸形成结晶。等电罐的结构组成为罐体、传动装置、搅拌器、冷却装置(现用环形蛇管)、进料管和测温装置,等电罐体形状多采用圆柱圆锥底。按一般经验,等电罐的总罐容应为发酵罐有效罐容的1.2～1.3倍。

1.2.6 分 离 机

分离机主要有卧式沉降分离机和锥篮分离机。

1) 卧式沉降分离机的悬浮物经进料管和螺旋进出料口,进入转鼓,在高速旋转产生的离心力作用下,固体颗粒沉积在转鼓内壁上,与转鼓做相对旋转运动的螺旋叶片不断将沉积在转鼓内壁的固料用刮刀刮下并推出排渣口(谷氨酸洁净颗粒出口)。分离后的清液经堰板开孔流出转鼓。螺旋与转鼓之间的相对运动由差速器来实现。差速器的外壳与转鼓相接,输入轴固定在力矩保护器上。电机带动转鼓旋转的同时也带动了差速器外壳的旋转。输入固定,驱动星轮带动输出轴旋转,并按一定的转速比将扭矩传递给螺旋,实现了离心机对物料的连续分离。

2) 锥篮分离机利用离心力使物料从锥形筛篮(由4片筛片组成)的小端自行移动到大端,在筛篮上进行分离、洗涤、干燥,然后借助惯性在大端卸料。分离过程也是连续进行的。

二者的差别在于后者只能分离大颗粒,母液中会留有大量的细小谷氨酸颗粒,但是后者谷氨酸的湿纯度要高于前者5%。

1.3 谷氨酸精制系统

1.3.1 中和脱色罐

在中和脱色罐内,谷氨酸加水搅拌,用纯碱溶液中和,加脱色用活性炭过滤以达到脱色和脱铁的目的。中和脱色罐由罐体、传动装置和接管等组成。罐体高径比1.2～1.6,搅拌器多为斜叶双桨式或四弯叶桨,传动装置可选XLD系列行星摆线针轮减速机或圆弧圆柱蜗杆减速机转动。

1.3.2 离子交换柱

离子交换柱主要用于交换和吸附谷氨酸中和液中的杂质和色素,以达到脱除金属离子的目的。离子交换柱的构造为圆柱体、底部有弧形或锥形封头,常压操作。颗粒活性炭吸附色素能力强,吸附速率大,机械强度高,稳定性好,能反复使用。在交换过程中,柱内要保持适当的液面高度,不允许干柱。

1.3.3 结 晶 罐

谷氨酸钠在水溶液中长时间受热会引起失水而生成焦谷氨酸钠,因此其结晶设备均采用真空蒸发式结晶罐。目前结晶罐主要有夹套式和强制内循环式,采用不锈钢材质,后者较为先进,并逐步取代前者。结晶罐由搅拌传动装置、下封头、加热室、罐体、上封头、汽液分离装置和放料阀等组成,采用蜗轮蜗杆减速机,通过轴承箱、联轴器带动两档桨叶式搅拌。

1.4 自动化控制系统

谷氨酸生产装备体系的自动化控制系统包括pH电极、传感器、液位计、色谱仪、光谱仪、各类减速机、搅拌机、包装设备、传动设备、封口贴标机、监测系统、测量仪器仪表和分析仪器等监测设备。

2 发酵设备管理的重要意义

2.1 发酵设备管理是保证生产运行的基础工作

发酵生产的正常运行依赖于装备体系各生产工序的衔接与配合,生产流程的衔接与平衡依靠设备的正常运转来维系。机器设备由人工操作和控制,既有实物形态管理又有价值形态管理,实物形态是价值形态的物质载体,价值形态是实物形态的货币表现。设备价值形态管理的效果是以经济管理指标完成情况体现的,从不同角度反映设备价值形态管理指标体系[2]。发酵设备管理是一项技术经济性复杂的综合管理,由多个环节组成,每个环节都有一定的内容和要求,相互影响,抓好每个环节的管理是保证生产正常运行的基础。

