味精生产技术.doc

味精生产技术(Monosodium glutamate production technology)第九组 系部：食品与生物工程系专业：生物工程 班级：文生105-2 成员：王照生201090621235 李亚东201090621216 王汝春201090621233 马成龙2010906212101、 行业简介味精，也称味之素（商品名称），学名谷氨酸钠，是调味料的一种，主要成分为谷氨酸钠。谷氨酸钠是谷氨酸的钠盐，是一种无色无臭的晶体，在232时解体融化，吸湿性强，易溶于水。谷氨酸钠还具有治疗慢性肝炎、肝昏迷、神经衰弱、癫痫病、胃酸缺乏等病的作用。要注意的是，如果在100以上的高温中使用味精，鲜味剂谷氨酸钠会转变为致癌性的焦谷氨酸钠。如果在碱性环境中，味精会起化学反应产生一种叫谷氨酸二钠的物质，因此要注意使用和存放味精的条件。1、 产品的分类和用途 我国的味精目前有四种规格，即俺含有谷氨酸钠的纯度可分为99、95%、90%、80%四种。除99%以外，其他三种分别加5%、10%、20%食盐等作填充料，有白色柱状结晶型和白色粉末状结晶型。市场上供应的味精，谷氨酸钠含量低于80%的只能称之为调味品，所以在选购时要看清包装上的谷氨酸钠含量。2、 行业的历史1866年，德国人H.Ritthasen博士从面筋中分离到谷氨酸，根据原料定名为麸酸（因为面筋是从小麦里的提取出来的）。1908年，日本东京大学池田菊苗实试验，从海带中分离的得到L-谷氨酸结晶体，这个晶体和从蛋白质水解得到的L-谷氨酸是同样的物质，而且都是有鲜味的。在1965年以前是以面筋或大豆粕为原料，通过酸水解的方法生产味精的。这种方法消耗大，成本高，劳动强度大，对设备要求高，需耐酸设备。随着科学的进步及生物技术的发展，史使味精生产发生了革命性的变化，自1965年以后我国味精厂都以粮食（玉米淀粉、大米、小麦淀粉、甘薯淀粉）为原料，通过微生物发酵、提取、精制得到符合国家标准的谷氨酸钠，用了它以后使菜肴更加鲜美可口。3、地位和作用随着生产的发展以及人们消费水平的提高，味精在人们的生活中已经成为不可缺的鲜味物质。味精不仅能为菜肴增添鲜味，还具有丰富的营养。谷氨酸钠被人们食用后，能够通过胃酸的作用解离为谷氨酸，能很快的被消化吸收，变成人体组织中必不可少的蛋白质。而谷氨酸是一种高级营养辅助药，在医疗上有护肝、解毒、改善神经系统的功能，对于年少儿童还具有促进神经系统发育的作用，在日常生活中适量地食用味精，能促进发育，增强体质。因此，味精的作用及营养价值很重要。二、谷氨酸发酵生产方法和生产工艺流程1、生产方法谷氨酸发酵包括了谷氨酸的生物合成和积累两个过程。谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，再氧化成酮戊二酸。酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+ 存在的条件下，生成谷氨酸。因此，谷氨酸的生物合成途径包括EMP、HMP、TCA循环DCA循环和CO固定作用等。 主要酶反应：酮戊二酸+ NH4+ +NADPH谷氨酸+HO+NADP 由葡萄糖生成的谷氨酸钠的总反应式为： CHO+NH+3/2OCHON+3HO+CO谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌的代谢均存在EMP途径和HMP途径。