谷氨酸钠发酵工段工艺设计说明书.doc

生物工艺学课程设计说明书生物工艺学课程设计说明书 题题 目目 100kt a 谷谷氨氨酸酸钠钠发发酵酵 车车间间工工艺艺设设计计 学学生生姓姓名名 学学 院院 化化工工学学院院 班班 级级 指指导导教教师师 2011 年 1 月 20 日 学校代码 学校代码 1012810128 学学 号 号 200710513066200710513066 目录 第一章设计任务与设计依据 1 1 1 设计任务 1 1 2 设计基本依据 1 第二章 谷氨酸简介 2 1 1 概述 2 1 2 理化性质 2 1 2 1 物理性质 2 1 2 2 谷氨酸的化学性质 2 1 3 应用 2 1 4 谷氨酸的生物合成途径 2 第三章 发酵法生产谷氨酸的工艺流程 2 3 1 发酵法概述 2 3 2 原料的预处理及糖化 2 3 2 1 原料的种类 2 3 2 2 原料处理 2 3 3 谷氨酸发酵工艺 2 3 3 1 发酵培养基 2 3 3 2 培养基灭菌 2 3 3 3 发酵控制 2 3 4 谷氨酸的提取 2 3 4 1 原理 2 3 4 2 工艺流程 2 第四章 工艺计算 2 4 1 生产要求 2 4 2 工艺计算 2 4 2 1 总物料平衡的计算 2 4 2 2 发酵工段物料平衡计算 2 第五章 总结与体会 2 致谢 2 参考文献 2 引言 谷氨酸是一种酸性氨基酸 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 不论在食品 化妆品还是医药行业 谷氨酸都有很大的用 途 谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位 参与动物 植物和微 生物中的许多重要化学反应 医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷 还用于改 善儿童智力发育 食品工业上 味精是常用的仪器增鲜剂 其主要成分是谷氨 酸钠盐 过去生产味精主要用小麦面筋 谷蛋白 水解法进行 现改用微生物 发酵法来进行大规模生产 不论在食品 化妆品还是医药行业 谷氨酸都有很 大的用途 谷氨酸钠俗称味精 是重要的鲜味剂 对香味具有增强作用 谷氨酸钠广 泛用于食品调味剂 既可单独使用 又能与其它氨基酸等并用 用于食品内 有增香作用 甘氨酸具有甜味 和味精协同作用能显着提高食品的风味 谷氨 酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道 不仅能增强食品风味 对动 物性食品有保鲜作用 本次设计为年产 10 万吨谷氨酸生产的发酵工段 因此对谷氨酸的发酵介 绍较为详细 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 1 第一章设计任务与设计依据 1 1 设计任务 1 设计题目 100kt a 谷氨酸钠车间发酵工段设计 2 目的与意义 本题目根据生物工程专业的培养方向选择 谷氨酸是是本专业中一个具有 代表性的产品 生产工艺涉及种子培养 发酵 提取等重要的单元操作和工程 概念 通过对谷氨酸的工艺设计 进一步巩固加深并应用所学的 生物工艺学 身无分离工程 发酵设备与工厂设计概论 和 化工原理 等专业基础和 专业课的理论知识 使之系统化 综合化 培养综合运用基础知识和专业理论 解决工程实际能力 为毕业设计打下基础 1 2 设计基本依据 1 于信令 味精工业手册 M 第二版 中国轻工业出版社 2009 2 HG20559 93 标准 3 俞文和 新编生物工艺学 M 第二版 中国建材工业出版社 2002 4 吴思方 生物工程工厂设计概论 M 第二版 中国轻工业出版社 2002 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 2 第二章 谷氨酸简介 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 谷氨酸在生物体内的 蛋白质代谢 过程中占重要地位 参与动物 植 物和微生物中的许多重要化学反应 医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷 还用于改善儿童智力发育 食品工业上 味精是常用的仪器增鲜剂 其主 要成分是谷氨酸钠盐 过去生产味精主要用小麦面筋 谷蛋白 水解法进行 现改用微生物发酵法来进行大规模生产 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 1 2 1 物理性质 谷氨酸的立体异构体 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 3 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 4 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 温度 溶解度 g 100g 00 341451 816 50 411502 186 100 495552 632 150 596603 160 200 717653 816 250 864704 594 301 040755 532 351 250806 660 401 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 乙醇浓度在 25 时的溶解 度 g 100ml 24 50 29274 350 037 50 750 13195 140 0094 1 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 5 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 