谷氨酸的發(fā)酵和提取工藝綜述

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上綜述：谷氨酸的發(fā)酵與提取工藝第一部分 谷氨酸概述谷氨酸非人體所必需氨基酸，但它參與許多代謝過(guò)程，因而具有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，在人體內(nèi)，谷氨酸能與血氨結(jié)合生成谷氨酰胺，解除組織代謝過(guò)程中所產(chǎn)生的氨毒害作用，可作為治療肝病的輔助藥物，谷氨酸還參與腦蛋白代謝和糖代謝，對(duì)改進(jìn)和維持腦功能有益。另外，眾所周知的谷氨酸鈉鹽即味精有很強(qiáng)烈的鮮味，是重要的調(diào)味品。1996、1997、1998年味精年產(chǎn)量分別為55.0萬(wàn)噸、56.64萬(wàn)噸、59.03萬(wàn)噸。盡管如此，我國(guó)人均年消耗味精量還只有400g左右，而臺(tái)灣省已達(dá)2000g。因此，中國(guó)將是世界上最大的潛在味精消費(fèi)市場(chǎng)，也就是說(shuō)，味精生產(chǎn)

2、會(huì)穩(wěn)步發(fā)展。這也意味著谷氨酸的生產(chǎn)不斷在擴(kuò)大1。谷氨酸生產(chǎn)走到今天就生產(chǎn)技術(shù)而言已有了長(zhǎng)足進(jìn)步,無(wú)論是規(guī)模還是產(chǎn)能都今非昔比,與此同時(shí)各廠家還在追求完美, 這是行業(yè)進(jìn)步的動(dòng)力,也是生存之所需。實(shí)際上生產(chǎn)工藝是與時(shí)俱進(jìn)的,沒(méi)有瑕疵的工藝是不存在的。如:配方及提取方法現(xiàn)在是多種多樣,有單一用純生物素的,也有用甘蔗糖蜜加純生物素的, 還有加玉米漿干粉或麩皮水解液及豆粕水解液等等;提取方法有:等電-離交、等電-離交-轉(zhuǎn)晶、連續(xù)等點(diǎn)-轉(zhuǎn)晶等等2。本綜述簡(jiǎn)述谷氨酸生產(chǎn)的流程及發(fā)酵機(jī)制，著重介紹谷氨酸的提取工藝。 第二部分 谷氨酸生產(chǎn)原料及其處理谷氨酸發(fā)酵的主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正

3、烷烴(液體石蠟)等。國(guó)內(nèi)多數(shù)谷氨酸生產(chǎn)廠家是以淀粉為原料生產(chǎn)谷氨酸的，少數(shù)廠家是以糖蜜為原料進(jìn)行谷氨酸生產(chǎn)的，這些原料在使用前一般需進(jìn)行預(yù)處理。 (一)糖蜜的預(yù)處理谷氨酸生產(chǎn)糖蜜預(yù)處理的目的是為了降低生物素的含量。因?yàn)樘敲壑刑貏e是甘蔗糖蜜中含有過(guò)量的生物素，會(huì)影響谷氨酸積累。故在以糖蜜為原料進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵時(shí)，常常采用一定的措施來(lái)降低生物素的含量，常用的方法有以下幾種:(1)活性炭處理法; (2)水解活性炭處理法;（3）樹脂處理法。(二)淀粉的糖化絕大多數(shù)的谷氨酸生產(chǎn)菌都不能直接利用淀粉，因此，以淀粉為原料進(jìn)行谷氨酸生產(chǎn)時(shí)，必須將淀粉質(zhì)原料水解成葡萄糖后才能供使用?？捎脕?lái)制成淀粉水解糖的原料很多

