味精工业下游分离技术案例分析

1、味精工业下游分离技 术案例分析 第七组：洪文静、林明全、蔡圳、冯博、林吴静、王扬 味精的主要成分为谷氨酸。它是中国菜肴里运用较 多的一种调味剂。 但对于味精的发现是在20世纪初期，。1907年，日 本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布 （海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶 体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道， 池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池 田教授将这种味道称为“鲜味”。继而，他为大规模生 产谷氨酸晶体的方法申请了专利。池田教授将谷氨酸钠 称为“味之素”。这种风靡整个日本的“味之素”，很 快传入中国，改名叫“味精”。 味精提取工业的三大阶段

2、： 味精生产工艺流程图 菌种菌种 斜面培养斜面培养 摇瓶扩大培养摇瓶扩大培养 种子罐扩大培养种子罐扩大培养 原料原料 预处理预处理 水解水解 过滤过滤 淀粉水解糖淀粉水解糖 配料配料 发酵发酵 空气空气 空气压缩机空气压缩机 冷却冷却 气液分离气液分离 过滤除菌过滤除菌 等电点调节等电点调节 沉淀沉淀 离心离心 粗谷氨酸粗谷氨酸 溶解溶解 中和制味精中和制味精 母液母液细谷氨酸细谷氨酸 除铁除铁 过滤过滤 脱色脱色 浓缩结晶浓缩结晶 离心离心 小结晶小结晶 干燥干燥 拌盐粉碎拌盐粉碎 粉状味精粉状味精 大结晶大结晶 干燥干燥 过滤过滤 成品味精成品味精 谷氨酸分离提取工艺技术简介 等电点结晶+

3、离子交换工艺 发酵结束，pH值为6.77.0， 加入酸，其pH值缓慢下降至 pH3.2，使离子态谷氨酸转变为 分子态的谷氨酸钠，过饱和的分 子结晶、析出。 等电结晶不可能析出所有的谷氨 酸，在小于pH3.2的情况下，谷 氨酸以GA +的形式存在，使用铵 型交换树脂吸附GA +，再洗脱使 其进入下批次的结晶罐结晶，从 而提高得率。 浓缩等电转晶工艺 此工艺下发酵液不经过除菌体直 接浓缩之后加酸或水解液，在高 温下始终使谷氨酸成饱和状态， 然后一边添加发酵浓缩液，一边 添加硫酸或水解液，在大量底料 存在的情况下，使溶液始终处于 饱和状态并不断析出晶体。 晶体经离心分离洗涤后转晶，最 后制成中和液。

4、 温度温度 加晶种加晶种 起晶起晶 等电点搅拌 20h 静置沉 降6h 离心分离 湿谷氨酸 缓慢缓慢 加酸加酸 发酵液 pH4.0-4.5 (起晶中和点) 停酸育晶 2h 盐酸 继续中和至 pH3.0-3.2 晶种 谷氨酸 等电点结晶+离子交换工艺 液体 离子交换 结晶 废液 影响结晶的因素 温度与结晶 的关系 起晶 与晶 种的 添加 加酸速度的 影响 搅拌 对结 晶的 影响 温度对结晶的影响： 晶体类型晶体类型 斜方型，晶体颗粒大，容易沉 淀析出，纯度较高。 鳞片状，晶体比较轻，不易沉淀分 离，往往夹有杂质与胶体结合，成 为“浆子”或者轻质谷氨酸，浮于 液面和母液中，纯度低。 ：30以下形成

5、 :晶体大且均一,易于沉降,收得率高。 :晶体大小不一,小晶体难于沉降,收得率低. 自然起晶，pH中和至4.04.5时，可作 为起晶中和点，应停止加酸，养晶育晶2小时左右， 使晶核成长壮大。 过早投放:晶种容易溶化掉 过晚投放:形成更多细小晶核 前期稍快 中期要缓 后期要慢 : 开始加酸调pH至 5.0这段时间内，加酸 速度可稍快些 在pH 5.0以下，加酸速度要缓慢 发现晶核时，应停酸育晶 然后再继续慢慢加酸直至pH缓慢降到 等电点为止 等电点结晶+离子交换工艺 (1)不搅拌的情况下起晶: (2)搅拌的情况下起晶: 搅拌速度 浓缩等电转晶工艺 主要步骤： 第一步：浓缩连续等电，就是发酵液浓缩

