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菱花集团见习报告 生命科学与工程系 食品科学与工程专业 毛凤娇 2014/5/16菱花集团见习报告摘要： 谷氨酸是利用微生物发酵生产的一个具有代表性的产品，生产工艺涉及种子培养、发酵、提取、脱色、离心和干燥等重要的单元操作和工程概念。通过对谷氨酸车间的实习参观，可以加强对自己对所学知识的综合利能力。通过本毕业实习训练，可以提高自己理论联系实际的能力和工程设计方面的能力。味精又称谷氨酸一钠，其基本成分为L-谷氨酸，具有强烈的肉类鲜味。将其添加在食品中可使食品风味增强，鲜味增加，故被广泛使用。味精在胃酸作用下生成的谷氨酸，被人体吸收后，参与人体内许多代谢反应，并与其他氨基酸一起共同构成人体的组织蛋白。谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷，还能促进中枢神经系统的正常活动，对治疗脑震荡和脑神经损伤有一定功效。我国的味精生产始于1923年，上海天厨味精厂最先用水解法生产。1932年沈阳开始用脱脂豆粉水解生产味精。我国从1958年开始谷氨酸生产筛选及其发酵机理的基础性研究，1964年首先在上海进行工业化试生产。目前国内味精生产已全部用发酵法。所以，今后菌种，工艺技术和生 产规模方面还需加大改革力度，使生产水平再上一个新台阶！目前，企业生产味精都是以发酵法生产，但每生产1吨味精要排放2025吨母液，其属于高浓度有机酸性废水，需对母液进行回收，发展高效提取工艺，提高谷氨酸提取率和降低工艺用水，减少废水排放量，实现味精的清洁生产，在发展工业经济的同时走上可持续发展的文明道路，这样，我国的味精工业不但真正收到经济效益和环境效益的共同丰收，而且也会减轻政府对行业的管理负担，形成多种因素和谐统一，走上良性运行可持续发展的健康道路。1、 公司简介 菱花集团有限公司位于济宁高新技术产业开发区，创建于1979年，是国家级大型企业集团，农业产业化国家重点龙头企业， 全国农产品加工业示范基地，国家火炬计划重点高新技术企业，山东省高新技术企业， 山东省知识产权试点企业，中国专利山东明星企业，山东省资源综合利用企业、山东省环保优秀企业，山东省节能先进企业，2007年被国家六部委认定为国家循环经济试点企业。 拥有国家级企业技术中心和山东省氨基酸工程技术研究中心。现拥有资产18亿元，员工4300余人，下辖菱花股份、正大菱花、菱花诚志、菱花立功、菱澳科技等十余家公司。产品拓展到以“菱花”牌味精为主，鸡精、酱油、复合调味品等调味品系列；谷氨酸、赖氨酸、谷氨酰胺为主的氨基酸系列；生物肥料、热电、化工、彩印、机械等领域。主导产品“菱花”牌味精荣获“人民大会堂宴会专用产品”，首批“中国名牌产品”、“绿色食品”等殊荣，“菱花”商标被认定为“中国驰名商标”，通过了ISO9001：2000国际质量体系认证。国内市场占有率达到16%以上，产品远销亚、欧、非、南北美洲的60多个国家和地区。菱花集团现已形成年产18万吨味精生产能力，综合实力位居国内同行业前列。2、 主要原材料和产品的物化性质 1、物理性质（一）谷氨酸的立体异构体（1）谷氨酸分为L型、D型、DL型三种。（2）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。（3）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。（二）谷氨酸结晶的特征（1）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.（2）型和型结晶的外观和X射线衍射图形均不同。表1-1 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（三）谷氨酸的溶解度（1）谷氨酸在水中的溶解度 表1-2温度/溶解度/(g/100g)温度/溶解度/(g/100g)00.341451.81650.411502.186100.495552.632150.596603.160200.717653.816250.864704.594301.040755.532351.250806.660401.50810014.00（2）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。（3）谷氨酸在乙醇中的溶解度表1-3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)24.50.29274.350.03750.750.13195.140.00942、化学性质（1） 谷氨酸可以与酸作用（2） 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（3）加热 谷氨酸长期加热，经脱水后生成焦谷氨酸（无鲜味）。