4、，主要有薯類、玉米、小麥、大米等，我國(guó)主要以甘薯淀粉或大米制備水解糖。淀粉水解的方法有三種：酸解法；酶解法；酸酶(或酶酸)結(jié)合法。1酸解法 用酸解法生產(chǎn)水解糖，其工藝流程如下： 原料(淀粉、水、鹽酸)調(diào)漿糖化冷卻中和脫色過(guò)濾除雜糖液2酶解法 先用-淀粉酶將淀粉水解成糊精和低聚糖，然后再用糖化酶將糊精和低聚糖進(jìn)一步水解成葡萄糖的方法，稱為酶解法。與淀粉的酸解相比，酶解法具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：酶解反應(yīng)條件比較溫和。細(xì)菌-淀粉酶是在pH6.07.0、溫度8590條件下，將淀粉液化成能溶解于水的糊精和低聚糖；而糖化酶是在pH4.04.5、溫度5860條件下，完成糖化反應(yīng)的。由于酶的作用專一性強(qiáng)，因此水解過(guò)

5、程中很少有副反應(yīng)發(fā)生。淀粉乳的濃度以不超過(guò)40為宜。用酶解法制成的糖液色澤較淺，質(zhì)量高。第三部分 谷氨酸發(fā)酵機(jī)制3 一、谷氨酸的生物合成途徑 (一)由葡萄糖發(fā)酵谷氨酸的理想途徑如下圖3-1：圖3-1 葡萄糖發(fā)酵谷氨酸的理想途徑(2) 由葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑如圖3-2：圖3-2 葡萄糖生物合成谷氨酸的代謝途徑 (3) 谷氨酸生物合成的調(diào)節(jié)機(jī)制1、優(yōu)先合成與反饋調(diào)節(jié)：(1)谷氨酸比天冬氨酸優(yōu)先合成；(2)谷氨酸過(guò)量時(shí)，它反饋抑制谷氨酸脫氫酶活性，阻遏檸檬酸合成酶、磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶等，從而使途徑轉(zhuǎn)向合成天冬氨酸的方向；(3)天冬氨酸過(guò)量，則反饋抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶。2、細(xì)胞滲透

6、性的調(diào)節(jié)：通透性高，則可保持谷氨酸優(yōu)先合成。3、糖代謝的調(diào)節(jié)：(1)生物素充足，糖酵解速率提高，菌生長(zhǎng)良好；(2)生物素不足，則積累-酮戊二酸，菌生長(zhǎng)不好。4、氮代謝的調(diào)節(jié)。(四)谷氨酸發(fā)酵的代謝控制1、菌種選育；2、控制細(xì)胞膜的通透性；3、控制適宜的發(fā)酵環(huán)境條件。(五)細(xì)胞膜通透性及細(xì)胞壁合成的控制1、限制培養(yǎng)基中生物素的濃度：亞適量(510g/L)，使磷脂合成不足，膜通透性提高。2、添加表面活性劑或飽和脂肪酸：可抑制脂肪酸的合成，從而影響磷脂合成。3、采用油酸或甘油缺陷性菌株：限制外源油酸或甘油供應(yīng)量(亞適量)，使磷酸合成不足。4、采用溫度敏感型突變株。突變株細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)基因發(fā)生堿基轉(zhuǎn)換或

7、顛換，由它轉(zhuǎn)換的酶在高溫時(shí)失活導(dǎo)致細(xì)胞膜某些結(jié)構(gòu)的改變，使細(xì)胞膜不完整。5、添加青霉素、抗生素可抑制糖肽轉(zhuǎn)肽酶的合成，從而影響細(xì)胞壁糖肽的生物合成，形成不完全的細(xì)胞壁，增加膜的滲透性。(六)谷氨酸發(fā)酵工藝亞適量工藝、高生物素添加青霉素(表面活性劑)工藝、采用溫度敏感突變株工藝。第四部分 谷氨酸的提取一、谷氨酸的性質(zhì)31、一般性質(zhì)：谷氨酸為無(wú)色正軸斜方系晶體，相對(duì)分子質(zhì)量為147.13，相對(duì)密度為1.538（20），熔點(diǎn)為202203，兩性解離。2、谷氨酸的結(jié)晶特征：型晶體為顆粒狀、有光澤、顆粒大、易沉降、亞穩(wěn)態(tài)，可用離心機(jī)分離；型晶體為針狀、無(wú)光澤、顆粒微細(xì)、難沉降、穩(wěn)定態(tài)、表面積大，吸附分離