6、后进行以活性晶种为起 头的以酸碱度控制手段德连续等电结晶过程，此结晶仍是讲究高 纯度的-晶形。 第二步：转晶、洗晶，就是为了提高谷氨酸纯度和品质，以温度 控制的手段使谷氨酸由-晶形转化为-晶形，并进行2次以上的 洗晶分离。 第三步：分离蛋白和旋流沉淀，就是把连续等电结晶分离出的一 次母液以电荷絮凝的手段提出菌体蛋白，同时把清夜用专门设计 的液态旋流器是母液中结晶谷氨酸连续快速沉淀而分层逆流，增 加谷氨酸的回收。 谷氨酸提取工艺的比较 等电离交工艺的优缺点 浓缩等电转晶工艺的优缺点 等点离交工艺优缺点： 优点： 工艺提取率高：94%-95% 操作简单，适合大规模提取、 分离。 缺点： 物耗高 废

7、水污染严重 谷氨酸质量低 浓缩等电转晶工艺优缺点 优点： 硫酸、液氨消耗量低 废水排放量少 产物质量高 缺点： 时间较久：浓缩以及连续等电 均需要时间 所需反应复杂：浓缩等电必须 加入转晶这一步骤，不然所得 产物质量差。 等电离交与浓缩等电转晶的技术指标、物耗以及经济分析 采用浓缩等电转晶工艺虽然提取收率比等电离交工艺低1%，但硫酸、液氨的消耗量 低，同时谷氨酸专晶后的精制收率提高2%，浓缩等电工艺的总体成本比等电离交工 艺低了124元。张建华, 杨玉岭, 孙付保,等. 谷氨酸提取产业现状与无废化发展方向J. 生物加工过程, 2009, 7(6):1-7. 等电离交与浓缩等电转晶的后续清洁与废

8、水处理对比 但由于等电离交工艺辅料投入大，副产物有机肥的产出量多了 400多kg，因而二者经济相当。 谷氨酸提取的新技术以及清洁生产技术 谷氨酸双结晶技术 味精清洁生产技术的发展 谷氨酸双结晶技术 首 先 用 发 酵 液 直 接 等 点 结 晶 ， 谷 氨 酸 一 步 收 率 8 0 % 以 上 ， 得 到 的 麸 酸 质 量 好 ， 不 用 转 晶 可 直 接 用 于 精 制 ; 提 取 后 的 母 液 除 去 菌 体 和 可 溶 性 蛋 白 后 浓 缩 ， 再 经 蒸 发 结 晶 得 到 的 二 次 结 晶 谷 氨 酸 ( 以 后 简 称 二 次 谷 氨 酸 ) ， 谷 氨 酸 二 步 收

9、 率 在 7 0 % 以 上 ， 总 提 取 收 率 超 过 9 4 % 但 二 次 谷 氨 酸 杂 质 含 量 多 ， 颜 色 深 ， 必 须 适 当 纯 化 后 才 可 精 制 生 产 味 精 。转晶是首选的纯化方法。 谷氨酸双结晶技术关键： 半连续结晶工艺：半连续结晶是连续间歇耦联结晶的简称，它保 留了连续结晶和间歇结晶共有的优点。研究结果显示：一步结晶 收率85%，纯度98%，母液浓度 1.6%。谷氨酸提取无废工艺研 究进展毛忠贵1 张建华1 杨玉岭 2（1.江南大学 无锡 214122；2.山东菱花集 团 济宁 272073） 二次提取（二次结晶）：二次结晶是考虑蒸发消除废水的同时，