经这两条途径发酵至丙酮酸后，一部分经氧化脱羧生成乙酰辅酶A,一部分通过羧化固定CO生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合酶催化作用下，缩合成柠檬酸，再经TCA循环中的部分步骤生成酮戊二酸，经转氨反应生成谷氨酸。2、 发酵工艺流程材料准备谷氨酸发酵生产菌种制备移种谷氨酸发酵过程的控制谷氨酸等电点回收谷氨酸发酵培养基的制备谷氨酸的中和，精制味精的结晶与干燥提交工作任务报告单3、 主要工艺参数溶解氧对谷氨酸产生菌种的种子培养影响很大。溶解氧过低，菌体呼吸收到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是并非溶解氧越高越好，当溶解氧满足菌的需氧量后继续升高，不但会造成浪费还会由于高氧水平抑制菌体生长和谷氨酸的生成。温度 谷氨酸发酵0-12h为长菌期，菌种生长最适温度30-32。当菌体生长到稳定期，进入产酸期，控制温度为34-36。pH 为了维持发酵的最佳条件，根据谷氨酸产生菌发酵的最适pH在7.0-8.0之间，采用提高通风量、控制流加氮源的方法来调节谷氨酸的发酵。磷酸盐是谷氨酸发酵过程中必需的，但浓度不能过高，否则会转向缬氨酸发酵；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于产酸。发酵结束后，常用离子交换树脂法等进行提取。3、 技术参数1、 菌种方面目前在谷氨酸发酵生产中所使用的菌种主要如下：棒状杆菌属：谷氨酸棒状杆菌、北京棒状杆菌、钝齿棒状杆菌。短杆杆菌：黄色短杆菌、天津短杆菌。这些菌种具有以下共同的特征：细胞形态为棒状、断杆；革兰氏阳性菌，无芽包，无鞭毛，不能运动；都是需氧型；都是生物素缺陷型；脲酶强阳性；不分解淀粉；谷氨酸脱氢酶活力强；不分解谷氨酸，并能耐高浓度谷氨酸；发酵中菌体发生明显的形态变化，同时细胞膜渗透性发生变化；二氧化碳固定反应酶系活力强；乙醛酸循环弱；-酮戊二酸氧化缺失或微弱。菌种的选育根据各个军中的特征，选择合适的菌种作为培养的对象很重要，英雌在生产实践中，育种思路可以从以下几个方面考虑。一是可通过诱变选育L-谷氨酸的结构类似物抗性突变株和营养缺陷型的回复突变株，以解除自身的反馈抑制和反馈阻遏，增大L-谷氨酸积累量。二是选育强化能量代谢的突变株。三是选育不能以L-谷氨酸作为唯一碳源生长的突变株。(1)北京棒状菌AS 1.99（Corynebaxterium pekinense n.sp.AS 1.99）细胞呈短杆或棒状，有时略呈弯曲状，两端钝圆，排列为单个、成对或V字形。革兰染色阳性。无芽孢，无鞭毛，不运动。普通肉汁平皿培养，菌落圆形，中间隆起，表面光滑湿润，边缘整齐，菌落颜色开始呈白色，直径1mm，随培养时间延长变为淡黄色，直径增大至6mm，不产水溶性色素。普通肉汁液体培养，稍馄饨，有时表面呈微环状，管底有粒状沉淀。(2)钝齿棒状菌 AS 1.542（Corynebacterium crenatum n.sp.AS 1.542）细胞呈短杆或棒状，两端钝圆，排列为单个、成对或V字形。革兰染色阳性。无芽孢，无鞭毛，不运动。细胞内次极端有异染颗粒并存在数个横隔。普通肉汁固体平皿培养，菌落扁平，呈草黄色，表面湿润无光泽，边缘较薄呈钝齿状，不产水溶性色素，直径3-5.普通肉汁液体培养浑浊，表面有薄菌膜，管底有较多沉淀。