（4）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（5）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（6）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（7）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。（8）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。三、谷氨酸的生物合成途径1、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。2、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。四、工艺流程加压冷却除水棉花过滤二级种子液化淀粉酶糖化过滤糖化液配料连续灭菌发酵等电点分离谷氨酸中和脱色过滤过滤液炭柱脱色脱色液蒸发结晶贮晶分离湿味精干燥筛选结晶味精糖化酶玉米浆糖蜜无机盐滤渣消泡剂液氨离交法回收谷氨酸水母液硫酸或盐酸碳酸钠活性炭废炭母液制白谷氨酸水蒸汽晶种空气种子水淀粉4.1糖化工段4.1.1 发酵原料 发酵生产谷氨酸的原料淀粉淀粉来自粮食原料，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甘蔗糖蜜醋酸乙醇正烷烃（如液体石蜡）等。内蒙古阜丰生物科技有限公司使用的的是玉米。4.1.2 淀粉水解淀粉在酸或酶的作用下，其颗粒结构被破坏，-1，4和-1，6糖苷键被切断，分子质量逐渐变小，经中间产物蓝糊精、红糊精、无色糊精、低聚糖、麦芽糖，最后生成葡萄糖。淀粉在酸或酶作用下，发生的主要反应如下：淀粉水解产生葡萄糖的总反应可用下式表示： 4.1.3 糖化方法在工业上，淀粉的处理主要是指糖化，制得的水解糖叫淀粉糖。可制备淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等。制糖方法有酸解法、酶酸法和双酶法；三种糖化工艺，各有其优缺点。从糖液质量、收得率、耗能以及对粗淀粉原料的适应情况看，酶解法最佳、酸酶法次之、酸法最差。但酶解法生产周期长，糖化设备较庞大。从糖浆的黏度来看，酶法最低、酸法最高。而阜丰生物科技公司使用的糖化原料是玉米，糖化方法是双酶法。双酶法制备葡萄糖可分为两个过程，即液化过程和糖化过程。液化是利用-淀粉酶将淀粉液化，转化为糊精及低聚糖；糖化过程即利用糖化酶将液化的糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖。4.2配料及连续灭菌4.2.1 玉米淀粉制备4.2.1.1 玉米子粒的特征与淀粉生产工艺的关系从玉米子粒中提取淀粉需要把子粒的各种化学组分进行有效地分离，以便最大程度地提纯淀粉，并回收其他成分。湿磨是目前惟一有效的方法。风干状态的玉米子粒，含水量在15左右，子粒坚硬，机械强度大，子粒内部各个结构部分及各种化学组分紧密结合在一起，加工时要根据子粒的特点和各种化学组分相互结合的状况采用适当的工艺方法进行分离。玉米子粒硬度大，要采取浸泡法使其吸水软化。玉米子粒皮层结构紧密，通透性差，浸泡时要采取添加SO2等成分增加皮层膜的透性。胚芽含油量大，但韧性强，加工时根据这个特点，对玉米进行粗破碎、分离胚芽。可溶性成分一般通过浸泡工艺分离出来。玉米胚乳中淀粉与蛋白质的结合非常牢固，比小麦淀粉与蛋白质结合要牢固得多，在湿法加工中，单用水不能使蛋白质和淀粉很好地分离，要通过所添加的SO2氧化还原性质打开包围在淀粉粒表面的蛋白质网膜。皮层及纤维则主要是在湿磨后采取筛选方式去除。4.2.1.2 玉米淀粉提取工艺流程 玉米淀粉提取采用湿磨工艺，自1842年开始在美国应用以来，100多年中，人们对玉米湿磨工艺进行了许多改进。中国玉米淀粉工业起步较晚，湿磨工艺是1956年从前苏联引进的，直到20世纪80年代末期，中国的玉米淀粉工业开始有较大幅度的发展。现在，我国淀粉年产量约400万t，其中玉米淀粉约占80。 玉米淀粉生产包括3个主要阶段：玉米清理、玉米湿磨和淀粉的脱水干燥。如果与淀粉的水解或变性处理工序连接起来，可以考虑用湿磨的淀粉乳直接进行糖化或变性处理，省去脱水干燥的步骤。 玉米淀粉生产的工艺流程，大致可分为4个部分：玉米的清理去杂；玉米的湿磨分离；淀粉的脱水干燥；副产品的回收利用。其中玉米湿磨分离是工艺流程的主要部分。原料玉米净化杂质 硫磺燃烧二氧化硫亚硫酸浸泡稀玉米浆浓缩玉米浆 胚芽饼 破碎胚芽分离洗涤脱水干燥榨油 精磨 玉米油 筛洗渣皮脱水干燥粉碎纤维粉 麸质分离稀蛋白质浓缩干燥蛋白粉 清水淀粉洗涤 离心脱水 气流干燥 玉米淀粉 计量包装 玉米淀粉生产的工艺流程图4.2.2 配料流程将料液、玉米浆、糖蜜及无机盐原料通入配料罐，将料液通入换热器进行换热后，泵入维持罐，蒸汽升温后，再次通入换热器降温第一次，用冷凝水降温第二次。将料液通入发酵罐，进行发酵。