10、 顺势再结晶，增加主产品谷氨酸收率。关键和难点是从高杂高粘 溶液中结晶出颗粒状 -晶体，便于其后的固液分离。研究结果显 示：获得正常 -晶体，二次收率 60%，湿纯 75%。 固液分离快 速。谷氨酸提取无废工艺研究进展毛忠贵1 张建华1 杨玉岭 2（1.江南大学 无 锡 214122；2.山东菱花集团 济宁 272073） 提高谷氨酸双结晶 产率的核心是提高 二次结晶效率。 谷氨酸二次结晶的影响因素： 杂质种类及浓度对谷氨酸二次结晶的影响杂质种类及浓度对谷氨酸二次结晶的影响 浓缩倍数对谷氨酸二次结晶的影响浓缩倍数对谷氨酸二次结晶的影响 温度对谷氨酸焦化的影响温度对谷氨酸焦化的影响 晶种添加量对

11、谷氨酸二次结晶的影响晶种添加量对谷氨酸二次结晶的影响 蒸发速率对谷氨酸二次结晶的影响蒸发速率对谷氨酸二次结晶的影响 杂质种类及浓度对谷氨酸二次结晶的影响 上述述杂质均不同程度地增加了谷氨酸在等电母液中的溶解度。 浓缩倍数对谷氨酸二次结晶的影响 不同浓缩倍数下晶体粒径分布趋势基本相同，随着浓缩倍数 增加，中位径依次为 122.2、138.0和 127.7m，表明浓缩倍数 对结晶产品的颗粒分布影响不大。但随着浓缩倍数的提高硫 酸铵随谷氨酸结晶析出，导致结晶产品纯度明显下降。另一 面，提高浓缩倍数后母液粘度大幅度增加，谷氨酸溶解度增 加，结晶收率增幅较小（表 4.9），因此可以确定浓缩倍数 以 6倍

12、为宜。 温度对谷氨酸焦化的影响 理论上，提高温度降低溶液粘度将有利于改善谷氨酸结晶条件， 但并非可以任意提高结晶温度，因为谷氨酸在高温下会分子内脱 水生成焦谷氨酸，引起谷氨酸的损失。 谷氨酸二次蒸发结晶温谷氨酸二次蒸发结晶温 度应控制在度应控制在 7070以下较为以下较为 合适。合适。 晶种添加量对谷氨酸二次结晶的影响 l 从粒径分布图 4-6 可以看出，在晶种添加量为 30%时，10-30m 之间的细晶峰最小，结晶纯度 最高。 l 表 4.5 表明当晶种添加量为 30%时，晶体纯度 最高。这是因为晶体颗粒较大时，晶体几乎 是分散的颗粒，杂质含量相对较低，因此纯 度较高。 蒸发速率对谷氨酸二次

13、结晶的影响 当蒸发速率较低时，在溶液中晶体之间碰 撞以及晶体与器壁之间的碰撞增加，由此 产生的接触二次成核几率增加，产生大量 的细晶。部分晶体由于生长时间延长使得 颗粒直径更大，使得晶体粒径分布均一性 变差。 当蒸发速率过高时，溶液中的过饱和度不 断增加，初级成核速率增加，细晶增多， 导致晶体颗粒直径变小。 蒸发速率以 207 L/m2h 为宜。 味精工业常用清洁生产技术 废水处理清洁生产技术 工艺改造 建立水循环系统 蒸汽余热利用 味精清洁生产技术的发展 常见的清洁生产方案 序号序号技术名技术名 称称 适用适用 范围范围 技术主要内容技术主要内容解决的主要问题解决的主要问题技技 术术 来来

14、源源 所处所处 阶段阶段 应用前景分析应用前景分析 1新型浓 缩连续 等电提 取工艺 味精 行业 本工艺采用新型浓 缩连续等电提取工 艺替代传统味精生 产中的等电-离交 工艺，对谷氨酸发 酵液采用连续等电、 二次结晶与转晶以 及喷浆造粒生产复 混肥等技术，解决 味精行业提取工段 产生大量高浓离交 废水的问题，且无 高氨氮废水排放； 传统的谷氨酸提 取工艺大多采用 等电-离交工艺， 即发酵液直接在 低温条件下等电 结晶，结晶母液 经离交回收母液 中的谷氨酸。传 统工艺投入设备 多，离交废水量 大；硫酸、液氨 消耗量大； 自 主 研 发 应用 阶段 本技术实施后， 味精吨产品减少 了60%硫酸和3

