生物化工产品的开发及生产技术2课件

第四章

生物化工产品的开发

及生产技术

有机酸氨基酸生物可降解塑料功能性食品添加剂生物农药与生物肥料生物药物及其他生物产品1、柠檬酸：柠檬酸(“枸椽酸”)：第一有机酸，2008年全球柠檬酸总销量高达115万吨，食品用途约占6成，医药和其它工业用途（化妆品，洗涤剂等）约占4成。我国是世界主要柠檬酸生产国与出口国，出口量高达15万吨以上。

第一节有机酸一、重要的有机酸柠檬酸的消费领域：饮料行业占40～45％食品添加剂等占15～20％洗涤剂占20～30％医药占5％其它占10％具有广泛用途的有机酸。世界乳酸的总产量约为20万吨左右，日本和美国两国的乳酸需求量3.5万吨。我国的乳酸目前已形成了约4万吨的生产能力。青岛扶桑化学公司是国内最大的精制(发酵)乳酸出口企业。

2、乳酸——聚乳酸牵头发展

PLA为一种无毒高分子新材料，在环境中可自动降解，可用于生产医用塑料制品和食品包装等。产业界认定为新世纪最有发展前途的新型材料。由于我国原料玉米丰富，发展乳酸及聚乳酸产业的前景广阔。目前，乳酸生产成本偏高以及聚乳酸聚合难题成为制约乳酸工业发展的瓶颈。

苹果酸在饮料中使用较多。但由于价格较贵，故苹果酸的用途受到了一定的限制。全球苹果酸的年产销量约在3万吨左右。苹果酸有清除牙齿色斑和牙垢(牙石)的美容作用。故日本花王等日化产品厂商均已在牙膏、牙粉等洁齿产品中添加苹果酸。3、苹果酸——生产成本较高

而L苹果酸可用于医药工业的输液、pH调节剂和某些药物的中间体。每吨纯品65－70万元人民币。生产成本高,出口数量少。我国采用固定化菌体将富马酸转化为L苹果酸，因技术不过关，富马酸残留高，出口困难。而发酵法生产L－苹果酸仍处于研究阶段。葡糖酸是唯一具有促进双歧杆菌等“益生菌”生长作用的有机酸。蜂蜜、酿造醋等产品均含有一定量的天然葡糖酸。酸味为柠檬酸的1/3。葡糖酸作为食品和医药原料(如用于生产“葡糖酸钙)的用量正在逐年上升。4、葡糖酸——有保健新用途

主要来源是葡萄酒生产厂。酒石酸在食品工业中应用远远不如柠檬酸那样广泛，但它却是医药工业的重要原料。许多难溶药物均可加工成为水溶性极佳的酒石酸盐(如经典药物“酒石酸锑钾”)。欧洲各大葡萄酒厂是世界最大的酒石酸生产基地，全球80%的酒石酸产自欧洲。发酵法生产酒石酸仍在研究中。5、酒石酸——八成产自欧洲琥珀酸在食品工业中应用较少，也属医药工业的常用原料之一。主要用于生产难溶药物的水溶性盐——琥珀酸盐。全球琥珀酸总产销量约在1万-2万吨左右。我国的琥珀酸生产仍以化学合成为主。未见发酵法生产琥珀酸的报道。6、琥珀酸——产量不大

重要的化工原料，主要用于晴纶化纤、树脂、橡胶、涂料、造纸、制药、农药、轻工、食品等领域（合成树脂或在工业上用作除垢剂等）。世界年需衣康酸5－6万吨。主要生产国美国、日本、俄罗斯。我国以发酵法生产衣康酸，年产量5000t。大部分内销。因技术存在问题，产品质量不过关。外销困难。7、衣康酸柠檬酸（citricacid）又名枸橼酸，学名3-羟基-3-羧基戊二酸(C6H8O7)是生物体代谢产物之一，广泛分布于自然界、动物及人的器官中。无色透明或半透明晶体，或粒状、微粒状粉末，无臭，具有强烈的酸味，但令人愉快。稍有涩味。极易溶于水，乙醇，微溶于乙醚。无旋光性。