2、 工艺上 材料准备 谷氨酸常用材料有玉米、小麦、甘薯、大米等。谷氨酸生产时发酵原料具有一定的选择原则。首先要考虑菌体生长繁殖的营养，是否有利于谷氨酸的大量积累，还要考虑原料是否丰富、价格便宜，发酵周期是否短，产品是否易提取等因素。 菌种制备 菌种制备的主要目的是尽可能地培养出高活性、能满足大规模发酵需要的纯种，主要方式为：分离纯化和扩大培养。分离纯化一般两个月左右就应该分离纯化一次，分两步进行。第一步是用平板稀释法分离出单细胞菌落，具体方法是把待分离的菌株用无菌生理盐水制成菌悬液，并在装有玻璃珠的三角瓶中充分震荡，利用玻璃珠的滚动使菌体细胞分散，然后将菌悬液稀释成一定的浓度，分别做平板培养，使被分离的单细胞长成单菌落；第二步是挑取若干单细胞菌落接种于试管斜面培养基上，然后把这些菌株分别用三角瓶进行摇瓶发酵试验，比较各菌株产酸的高低，选择产酸的菌株供生产用。扩大培养室菌种制备的主要手段，其培养顺序为：斜面菌种、一级种子、二级种子。工艺操作要点 a制备淀粉水解唐 b发酵 发酵过程分为：斜面活化二级摇瓶种子二级罐种子发酵 c谷氨酸提取 大本分工厂提取谷氨酸采用等电点法。将发酵液的pH调至3.22，谷氨酸就处于过饱和状态呈结晶析出。d中和脱色 谷氨酸与碳酸钠中和制成谷氨酸钠，才具有强力鲜味。中和温度为60-65，中和液的浓度为22B,pH为6.9-7.0。106g的t碳酸钠可中和294g的谷氨酸。中和完毕后，需将中和液脱色。先用谷氨酸将中和液pH调回至6.3，加热至60，使谷氨酸钠充分溶解加入粉末活性炭进行脱色，搅拌30min后，即可让其自然沉淀或进行过滤。e浓缩结晶 将脱色液放入真空浓缩锅内，真空度保持8000Pa以上，温度控在60以下，当锅内液体浓度达到32B时，即开搅拌机，关掉蒸汽，用真空吸入晶种，进行起晶，然后将所得晶液在离心机内进行离心分离。f干燥过筛 将结晶味精于80干燥，然后过筛。大片的可打碎成粉搅拌入食盐，作为粉状味精；过细的作为小结晶味精或当晶种使用。g成品包装、标志、运输和存储 产品的外包装按照包装储运图示标志（GB/T 191-2008)的要求，外包装物应有明显的标志。产品在运输过程中应轻拿轻放，严防污染、雨淋和曝晒。产品储存在阴凉、干燥、通风无污染的的环境下，不应露天堆放。3、 产物的分离和提取主要工艺流程图： 谷氨酸中和脱色除铁浓缩和结晶成品分离和干燥a、使用碳酸钠对谷氨酸钠进行中和，pH一般控制在6.7-7.0得到的是谷氨酸一钠|（有鲜味）。在实际操作中，由于谷氨酸在水中的溶解度较小，中和反应的体系应当控制在60左右，应先将谷氨酸加入到热水中，在逐步加入碳酸钠，完成中和。b、脱色常用的活性炭脱色法，温度一般控制在50-60。c、根据实际操作所使用设备的材质，此步骤选做。d、浓缩和结晶包括三个过程：形成过饱和溶液晶核形成晶体成长e、用抽滤装置将味精晶体分离，再放入干燥箱干燥，干燥温度不超过60，即得到味精原晶体。4、 主要生产设备试管；三角瓶；高压灭菌锅；摇床；培养箱；显微镜；膜组件；板块过滤器；旋转蒸发器；发酵罐：GUJS-50-500型，种子罐50L,发酵罐500L。4、 技术进展(一).菌种方面为了证实在谷氨酸棒杆菌中，利用H + -ATPase 基因失活构建高产谷氨酸基因工程菌的应用可行性，通过重组PCR 技术部分缺失H + -ATPase 亚基基因序列，采用插入失活方法构建H + -ATPase 失活的谷氨酸棒杆菌。