15、0% 液氨消耗，且无 高氨氮废水排放， 吨产品耗水量可 降低20%以上；能 耗可降低10%以上； 吨产品COD产生量 可降低50%左右； 2 发酵母液发酵母液 综合利用综合利用 新工艺新工艺 味精味精 行业行业 本工艺将剩余的结本工艺将剩余的结 晶母液采用多效蒸晶母液采用多效蒸 发器浓缩，再经雾发器浓缩，再经雾 化后送入喷浆造粒化后送入喷浆造粒 机内造粒烘干，制机内造粒烘干，制 成有机复合肥，至成有机复合肥，至 此发酵母液完全得此发酵母液完全得 到利用，实现发酵到利用，实现发酵 母液的零排放。工母液的零排放。工 艺中利用非金属导艺中利用非金属导 电复合材料的静电电复合材料的静电 处理设备处理喷

16、浆处理设备处理喷浆 造粒过程中产生的造粒过程中产生的 具有较强异味的烟具有较强异味的烟 气，处理效率可达气，处理效率可达 95%以上。以上。 味精生产中提取谷氨味精生产中提取谷氨 酸后的发酵母液有机酸后的发酵母液有机 物含量高，酸性大，物含量高，酸性大， 处理较困难。本工艺处理较困难。本工艺 不但可将剩余发酵母不但可将剩余发酵母 液完全利用，实现零液完全利用，实现零 排放，且具有投资小，排放，且具有投资小， 生产及运行成本低，生产及运行成本低， 经济效益好的特点。经济效益好的特点。 本工艺同时还解决了本工艺同时还解决了 由喷浆造粒产生的烟由喷浆造粒产生的烟 气的污染问题，具有气的污染问题，具有

17、 显著的经济效益、环显著的经济效益、环 境效益和社会效益。境效益和社会效益。 自主自主 研发研发 应应 用用 阶阶 段段 该技术实施后味精该技术实施后味精 吨产品吨产品COD产生量产生量 减少约减少约80%，并可，并可 产生产生1吨有机复合吨有机复合 肥，增加产值肥，增加产值600 元。元。 以年产以年产10万吨味精万吨味精 示范企业为例：每示范企业为例：每 年可减少年可减少COD产生产生 约约6万吨；生产万吨；生产10 万吨有机复合肥，万吨有机复合肥， 增加产值增加产值6000万元。万元。 全行业推广全行业推广(按按80% 计算计算)每年可减少每年可减少 COD产生约产生约96万吨；万吨；

18、生产生产160万吨有机万吨有机 复合肥，增加产值复合肥，增加产值 9.6亿元。亿元。 3 高性能高性能 温敏型温敏型 菌种定菌种定 向选育、向选育、 驯化及驯化及 发酵过发酵过 程控制程控制 技术技术 味精味精 行业行业 本技术利用现代生本技术利用现代生 物学手段定向改造物学手段定向改造 现有温度敏感型菌现有温度敏感型菌 种，选育出具有目种，选育出具有目 的遗传性状、产酸的遗传性状、产酸 率高的高产菌株，率高的高产菌株， 同时对高产菌株发同时对高产菌株发 酵生物合成网络进酵生物合成网络进 行代谢网络定量分行代谢网络定量分 析，结合发酵过程析，结合发酵过程 控制技术，优化发控制技术，优化发 酵工艺条件，提高酵工艺条件，提高 谷氨酸的产酸率和谷氨酸的产酸率和 糖酸转化率，其产糖酸转化率，其产 酸率可提高到酸率可提高到 现阶段味精企业普遍现阶段味精企业普遍 使用生物素亚适量型使用生物素亚适量型 菌种，其产酸率和糖菌种，其产酸率和糖 酸转化率较低，产酸酸转化率较低，产酸 率在率在11%-12%，糖酸，糖酸 转化率在转化率在58%-60%。 采用本技术可解决味采用本技术可解决味 精企业生产中菌种产精企业生产中菌种产 酸率和糖酸转化率较酸率和糖酸转化率较 低的问题，其产酸率低的问题，其产酸率 可达到可达到17%-18%