郭晓慧开题报告

1、毕业设计开题报告课题名称：50000吨/年谷氨酸工厂设计 班 级： 生物工程1001班 学 号： 1032050131 姓 名： 郭晓慧 指导教师： 杨磊 2014年 03 月 08 日一、文献综述1. 谷氨酸概述1.1谷氨酸简介谷氨酸（glutamic acid）化学式为C5H9O4N，是一种酸性氨基酸，化学名称为-氨基戊二酸，是20种常见-氨基酸之一。谷氨酸是里索逊于1856年发现的，为无色晶体，谷氨酸有鲜味，结晶状态是稳定的，微溶于水但溶于盐酸溶液，密度为1.538（kg/m3），等电点为3.22。谷氨酸是非必需氨基酸的一种，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

2、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。在食品工业中，谷氨酸钠是重要的鲜味剂，俗称味精，广泛应用于生活中。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。-聚谷氨酸是一种具有极强水溶性、生物相容性、可完全降解性的环境友好型新材料。生物合成的-聚谷氨酸通常由5005000个谷氨酸单体组成的1。谷氨酸有左旋体、右旋体和外消旋体。左旋体，即L-谷氨酸。L-谷氨酸是一种鳞片状或粉末状晶体，呈微酸性，无毒。微溶于冷水，易溶于热水，几乎不溶于乙醚、丙酮及冷醋酸中，也不溶于乙醇和甲醇。L-谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一，参与脑蛋白质代谢与糖代

3、谢、促进氧化过程、改善中枢神经系统、还可用于治疗胃酸不足和胃酸过少症，在医药、食品及化工等行业有着广泛的应用2。1.2谷氨酸的应用在食品工业，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。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。谷氨酸作为营养药物可用于皮肤和毛发。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。焦谷氨酸钠（味精脱水生成的产物）具有极强的吸湿性，能保持皮肤湿润，防止干燥，并增

4、强皮肤和毛发的柔软和弹力。在医药行业，谷氨酸作有较高的营养价值，医学上主要用于治疗肝性昏迷3和脑缺血4，还用于改善儿童智力发育。 在农业生产中，谷氨酸与某些激素配合，可制成柑桔增甜剂；还可作为微肥的载体，在氮磷钾基本满足的条件下，作为叶面喷洒的微肥具有投入少、效益高等特点。谷氨酸钠既是西红柿保护性杀菌剂，又是防治果树腐烂病的特效杀菌剂。2. 谷氨酸生产现状及发展趋势2.1 国内生产历史及现状我国味精工业发展迅猛，2007年全国味精产量达191万吨，占世界总产量的70%以上，居世界首位5, 6。我国氨基酸生产最早是在1922年用酸法水解面筋生产谷氨酸钠。1965年我国利用发酵法生产味精取得成功，

5、带动了其他氨基酸的研究开发。1965年以后，我国味精生产全部采用以淀粉质或糖蜜为原料的微生物发酵工艺，大大的促进了生产发展。随着酶制剂的应用和生产工艺及装备的改进，技术水平不断提高，进一步推动了味精生产的快速发展。但是，在谷氨酸生产中仍然存在原料利用率低，生产成本高，自动化控制水平低，环境污染日趋严重等问题。因此，目前对谷氨酸行业的研究方向主要集中在提高自动化生产程度，改进生产工艺，处理三废，解决环境污染等方面5。2.2 国外生产历史及现状氨基酸的制造始于1820年，1850年在实验室内第一次用化学法合成了氨基酸。1866年德国化学家里豪森利用硫酸水解小麦面筋，分离出一种酸性氨基酸，依据原料的

6、取材，将此氨基酸命名为谷氨酸。1872年赫拉西维茨等用酪蛋白也制取了谷氨酸。1890年沃尔夫利用-酮戊酸经溴化后合成DL-谷氨酸。日本池田菊苗教授在探讨海带汁的鲜味时，提取了谷氨酸，并在1908年开始制造商品味之素。1910年日本味之素公司用水解法生产谷氨酸。利用微生物发酵法制造氨基酸的最初产品是L-谷氨酸。1912年，日本味之素公司首先投产了以水解法生产味精的发酵工艺。即以蛋白质为原料经过盐酸水解生产氨基酸，由于谷氨酸在盐酸中的溶解度最小，可以根据溶解度的不同分离提取谷氨酸，再经过碱中和生产味精。1958年，日本协和发酵公司，又以糖质原料通过细菌进行发酵生产味精。1962年，日本味之素公司以

