1、- 1 -1 文献综述1.1 谷氨酸的发展历史从一九二三年上海的吴蕴初先生采用水解面筋的方法来生产味精到现在，中国的味精生产已经经历了 78 年的历史。在这 78 年的漫长岁月中，生产味精的老前辈们和新中国培养起来的中青年技术工作者们，把毕生的精力都献给了中国民族味精事业。由于他们从理论研究、菌种的筛选、工艺的革新、技术的改造和不断试验与实践，才形成了现在中国味精生产的工艺路线和控制模式。特别是在二十世纪九十年代，中国味精生产的工艺技术发生了较大的变化，各项技术指标比八十年代翻了一倍，单位产量增加了二点五倍。这一成绩的取得，主要是全国的味精同行们解放思想开拓进取，在原来的工艺路线和控制模式的基
2、础之上进行技术再创新，更新了一些理论上的概念，才使中国味精生产的技术达了国际的一般水平。 11.2 谷氨酸的生产工艺流程 2味精的生产一般分为制糖、谷氨酸发酵、中和提取及精制等 4 个主要工序。1.2.1 液化和糖化因为大米涨价, 目前大多数味精厂都使用淀粉作为原材料。淀粉先要经过液化阶段。然后再与 - 淀粉酶作用进入糖化阶段。首先利用 - 淀粉酶将淀粉浆液化, 降低淀粉粘度并将其水解成糊精和低聚糖, 应为淀粉中蛋白质的含量低于原来的大米, 所以经过液化的混合液可直接加入糖化酶进入糖化阶段, 而不用像以大米为原材料那样液化后需经过板筐压滤机滤去大量蛋白质沉淀。液化过程中除了加淀粉酶还要加氯化钙
3、，整个液化时间约 30min。一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内进一步水解为葡萄糖。淀粉浆液化后, 通过冷却器降温至 60进入糖化罐, 加入糖化酶进行糖化。糖化温度控制在 60左右, pH 值 4.5, 糖化时间 1832h。糖化结束后, 将糖化罐加热至 8085, 灭酶 30min。过滤得葡萄糖液, 经过压滤机后进行油水分离( 一冷分离, 二冷分离) , 再经过滤后连续消毒后进入发酵罐。1.2.2 谷氨酸发酵消毒后的谷氨酸培养液在流量监控下进入谷氨酸发酵罐, 经过罐内冷却蛇管将温度冷却至 32, 接入菌种, 氯化钾、硫酸锰、消泡剂及维生素等, 通入消毒空气, 经一段时间适应后, 发酵过
4、程即开始缓慢进行。谷氨酸发酵是一个- 2 -复杂的微生物生长过程, 谷氨酸菌摄取原料的营养, 并通过体内特定的酶进行复杂的生化反应。培养液中的反应物透过细胞壁和细胞膜进入细胞体内, 将反应物转化为谷氨酸产物。整个发酵过程一般要经历 3 个时期, 即适应期、对数增长期和衰亡期。每个时期对培养液浓度、温度、pH 值及供风量都有不同的要求。因此, 在发酵过程中, 必须为菌体的生长代谢提供适宜的生长环境。经过大约 34 小时的培养, 当产酸、残糖、光密度等指标均达到一定要求时即可放罐。1.2.3 谷氨酸提取与谷氨酸钠生产工艺该过程在提取罐中进行。利用氨基酸两性的性质, 谷氨酸的等电点在为 pH3.0处
5、, 谷氨酸在此酸碱度时溶解度最低, 可经长时间的沉淀得到谷氨酸。粗得的谷氨酸经过干燥后分装成袋保存。1.2.4 谷氨酸钠的精制谷氨酸钠溶液经过活性碳脱色及离子交换柱除去 Ca2+、Mg 2+、Fe 2+离子, 即可得到高纯度的谷氨酸钠溶液。将纯净的谷氨酸钠溶液导入结晶罐, 进行减压蒸发, 当波美度达到 295 时放入晶种, 进入育晶阶段, 根据结晶罐内溶液的饱和度和结晶情况实时控制谷氨酸钠溶液输入量及进水量。经过十几小时的蒸发结晶, 当结晶形体达到一定要求、物料积累到 80%高度时, 将料液放至助晶槽, 结晶长成后分离出味精, 送去干燥和筛选。1.3 现有的谷氨酸提取工艺重结晶是常用的提纯物质
