谷氨酸钠发酵工段工艺设计说明书Word文件下载.docx

1、 1.1 概述 谷氨酸一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基，化学名称为-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的，为无色晶体，有鲜味，微溶于水，而溶于盐酸溶液，等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中，动物脑中含量也较多。谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，在代谢上具有重要意义。L谷氨酸是蛋白质的主要构成成分，谷氨酸盐在自然界普遍存在的。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐，它即是蛋白质或肽的结构氨基酸之一，又是游离氨基酸，L型氨基酸美味较浓。L谷氨酸 又名“麸酸”或写作“夫酸”，发酵制造L谷氨酸是以糖质为原料经微生物发酵，采用“等电点提取”加上“离子交换树脂”分离的方法而制得。1.2 理化性质

2、 1.2.1 物理性质 谷氨酸的立体异构体 谷氨酸分为L型、D型、DL型三种。 谷氨酸具有一般氨基酸的性质，其分子具有不对称的碳原子，所以有旋光性。它的氨基在不对称碳原子右方的称为D型（或右型），在不对称碳原子左方的称为L型（或左型），在化学命名中以前左旋用“l”表示，右旋用“d”表示，消旋体用“dl”表示。现在化学才统一用D型、L型和DL型表示光学异构体，而左旋和右旋则用（-）与（+）表示。 所以L型谷氨酸旧的命名为1-谷氨酸，因为它的水溶液中是右旋，故沃尔罗登宝命名法叫做L-（+）-谷氨酸，现在统称L-谷氨酸，又名d-氨基戊二酸。同样D型谷氨酸旧的命名为1-谷氨酸，因为它的水溶液为左旋，故

3、称为D-（-）-谷氨酸，又名1-谷氨酸，又名1-氨基戊二酸。而 DL型谷氨酸即消旋异构体。 在动植物和微生物等生物机体中天然存在的，都是L型谷氨酸，L-谷氨酸是味精的前体。 谷氨酸结晶的特征 谷氨酸结晶体是有规则晶形的化学均一体 其晶形结构是以原子、分子或离子在晶格结合点上呈对称排列。谷氨酸在不同的结晶条件下，其晶格形状、大小、颜色是不同，通常分为型结晶和型结晶。型的密度为1.535g/cm3,型的密度为1.570g/cm3. 型和型结晶的外观和X射线衍射图形均不同。表2-1 谷氨酸两种结晶型比较结晶型型型光学显微镜下的晶体形态多面棱柱形的六面晶体，呈颗粒分散，横断面为三或四边形、边长与厚度相

4、近针状或薄片状凝聚结集，其长和宽比厚度大得多晶体特点晶体光泽，颗粒大，纯度高，相对密度大，沉降快，不易破碎薄片状，性脆易碎，相对密度小，浮于液面和母液中，含水量大，纯度低晶体分离离心分离不碎，抽滤不阻塞，易洗涤，纯度高离心分离困难，易碎，抽滤易阻塞，洗涤困难，纯度低母液中晶形的显微镜观察颗粒状态小晶体分散的针状结晶 谷氨酸的溶解度1谷氨酸在水中的溶解度 表2-2温度/溶解度/（g/100g）0.341451.81650.411502.186100.495552.632150.596603.160200.717653.816250.864704.594301.040755.532351.2508

5、06.660401.50810014.00 谷氨酸对酸、碱的溶解度 谷氨酸在水中的溶解度除温度外，还与pH有关，且随着pH变化，影响很大。2 谷氨酸在乙醇中的溶解度表2-3乙醇浓度/%在25时的溶解度/（g/100ml）乙醇浓度24.50.29274.350.03750.750.13195.140.00941.2.2 谷氨酸的化学性质 谷氨酸可以与酸作用 谷氨酸与碱作用 与氢氧化钠反应生成谷氨酸单钠和水 与碳酸钠反应生成氨酸单钠和水，放出二氧化碳 加热 谷氨酸长期加热，经脱水后生成焦谷氨酸（无鲜味）。 谷氨酸与亚硝酸作用 谷氨酸与亚硝酸反应生成羟基酸，释放出氮气 谷氨酸的脱羧作用 在谷氨酸脱羧