二柠檬酸的发酵生产HOOCCH2CHOHCOOHCH2COOH(一)、概述（1）食品方面：柠檬酸被称为第一食用酸味剂饮料——不仅赋予饮料水果风味，而且具有增溶、缓冲、抗氧化等作用，能是饮料中的糖、香精、色素等成分交融协调果酱和果冻，酿造酒，冰激淋和人造奶油（增加乳化稳定性）、腌制品（除腥去臭、抗氧化）、罐头食品、豆制品和调味品

1、柠檬酸的应用

（2）医药工业、美容、化妆品工业中作为活性药物的增溶剂，改善药物口感和清凉，解毒功能。洗发和染发剂中均有柠檬酸具有防腐，去除头皮屑功能，洗头时可增加头发的光泽，恢复头发的弹性。

1784年;由Scheels氏发现柠檬酸

1893年至1917年：青霉菌生产（德国微生物学者

Wehmer首先用青霉菌生产柠檬酸）；1917年至1938年：黑曲霉，浅盘发酵，奠定了大规模生产的基础；1938年至1951年：深层发酵，用糖蜜为原料（1951年美国Miles公司首先采用深层发酵法）。2、国外柠檬酸发酵技术发展的三个历史时期我国在20世纪40年代初开始浅盘发酵；60年代末开始深层发酵（先为薯干原料，后发展到精淀粉或糖蜜原料）；1970年开始进行石油为原料发酵柠檬酸(C10～22链烷烃等）目前，我国柠檬酸生产厂已过百家，年生产能力达80多万吨，居世界第一位。

淀粉质原料或糖质原料：

黑曲霉（Aspergillus

niger

）

正烷烃为原料：解脂假丝酵母（Candidalipolytica

）热带假丝酵母（C.tropicalis

）(二)、柠檬酸生产菌1、简介：将接种后的发酵液分装入发酵盘进行发酵的方法。传统方法，设备投资少，动力消耗低，原料粗放、价廉，生产易控制，目前已实现全部自动化操作。缺点是设备占地大，劳动强度大，能耗高，产率和回收率低，副产物多。(四)、柠檬酸的静止浅盘发酵工艺2、浅盘发酵设备发酵盘：材质，以不锈钢为佳。规格4m×1.2m×0.15m。其次还有铁盘、铝盘、耐酸塑料盘。发酵盘经常受到酸液、高温蒸汽、甲醛、微生物的侵蚀，所以材料和涂料要求严格。为了防止蒸发过快和天花板冷凝水滴入盘中，每个发酵盘上有一盘罩5、干孢子制备工艺流程：一级发酵用种子质量鉴定培养器液态培养32－35℃干孢子收集干燥40－50℃无菌空气成品保藏使用前检查斜面培养30℃原菌种三角瓶培养3二级三级（总发酵时间：8～9天）6、液体表面发酵工艺流程pH值3～4.5搅拌煮沸15～30min静止4h取上清加等体积沸水，糖蜜质量1%生石灰糖蜜原料硫酸或硫酸钠糖蜜浓度12～16%（以蔗糖计）冷却至60～70℃加营养盐和抗菌剂入室装盘（40～45℃

液层深8～20㎝）冷却至35℃接种黑曲霉干孢子（100mg/m2表面积）通风培养（35℃，3天）控温发酵至结束26～28℃，pH2.5最大通风量(15～18m3/m2·h，湿度75%以上)(五)、柠檬酸的深层发酵工艺1柠檬酸发酵的原料原料糖质原料和石油烷烃。糖质原料包括薯类：甘薯、薯干、木薯、木薯干、马铃薯、薯渣。谷类：玉米、小麦、面粉、大米。淀粉：谷类与薯类加工的淀粉。砂糖：白砂糖、赤砂糖、糖蜜。