玉米浆罐糖蜜罐配料罐维持罐一级种子罐二级种子罐维持罐维持罐维持罐糖化罐螺旋板式换热器2个螺旋板式换热器2个螺旋板式换热器1个螺旋板式换热器1个发酵罐泵无菌空气无菌空气水碱水无机盐4.3发酵工段4.3.1 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。（1） 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，1g分子葡萄糖产生1g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。（2） 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，一般用尿素或氨水作为氮源。（3）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-等阴离子作为无机盐。它们通常用量是：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%。（4）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。（5）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。4.3.2 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。4.3.3 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。（1） 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。（2） 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。（3） 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/(mLmin大气压)】；中后期以高通风量为宜【Kd为（1.5-18）10-6mol/(mLmin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。4.4提取工段发酵结束后，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。目前阜丰生物科技公司采用的是等电点法提取谷氨酸。4.4.1 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。谷氨酸的等电点是3.22，将溶液的pH值调至3.22，使谷氨酸析出，然后通过过滤和离心等操作获得谷氨酸。谷氨酸晶体有两种，分别是a-型和-型。前者的晶轴长短接近，晶体粗壮，颗粒大，易沉淀分离，是理想晶体；后者晶轴长短不一，针状或鳞片状，晶粒微细。不易沉淀析出。所以在操作中，需控制条件以利于形成a-型。4.4.2 工艺流程等电点法提取谷氨酸的工艺流程如下： 盐酸 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。4.5结晶工段谷氨酸转晶技术：a型谷氨酸转变为b型谷氨酸的工艺为转晶技术。用于去除色素和杂质，提高质量，利于精制，如结晶速率加快，周期缩短，味精质量和收率明显提高。谷氨酸中和沉淀出铁脱色过滤脱色过滤GH-15颗粒活性炭脱色浓缩结晶离心分离、变晶水碳酸钠活性炭硫化碱活性炭氨基酸回调pH活性炭二次脱色硫化碱晶种流加母液蒸馏水母液小结晶结晶味精干燥过筛成品包装干燥拌盐粉碎成品包装活性炭硫化碱味精精制流程图5菱花集团见习心得体会 转眼间大学生活已将度过了四分之三，毕业的钟声将要敲响。将课堂所学知识运用于实践成为我们必经之路。在老师的带领下，5月8号我们来到菱花集团见习。 纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。在短暂的实习过程中，我深深的感觉到自己所学知识的肤浅和在实际运用中的专业知识的匮乏。已经大三的我，距离工作不远了，于是拓展自身的知识面，扩大与社会的接触面，增加个人在社会竞争中的经验，锻炼和提高能力成为我们的迫切需要提高的素质。见习是教学与生产实际相结合的重要实践性教学环节。它不仅让我们学到了很多在课堂上根本就学不到的知识,还使我们开阔了视野，增长了见识，了解一个企业是怎样进行生产的。为我们以后更好把所学的知识运用到实际工作中打下坚实的基础。我们实习的味精生产企业菱花集团有限公司，总部位于济宁高新技术产业开发区，创建于1979年。现已发展为集生物工程、科技研发、国际贸易、能源供应、房地产开发为一体的国家级大型企业集团，拥有国家级企业技术中心，被列为国家循环经济试点（示范）单位、国家火炬计划重点高新技术企业、国家知识产权试点企业、农业产业化国家重点龙头企业、全国农产品加工业出口示范企业、全国新农村建设百强企业、全国重合同守信用企业、省重点企业、市改革开放30年功勋企业；员工4000余人；资产总额30