6、酶的催化下，谷氨酸生成-氨基丁酸和二氧化碳 谷氨酸在氨的存在下，通过谷氨酰胺合成酶的催化能生成谷氨酰胺 谷氨酸与茚三酮反应 谷氨酸或其它-氨基酸在pH 2.5-5.0与茚三酮共热，能显示蓝色或蓝紫色，按其显色的深淡度可作为-谷氨酸定性或定量分析的依据。 甲醛反应 氨基酸与甲醛反应后，碱性的氨基被遮盖，用标准NaOH溶液滴定羧基1.3 应用1.下游产品开发将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L氯乙基谷氨酸酯。谷氨酸的结构中有一个氨基和两个羧基，在光气的作用下，羧基和氨基会形成环状N羧酸酐，由于羧基也较为

7、活泼，可能会参与成环反应，因此在成环反应之前，通常用苄醇将羧基进行保护，这样得到的聚合物的侧链活性极低，一般需经进一步氢化脱苄或胺解脱苄，才能得到有反应活性的侧链，我们选用双功能基试剂氯乙醇作保护基因，在聚合之后可直接得到有反应活性的侧链，可有效地简化合成路线。侧链酯化过程是一个可逆反应，随着体系内水含量的不断增加，反应速度会降低，导致产率不高。在形成谷氨酸苄酯时，采用分子筛脱水，操作大大简化。新型的聚合氨基酸，含有氨基的药物或靶向基因，可以方便的接入聚谷氨酸的分子中，形成大分子前药或靶向大分子载体，接入特异性的基因，可进行特殊的分离或提纯，这一聚合物在医药领域会有很广泛的应用前景。谷氨酸可生

8、产许多重要下游产品如L谷氨酸钠、L苏氨酸、聚谷氨酸等。2. 食品业氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。构成蛋白质的氨基酸主要有20多种。在食品工业中应用较多的氨基酸有谷氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、苏氨酸、精氨酸、缬氨酸、色氨酸、丙氨酸等。各种氨基酸都有自己独特的呈味效应，其中应用较多的有谷氨酸钠和甘氨酸。谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。在食品中浓度为0.2%-0.5%，每人每天允许摄入量（ADl）为0120微克/千克（以谷氨酸计）。在食品加工中一般用量为0.21.5克/公斤。甘氨酸具有甜味，和味精协同作用能显着提高

9、食品的风味。3. 日用化妆品等谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。N酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。生物表面活性剂N酰基谷氨酸钠不同于化学法合成的表面活性剂，它不但性能优良，并且具有良好的生物降解性和安全性，在人体内能分解为氨基酸和脂肪酸而吸收利用。N酰基谷氨酸钠耐硬水，能在碱性、中性和弱酸条件下使用。这种表面活性剂具有

10、明显的发展优势，其新的使用性能包括具有良好的洗净力和发泡力，对人体无毒无害，无异味，性质柔和无刺激，能稳定酶的活性，是高档香波和浴液的主要原料，能牢固地吸附在头发和皮肤上，增加和保持头发的柔软、蓬松、光泽，使皮肤舒适光洁，对毛发角质损伤有保护和修复作用。N酰基谷氨酸钠可用于肥皂的改性剂，在香皂中加入N酰基谷氨酸钠可缓和对皮肤的刺激，提高香皂在硬水中的钙皂分散性，使泡沫细腻持久，提高发泡性和洗净力，易于被皮肤吸收，使皮肤保持滋润光滑。N酰基谷氨酸钠具有抑菌效果，由于无刺激性常可用于儿童洗涤制品和皮肤病患者，N酰基谷氨酸钠溶液，具有突出的发泡能力和稳泡力，常可与其它表面活性剂复配，具有协同增效作用

11、。谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。聚谷氨酸是一种出色的环保塑料，可用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途，可在自然界迅速降解，不污染环境。随着科学的进步，研究的深入，谷氨酸新的应用领域将越来越广。4. 医药行业谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧

12、化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠（钾）注射液，谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。1.4 谷氨酸的生物合成途径 谷氨酸合成方式 许多研究者利用不同的谷氨酸产生菌对其合成方式和途径进行了研究。这些研究表明，谷氨酸产生菌菌体内形成谷氨酸的方式主要有两种，即氨基酸的转移作用和还原性氨基化作用。 氨基转移作用 在氨基转移酶的催化下，除甘氨酸以外，任何氨基酸都可以与酮戊二酸变成谷氨酸。同样谷氨酸与其他酮酸之间在转氨酶