淀粉糖：淀粉水解糖(单糖、双糖、糊精、葡萄糖母液)果实，粮食加工下脚料：各种含糖果实、糖食加工的下脚料等。石油烷烃原料包括正烷烃、乙酸、乙醇等

淀粉水解糖的制备

淀粉质原料是发酵工业常用的原料，大多数发酵生产菌不能直接利用或仅微弱利用淀粉，因此淀粉质原料必须转化为葡萄糖等可发酵性糖，才能被生产菌利用。工业生产将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖碳源：黑曲霉能利用的碳源很多，淀粉和二糖，单糖大多能利用。从生产角度看，葡萄糖、蔗糖、糊精是最好的碳源。但为了降低成本，多用廉价的甘薯、玉米、小麦及其淀粉、糖蜜。高糖浓度是柠檬酸深层发酵的特征，薯干粉深层发酵，粉浆浓度可达16－20％。淀粉质粉浆浓度25%。2培养基生理酸性氮:（NH4)2SO4,（NH4)3PO4

（NH4)2HPO4

（NH4)Cl（NH4)2CO3生理碱性氮:NaNO3,KNO3LiNO3CaNO3

有机氮:麸皮、米糠、蛋白胨、氨基酸、尿素等。氮源：柠檬酸发酵中的氮源有氮源是黑曲霉合成细胞物质和代谢调节的重要物质，特别是细胞中铵离子浓度的升高，能解除ATP和柠檬酸对磷酸果糖激酶的反馈抑制，有利于柠檬酸的生成与积累。在柠檬酸生产中，黑曲霉偏好生理酸性氮[如（NH4)2SO4]，酸性氮中的铵离子被利用后，使培养基变酸，可以使发酵中的黑曲霉生长阶段结束，转入产酸阶段，pH下降到较低水平有利于柠檬酸的积累，所以铵盐即可以调节代谢，也可以控制pH。无机盐：无机盐是黑曲霉生长和柠檬酸发酵不可缺少的物质，具有构成菌体，促进代谢，促进产酸的作用。我国采用诱变方法改良的菌株耐金属离子，原料与水可不经处理用于发酵。采用薯干粉、马铃薯、木薯和糖蜜原料发酵，其中P、K、Mg、S已够黑曲霉生长，不需专门添加。要求KH2PO4KClMgSO4.7H2OZn2＋Mn2＋Cu2＋SFe2＋％％％mg/L深层0.05-0.5