8、。3、谷氨酸的溶解度：(1)溫度降低，溶解度減小。(2)在不同PH條件下，溶解性會(huì)變化：在同一溫度下，溶解度隨PH值的變化是以等電點(diǎn)(PI)為最低點(diǎn)的不對(duì)稱U形曲線，PI偏酸性，溶解度增加幅度?。籔I偏堿性，溶解度增大幅度大。偏離PI越遠(yuǎn)，PH變化造成溶解度變化也愈大。發(fā)酵液中雜質(zhì)多，溶解度越大。4、主要的化學(xué)反應(yīng)：成鹽反應(yīng)；脫羧反應(yīng)；茚三酮反應(yīng)；生成焦谷氨酸；消旋化反應(yīng)。二、谷氨酸提取的方法常用的提取谷氨酸的方法有以下幾種。低溫等點(diǎn)工藝。是根據(jù)谷氨酸的溶解度隨溫度降低而減小的性質(zhì)制定的。通過(guò)增加制冷能力，將等電點(diǎn)提取的終點(diǎn)溫度由原來(lái)的1520降至05，這樣可使母液中的谷氨酸含量降低到1.0%

9、1.3%，從而增加等電點(diǎn)提取的一次收率。濃縮連續(xù)等電工藝。該工藝是將發(fā)酵液和硫酸同時(shí)加入等電點(diǎn)罐中，始終保持罐內(nèi)PH值在3.03.2，低溫等電結(jié)晶后以晶體及母液作為晶種，維持溫度和PH，邊加新發(fā)酵液邊放出已結(jié)晶的谷氨酸，使進(jìn)出料量保持一致3。等電離交工藝。即將谷氨酸發(fā)酵液降溫并用硫酸調(diào)PH值至谷氨酸等電點(diǎn)(PH3.03.2)，溫度降到10以下沉淀、離心分離谷氨酸，再將上清液用硫酸調(diào)pH至1.5上732強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂，用氨水調(diào)上清液pHl0進(jìn)行洗脫，洗脫下來(lái)的高流分再用硫酸調(diào)pHl.0返回等電車間加入發(fā)酵液進(jìn)行等電提取，離交車間的上柱后的上清液及洗柱水送去環(huán)保車間進(jìn)行廢水處理4。簡(jiǎn)單介紹了

10、常用的提取谷氨酸工藝的原理后，因不同的谷氨酸生產(chǎn)家所采取的提取工藝是不盡相同的，下面將根據(jù)所查閱的資料來(lái)重點(diǎn)介紹谷氨酸提取的工藝流程。目前， 國(guó)內(nèi)味精行業(yè)谷氨酸提取體現(xiàn)著兩條工藝主線： 一是以眾多廠家為應(yīng)用的等電加離交工藝， 二是以蓮花為代表的濃縮高溫連續(xù)等電加轉(zhuǎn)晶工藝5。另外，利用膜技術(shù)對(duì)谷氨酸發(fā)酵液進(jìn)行過(guò)濾后再通過(guò)濃縮連續(xù)等電點(diǎn)法提取超濾液的工藝已在中試規(guī)模取得較好的效果6。(1) 低溫等電工藝(冷凍等電工藝)3 低溫等點(diǎn)法提取谷氨酸的工藝流程見下圖4-1：發(fā)酵液 邊冷卻邊加硫酸調(diào)節(jié)PH4.04.5 加晶種 育晶2h 邊冷卻邊加硫酸 母液 調(diào)至PH3.03.2 冷卻降溫 攪拌16h 4靜置