13、的催化下，也能生成 酮戊二酸和新的氨基酸。 还原性氨基化作用 在NH+和供氢体（还原型辅酶，即NADPH2）存在的条件下，酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸。 谷氨酸合成途径 谷氨酸生物合成途径主要有糖酵解途径（EMP途径）、磷酸己糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA）、乙醛酸循环体、二氧化碳固定和还原氨基化反应等。生成谷氨酸的有关酶类主要有苹果酸酶、丙酮酸羧化酶、异柠檬酸脱氢酶、异柠檬酸裂解酶、酮戊二酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶等。 第三章 发酵法生产谷氨酸的工艺流程 3.1 发酵法概述谷氨酸的发酵生产全过程可划分为三个工艺阶段:（1）原料的预处理及糖化;（2）种子扩大培养及谷氨酸发酵;

14、（3）谷氨酸的提取与这三个工艺阶段相对应的生产厂家一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间等作为主要生产车间。另外，为保障生产过程中对蒸汽的需求，同时还设置了动力车间，利用锅炉燃烧产生蒸汽，并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水，还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理，通过供水管路输送到各个生产需求部位。原理： 谷氨酸的生物合成包括酵解途径（EMP）、磷酸乙糖途径（HMP途径）、三羧酸（TCA途径）、乙醛羧酸循环、伍德沃克曼反应（CO2的固定反应等）。谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化能力微弱，尤其在生物素缺乏条件下，三羧酸循环到达-酮戊二酸时，即受到阻挡。把糖代谢流阻止在-

15、酮戊二酸的堰上，导向谷氨酸形成具有重要的意义。在氨离子存在下，-酮戊二酸因谷氨酸脱氢酶的催化作用，经还原氨基化反应生成谷氨酸。在谷氨酸的生物合成中必须有谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的共轭反应。在氨离子存在下，两者非常密切的偶连起来，形成强的氧化还原共轭系，不与NADPH2的末端的氧化系相连接，是-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸。谷氨酸生产菌需要氧化型NADP，以供异柠檬酸氧化作用。生成的还原型NADPH2又因为-酮戊二酸的还原氨基化而在生为NADP。由于谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶比其他微生物强大得多，所以由三羧酸循环所得的柠檬酸的氧化中间物，就不再往下氧化，而以谷氨酸的形式积累起来。3.2 原料

16、的预处理及糖化 3.2.1 原料的种类发酵生产谷氨酸的原料主要是淀粉，其次还有非粮食淀粉原料。淀粉来自粮食原料，通常利用各种谷类或薯类淀粉，如北方常用玉米，南方常用番薯淀粉等。非粮淀粉原料主要指甜菜或是甘蔗糖蜜醋酸乙醇正烷烃（如液体石蜡）等。3.2.2 原料处理 非粮食原料除糖蜜外，一般不需要预处理，可直接用来配制培养基；而糖蜜中生物素含量过高，虽然生产菌可以良好生长，但采用一般谷氨酸的生产方法，则不积累谷氨酸，故在采用糖蜜为主要原料时，常对糖蜜进行预处理。大多数谷氨酸发酵菌种都不能直接利用淀粉和糊精，因此用淀粉质原料进行谷氨酸生产时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供其发酵。在工业上，淀粉的处

17、理主要是指糖化，值得的水解糖叫淀粉糖。可以用来制备淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等。我国多数味精生产厂是利用酸水解法莱进行淀粉的水解淀粉水 调浆 糖化 冷却 中和 脱色 过滤除杂 糖液盐酸（1）调浆 首先将原料淀粉、水、和工业盐酸调成均匀的淀粉乳，为便于操作控制，生产上加盐酸量常以淀粉浆pH值为指标，控制在pH在1.5左右。（2）糖化 在水解锅内加入一定量的水，然后将水解罐顶预热至100-105，蒸汽压力为9.8-19.6kPa，随后将淀粉乳用泵送至水解罐内进行水解，水解蒸汽压力控制在0.25-0.4MPa之间，水解时间控制在10-20min。淀粉的糖化工艺及其条件是根据淀

18、粉水解反应和葡萄糖的缩合与分解反应，但实际上不可能达到此目的。在水解过程中，酸的浓度，水解的温度和时间，以及淀粉乳的浓度都会对淀粉的水解产生影响。为了提高淀粉水解成葡萄糖的收得率以及水解糖液的质量，必须合理地选择淀粉水解的工艺条件，以限制缩合反应和分解反应的发生。（3）中和 采用酸化糖化淀粉需要用碱中和酸。一般淀粉水解完毕，水解糖液中葡萄糖含量约为16%-18%左右，其中还含有多余的酸，必须要用碱中和。中和剂通常为纯碱。当中和桶中糖液的冷却至80左右，加入中和剂，中和时生成大量的二氧化碳，呈现剧烈的沸腾状态，所以中和桶容积应为糖化液体积的3-4倍，以防糖化液溢出桶外，中和时的pH应控制在4.0