2.2 发酵设备管理是产品质量的重要保证

发酵产品质量是发酵生产之本,是发酵企业的生命和灵魂,以质量求生存已成为发酵企业发展的战略目标。随着市场经济全球化发展趋势的增强,产品质量的高低是发酵企业是否具有核心竞争力的体现之一[3]。发酵产品通过发酵设备生产出来,发酵设备的运行是发酵生产的保障,设备管理是保持设备正常运转的关键,倘若发酵设备中特别关键的设备运行状态不稳定或技术状态不良,势必会造成发酵产品质量的不稳定,甚至造成产品质量不合格或报废。因此,提高发酵设备的管理水平是保证产品质量的关键。

2.3 发酵设备管理是保证生产效益的重要途径

获得尽量多的盈利是所有生产企业都希望达到的目的,那种只管花钱,不顾投入产出效益的做法是不负责任的,不符合企业生产经营的目的。投入的目的是产出价廉物美的产品,适应客户需求,效益好,能盈利。发酵设备管理不仅直接影响到发酵生产的产出,也直接影响到发酵生产的投入。因此,发酵设备管理水平的高低直接关系到产品产量和生产效益的实现[4]。加强发酵生产技术装备的管理,追求设备寿命周期费用最经济,提高发酵设备综合效率,挖掘发酵生产潜能,是保证发酵生产效益的重要途径。

2.4 发酵设备管理是做好生产安全环保的前提

安全生产和环境保护是发酵生产的生命线,任何马虎和漏洞都有可能导致大的安全环保事故。企业要想创造经济效益,做大做强,在安全环保上容不得半点马虎,更不能存在侥幸心理。安全的前提是要做到机器设备安全无故障,要定时维护保养。环境的保护要看生产设备的条件,在生产中要做到排放无害化,要满足安全指标。发酵不仅要关注经济效益的增长,也要关注安全和环保,增强安全环保责任感和使命感,因此,发酵设备管理是做好安全生产和环境保护的前提。

2.5 发酵设备管理是发展目标实现的重要条件

发酵设备管理就是为了促使企业有效地利用资源达成设定的目标。发酵生产的技术进步主要体现在产品的研发、工艺的创新以及装备技术和管理模式与方法的提升上。发酵设备管理是实现发酵生产的一种手段,设备管理是一门将管理科学与技术有机结合的实用性很强的学问[5]。在当今社会,发酵企业在复杂的市场竞争中要想生存与发展,不仅需要研发新产品、采用新工艺和新技术,更需要在设备管理方面不断创新和进步,促进企业生产的快速发展,达到企业战略目标。

3 发酵设备管理的状况

3.1 体系建设不足

目前,在发酵设备管理体系建设方面存在着覆盖不全的情况。大部分发酵企业管理模式仍停留在较为传统粗放的层面,缺乏长期的目标规划与系统的分析思考,一些发酵企业还没有建立横到边、纵到底的发酵设备管理责任制。虽然部分企业有制度体系和战略目标,但没有经过合理化论证,不是从企业实际需要出发,而是东拼西凑、生搬硬套,导致制度得不到落地,战略目标得不到实现。

3.2 统筹力度不够

统筹力度是指站在事物全局的角度统筹思考、整合协调、创新思维、服务全局的力度。有些发酵企业虽然在生产线上所使用的设备大多是比较先进的,但其设备管理依旧采用粗放或落后的管理模式,对应部门没有进行有效的组织管理,各种大大小小的组织部门交叉重叠在一起,职责分工不够明确,发酵设备和管理方式之间的矛盾已经严重阻碍发酵生产力的提高,进而影响发酵企业的长远发展。

3.3 管理思想片面

多数发酵企业领导对发酵设备管理缺乏认识,认为这是一线员工的工作,使得发酵设备管理中各项工作的推进不够深入,没有真正做到全员生产维修保养,发酵设备管理工作往往推进一段时间之后就杳无音信了。工作缺乏标准、流程制度,导致工作任务量化不足、时间节点不明确、内耗严重,员工缺乏积极性,而且个人在公司的发展前景堪忧。本位主义造成各人自扫门前雪,公司战略很难落地。