11、4h 離心分離 谷氨酸晶體圖4-1低溫等點(diǎn)法提取谷氨酸的工藝流程圖 以上流程可總結(jié)為五個(gè)步驟：加酸、降溫(一步調(diào)酸)。要緩慢加酸并攪拌起晶、育晶。加酸至等電點(diǎn)(二步加酸)。加酸時(shí)要緩慢?？焖贁嚢?6h降溫至05。沉降分離。該工藝操作簡(jiǎn)便，設(shè)備簡(jiǎn)單，廢水量減少，節(jié)約酸、堿用量，成本較低，提取收率可達(dá)75%80%。(二)濃縮連續(xù)等電工藝(以河南蓮花味精股份有限公司為例)5 谷氨酸提取也稱粗制，它是發(fā)酵液濃縮，高溫連續(xù)等電，轉(zhuǎn)晶，多級(jí)分離，谷氨酸中和，高溫帶壓連續(xù)水解的有機(jī)組合，產(chǎn)品為中和液。其工藝流程如下圖：圖4-2 濃縮連續(xù)等電工藝流程圖(以河南蓮花味精股份有限公司為例)該法的特點(diǎn)如下：低消耗、

12、低污染。取消離交工藝，采用濃縮高溫連續(xù)等電工藝。沒(méi)有液氨消耗，硫酸消耗減半，高濃度廢液減少60，減輕了環(huán)保壓力。改變了原有行業(yè)高消耗、高污染的定論。降低料液粘度不易糊罐，利于谷氨酸結(jié)晶。采用高溫連續(xù)等電，降低了料液的粘度，避開了蛋白質(zhì)的結(jié)晶點(diǎn)，底料采用周期長(zhǎng)，保持pH32 的介穩(wěn)區(qū)。提高了谷氨酸的質(zhì)量。提高了谷氨酸純度。采用三級(jí)分離經(jīng)過(guò)水洗，有效除去雜質(zhì)，谷氨酸純度達(dá)到了98以上。為提高精制收率奠定基礎(chǔ)。采用全晶中和液，收率可達(dá)124以上。能有效提高設(shè)備利用率。蓮花提取設(shè)備只有原離交工藝的1/3， 精制使用轉(zhuǎn)晶中和液， 易脫色、好過(guò)濾， 結(jié)晶周期由原來(lái)的1617h 縮短為1112h，強(qiáng)度提高。

13、降低精制生產(chǎn)成本。由于轉(zhuǎn)晶過(guò)程中，可大量使用精制母液， 不再有白谷氨酸。料液中焦谷氨酸回收率高。采用高溫帶壓連續(xù)水解，焦谷氨酸回收率98。(3) 等電離交工藝 Glu 初餾分 發(fā)酵液 低溫等電提取 母液 陽(yáng)離子交換吸附 洗脫 高餾分 回收 低溫等電提取 后餾分 洗脫 對(duì)于PH值為5.5 3%Glu母液，陽(yáng)離子交換柱采用H+離交柱，母液上柱后首先要用水對(duì)柱子進(jìn)行反洗，后用60熱水預(yù)熱樹脂，60 4%5%NaOH進(jìn)行洗脫。對(duì)于PH值為1.5 3%Glu母液，陽(yáng)離子交換柱則采用NH+離交柱，母液上柱后用水沖洗柱子，然后用5%NH3H2O洗脫，洗脫后可收集。采用此方法谷氨酸提取收率可達(dá)90%95%。(

14、四)谷氨酸其他提取新工藝簡(jiǎn)介1、絮凝除菌和提取工藝套用，工藝流程優(yōu)化如下圖4-37：圖4-3 絮凝除菌和提取工藝套用的工藝流程該提取方法特點(diǎn)：目前大多數(shù)廠家已具備或部分具備此工藝設(shè)備，只需稍加改進(jìn)后即可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。選擇對(duì)上清液絮凝更有利于工藝配套和收率提高。固體絮凝劑配制時(shí)，用上清液可避免水進(jìn)入系統(tǒng)，增大離交負(fù)荷，同時(shí)菌濃5%的上清液完全可以配成絮凝劑。因冷凍后的上清液溫度低，加熱至絮凝溫度能耗大，而用高溫發(fā)酵液降溫。濾渣含酸在一定程度上影響提取收率，所以應(yīng)盡量減少濾渣含水量。濾清液含量為2%3%左右，正適合離交上柱，由于已經(jīng)除去大部分菌體，所以離交收率可以最大限度提高。2、 用有機(jī)微濾膜和超濾