19、-5.0左右。此时有利于蛋白质、氨基酸、色素和其他杂质的凝聚沉淀。（4）脱色过滤 糖化液中杂质的存在对糖液质量影响很大，通过调节pH，将水解糖液调至等电点时，蛋白质和谷氨酸的溶解度最小，便于沉淀过滤，色素则可用活性炭吸附法除去。中和结束后，添加活性炭脱色，控温在60，活性炭用量相当于淀粉量的0.6%-0.8%左右。最后让经过中和脱色的水解糖液静置1-2h，使其充分沉淀，待液温降至45-50时，用泵打入过滤器过滤，过滤后的糖液送贮糖桶备用。糖蜜的预处理谷氨酸生产上使用的糖蜜进行预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中含有大量的生物素，因此不宜用与谷氨酸发酵，降低生物素含量的方法有：活性炭处

20、理法、水解、活性炭处理法、树脂处理法、亚硝酸处理法、糖蜜原料添加青霉素法，此外，还可以采用表面活性剂，或采用非生物素缺陷型突变株的方法，以解除糖蜜中过量生物素对谷氨酸积累的影响。3.3. 谷氨酸发酵工艺3.3.1 发酵培养基谷氨酸发酵培养基主要成分有碳源、氮源、生长因子和无机盐等。 碳源 大多数谷氨酸生产菌可以利用葡萄糖、蔗糖、果糖等，极少数可以直接利用淀粉。除这些糖质原料外还可以利用醋酸、酒精、石蜡油等为碳源生产谷氨酸由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式如下:C2H12O6+NH3+1/2O2C5H9NO4+CO2+3H2O上面反应式表示，一克分子葡萄糖产生一克分子谷氨酸，两者之间存在着定量关系。其

21、原理转化率等于89.7%，因此从理论上讲，糖浓度越大，谷氨酸产量越高。但实际上糖的浓度越过一定限度时，反而不利于细菌细胞的增值和谷氨酸的合成。反之，培养基葡萄糖浓度过低，虽能提高糖酸转化率，但谷氨酸总量上不去。所以，在配制培养基时，应综合考虑以上问题，选择适当的浓度。 氮源 谷氨酸产生菌细胞中的蛋白、核酸、磷脂、某些辅酶及其他主要产物（谷氨酸）等均为含氮化合物，为了合成这些化合物，在培养基中必须添加氮源物质。谷氨酸发酵所采用的氮源数量要比一般发酵大很多，通常工业发酵所用培养基碳和氮的比值（C/N）为100/（0.5-2），而谷氨酸发酵所要求的C/N为100/（20-30）。实际生产中，一般用尿

22、素或氨水作为氮源 无机盐 它们是构成细胞和调节菌体生命活动的营养物质。如镁、磷、钾、锰、铁等，是代谢中辅酶或辅基的组分，是培养基不可缺少的。在谷氨酸发酵中，常应用K+、Mg2+、Fe3+、Mn2+等阳离子和PO43-、SO42-、Cl-等阳离子作为无机盐。他们通常用量是：磷酸氢二钾（或磷酸氢二钾）0.05%-0.2%,硫酸镁0.005%-0.1%硫酸亚铁0.0005%-0.01%，硫酸锰0.0005%-0.005%。 生长因子 凡是微生物生长不可缺少，而其自身又不能合成的微量有机物质都称为生长因子。生物素是当前谷氨酸身长菌的重要生长因子。其含量多少，对促进谷氨酸菌的生长、繁殖和积累谷氨酸有着密

23、切的关系。除生物外，谷氨酸产生菌还需要维生素B1 （硫胺素）等。一般生产原料中（如玉米浆、麸皮水解液）都含B族维生素，因此谷氨酸发酵常以这些物质提供生长因子。 发酵培养基营养成分的配比 常因菌种、设备和工艺不同而异，此外与原料来源和质量不同有关。3.3.2 培养基灭菌谷氨酸发酵培养基一般采用淀粉水解糖为主要碳源，实罐灭菌条件是105-110保温6min。连续灭菌所采用的灭菌条件是，连消塔灭菌温度为110-115，维持罐温105-110，约6-10min。培养基灭菌后冷却至30左右，即可接入种子进行发酵。3.3.3 发酵控制主要指发酵条件的管理，包括温度、通气、PH值与泡沫的控制。 要获得谷氨酸