3.4 维修技能有待提升

发酵生产企业的技术培训相对较少,致使发酵设备维修保养人员整体水平偏低,真正懂技术的工人稀少,大多数老员工思想观念守旧,设备维修依靠经验,导致维修效果达不到预期。有技术且年轻的维修保养人员往往从事体力上的工作而不是技术工作,且带有一定的随意性和盲目性,不能预防由随机因素引发的偶发性的设备故障,且在设备维修之后未进行技术上的总结,无法建立有效的设备维修体系。

3.5 设备运行超负荷

为完成生产任务,发酵生产企业拼设备现象依然存在,生产设备24 h连续运转,导致设备超负荷运行,甚至带病作业,加之设备维护保养不够,故障率相对较高,发酵生产效率日趋下降,导致维修费用和生产损失增加,综合经济效益降低。

以上这些问题都让发酵设备管理举步维艰,发酵设备管理水平的高低决定了发酵企业发展的速度与持续经营的时间,而发酵设备管理是推进企业战略目标真正落地的一种真实有效的方法。

4 提升发酵设备管理水平的措施

4.1 建立健全设备管理机制,提升技术装备管理水平

随着科学技术的飞速发展,发酵技术装备水平的自动化、成套化和智能化程度日益提高,发酵设备管理已向社会化、市场化和现代化的方向发展[6]。发酵生产企业要结合自身实际,建立健全设备管理机制,严格执行工作制度,真正将设备管理工作落在实处;要改善生产环境,提高设备效率,延长设备使用寿命,生产出质优价廉、适销对路的产品,满足客户需求。负责设备管理的公司领导、基层管理者、设备技术人员、设备操作人员和维修工,都应意识到自己肩负的重担,转变设备管理理念,寻找出一些有效的、适合于发酵生产实际需要的管理机制和管理办法,解决发酵设备管理中存在的问题,以改变发酵设备管理的现状,更好地为发酵生产服务。

4.2 确立设备全新管理理念,实施规范管理模式

随着科学的进步和生物技术的发展,发酵设备管理已从传统管理、科学管理进入现代管理阶段[7]。有些发酵企业之所以缺乏活力,经济效益下滑,其原因是多方面的。其中最为关键的是所采用的管理模式较为落后,导致损耗严重、运行成本居高不下。要改变这种状况,要切实加快设备的更新改造和管理创新,建立新的管理理念,实施规范的管理模式尤为重要。现代设备管理的模式和方法很多,有全寿命周期管理模式、运行全过程管理模式、项目化管理模式、目标管理模式、信息管理模式、投资与效益衡量模式以及ABC分析模式等。因此,要将现代管理模式、现代检测和诊断技术、现代维修技术和计算机信息技术等有机结合起来,创造出适合自身实际的管理模式和措施,为进一步推进设备管理现代化开辟新的道路。

4.3 任用和培养高素质管理人才,营造人才成长良好氛围

人才的需求随着企业经济的发展和规模的壮大而日益扩大,人才的价值在于提高生产效率和降低风险,提高效率的途径在于用人,而风险的来源也在于用人[8]。由此来看,人才在企业运营中发挥着关键和核心作用,是企业持续发展不可缺少的重要力量。因此,要采取有效措施激发人的内在动力,坚持人才资源至上,任用和培养高素质人才。人才培养贵在持之以恒,任用贵在用其所长,既重视人力资源开发,又重视各级人员的培训,提高各岗位人员工作效率,保证团队成员齐心协力地为完成目标而自觉作出贡献。既要防止人才浪费,又要选拔和储备一批优秀人才、骨干力量。不断培养高素质人才队伍,优化专业人才结构,完善高素质人才择优任用机制,营造人才成长的良好氛围。