6 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 谷氨酸钠 广泛用于食品调味剂 既可单独使用 又能与其它氨基酸等并用 用于食品 内 有增香作用 在食品中浓度为0 2 0 5 每人每天允许摄入量 ADl 为 0 120 微克 千克 以谷氨酸计 在食品加工中一般用量为 0 2 1 5 克 公斤 甘氨酸具有甜味 和味精协同作用能显着提高食品的风味 谷氨酸作为 风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道 不仅能增强食品风味 对动物性 食品有保鲜作用 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 7 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 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 8 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 9 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 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 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 10 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 11 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 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 2O2 C5H9NO4 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 12 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 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 13 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 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 mL min 大气压 中后期 以高通风量为宜 Kd为 1 5 18 10 6mol mL min 大气压 实际生产 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 14 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 般低糖 10 12 发酵 其发酵时间在 36 38h 中糖 14 发酵为 45h 3 4 谷氨酸的提取 发酵结束后 发酵液中积累了大量的谷氨酸 将谷氨酸从发酵液中分离出 来的过程 称为谷氨酸的提取 谷氨酸提取方法有五种 等电点法 离子交换 法 锌盐法 渗透膜法和溶剂抽提法 目前我国大多数采用等电点法提取谷氨 酸 3 4 1 原理 谷氨酸子等电点 pH 时 发酵中正负离子 电荷 相等 总静电荷等于零 形成偶极离子 此时谷氨酸溶解度最小 被析出呈结晶状态 谷氨酸的等电点 时 pH 为 3 0 3 2 3 4 2 工艺流程 等电点法提取谷氨酸的工艺流程如下 盐酸 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 15 发酵液 调酸 停酸育晶 等电搅拌 静置沉降 离心分离 谷氨酸 pH4 5 4 0 2h pH3 0 3 2 1 调节等电点 将发酵结束的醪液引入等电点桶或等电点池 待液温降至 30 加盐酸调 pH 约 2h 左右将发酵液 pH 调至 4 0 4 5 左右时 观察晶核有否形成 如已形 成晶核 应停止加酸 育晶 1 2h 使晶核增大 然后缓慢地将 pH 调节至 3 0 3 2 为止 此时继续搅拌 20h 2 谷氨酸分离 停止搅拌后 静置分离 4h 关闭冷却水 放出上清液 除去谷氨酸沉淀表 层菌体及细麸酸 放入另一缸中回收利用 底部谷氨酸结晶取出送离心机分离 所得湿谷氨酸供精制用 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 16 第四章 工艺计算 4 1 生产要求 年产 100kt a 的谷氨酸生产 4 2 工艺计算 4 2 1 总物料平衡的计算 物料衡算是根据质量守衡定律而建立起来的 物料衡算是进入系统的全部 物料质量等于离开系统的全部物料质量 即 WDF 式中 F 进入系统物料量 D 离开系统的物料量 W 损失的物料量 一 生产过程的总物料衡算 一 生产能力 年产谷氨酸钠 100kt 即为商品味精为 100kt a 换算为 99 的味精 99kt a 二 计算指标 以淀粉质为原料 表 4 1 计算指标见表 淀粉糖化转化率 98 5 发酵产酸率 浓度 11 发酵对糖转化率 60 培养菌种耗糖为发酵耗糖 1 5 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 17 谷氨酸提取收率 96 精制收率 95 玉米中淀粉含量 86 发酵周期 含辅助时间 40h 全年工作日 330d 三 物料衡算 以单位 1t 的玉米计算 1000 玉米产谷氨酸钠量 1000 1 11 98 5 60 100 1 5 96 95 1 272 