6、的方法，谷氨酸生产工艺条件变化会引起结晶晶型的变化，不同晶型的谷氨酸晶体在结晶转换时可以析出杂质提纯谷氨酸，重新结晶的谷氨酸纯度较高，利谷氨酸重结晶提纯技术可以提高谷氨酸质量。从谷氨酸发酵液中提取谷氨酸的方法有：等电点法、离子交换法、金属交换法、渗透膜分离法等等。其中，带菌体浓缩冷冻等电点法是目前较先进且经济效益较高的方法，但其主要缺点是：发酵液中含有菌体、蛋白质、胶体和其他固形物，干扰和妨碍了谷氨酸的结晶，影响了结晶的纯度和收率。若先采用膜过滤技术去除发酵液中的菌体等物质，再用浓缩冷冻等电点法提取，就更先进，经济效益更高。 31.4 谷氨酸提取的新工艺目前，谷氨酸生产厂家多采用等电、离交工艺
7、等方法从发酵液中提取谷氨酸，该工艺方法存在废水量大、治理成本高，酸碱用量大等缺点。- 3 -为此，我提供一种酸碱用量小、废水量小，且能保证谷氨酸提取收率及产品质量高的谷氨酸提取工艺。具体包括如下步骤：l、先将谷氨酸发酵液进行过滤，除去发酵液中菌体、蛋白质及色素；2、将过滤后的发酵液加热至7595，加硫酸调发酵液pH3040，然后进入结晶锅进行蒸发浓缩；3、浓缩至蒸发掉50-80水份后，出料至助晶槽缓慢冷却至60以下，离心分离谷氨酸。4、将离心分离谷氨酸之后的离心水用硫酸调pH至15，上柱即上阳离子交换树脂，并用氨水洗脱，洗脱下的高流掺入发酵液中进行蒸发浓缩，返回到第(2)步骤；5、上柱后的污水
8、收集到环保车间，进行污水治理。采用该提取工艺提取的谷氨酸其优点在于：1、谷氨酸生产的废水主要在离交工序产生，由于浓缩蒸发掉大量水份，所以导致废水量相应减少很多；2、上阳离子交换树脂要消耗大量酸碱，由于上柱量减少5080，酸碱用量相应节省40以上；3、采用浓缩结晶损耗低，总提取收率可达96以上：4、采用超滤、纳滤系统后，由于发酵液中蛋白质、色素被大量去除，在此前提下进行高温浓缩结晶，晶形更粗，因此生产出的谷氨酸产品质量更好； 4与其相比的旧工艺里的离交工艺则产生了大量的污染，最典型的就是莲花集团，上个世纪90年代，随着“莲花”的迅速崛起和规模的扩大，把离交工艺高污染(除发酵提取母液外还有大量难处
9、理的离交洗柱子水)的工艺恶果暴露在全国面前。 5所以在生产过程中要注意环保问题，这里就不得不提谷氨酸提取闭路循环新工艺。 “味精清洁生产技术谷氨酸提取闭路循环新工艺”于1997年1月在青岛味精厂通过了原中国轻工总会组织的专家鉴定。该工艺主要是让发酵液以批次方式进入闭路循环圈，让物料主体构成闭路循环。 6此外，要想挖掘提取工艺潜力，可以选择除去菌体。目前的生产技术，除菌体一般有三种途径:(1)高速离心机除菌。(2)超膜过滤除菌。(3)菌体絮凝除菌。离心机除菌的优点是易操作、运行成本少，缺点是收率低、一次投资大;超膜过滤优点是除菌率高、缺点是运行成本高、工艺不成熟。 7另外如果使用超滤膜除去谷氨酸
10、发酵液的菌体,由于可以将发酵原液浓缩10倍，也使浓缩液可以- 4 -很方便的进行在利用。 8还有，我们还可以尝试反调pH来提取谷氨酸，此法已被证实也是可行的，先把离交的高流液酸化pH值达0.5一1.0左右，按一定量放人等电罐内，再用发酵液(pH为6.7左右)来回调pH至谷氨酸的等电点pH=3.22。此法可使等电罐里的pH值始终等于3.22,越过蛋白质的等电点，不让蛋白质晶析出来影响谷氨酸结晶。 9另外，等电母液中的杂质对谷氨酸溶解度有明显增溶作用，但等电母液中夹带的微细晶体颗粒对提取收率的影响更大。在工业生产中，杂质浓度难以改变，因此，如何减少或消除等电母液中夹带的细晶将是新一代谷氨酸结晶设备