0.01-0.030.01-0.05

<0.3<0.2<0.5<0.07<0.2

发酵黑曲霉对无机盐及微量元素的要求镜检：菌丝粗壮，结成菊花状小球体，无异味，无杂菌。pH：2.0-2.5酸度：0.5-2.0%柠檬酸含量：0.5g/dl种子质量要求：3柠檬酸深层发酵工艺流程（薯干原料）原始菌种实罐灭菌预处理培养基配制原料实罐液化粉碎无菌空气麸曲菌种空气净化系统空压机种子罐试管斜面环境空气过滤发酵连消发酵成熟醪去柠檬酸提取工段代表菌种：Co827、γ-130、T419液体深层发酵工艺三级过滤↓黑曲霉↓原料,配料↓灭菌空气ⅠⅡⅢ无菌空气柠檬酸（盐）ⅣⅤ无菌空气制备和有氧发酵系统（气升式发酵罐）生产实例工艺说明菌种：Co827麸曲菌种：制法同前种子罐培养基：干薯干粉16-20%，（NH4)2SO40.5%，0.1MPa蒸汽灭菌30min，接入1000ml三角瓶麸曲菌种20-50只（根据发酵罐容积定）。35±1℃培养16-24h。发酵罐培养基：干薯干粉16-20%，0.1%的α-淀粉酶（中温），115℃灭菌10－15min，培养温度35±1℃，通风量0.08-0.15m3/m3.min（视接种方式及培养情况而定）。温度控制黑曲霉属嗜热菌，最适生长温度33－37℃，生产中温度控制在35±1℃。若采用孢子接种，在孢子发芽和菌球体形成阶段，可采用40℃高温培养，促进其发育，进入产酸期再降到35℃左右。pH控制黑曲霉柠檬酸生产菌发育适宜pH3－7。一般在生产中，在菌种生长期，pH维持在4.5(有利于糖化）。而柠檬酸积累时，即产酸期最适pH2.0-3.0。pH3.0以上易产生草酸。采用薯干发酵生产柠檬酸，初始pH不调节，为自然pH。接种量孢子接种量与产酸的速率成正比关系，随着孢子接种量的增加，柠檬酸的产率也提高。溶解氧的控制黑曲霉的柠檬酸产生菌属于严格的好氧菌，在生长、繁殖和产酸阶段均需要氧，一般黑曲霉生长期溶氧分压＞1.8kPa，产酸期溶氧分压＞3.2kPa由于菌体生长过程中呼吸作用，消耗大量的氧气，特别当菌体生长接近最大值时(20～24h)即旺盛的对数生长期时，其需氧达到最高蜂，其后(一般24—30h)菌体生长缓慢，进入产酸期，氧的消耗率立即降低到一个较低的水平，并一直持续到发酵终了。(六）柠檬酸生产下游工程成熟的柠檬酸发酵醪，主要成分除柠檬酸，还有菌体，纤维、有机杂酸、糖、蛋白类胶体物质、色素、矿物质及其它代谢产物。来源于原料及发酵过程中。以溶解或悬浮状存在于发酵醪中。通过各种理化方法，清除这些杂质，得到符合各级质量标准的柠檬酸成品的全过程，即为柠檬酸生产的下游工程。发酵醪精滤净化液复滤过滤阳离子交换拄调浆粗柠檬酸液预热钙盐离子交换工艺流程活性碳粒滤液酸解蒸发结晶离心阴离子交换拄预处理复滤过滤洗钙中和过滤湿晶包装干燥筒仓筛分入库成品菌渣浓有机废水淡有机废水湿石膏渣加热90℃CaCO390℃H2SO4等外品洗晶水母液70℃

乳酸,又名丙醇酸,学名α-羟基丙酸,分子式为C3H6O3,其分子结构中含有一个不对称碳原子,因此具有旋光性按其构型及旋光性可分为L-乳酸、D-乳酸和DL外消旋乳酸三类.它是世界上公认的三大有机酸之一,是制造无毒的高分子化合物聚L-乳酸的单体,也是医药、印刷、印染、制革、食品等工业的重要原料。二乳酸发酵

乳酸,又名丙醇酸,学名α-羟基丙酸,分子式为C3H6O3,其分子结构中含有一个不对称碳原子,因此具有旋光性按其构型及旋光性可分为L-乳酸、D-乳酸和DL外消旋乳酸三类.它是世界上公认的三大有机酸之一,是制造无毒的高分子化合物聚L-乳酸的单体,也是医药、印刷、印染、制革、食品等工业的重要原料。二乳酸发酵

作为一种食品添加剂人体只含有L-乳酸脱氢酶,所以只能够分解自身产生或摄入的L-乳酸,所以高光学纯度的L-乳酸更受市场的青睐。自然界中可产生L-乳酸的微生物很多,但产酸能力强,可应用到工业上的只有霉菌中的根霉及细菌的乳杆菌属、链球菌属及芽孢杆菌属,下表列出了一些主要的产L-乳酸的微生物。

根霉属(Rhizopus)中产L一乳酸的菌种很多,有米根霉(Rhizopusoryzae)、黑根霉(Rhizopusnigricans)、华根霉(Rh.chinensis)、行走根霉(Rhizopusstolonifer)、小麦曲根霉(Rhizopusritici)和美丽根霉(Rhizopuselegans)等十多种,其中米根霉生产L一乳酸的能力最强。