24、发酵的产品率，除了选用优良菌种外。在发酵条件控制和严格无菌操作方面是极其重要的。 温度对发酵的影响 在发酵中，谷氨酸产生菌的生长繁殖与谷氨酸合成都 是在酶的催化下进行的。不同酶促反应所需的温度各异。谷氨酸发酵分前期和后期两个阶段。前期（0-12h）主要是合成细胞物质，菌体大量增殖阶段。而控制这些合成反应的最适温度为30-32；在发酵中后期，是谷氨酸大量积累阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度为32-36，故在发酵中后期应适当提高罐温，以利谷氨酸形成和积累。不同菌种对温度的敏感性也不一样，故应视菌种进行温度控制。 PH值对发酵的影响 在发酵中，发酵液PH值的变化是微生物代谢过程的综合标

25、志。主要是通过培养基配比及发酵条件的控制，使其适宜于生产菌的PH值。发酵前期，应创造有利于谷氨酸产生菌生长的最适pH（偏碱性），通常控制pH在7.5-8.0左右。发酵中后期，应满足催化谷氨酸合成的酶对pH的要求（中性或弱碱性），故将其发酵pH控制在7.0-7.5 通风量与搅拌对发酵的影响 谷氨酸产生菌（谷氨酸棒杆菌）属兼性好气菌，在供氧充足与不足的条件下都可生成，但其代谢产物不同。通风量小，供氧不足时，进行不完全氧化，葡萄糖进入菌体后经糖酵解途径产生丙酮酸，丙酮酸则还原成乳酸。如果通气量过大，葡萄糖在菌体内被氧化成丙酮酸。继而进一步氧化成乙酶辅酶A，进入三羧酸循环，生成-酮戊二酸，但由于供氢体

26、（NADPH2）在氧气充足的条件下经呼吸链被氧化成水，而没有氢的供给，谷氨酸合成受阻，-酮戊二酸大量积累；只有在供氧适当时还原性辅酶大部分不经呼吸链被氧化成水，在充足的NH+条件下，才有利于谷氨酸脱氢酶的催化，还原氨基化反应，大量形成并积累谷氨酸。通风的实质除了供氧外，还使菌体培养基密切结合，保证代谢产物均匀扩散，以及维持罐内正压的作用。搅拌可以提高通风效果，使空气变成小气泡，增加气液接触面积，提高溶解氧量。因为微生物呼吸时只能利用溶解于培养集中的氧气，而空气进入发酵罐后，其氧分子并不是全部被发酵液吸收，所以在讨论通气量时，必须考虑氧的溶解系数（以Kd表示），Kd表示摩尔分子氧/（毫升分钟大气

27、压）,在通气搅拌条件相同时，Kd值大即表示设备通气效果好，反之则差。在谷氨酸发酵过程中，通风量的控制应掌握前期比后期小的原则。一般发酵前期以低通风量为宜【Kd为（4-6）10-7mol/（mLmin大气压）】；中后期以高通风量为宜【Kd为（1.5-18）10-6mol/（mL大气压）】。实际生产上，用气体转子流量计来检查通气量即每分钟单位体积的通气量表示通气强度。发酵时搅拌速度与通气量常因发酵罐大小不同而异。 泡沫的控制 在谷氨酸发酵中，由于强烈的通风与菌体代谢所产生的二氧化碳，使培养液产生大量的泡沫，泡沫的存在往往给发酵造成危害和损失，在泡沫过多时，会使培养液溶解氧减少，气体交换受阻，影响菌的呼吸和代谢。同时，泡沫过多不仅影响装料系数，降低发酵设备使用率，而且还能使发酵液外溢，增加污染机会，通常，当泡沫多时，必须及时消除泡沫，才能保证发酵正常进行。 消泡的方法有两种。一是机械消泡法。包括采用靶式消泡器或离心式、刮板式、蝶形等消泡器。另一种是化学消泡法，即采用化学消泡机进行消泡，一般发酵中采用天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等消泡剂。 不同谷氨酸产生菌对糖浓度的要求不同，其发酵时间也有所差异。一