11、研究开发的方向。 102 实验材料2.1 菌种 天津棒杆菌（属名 Corynebacterium ，种名 tianjin ）2.2 药品 胰蛋白胨、酵母提取物、NaCl、NaOH、葡萄糖、尿素、硫酸镁、磷酸二氢钾、D-生物素、硫酸亚铁、硫酸锰、消泡剂、氨水、1mol/LHCl、纯碱、活性炭、蒸馏水、硫化钠（质量含量为 1012%） 、1mol/LNaOH、无水乙醇。2.3 设备 恒温培养箱、高压蒸汽灭菌锅、发酵罐、721 分光光度计、离心机、磁力搅拌器、真空泵、天平、恒温振荡摇床。3 实验方法3.1 斜面菌种的制备无菌条件下，从冷藏的天津棒杆菌的斜面上，挑取适量菌体涂在 LB 培养基的斜面上，
12、然后置 37的恒温箱培养 2024h。我们采用 LB 培养基制作固体试管斜面，它是一种常用培养基，具体配方如下：表 1 LB 培养基配方表成分 含量胰蛋白胨（Tryptone ） 10g/L酵母提取物（Yeast extract） 5g/L氯化钠（NaCl） 10g/LpH 值（用 5mol/LNaOH 调节） 7.0LB 培养基的灭菌条件：在高压蒸汽灭菌锅内保持 121,0.14Mpa 下，20min 即可，分装试管，每试管约 510ml（视试管大小而定） 。3.2 种子培养基的制备与灭菌表 2 一级种子培养基配方表- 5 -成分 配比葡萄糖 2.5%尿素 0.5%硫酸镁 0.04%磷酸二氢
13、钾 0.1%D-生物素 2.8mg/L硫酸亚铁 2 10 g/L6-硫酸锰 2 10 g/L-调 pH 值 7.0，121,0.14Mpa 下，灭菌 20min 即可。一级扩培：32,180200r/min，培养 1012h。3.3 发酵培养基的配制与灭菌表 3 发酵培养基配方表成分 浓度葡萄糖 250g/L尿素 40g/L磷酸二氢钾 2.82g/L硫酸镁 0.72g/L硫酸亚铁 2 10 g/L6-硫酸锰 2 10 g/L-D-生物素 0.6mg/L按发酵培养基成分配比，配制培养基，调节 pH 值至 6.5，进行灭菌。灭菌条件：在高压蒸汽灭菌锅内保持 121，0.14Mpa 下，灭菌 20m
14、in 即可。3.4 发酵发酵液 2.0L 装入发酵罐，离座灭菌。接入电源，将已灭菌的发酵培养基通入无菌空气，调整好发酵罐的各类初始参数：温度为 32、pH7.5、搅拌180r/min、泡沫和消泡剂（豆油）自动调节等。12h 后观察是否生长杂菌，再将无水乙醇倒入接种口的环槽中，点燃后，进行无菌接种操作，接种量一般为10%。通气量为 0.81.0m /h，搅拌速率为 60r/min，全程用消泡剂消泡，发酵3过程通氨，当接种后发酵 pH 低于 6.5 时就可以开始通氨，通氨量的多少参考pH 值，温度采用变温控制，具体过程见表 4。谷氨酸的发酵周期约为 30h，每隔 2h 测一次天津棒杆菌的菌丝浓度，
15、采用 721 分光光度计在 620nm 下测发酵液- 6 -OD 值，同时测定 pH 值。在菌体接近衰亡期前放罐，得到谷氨酸发酵液。表 4 发酵过程工艺控制时间/h 温度/ pH 搅拌速度/min1-06 32 7.5 250610 32 7.2 3001023 34 7.2 3002330 36 7.0 2003.5 谷氨酸提取将放罐的发酵液先测定放罐体积、pH、谷氨酸含量和温度。取 400ml 发酵液，其余的装入锥形瓶封好放入冰箱中保存待用。离心（转速为 5000r/min）去除菌体。加入盐酸溶液（1mol/L）,调节发酵液 pH 值为 44.5，开搅拌，育晶2h。之后再加盐酸溶液（1mo