考察了其谷氨酸产生能力及对生长速率的影响。实验结果表明，H + -ATPase 失活的谷氨酸棒杆菌在含有100g /L 的葡萄糖培养基中摇瓶发酵，其谷氨酸最大累积量为51 6g /L，比野生菌株提高了42 9%。生长速率研究结果表明，H + -ATPase 失活的谷氨酸棒杆菌生长速率略低于野生谷氨酸棒杆菌。证实了H +-ATPase 基因失活对提高谷氨酸产量的作用，为利用H + -ATPase 基因构建高产谷氨酸基因工程菌株提供了科学依据。（二）工艺上1 选育优良菌种高产、纯正、优良的菌种是保证发酵成功的前提，因此优良生产菌种的选育一直是谷氨酸发酵的主要研究课题。谷氨酸发酵一般采用黄色短杆菌（Brevibacterium fLavum） 为出发菌株，根据代谢控制发酵原理进行人工诱变，定向选育高产率的菌种。如陈宁等人以黄色短杆菌T1 为出发菌株，利用紫外线、硫酸二乙酯进行诱变，定向选育出具有寡霉素抗性、谷氨酸氧肟酸盐抗性的温度敏感型突变株TM106。然后，以TM106 和产酸率高（10.5%以上） 的天津短杆菌TG961 为亲株，通过原生质体融合技术，成功地选育出了产酸率高的融合子CM021，并且该菌株系温度敏感型菌株，可用于谷氨酸强制发酵。在最佳条件下，谷氨酸产酸率达13.6%，糖酸转化率达60%以上在菌种的保藏和培养过程中，与一切生物发酵生产一样，菌种是发酵生产成败的内因，生产选用高产、纯正、优良的菌种，必须做好5 个方面的控制：严格保藏温度和干燥的环境，满足菌种不变异、不退化、不污染的条件。保藏菌种要经分离、纯化、筛选，要有专门的冷藏设备，周围的环境要清洁无污染，对于细菌的保藏可采用- 80 冰箱保藏液体菌种的方法。生产使用的菌种要尽量减少传代次数，斜面菌种一般以2 代 3 代可用于生产的为佳。严格菌种培养的原材料，试剂原料经过摇瓶和生产试验后，要基本固定规格和生产厂家。有机原料更换批号要做摇瓶试验，每批都要留样做下批试验的对照。一级种子的培养要严格摇瓶培养间的温度、无菌等级，有条件的情况下摇瓶间可送无菌风。要保证摇床的转速和振幅，经常检查摇床的皮带或齿轮是否松动。控制好一级种子下瓶的时机，除进行OD （光密度） 的检测外还可进行湿菌体或用血球计数器计数检测，镜检菌体的形态和同步性，同时要尽量缩短一级种子的冷冻时间，为下一步的扩大再培养提供活力强、同步性好、数量多、无污染的一级菌种。2 流加糖的控制流加糖工艺的关键技术在于开始流加的时机的选择、流加过程中的流加速度、流加期间残糖的含量及流加糖量占总投糖的比例。根据菌种的耗糖能力、生物素，在采用适量法的工艺条件下，总投糖含量为18%左右的转化率较高，投糖超过20%的转化率就有低于58.0%的危险（转化率低于58.0%对淀粉的单耗和成本造成升高的影响），投糖量过低虽然可以提高转化率，但产酸低、影响设备利用率和能源的消耗。2.1 初糖浓度一般情况下，大罐初糖12%14%、菌种10 h左右达到平衡，初糖15%16%、菌种12 h 左右达到平衡，12 h 的转化率为55.0%左右；初糖16.0%以上菌种要在14 h 左右达到平衡，12 h 的转化率一般为52%左右。总之，初糖含量的设计要考虑对菌种生长和转化率的影响也要考虑到发酵培养基的平衡，在发酵周期30 h 左右、流加糖含量为36.0%左右的条件下，初糖设计含量为14%16%是比较适当的。