米根霉菌落疏松或稠密,最初呈白色,后变为灰褐色或黑褐色。菌丝爬行,无色,于37-40℃生长。米根霉能够利用淀粉等廉价原料,营养要求粗放,菌丝体大而易于分离,利于L一乳酸的精制,成为国内外广泛研究的发酵生产菌。

国内外对乳酸发酵生产的研究,主要是从发酵原料的选择、菌种的选择和改良、发酵工艺技术的改进三个方面进行的（一）发酵制备L-乳酸所用的原料及选择

1发酵制备L-乳酸所用原料的种类目前国内外发酵制备乳酸所用原料多集中于农副产品，也有利用纤维等废弃物发酵乳酸的报道。

以玉米淀粉或玉米粉发酵制备乳酸；以大米粉发酵制备乳酸；以红薯淀粉发酵制备乳酸；以纤维等废弃物发酵制备乳酸；以废食品等为碳源进行乳酸制备。

YuRC等人对直接发酵农产品生产L-乳酸进行了研究，其结果是每千克粗玉米淀粉原料生成350g以上的L-乳酸。白冬梅等人对玉米淀粉先液化糖化再进行发酵，产酸71.65g/L。吴清林等人直接对玉米粉进行发酵，通过物理方法处理，克服了淀粉浓度过高时基质变为凝胶而不能发酵的困难，不需经液化糖化程序。

发酵制备乳酸的发展方向是对淀粉质原料的直接应用，不需经过液化和糖化，这样可以大大简化工序、降低成本，为实现大规模的工业化生产奠定基础。另一发展方向就是利用低品位的原料(如生物质原料、废纤维、厨房垃圾等)发酵制备乳酸，以实现资源循环利用和可持续利用。发酵制备L-乳酸原料的利用方式

发酵制备L-乳酸原料利用方式的不同决定整个工艺的进程，影响生产的成本。目前发酵制备L-乳酸对原料的利用方式主要集中于：①先经液化再糖化，进而再经微生物利用；

②糖化和发酵同时进行；

③对淀粉质原料直接进行利用，不经过液化糖化处理，可简化工艺过程，但对菌种要求较高，目前产率较低。（二）菌种的选择和改良

菌种选育菌种的优良直接关系到发酵过程的控制及其产量等,是发酵过程中的一个至关重要的影响因素。目前以米根霉为亲本的优良菌株的选育有:1、常规诱变育种丙烯醇的YPD平板筛选：只有乙醇脱氢酶（ADH）活性减弱的菌株才能生长。抑制ADH活性，降低丙酮酸向乙醇支路的转化，可能会提高丙酮酸向乳酸支路的碳流。

发酵复筛，得到最优突变株：取原始菌株、初筛后的突变菌株进行初步发酵。测定乳酸产量，选择出乳酸高产突变株。

育种实验方案流程：2、离子注入诱变育种

离子注入生物体诱变育种是人工诱变方法的一种新发明,已经证实离子注入诱变,可以获得高突变率,扩大突变谱,为筛选优良的突变型菌株提供广阔的空间。

低能离子注入：样品的制备：长好的新鲜斜面,用7～10mL生理盐水洗下斜面孢子,用双层无菌纱布过滤得到无菌丝体孢子悬液,取稀释10倍孢子悬液0.1mL均匀涂布于无菌平皿风干。低能离子诱变处理：

一般采用N+，能量为10keV~15keV，需要采用不同的剂量去处理。样品、稀释、分离、培养及筛选：1mL生理盐水洗涤注入后的样品,将洗脱液稀释到10-2～10-3，取0.05mL涂布于溴甲酚绿平板或琥珀酸平板上，34～36℃培养，挑取单菌落进行初筛，复筛。

古绍彬、葛春梅等采用离子束诱变方法,对米根霉PW352进行改良,以葡萄糖为碳源获得高产L(+)-乳酸菌株RE3303,产酸能力达131～136g/L,最高可达140g/L,糖转化率为86%～90%,产酸比PW352提高75%。