86 644 7 11 发酵产酸率 98 5 淀粉糖化转化率 60 发酵对糖的转化率 1 5 培养菌种耗糖为发酵耗糖的百分数 96 谷氨酸提取收率 95 精制收率 86 玉米中淀粉含量 1 272 272 1 147 187 纯谷氨酸相对分子质量 纯味精相对分子质量 淀粉单耗 1t 谷氨酸钠实耗玉米量 tt 5511 1 7 644 1000 总收率 98 64 100 7 81 95 96 5 11 60 5 98 81 7 谷氨酸对糖的理论转化率 原料及中间品计算 1t 谷氨酸钠实耗商品淀粉量 tt 5511 1 7 644 1000 所以生产 100kt 谷氨酸钠实耗商品淀粉量 100kt 1 5511t t 155 11kt 淀粉浆量 1551 1 1 2 5 5429kg 淀粉加水比例为 1 2 5 纯糖量 kg 5 1458 5 9811 1 861551 1 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 18 糖化液量 kg4862 30 5 1458 将纯糖转为 30 或 34g dL 糖液 发酵液量 发酵液中纯谷氨酸量 kg862 5 1 100 605 1458 折算为含谷氨酸 11g dl 的发酵液量 L7836 11 862 kg 1 07 为发酵液相对密度 5 838407 1 7836 产味精量 产谷氨酸 kg52 827 96862 折算为 99 味精 kg88 835 99 52 827 四 总物料衡算结果 表 4 2 总物料衡算结果汇总表 原料规格 玉米淀粉原料 生产 1t 谷氨酸钠 玉米淀粉 t 86 1 5511 糖液 t 30 4 862 谷氨酸 t 100 0 862 味精 t 100 1 0 4 2 2 发酵工段物料平衡计算 发酵配料 连续灭菌和发酵工序的物料衡算 一一 发酵培养基和用糖量发酵培养基和用糖量 1000kg 商品淀粉 可产 100 糖量 kg940 5 9811 1 861000 其中初始发酵定容用糖占 53 即 940 53 498kg 100 糖 流加补料用 糖占 47 即 940 47 442kg 100 糖 初糖用 30 的糖液配料 即kg1660 30 498 L dLg kg 1465 34 498 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 19 初唐配 13g dL 初定 13g dL 糖液相对密度 1 05 L dLg kg V3831 13 498 则 3831 1 05 4023kg 流加补糖用 60g dL 浓糖浆 相对密度 1 223 则 737 1 223 901kgL dLg 737 60 442 二二 发酵配料发酵配料 每吨商品淀粉产 100 糖 940kg 发酵配料用各种营养物质比例 见下表 表 4 3 发酵配料用各种营养物比例 W V 糖蜜 0 4 15 32kg 玉米浆 0 25 9 58kg 磷酸二氢钾 磷酸二氢钠 0 1 3 83kg 硫酸镁 0 06 2 30kg 氯化钾 0 03 1 15kg 尿素 0 5 1 9 72 79kg 总计 104 97kg 三三 配料用水配料用水 初始配料时培养基含糖量不低于 20 向 30 的糖液中加水量为 kg830 1 20 30 1660 四四 接种量接种量 发酵初定容 3831L 种量为 1 即 38 31L 种子液相对密度 1 02 则 38 31 1 02 39 08kg 五五 连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量连续灭菌过程进入的蒸汽及补水量 4023 1660 105 830 39 08 1389kg 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 20 发酵过程中加入 99 液氨量 2 8 W V 则 2 8 3831 107 27kg 六六 加消泡剂量加消泡剂量 加消泡剂量 0 05 W V 则 0 05 3831 1 92kg 七七 发酵生化反应过程所产生的水分发酵生化反应过程所产生的水分 1t 商品淀粉在发酵液中所产生的 100 谷 氨酸量 940 60 98 5 555 5kg 生成 1mol 谷氨酸产 3mol 生成 1mol 菌体产 7mol OH2OH2 根据发酵反应式 发酵产生的水分为 555 5kg204 147 183 长菌过程产生水分 1g 菌体产酸 11g 应产生水分为 kg 3 43 147 187 11 5 555 以上合计产生水 247 3kg 八 发酵液的质量 八 发酵液的质量 1660 901 104 97 830 1465 39 08 247 3 107 27 1 92 119 6 5476 14kg 30 糖 补浓糖 营养物 配料水 灭菌水 种子 反应生成水 液氨 消泡剂 空消蒸汽 发酵液 式中 119 6 控消时耗用的蒸汽量 发酵液相对密度 1 07 5476 14 1 07 5118L 九九 发酵过程从排风带走的水分发酵过程从排风带走的水分 发酵过程蒸发量 1 2 W V 1 2 5118 61 42kg 十十 发酵过程化验取样 放罐残留及其他损失发酵过程化验取样 放罐残留及其他损失 约 13kg 十一十一 发酵终止时的质量发酵终止时的质量 1t 商品淀粉 发酵终止时 1660 901 104 97 830 1465 39 08 247 3 107 27 1 92 119 6 60 56 13 5401 72kg 30 糖 补浓糖 营养物 配料水 灭菌水 种子 反应生成水 液氨 消泡剂 空消蒸汽 尾气带水 损失 终止数量 内蒙古工业大学生物工艺学课程设计 21 式中 119 6 控消时耗用的蒸汽量 十二十二 衡算结果汇总衡算结果汇