如果流加糖含量提高至50.0%以上，初糖质量分数设计在13%14%即可。2.2 流加时间选择适当的时机是相当重要的，对发酵的产量有很大影响。补糖的时机不能单纯以培养时间作为依据，要根据糖的耗用速度、值变化、残糖的高低、菌体活力、菌体形态是否转型等因素判断比较符合实际。补糖的时间原则是控制微生物的中间代谢，使之向有利于产物积累的方向发展。能控制菌体量的增加、糖的消耗速度与发酵单位增长三者之间的关系，就可获得更长的生物合成期，以利于谷氨酸的积累。其控制要点是谷氨酸生产菌转型期和乳酸峰值期相结合进行糖流加。开始流加时机应以残糖量、耗糖速度、菌体的活力和转型情况为依据，通过耗氧及需氧情况的计算显示，发酵残糖在5.0%2.0%时是流加糖的最佳时机。在流加过程中流加速度主要根据残糖量控制，根据生产经验残糖控制量为2.0% 1.0%、流加糖占总投糖的60%70%时产酸和转化率较为理想。糖液质量直接影响谷氨酸发酵生长、耗糖速度，进而影响产量和酸糖转化率, 控制好糖液的质量是发酵成功的基础，糖液的质量应该是具有高DE 值（97%以上） 和高DX 值（95.0%以上），复合二糖3.0 以下，三糖、四糖以上的糖含量不超过0.5%1。2.3 流加方式连续流加比间歇流加控制效果好，这样可以避免一次性大量流加而引起菌体的代谢受到环境突然改变的影响。如此在恒定状态下微生物所处的环境条件，如培养物浓度、产物浓度、pH 值以及微生物细胞的浓度、生长速率等可以始终维持不变，以达到产生大量代谢产物的目的。对谷氨酸发酵而言，其控制要点有以下3 个方面：流加糖质量分数在45%50%之间，糖色泽不增加，糖不被分解，蒸发过程中损失尽量减小，蒸发温度不宜过高，时间不宜过长，避免产生焦糖和色素，浓缩前后的糖DE 值（或DX 值） 与透光率差距不能过大；流加糖消毒灭菌温度不宜过高，而且要迅速降温至30 45 ，保压备用；流加过程中残糖控制量不宜忽高忽低，宜根据糖耗速率控制流加数量，保持残糖含量稳定。3 生物素的控制在生物素用量的控制中不但要考虑到培养基中原料（包括玉米浆、糖蜜纯生物素） 的生物素总量，同时还要考虑到糖液因玉米淀粉和生产工艺的变化造成的营养素（生物素和维生素） 的变化，适时地根据发酵耗糖、产酸及发酵的容氧情况调整培养基中生物素配比，控制生物素用量，充分满足生长、耗糖、合成谷氨酸的需要，并且不能出现负面的影响。在采用生物素适量法工艺控制中，发酵培养基的总生物量控制在10.0 g/L 以上，与生物素用量相配套的二级种子到大罐的接种量达到10.0%以上，湿菌体量控制1.0 mL/10 mL 以上；大罐初糖采用14%16%的中高糖发酵，大罐前期（对数生长、转型期、发酵期） 的通风量已达到0.35 m3/s0.45 m3/s，大罐最大湿菌体量达到0.9 mL/10 mL1.0 mL/10 mL；在低糖（36.0%左右） 流加的情况下周期缩短到28 h30 h，产酸可达到12.0%左右，转化率达到59.0%以上。适量法成功的经验说明，生物素量的设计不是孤立的一个条件，要与其他的工艺条件相配合。4 发酵环境条件控制4.1 温度控制发酵罐温度根据发酵时间进程，在不同阶段按最适宜的微生物生长环境设定温度值。4.2 pH 值控制发酵罐pH 值程序控制根据生产实践长期摸索的规律，确定一条优化设定曲线，采用液氨流加，控制发酵液的pH 值。