7、丙烯为原料，通过化学合成生产味精，年产量达12000吨，生产工艺从最初的一次糖质发酵、糖流加发酵、醋酸流加发酵、醋酸和糖混合发酵、乙醇流加发酵、石油发酵到甘油缺陷型、青霉素抗性石油发酵，生产菌种不断改进，产量也不断提高。现在国外的生产技术集中于构建基因工程菌，控制菌种的代谢途径，使菌种生产向着有利于积累发酵产物的方向上发展7。国内外各行业半个世纪的实践证明，只有走源头控制、过程预防的“清洁生产”道路，研究开发“无废低耗生产工艺”取代现有的“高污染高消耗工艺”，才能最终解决经济和环境的和谐发展问题8。谷氨酸提取技术单项指标的优劣已难以决定某项技术水平的高低，需要着眼生产全局，整体把握味精制造的经

8、济、环境和质量要求，研发创建整体最优的谷氨酸提取工艺路线，以及为实现这一工艺路线的关键技术，最终形成味精制造的无废低耗生产，这是谷氨酸提取技术发展的重要方向。2.3 谷氨酸提取工艺的研究进展目前，国内味精行业谷氨酸提取体现两条工艺主线：一是众多厂家应用的等电加离交工艺，二是以莲花为代表的浓缩高温连续等电加转晶工艺。同时两条工艺主线间穿插采用膜过滤等电离交工艺比较熟悉，而浓缩高温连续等电转晶工艺是莲花公司本着能减排、优化环保工艺减少环保压力的目的。在国外先进技术的基础上，通过实践探索总结而来，现已取得良好的社会效益和经济效益，特别是在全民倡导健康，挖潜增效的大背景下效益更加突现。分析味精现有生产

9、工艺过程可知，谷氨酸提取技术工艺路线的差异不仅决定了谷氨酸的收率和质量，同时也决定了硫酸、液氨等辅助材料的消耗水平；其次，味精工业的主要污染物高浓度废水集中产生于谷氨酸提取工序。因而，谷氨酸提取技术已不是一个单纯的产品初步分离工序，它在很大程度上决定着整个味精产业的制造成本、环境障碍和产品质量，最终制约着整个产业的可持续发展，改造现有谷氨酸提取技术将是我国味精工业实现可持续发展的重要突破口8。随着生物技术和科技的进步利用谷氨酸提取生产的废液生产聚谷氨酸也逐渐进入人们的视野。此方法主要是通过微生物的生物聚合作用生产聚谷氨酸。而聚谷氨酸是一种高分子量的聚合物，聚谷氨酸的分子链上存在大量游离的羧基，

10、从而使其具有了一般聚羧酸的性质，比如强吸水能力与金属螯合的能力等。除此之外，大量活性位点的存在也便于材料的功能化，比如可以使其部分交联后变成高吸水树脂，因此它的用途十分广泛9。 三种聚氨基酸，聚-谷氨酸、聚L-赖氨酸、聚L-精氨酸能够在微生物中的核糖体蛋白的生物合成途径独立通过酶促过程合成10。-聚谷氨酸（-PGA）作为一种高分子生物制品显现出广阔的研究及应用前景11，耐有机溶媒、耐热，抗逆性良好，它是由L-型和D-型谷氨酸通过-氨基和-羧基以肽键形式形成的高分子聚合物12。对人体和环境无毒性，具有增稠、凝胶、成膜、保湿、缓释、助溶、粘结、防冻等功能，在医药、食品、化妆品、环保、农业等领域均具

11、有光放的应用前景13。它是以谷氨酸为主要原料，具有完全生物降解性和较高的生物相容性。含适量-聚谷氨酸的材料硬度下降，其物理性能与聚丙烯相近，尤其是熔点低，是非常理想的热塑性材料14。要实现-PGA的产业化最需解决的关键问题是选育高产菌株以及用最低的成本生产出质量合格的产品，争取创造最大的经济效益9。目前世界各大谷氨酸生产国的厂商都在积极的发展生产谷氨酸的新技术，国内外谷氨酸产业的发展促使生产技术和手段方面有了巨大的进步，谷氨酸的深层次加工和用基因工程培育新的更好的产谷氨酸菌株以及新产品开发将是今后发展方向。2.4 谷氨酸生产的发展方向随着科技的发展以及技术水平的提高，我国谷氨酸生产在工艺上和菌