杨英歌、李文等采用氮离子注入诱变方法，对出发菌株米根霉RLC41-6进行改良，获得高产L(+)-乳酸菌RQ4012，以木糖作为碳源，发酵周期为72h，产酸能力达74.37g/L，产酸速达1.03g/(L.h)，比RLC41-6提高了1.6倍。经过多次传代实验证明该菌株具有较好的遗传稳定性。

李市场、葛春梅等采用离子修饰技术对一株产L-乳酸的米根霉菌P988进行诱变处理,从正变菌株中反复筛选,得到一株产酸量高的菌株PN2207,产酸量达110g/L,比出发菌株提高了23%,经过连续传代试验,其遗传性状稳定。3.利用基因工程技术得到高产的目的工程菌株。

L-乳酸脱氢酶(lactatedehydrogenase)以烟酰胺腺嘌呤二核苷酸NAD+/NADH作辅酶,可逆催化氧化L-乳酸生成丙酮酸,因此可以提高L-乳酸脱氢酶表达基因在菌株中的扩增,使其向有利于L-乳酸生成的方向进行。Skory首次将米根霉的乳酸脱氢酶基因在酵母菌中表达。其后又通过提高乳酸脱氢酶活性来提高米根霉的产酸能力。尽管基因工程实现了有目的、有控制的菌株选育,但目前关于插入的DNA片断在米根霉菌株中是如何结合与复制的还不清楚,在如何选择最佳质粒载体等方面也还有待进一步的研究。

根霉发酵机理L-乳酸发酵按发酵过程中生成产物的不同,可分成同型发酵及异型发酵两类,不同菌种有不同的乳酸发酵机理,细菌发酵为厌氧或微好氧。细菌的同型发酵一般是通过糖酵解途径,异型发酵有6-磷酸葡萄糖酸途径和双歧途径两种。根霉发酵属好氧异型发酵,但其途径与细菌异型发酵不同,是通过糖酵解途径,发酵产生L-乳酸的同时产生乙醇、富马酸等,糖转化率较低。（三）发酵工艺技术同型乳酸发酵是葡萄糖经直接酵解途径降解为丙酮酸,丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸。此发酵过程中,1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸,理论转化为100%。

异型乳酸发酵是某些乳酸细菌利用磷酸已糖途经(HMP途径),分解葡萄糖为6-磷酸核酮酸,再经差向异构酶作用变成5-磷酸木酮糖,然后经磷酸酮解酶催化裂解反应,生成3-磷酸甘油醛和乙酰磷酸。磷酸酮解酶是异型乳酸发酵的关键酶。乙酰磷酸进一步还原为乙醇,同时放出磷酸。而3-磷酸甘油醛经EMP途径后半部分转化为乳酸,同时产生两分子ATP。扣除发酵时激活葡萄糖消耗的1分子ATP,净得1分子ATP。因此由葡萄糖进行异型乳酸发酵,其产酸能力比同型乳酸发酵低一半。异型乳酸发酵产物除乳酸外还有乙醇、CO2和ATP。

双歧发酵是两歧双岐杆菌(Bifidobacteriumbi2fidum)发酵葡萄糖产生乳酸的一条途径。其发酵途径如下:乳酸生产的传统方法是采用游离细胞在搅拌罐中进行发酵，由于米根霉的菌丝发达，在罐中易形成大的菌丝团，引起氧气及其它营养物质的传递困难，或缠绕在搅拌桨上，使搅拌阻力增加，造成产酸速率低、得率低、生产不稳定等问题。Cachon和Divies的研究表明固定化技术可以作为一种稳定菌体活力、防止质粒流失的工具。因此利用固定化技术生产乳酸可以提高细胞浓度和乳酸产率。

米根霉发酵工艺

在工业化生产中最重要的是：固定化细胞载体可以反复使用，尽量减少接种次数，节省了大量的人力、物力和能源。因此，固定化技术是提高生物催化剂利用率、生物反应速率以及实现高效连续生产过程的有效方法。用于米根霉固定化发酵的载体种类相对比较多，但是很少能优化出用于大规模生产并创造出良好的经济效益的载体规格，所以在以后对于乳酸固定化发酵的研究中，载体的优化和改良必将成为新的研究热点。