15、膜連續(xù)過(guò)濾預(yù)處理與濃縮連續(xù)等電點(diǎn)法結(jié)合6 有機(jī)微濾膜和超濾膜連續(xù)過(guò)濾預(yù)處理流程如下圖4-4： 微濾一超濾連續(xù)過(guò)濾沒(méi)備由儲(chǔ)料罐、泵、微濾及超濾膜組件、壓力表及流最計(jì)組成(圖4-4)。儲(chǔ)料罐中的谷氨艘發(fā)酵液經(jīng)泵加壓后首先進(jìn)入微濾膜組件，除 1：泵；2：壓力表；3：微濾膜；4：超濾膜；5：流量計(jì)圖4-4 微濾一超濾連續(xù)過(guò)濾流程菌體及部分大分子蛋白等雜質(zhì)，然后微濾透過(guò)液進(jìn)入超濾系統(tǒng)，經(jīng)流量計(jì)進(jìn)入透過(guò)液儲(chǔ)料罐中，進(jìn)一步去除小分子蛋白及色素等。原谷氨酸發(fā)酵液在儲(chǔ)料罐中不斷被濃縮，可加水繼續(xù)進(jìn)行微濾，或者將濃縮液離心后對(duì)其上清液直接進(jìn)行超濾。有機(jī)膜在每個(gè)運(yùn)行周期結(jié)束后都錯(cuò)要清洗，清洗后微濾膜的通量恢復(fù)率均超

16、過(guò)97，超濾膜的通量恢復(fù)率也在96以上，可有效減少酸堿用量。采用有機(jī)微濾膜和超濾膜連續(xù)過(guò)濾谷氨酸發(fā)酵液，菌體去除率為100，可溶性蛋白、色素去除率分別達(dá)到86.7和63.2，谷氨酸的損失率為0.6，可有效減輕后續(xù)上藝的處理負(fù)荷，降低后續(xù)處理難度。預(yù)處理后利用濃縮連續(xù)等電點(diǎn)法提取超濾液，收率可提高至95以上，產(chǎn)品純度高達(dá)99，簡(jiǎn)化后續(xù)工藝中的轉(zhuǎn)晶過(guò)程，不僅減少了谷氨酸的損失，還節(jié)約了大量的能量。此外，還有采用反調(diào)pH值提取谷氨酸的方法8，但還處在研究階段，主要是根據(jù)等電點(diǎn)法提取谷氨酸的理論，谷氨酸在溶液中具有兩性電離的性質(zhì)，在不同的pH溶液中能以4種不同的離子狀態(tài)存在。此法可使等電罐里的pH值始

17、終低于3.22，越過(guò)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，不讓蛋白質(zhì)晶析出來(lái)影響谷氨酸結(jié)晶。工藝流程如下：圖4-5 反調(diào)pH值提取谷氨酸工藝流程圖 小結(jié)：本次我通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，再結(jié)合課堂所學(xué)到的內(nèi)容進(jìn)行綜述。由于在課堂上我對(duì)于谷氨酸的提取方面的知識(shí)不是很能理解，所以在本綜述中主要針對(duì)提取方面進(jìn)行總結(jié)。在查閱資料的過(guò)程中，我的疑惑得到了很好的解決，并加深了對(duì)谷氨酸提取工藝的理解以及學(xué)會(huì)了將所學(xué)到的知識(shí)在實(shí)踐生產(chǎn)上的應(yīng)用。在谷氨酸提取方面，生產(chǎn)上除了用到在課堂上所提到的幾種方法外，很多廠家還在這些工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，因此提高了谷氨酸的提取收率，節(jié)省了許多資源及生產(chǎn)費(fèi)用。通過(guò)這次學(xué)習(xí)，我學(xué)到了關(guān)于生產(chǎn)實(shí)踐上應(yīng)注意的許多問(wèn)題，對(duì)于今后的工作將有很大的幫助，在此感謝老師的教導(dǎo)。參考文獻(xiàn)：1王凱軍等.發(fā)酵工業(yè)廢水處理