生物工藝學(xué)課程設(shè)計-副本

1、11第一章 谷氨酸簡介31. 概述3第二章 谷氨酸生產(chǎn)的工藝流程41.工藝流程圖42 . 培養(yǎng)基的制備53.原料的預(yù)處理及糖化53.1 原料的種類53.2 原料處理54 . 種子擴大培養(yǎng)75 .發(fā)酵工藝及調(diào)控76. 谷氨酸的提取96.1 原理96.2 工藝流程9第三章 谷氨酸指標101：技術(shù)指標102：性能指標103：產(chǎn)品質(zhì)量標準11第1章 谷氨酸簡介1. 概述1.谷氨酸又名L1氨基丙烷1，3二羧酸，為無色晶體或結(jié)晶性粉末，位、兩種晶型，通常穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)式式： CH2CH2COOH HOOC CNH2谷氨酸是生物機體內(nèi)氮代謝的基本氨基酸之一，在代謝上具有重要意義。L谷氨酸是蛋白質(zhì)的主要構(gòu)成成分，

2、谷氨酸鹽在自然界普遍存在的。多種食品以及人體內(nèi)都含有谷氨酸鹽，它即是蛋白質(zhì)或肽的結(jié)構(gòu)氨基酸之一，又是游離氨基酸，L型氨基酸美味較濃。L谷氨酸 又名“麩酸”或?qū)懽鳌胺蛩帷?，發(fā)酵制造L谷氨酸是以糖質(zhì)為原料經(jīng)微生物發(fā)酵，采用“等電點提取”加上“離子交換樹脂”分離的方法而制得。2.理化性質(zhì)：谷氨酸(2氨基戊二酸)有左旋體、右旋體和外消旋體。左旋體，即L-谷氨酸。L-谷氨酸是一種鱗片狀或粉末狀晶體，呈微酸性，無毒。微溶于冷水，易溶于熱水，幾乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。在200時升華，247249分解，密度1.538g/cm3，旋光度+37+38.9(25)。L-谷氨酸的用途廣泛，它

3、本身作為藥品，能治療肝昏迷癥，也可用來生產(chǎn)味精、食品添加劑、香料和用于生物化學(xué)的研究。 第二章 谷氨酸生產(chǎn)的工藝流程1.工藝流程圖 空氣菌種原料 空氣壓縮機預(yù)處理斜面培養(yǎng)濕谷氨酸晶體搖瓶擴大培養(yǎng)冷卻水解配料過濾干燥氣液分離種子罐擴大培養(yǎng)淀粉水解糖成品過濾除菌發(fā)酵發(fā)酵液起精中和點（pH4-4.5）鹽酸 育精2小時等電點攪拌（pH3-3022）母液溶靜置沉（4-6h） 粗谷氨酸離心分離2 . 培養(yǎng)基的制備（1） 碳源：工業(yè)上主要用淀粉水解糖、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜作為碳源。國內(nèi)谷氨酸發(fā)酵一般采用低濃度糖的流加糖的發(fā)酵工藝，糖濃度為125-150g/L，產(chǎn)酸55-70g/L，（2） 氮源：在谷氨酸生產(chǎn)中

4、需要較多的氮源，目前生產(chǎn)上采用尿素為氮源采用分批次流加。初始濃度根據(jù)菌種脲酶的強弱和耐尿素的程度決定。（3） 碳氮比：谷氨酸發(fā)酵碳氮比較高一般為100：（15-21）（4） 無機鹽：磷酸鹽需要量一般為0.0050.01molL。工業(yè)生產(chǎn)上常用K2HPO4·3H2O、KH2PO4、Na2 HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸鹽，也可用磷酸。硫酸鎂在發(fā)酵培養(yǎng)基配用0.25 1g/L時，Mg2+濃度4060mgL。鉀鹽少利于長菌體，鉀鹽充足利于產(chǎn)谷氨酸。菌體生長需鉀約為1.01.5mmolL，谷氨酸生成需鉀約為2.010.0mmolL。錳：是某些酶的激活