16、l/L） ，调节发酵液 pH 值为 3.53.8，育晶 2h。然后再加盐酸溶液（1mol/L） ，调节发酵液 pH 值为 3.03.2，育晶 16h，静置沉淀，母液和谷氨酸晶体分离。在烧杯内按投料比为湿谷氨酸：水：纯碱：活性炭=1:2:0.30.34:0.01 进行配比，先加入蒸馏水和活性炭，加热升温至 62左右，开动搅拌，然后将谷氨酸与纯碱缓慢加入，使中和液始终保持 pH6.4 左右，温度 6065，继续搅拌30min。3.6 谷氨酸精制待中和液的温度降至 50以下，中和液 pH 在 6.4 左右，加入质量为 1012%的硫化钠溶液，搅拌片刻让其自然沉淀 8h 以上，以除尽铁、锌。完成上述步
17、骤冷却至室温，用滤纸和漏斗过滤，连续过滤两次。过滤完成后，将结晶谷氨酸于 80干燥，称重。4 实验结果顺序 OD 值 pH 值1 1.060 9.52 1.005 9.13 0.805 8.04 0.602 7.65 1.189 7.06 1.448 6.57 1.450 6.58 1.306 6.0- 7 -0123456789101 2 3 4 5 6 7 8时 间OD值，pH值 系 列 1系 列 2其中，系列 1 为 pH 值，系列 2 为 OD 值。5 讨论(1)本实验为发酵实验，对于发酵来说，菌种的纯度是很重要的，所以在操作和灭菌方面都要很细心严谨，一旦染上杂菌，损失是无法挽回的。尤
18、其是在接种和对发酵罐进行灭菌时，要注意不能染菌。(2)在配制母液时，遇到了困难。后来想到的办法是以前做过的高浓度向低浓度多次稀释的操作方法。这是第一次配制母液，很成功。(3)在本实验中，调 pH 也是一件又重要又困难的事。首先要有很精密的 pH 试纸，在加酸或加碱时也要把握好度，不能加多或加少。在育晶时，pH 值显得尤为重要，如果调不好，可能会功亏一篑。所以，调 pH 也要特别小心。(4)在实验时，设备、药品以及仪器等的不足或损坏也严重影响了实验的效果。希望学校能在学生的实验方面多加重视。6 致谢感谢学校安排这样的实验，让我们提前对自己以后相关工作有了一个初步又实际的了解。感谢学校提供这样一个
19、环境，让我们又一次深深记住了本专业重要的一些知识，也学会了应用。7 参考文献1 寇天平.味精生产的概念:10-112 高巍等.味精的安全性评估J,2009,34(7)3 吕少英, 梁雪等.L 一谷氨酸分离提取研究进展.全国发酵行业高峰论坛,2007:66-684 刘建明.谷氨酸提取工艺.TIECHNOLOGY AND MARKET,2009,16(3):33-345 束松坡.发展味精工业再谈保护环境谷氨酸浓缩连续等电提取工艺的发展历- 8 -程和进步含义J.发酵通讯科技,2004,33(3):116 毛忠贵,陈建新,张建华.味精清洁生产技术谷氨酸提取闭路循环新工艺简介.2001:1327 杨平子.谷氨酸提取工艺优化J.发酵通讯科技,2005,34(3)8 许赵辉,王焕章等.超滤膜除谷氨酸发酵液中菌体对等电提取收率的影响J.膜科学与技术,2000,20(3):63-649 晏承富.反调 pH 值提取谷氨酸探讨J.发酵通讯科技,2003,32(4):1-210 刘乘龙，张建华等.万方数据.2008,34(11)