12、种选育上都取得了很大的进步，主要厂家已达到国际先进水平。但是仍然存在一些问题。首先，我国谷氨酸发酵液的提取方式常用等电离交法、锌盐法、水解等电点法，提取率通常在80-90%，其存在工艺复杂，酸碱消耗大、成本高、污染严重等问题，而精制生产单元采用间歇生产方式，其生产效率低、劳动强度高。而国外的提取过程采用带菌体浓缩等电点转晶、除菌体浓缩等电点转晶等技术，其具有操作方便，节省劳动力，能连续化生产等优点，很大程度上提高了生产效率。另外就是谷氨酸生产造成的环境污染问题还没有得到根本上的解决。虽然多数厂家采用末端治理技术处理谷氨酸生产的污染物达到了排放标准。但是其投资大，耗能高，成本高，没有从根本上解决

13、此问题。因此，今后的研究方向主要集中在提高自动化生产程度，研制新的生产工艺，处理三废，解决环境污染几个方面。3. 谷氨酸的生产工艺3.1 利用基因工程技术构建谷氨酸工程菌株在谷氨酸工程菌株的构建中，作为载体的质粒常采用质粒pCG4（质粒DNA大小为2.9kb，以低拷贝数存在）和pAM330（质粒DNA大小为4.6kb，拷贝数1014）。在基因操作中，既可以采用鸟枪法，也可对某一关键酶基因进行扩增或使之失活。例如，Tsuchida等人利用谷氨酸产量为5.5gL的乳糖发酵短杆菌15，采用鸟枪法将染色体DNA的Hind及Bal酶切片段插入到载体质粒pAM330中，然后利用转化法将该重组质粒分别导入到

14、两株乳糖发酵短杆菌的宿主细胞中，构建出谷氨酸工程菌株。该工程菌株经发酵培养48h，谷氨酸盐产量分别达到9gL和9.8gL。3.2 谷氨酸的生产工艺3.2.1制糖工艺作为谷氨酸生产的一个主要过程，制糖效率和方法对生产的经济性有很大影响。流加糖工艺的关键是流加方法，这包括流加量、流加时间、流加次数、流加糖的起始流加条件及流加糖的浓度等。制糖工艺其工艺方法发展历程：酸法水解酶酸法水解双酶法水解。现主要采用双酶法制糖，糖液质量好（含糖量高，透光率高），淀粉转化率高，有利于发酵和提取。目前糖液水平：透光率85%以上，含糖30%以上（淀粉原料），糖纯度98%以上，转化率95%以上16。3.2.2发酵工艺发

15、酵类型：亚适量生物素水平改良型亚适量生物素水平高生物素水平（添加青霉素、表面活性剂、采用温度敏感型菌株），我国目前许多味精厂仍采用亚适量生物素水平。投糖方式：一次投糖发酵（中、高糖）中糖及中后期补糖发酵中糖或低糖及中后期连续流加糖发酵。一次高糖发酵17：国内味精厂较多采用一次中糖发酵，初糖为1213%时，产谷氨酸56%。如果采用初糖为1520%的高糖发酵，不仅谷氨酸产量增加，而且设备利用率提高，提取工艺也可以简化。不同的菌株有不同的工艺条件要求。发酵后期流加糖工艺：采用中糖和适当增加生物素用量，并在细菌进入平衡期后期开始流加糖液的方法，可提高谷氨酸产量和对糖转化率。一般谷氨酸产量可达6.57.

16、0%，对糖转化率到50%左右于目前一次中糖发酵相比，生产率可较大幅度提高。在使用不同的菌株时，对温度接种量通风量以及发酵罐大小等条件有不同要求。蜜糖原料发酵生产谷氨酸：不同于其它发酵方法，此法不需要预先进行水解，但是蜜糖含高浓度生物素，且胶体物质较多、粘度大、色素和钙盐也较多，因此需采用特殊生产工艺。蜜糖的澄清处理蜜糖的脱钙处理蜜糖原料的谷氨酸发酵。3.2.3提取工艺生产工艺：直接等电点方法（少数锌盐法）、等电离交方法18、浓缩连续等电点法（少数厂家采用）。等电点法还能分成常温、中低温、一次低温（盐酸、硫酸），带菌体浓液一次等电点法。分离方式：间歇三足式离心机、连续锥兰式分离机、沉降式分离机、