5、劑。一般培養(yǎng)基配用MnSO4·4H2O 2mgL。鐵：是細胞色素氧化酶、過氧化氫酶的成分，又是若干酶的激活劑3.原料的預(yù)處理及糖化 3.1 原料的種類發(fā)酵生產(chǎn)谷氨酸的原料主要是淀粉，其次還有非糧食淀粉原料。淀粉來自糧食原料，通常利用各種谷類或薯類淀粉，如北方常用玉米，南方常用番薯淀粉等。非糧淀粉原料主要指甜菜或是甘蔗糖蜜醋酸乙醇正烷烴（如液體石蠟）等。3.2 原料處理 流程：淀粉水 調(diào)漿 糖化 冷卻 中和 脫色 過濾除雜 糖液鹽酸（1） 調(diào)漿 首先將原料淀粉、水、和工業(yè)鹽酸調(diào)成均勻的淀粉乳，為便于操作控制，生產(chǎn)上加鹽酸量常以淀粉漿pH值為指標，控制在pH在1.5左右。（2） 糖化 在

6、水解鍋內(nèi)加入一定量的水，然后將水解罐頂預(yù)熱至100-105，蒸汽壓力為9.8-19.6kPa，隨后將淀粉乳用泵送至水解罐內(nèi)進行水解，水解蒸汽壓力控制在0.25-0.4MPa之間，水解時間控制在10-20min。淀粉的糖化工藝及其條件是根據(jù)淀粉水解反應(yīng)和葡萄糖的縮合與分解反應(yīng)，但實際上不可能達到此目的。在水解過程中，酸的濃度，水解的溫度和時間，以及淀粉乳的濃度都會對淀粉的水解產(chǎn)生影響。為了提高淀粉水解成葡萄糖的收得率以及水解糖液的質(zhì)量，必須合理地選擇淀粉水解的工藝條件，以限制縮合反應(yīng)和分解反應(yīng)的發(fā)生。（3） 中和 采用酸化糖化淀粉需要用堿中和酸。一般淀粉水解完畢，水解糖液中葡萄糖含量約為16%-

7、18%左右，其中還含有多余的酸，必須要用堿中和。中和劑通常為純堿。當中和桶中糖液的冷卻至80左右，加入中和劑，中和時生成大量的二氧化碳，呈現(xiàn)劇烈的沸騰狀態(tài)，所以中和桶容積應(yīng)為糖化液體積的3-4倍，以防糖化液溢出桶外，中和時的pH應(yīng)控制在4.0-5.0左右。此時有利于蛋白質(zhì)、氨基酸、色素和其他雜質(zhì)的凝聚沉淀。（4） 脫色過濾 糖化液中雜質(zhì)的存在對糖液質(zhì)量影響很大，通過調(diào)節(jié)pH，將水解糖液調(diào)至等電點時，蛋白質(zhì)和谷氨酸的溶解度最小，便于沉淀過濾，色素則可用活性炭吸附法除去。中和結(jié)束后，添加活性炭脫色，控溫在60，活性炭用量相當于淀粉量的0.6%-0.8%左右。最后讓經(jīng)過中和脫色的水解糖液靜置1-2h

8、，使其充分沉淀，待液溫降至45-50時，用泵打入過濾器過濾，過濾后的糖液送貯糖桶備用。糖蜜的預(yù)處理谷氨酸生產(chǎn)上使用的糖蜜進行預(yù)處理的目的是為了降低生物素的含量。因為糖蜜中含有大量的生物素，因此不宜用與谷氨酸發(fā)酵，降低生物素含量的方法有：活性炭處理法、水解、活性炭處理法、樹脂處理法、亞硝酸處理法、糖蜜原料添加青霉素法，此外，還可以采用表面活性劑，或采用非生物素缺陷型突變株的方法，以解除糖蜜中過量生物素對谷氨酸積累的影響。淀粉水解糖制備在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵

9、使用。目前，國內(nèi)許多味精廠采用雙酶法制糖工藝。4 . 種子擴大培養(yǎng) 目前谷氨酸種子擴大培養(yǎng)普遍采取二級種子培養(yǎng)的流程：（1） 斜面種子的制備：種子培養(yǎng)基也多含氮少含或不含糖為原則.一般采取肉湯培養(yǎng)基：葡萄糖0.1%，蛋白胨1%，牛肉膏1%，氯化鈉0.5%，瓊脂2%-2.5%，pH7-7.2（傳代和保存斜面時不加葡萄糖）（2） 種子的擴大培養(yǎng)：培養(yǎng)基種少含糖多含有機氮，培養(yǎng)條件必須有利于菌體生長。接種量1%-3%。 5 .發(fā)酵工藝及調(diào)控 主要指發(fā)酵條件的管理，包括溫度、通氣、PH值與泡沫的控制。要獲得谷氨酸發(fā)酵的產(chǎn)品率，除了選用優(yōu)良菌種外。在發(fā)酵條件控制和嚴格無菌操作方面是極其重要的。 溫度對發(fā)

10、酵的影響 在發(fā)酵中，谷氨酸產(chǎn)生菌的生長繁殖與谷氨酸合成都 是在酶的催化下進行的。不同酶促反應(yīng)所需的溫度各異。谷氨酸發(fā)酵分前期和后期兩個階段。前期（0-12h）主要是合成細胞物質(zhì)，菌體大量增殖階段。而控制這些合成反應(yīng)的最適溫度為30-32；在發(fā)酵中后期，是谷氨酸大量積累階段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脫氫酶的最適溫度為32-36，故在發(fā)酵中后期應(yīng)適當提高罐溫，以利谷氨酸形成和積累。不同菌種對溫度的敏感性也不一樣，故應(yīng)視菌種進行溫度控制。 PH值對發(fā)酵的影響 在發(fā)酵中，發(fā)酵液PH值的變化是微生物代謝過程的綜合標志。主要是通過培養(yǎng)基配比及發(fā)酵條件的控制，使其適宜于生產(chǎn)菌的PH值。發(fā)酵前期，應(yīng)創(chuàng)造有利于

11、谷氨酸產(chǎn)生菌生長的最適pH(偏堿性)，通?？刂苝H在7.5-8.0左右。發(fā)酵中后期，應(yīng)滿足催化谷氨酸合成的酶對pH的要求（中性或弱堿性），故將其發(fā)酵pH控制在7.0-7.。 通風量與攪拌對發(fā)酵的影響 谷氨酸產(chǎn)生菌（谷氨酸棒桿菌）屬兼性好氣菌，在供氧充足與不足的條件下都可生成，但其代謝產(chǎn)物不同。通風量小，供氧不足時，進行不完全氧化，葡萄糖進入菌體后經(jīng)糖酵解途徑產(chǎn)生丙酮酸，丙酮酸則還原成乳酸。如果通氣量過大，葡萄糖在菌體內(nèi)被氧化成丙酮酸。繼而進一步氧化成乙酶輔酶A，進入三羧酸循環(huán)，生成-酮戊二酸，但由于供氫體（NADPH2）在氧氣充足的條件下經(jīng)呼吸鏈被氧化成水，而沒有氫的供給，谷氨酸合成受阻，-酮

12、戊二酸大量積累；只有在供氧適當時還原性輔酶大部分不經(jīng)呼吸鏈被氧化成水，在充足的NH+條件下，才有利于谷氨酸脫氫酶的催化，還原氨基化反應(yīng)，大量形成并積累谷氨酸。通風的實質(zhì)除了供氧外，還使菌體培養(yǎng)基密切結(jié)合，保證代謝產(chǎn)物均勻擴散，以及維持罐內(nèi)正壓的作用。攪拌可以提高通風效果，使空氣變成小氣泡，增加氣液接觸面積，提高溶解氧量。因為微生物呼吸時只能利用溶解于培養(yǎng)集中的氧氣，而空氣進入發(fā)酵罐后，其氧分子并不是全部被發(fā)酵液吸收，所以在討論通氣量時，必須考慮氧的溶解系數(shù)（以Kd表示），Kd表示摩爾分子氧/（毫升·分鐘·大氣壓）,在通氣攪拌條件相同時，Kd值大即表示設(shè)備通氣效果好，反之則差