考虑到pH 值过程的非线性特性，为了提高控制效果，采用了有约束力的非线性补偿控制方法，pH 值的跟踪性能与抗干扰性能都较强，最大稳态误差pH 值不超过0.1。4.3 压力控制发酵罐压力的稳定不仅可以有效地防止染菌，减小供风阻力的波动，也有助于气液两相氧气分压的平衡和DO 值的稳定。该系统与空气流量控制系统虽然有明显的关联性，但通过调整控制器的有关参数，可以将这2 个变量分别控制稳定。4.4 溶解氧控制在发酵过程中恰当控制溶解氧， 改变代谢分布，可以增大谷氨酸产率，减少杂酸的生成。溶解氧最优控制水平为10%左右。在一般情况下，当发酵罐内有富余的空气且搅拌电机转速适中时，通过对搅拌电机转速控制可以得到良好的溶解氧动态过程，而在空气量不足或搅拌电机达到一定转速后，DO 变化受到限制，这时可以通过溶解氧和风量调回路得到继续改善（三）产物的分离和提取1.1浓缩等电工艺流程浓缩等电工艺源自日本味之素公司糖蜜发酵谷氨酸的提取技术, 国内最早由河南莲花味精集团将其嫁接于淀粉糖原料发酵工艺上(图2), 该工艺没有采用/离交技术0, 优点是硫酸、液氨消耗低, 排放高浓度废水总量仅占发酵液体积的50% 左右。211 清洁工艺流程“清洁工艺”是由江南大学和山东菱花集团合作开发并于2000年成功产业化的开环式清洁工艺(图3)。通过絮凝除菌、多效蒸发浓缩、脱硫酸铵和造粒干燥等工序, 从离交尾液中回收菌体蛋白、无机和有机肥, 蒸发冷凝水回用, 既无废水又无废气。图三3 无废低耗工艺的构建与关键技术研究311 无废低耗工艺的构建吸取上述提取技术及高浓废水治理技术的优点而摒弃其缺点, 实现高收率、高质量、低物耗及资源综合利用等优势的集成, 是构建谷氨酸提取无废低耗工艺的目标。基于此目标构建的谷氨酸提取无废低耗生产工艺(以下简称无废低耗工艺)如图5所示。无废低耗工艺采用新型的具有/ 细晶消除功能的等电结晶工艺, 以降低等电母液中残留谷氨酸浓度, 提高一步等电结晶的收率; 同时以等电母液中残留谷氨酸的二次结晶技术替代现有的离子交换技术, 以降低硫酸、液氨等辅料的消耗; 将谷氨酸二次结晶和清洁工艺的蒸发浓缩巧妙结合, 在不增加蒸气消耗的前提下, 有效地解决高浓废水污染问题。工艺目标: 谷氨酸提取总收率93% , 接近等电离交工艺; 不再消耗离子交换所需的硫酸和液氨,也无额外产生的工艺废水。要实现图5无废低耗工艺, 必须解决2 个技术关键点: 连续间歇耦联等电结晶技术(简称半连续结晶)和二次结晶技术。该工艺在山东菱花味精有限公司进行了中试,半连续结晶罐规模为5 m3, 二次结晶罐规模为3.4m3。图五312 半连续等电结晶工艺研究常规等电结晶母液中存在大量微小晶体, 微晶数量多少直接影响提取收率和晶体质量。半连续结晶内含“微晶自动消除技术”, 目的是消除结晶母液中存在的微小晶体, 使等电母液中残留谷氨酸的浓度由离交工艺的2.3%降至1.8% 以下, 将一步等电结晶收率提高到85% ; 其次, 谷氨酸晶体颗粒直径大幅度提高, 纯度提高到98% 以上。微晶消除后谷氨酸结晶颗粒粗壮, 容易分离且夹带母液少,因而收率和纯度都高。313 二次结晶工艺研究二次结晶技术的关键是获得晶形良好的-晶体, 以保证二次结晶收率达到60% 以上, 且工艺上容易实现分离操作。等电母液中硫酸铵等杂质浓度是谷氨酸的4倍以上, 二次结晶困难, 采用常规浓缩结晶, 得到的是小颗粒泥状结晶(图6), 分离困难且纯度低。采用变温连续浓缩