17、带式滤过机、电膜分离法。低温连续等电点法：目前我国味精生产厂多数采用一次低温等电点法，对于谷氨酸含量6.58.0%的发酵液其提取收率为7580%。其优点是析出晶体颗粒粗易分离，粒径均匀，光泽度好，适用于不正常发酵液谷氨酸的提取。具体操作如下：发酵液在等电点罐中采用低温等电点法结晶，待析晶完全后以晶体及母液作为种子，维持一定的温度和pH值，然后一边连续添加新发酵液一边放料，进出料量保持一致，放出的物料在育晶罐中让晶体长大，育晶结束以后进行分离得到谷氨酸晶体19。此外还有等点离子交换法、盐酸盐法、锌盐法、等电锌盐法等。3.2.4精制工艺的进展脱色除铁方式：全粉炭脱色、硫化碱除铁和颗粒炭脱色、树脂除

18、铁。结晶方式：夹套式结晶罐内循环式结晶。谷氨酸钠溶液经过活性碳脱色及离子交换柱除去Ca2+、Mg2+、Fe2+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2915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。结晶罐的基本操作条件为罐内真空度0.0750.085MPa，温度为70，浓缩液浓度的波美度为3336，结晶时间1014h，操作原则是争取最大的结晶速度和收率，并获得

19、均匀整齐的晶型20。参考文献1 曹名锋,金映虹,解慧,王淑芳,宋存江. -聚谷氨酸的微生物合成、相关基因及应用展望J. 微生物学通报,2011, 38(3):388-3952 邓毛程,梁世中,王瑶,朱明军. 二次接种叠加生物素的谷氨酸发酵工艺研究J. 食品与发酵工业,2007.07:1-53 石晓蕾,王 琦. 谷氨酸受体系统与肝性脑病J. 医学综述,2006,12(3):175-1764 Li X Z, Bao S R. Glutamic acid and cerebral ischemiaJ. Chinese Journal of Clinical Rehabilitation,2002,6

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25、攻关，选育菌种，于1965年正式在上海味精厂首先投入工业化生产。微生物发酵法这一新工艺，生产条件温和，使劳动和环境得到大大的改善，生产的产品食用更加安全，并为节约宝贵的蛋白质资源、促进粮食深加工、提高农产品附加值做出了积极的贡献，是二十世纪六十年代谷氨酸发酵的重要成果，为生物技术在氨基酸工业中的应用开辟了广阔的前景。本次进行年产5万吨谷氨酸工厂设计，包括工厂的布局规划、生产车间的布置、工艺流程的选择和工艺计算等。采用发酵法最优越，原料选择来源广阔、工艺比较稳定、设备腐蚀性低、容易实行工业化、综合效益好。通过本设计，学习并掌握独立检索文献的方法、发酵工厂设计中衡算及设备选型的计算方法；具备独立制

26、定设计工艺方案的能力以及工程制图能力，并由此形成初步的发酵工厂设计能力；能够运用本专业知识独立解决一般的发酵工程技术问题；提高综合素质，培养创新能力和实践能力。2设计拟采取的工艺原理技术路线谷氨酸发酵的主要原料有：淀粉（玉米、小麦、甘薯、大米等）、糖蜜（甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜）、醋酸、乙醇、正烷烃（液体石蜡）、氮源料（尿素或氨水）。目前我国的大多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料的，当然也存在少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产的，所有原料在使用前必须进行预处理。在谷氨酸发酵中，淀粉水解糖的质量高低，往往直接关系到谷氨酸菌的生长速度，谷氨酸的积累以及谷氨酸的分离提取，可以说糖液质量对发酵的影响占5060%。本设计选择玉米淀粉为原料进行生产谷氨酸。谷氨酸的生产菌种，主要是谷氨酸棒状杆菌，它属于温度敏感性、生物素缺陷性，属于G+菌，多为短棒、球、棒状，没有鞭毛不可以运动，需要生长素作为它的生长因子，在通氧气的条件下可产生谷氨酸。基本工艺流程：玉米淀粉 调浆 糊化 液化 糖化 过滤 精制 水解葡萄糖 培养基 发酵 真空浓缩