13、。在谷氨酸發(fā)酵過程中，通風量的控制應(yīng)掌握前期比后期小的原則。一般發(fā)酵前期以低通風量為宜中后期以高通風量為宜。實際生產(chǎn)上，用氣體轉(zhuǎn)子流量計來檢查通氣量即每分鐘單位體積的通氣量表示通氣強度。發(fā)酵時攪拌速度與通氣量常因發(fā)酵罐大小不同而異。 泡沫的控制 在谷氨酸發(fā)酵中，由于強烈的通風與菌體代謝所產(chǎn)生的二氧化碳，使培養(yǎng)液產(chǎn)生大量的泡沫，泡沫的存在往往給發(fā)酵造成危害和損失，在泡沫過多時，會使培養(yǎng)液溶解氧減少，氣體交換受阻，影響菌的呼吸和代謝。同時，泡沫過多不僅影響裝料系數(shù)，降低發(fā)酵設(shè)備使用率，而且還能使發(fā)酵液外溢，增加污染機會，通常，當泡沫多時，必須及時消除泡沫，才能保證發(fā)酵正常進行。 消泡的方法有兩種。

14、一是機械消泡法。包括采用靶式消泡器或離心式、刮板式、蝶形等消泡器。另一種是化學(xué)消泡法，即采用化學(xué)消泡機進行消泡，一般發(fā)酵中采用天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等消泡劑。 不同谷氨酸產(chǎn)生菌對糖濃度的要求不同，其發(fā)酵時間也有所差異。一般低糖（10%-12%）發(fā)酵，其發(fā)酵時間在36-38h。中糖（14%）發(fā)酵為45h.6. 谷氨酸的提取 發(fā)酵結(jié)束后，發(fā)酵液中積累了大量的谷氨酸，將谷氨酸從發(fā)酵液中分離出來的過程，稱為谷氨酸的提取。谷氨酸提取方法有五種：等電點法、離子交換法、鋅鹽法、滲透膜法和溶劑抽提法。目前我國大多數(shù)采用等電點法提取谷氨酸。6.1 原理谷氨酸子等電點pH 時，發(fā)酵中正負離子（電荷）相等，總

15、靜電荷等于零，形成偶極離子，此時谷氨酸溶解度最小，被析出呈結(jié)晶狀態(tài)。谷氨酸的等電點時pH 為3.0-3.2.6.2 工藝流程 等電點法提取谷氨酸的工藝流程如下： 鹽酸 發(fā)酵液 調(diào)酸 停酸育晶 等電攪拌 靜置沉降 離心分離 谷氨酸 （pH4.5-4.0） （2h）（pH3.0-3.22） （4-6h）1 調(diào)節(jié)等電點將發(fā)酵結(jié)束的醪液引入等電點桶或等電點池，待液溫降至30加鹽酸調(diào)pH，約2h左右將發(fā)酵液pH調(diào)至4.0-4.5左右時，觀察晶核有否形成，如已形成晶核，應(yīng)停止加酸，育晶1-2h，使晶核增大，然后緩慢地將pH調(diào)節(jié)至3.0-3.2為止，此時繼續(xù)攪拌20h。2 谷氨酸分離停止攪拌后，靜置分離4h

16、，關(guān)閉冷卻水，放出上清液，除去谷氨酸沉淀表層菌體及細麩酸（放入另一缸中回收利用）。底部谷氨酸結(jié)晶取出送離心機分離，所得濕谷氨酸供精制用。第三章 谷氨酸指標1：技術(shù)指標項目指標谷氨酸產(chǎn)酸率（%） 13糖酸轉(zhuǎn)化率（%） 64谷氨酸收得率（%） 90谷氨酸中和精制收率（%）   120菌體（干）   0.12t/t谷氨酸（粗蛋白70%）結(jié)晶硫酸銨    0.6-0.7t/t谷氨酸腐殖質(zhì)      0.3-0.4t/t谷氨酸蒸發(fā)冷凝水（COD：mg/L）   600-10002：性能指標項目指標谷氨酸平均收得率（%）90以上菌體蛋白（%）   10-12硫酸銨占谷氨酸產(chǎn)量（%） 65-70高品位有機肥占谷氨酸產(chǎn)量（%） 10-12項目優(yōu)等品合格品L-谷氨酸含量，%   &#