5 发酵设备管理的发展趋势

5.1 发酵设备管理的社会化

现代科学技术的发展和应用使设备管理日趋大型化、自动化和智能化,迫使人们创造出与之适应的新的设备管理方法,因此,设备管理科学应运而生并迅速发展[9]。为适应社会化大生产的需要,顺应市场经济的发展,在发酵设备运行的各个环节提供专业化服务,逐步发展成为社会化综合服务体制,使发酵设备运转过程中所需的各项服务转变为社会化的专业服务[10],创造出满足设备管理的社会化改革要求的管理体制。

5.2 发酵设备管理的市场化

发酵设备管理市场化是顺应市场化客观规律和实际需要,建立设备管理市场化工作流程,明确设备前后期市场化管理程序、范围和信息反馈途径[11]。为推进发酵设备管理市场化提供依据和保障,促进发酵设备管理由自我管理向市场化推进的转变,不断地提高经济效益,推进标准化、规范化的市场服务机制[12],规范市场要素和优化资源配置是实现发酵设备管理市场化的前提。

5.3 发酵设备管理的现代化

5.3.1 数字化让全程可追溯

传统的发酵设备管理观念注重设备的前期购置管理和投产后的维修管理,而忽视设备全寿命周期的信息管理[13]。许多企业人为地分割开了设备综合管理的内部联系,相关部门各管一段,缺乏制度化的协作联系,不少企业的设备部门往往对设备的规划、选型、论证、购置、安装、维护和保养等环节参与不足[14],甚至未参与,不能发挥设备部门在管理上的重要作用。因此,往往导致设备管理中某些环节的失误,并给设备管理带来许多麻烦,从整体上影响了设备效能的发挥,给企业造成不必要的损失[15]。因此,只有开展设备全寿命周期管理数字化全程可追溯管理,才能协调一致地发挥设备信息化综合管理的作用。

5.3.2 智能化让维护主动化

发酵设备的维护是设备运行中很重要的一个环节[16]。设备维护的目的是在规定的使用时间内,运用技术和方法对设备进行维护与保养,保证设备处于良好的技术状态,使其能以预定的效能正常运转。通过对设备维护资源(包括人力、物力和财力)、作业、信息开展计划、控制、组织和协调等一系列的系统工作,使设备维护严密、科学、有效地进行,并使机器设备的性能和利用率达到理想水平[17]。因此,发酵设备智能化预防维护、保养调度是发酵生产企业主动、有效的现代化管理方法,实现智能化可以为设备维护主动化开辟新的道路。

5.3.3 可视化让管理简单化

随着科学技术的迅速发展,设备的自动化、智能化程度越来越高,由于技术装备的迅速发展而形成了相当复杂的技术装备和生产系统,在该系统中出现的故障或停机将带来很大的生产损失[18]。因而,设备使用可靠性问题就成为生产中的一个突出问题。为使设备能正常地生产和运行,传统的设备管理与维修工作已不能适应现代化生产装备运营需求。需要寻求新的管理方法和维修措施,使设备管理达到现代化水平,与设备的技术水平相适应[19]。因此,应用可视化管理是现代化设备管理的有效途径,可真实、精确、直观地反映设备全寿命周期管理的全过程。

6 结 论

现代发酵设备管理是设备管理创新性的重要体现,借助现代管理思想实现对设备的全过程管理,相较于传统的发酵设备管理思想有了很大的突破。传统的发酵设备管理体现在众多的维修人员和“我操作,你维修”的管理思想。现代发酵设备管理由“我操作,你维修”这种割裂的分工变为“我操作、我维修、我保养”的管理思想。利用现代检测诊断维修技术与计算机信息技术相结合的综合管理,从只管设备使用和维修变为对设备寿命周期全过程进行管理,主要体现在设备的技术经济性、系统性和可靠性上。现代设备管理模式和方法的应用,是实现发酵设备资产价值最大化的发展方向,也是发酵设备运行效能最优化的重要举措,可以使发酵生产创造巨大的财富,取得良好的经济效益。从系统的观点来分析和管理设备,运用现代管理思想,跟踪当今新兴技术,包括管理体制、管理理念和检测诊断维修技术等,遵循市场发展规律,充分利用社会资源,做好发酵设备管理工作。