理想的固定化细胞载体应该是：对微生物无毒，传质性能良好，性质稳定、不易被生物分解，强度高、寿命长，价格低廉等。对于米根霉的固定化技术，研究者在选用材料时大多数使用软凝胶，如海藻酸钙等。甲壳糖杂化海藻酸盐主要用于改善固定材料的机械性能，同时增强菌体的生物活性。Goksungur等用此载体进行固定化发酵L-乳酸，发现游离细胞数量比单用海藻酸钙作为载体的减少了很多，同时乳酸产量也相应有大幅增加。载体材料对乳酸固定化发酵的影响（四）提取工艺

溶剂萃取法液膜法提取乳酸离子交换法电渗析法（五）L-乳酸的应用

在食品行业中的应用在医药行业的应用在轻工、化工行业的应用在农业上的应用可生物降解材料聚乳酸（六）研究展望1利用基因工程技术获得高产L-乳酸的基因工程菌株。通过基因工程化技术可以知晓菌种突变株在分子水平上的变化及乳酸产量提高的机制，可以减少一代一代诱变筛选的时间。2控制乳酸产品构型。L-乳酸与人体完全融合性及聚L-乳酸的生物降解性，使得L-乳酸的应用范围极为广泛。因此控制乳酸产品构型尤为重要，通过对乳酸构型影响因素的详细研究可以达到控制产品构型的目的。3研发新型发酵设备，改良提取工艺。设计新型高效的原位分离反应器，以适应连续发酵或半连续发酵过程，综合运用及优化集成分子蒸馏及膜技术等改良提取工艺，以降低成本，提高产品纯度。

4拓展L-乳酸的应用领域。加强乳酸转化为乳酸聚合物、丙烯酸类聚合物等方面的研究，以进一步扩大乳酸的应用范围。5降低乳酸生产成本。综合利用玉米粉、甘薯粉、马铃薯粉等生物质原料、可再生资源，提高副产品的经济效益，降低乳酸生产原料的成本。

(一）、历史20世纪20年代，发现某些霉菌和酵母可积累L-苹果酸。60年代，英美用化学合成法生产L-苹果酸，成本高。1959年，日本利用短乳杆菌（lactabacillusbrevis）产生的富马酸酶催化富马酸转化为L-苹果酸成功。60年代以来，各国争相研制一步法从淀粉等糖质原料生产苹果酸。目前，世界上苹果酸的主要产地是日本。三苹果酸

由于L－苹果酸属于发酵生产的产品，安全性能有保障，因此，国际市场上需求量快速增加，近年来需求量保持在年均10%左右的高速度。目前世界苹果酸主要生产国有美国、加拿大、日本等，世界总产量每年约为10万吨，其中L－苹果酸产量每年约为4万吨，而世界市场潜在需求量达到每年6万吨，可见市场发展空间之大。其中日本是世界主要的L－苹果酸生产国与出口国，（二）苹果酸生产现状（三）苹果酸的理化性质苹果酸，又名2－羟基丁二酸，由于分子中有一个不对称碳原子，有两种立体异构体。大自然中，以三种形式存在，即D－苹果酸、L－苹果酸和其混合物DL－苹果酸。白色结晶体或结晶状粉末，有较强的吸湿性，易溶于水、乙醇。有特殊愉快的酸味。苹果酸主要用于食品和医药行业。1.从果汁中直接抽提法：经济上不合理2.化学合成法：产物是DL-苹果酸3.发酵法：（1）一步法糖类苹果酸（2）二步法根霉酵母菌、细菌糖类富马酸苹果酸4.酶转化法:(常用)

固定化细胞富马酸（化学合成）L-苹果酸富马酸酶

（四）、生产方法（五）常用菌种1.一步发酵法：黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；2.两步发酵法：华根霉、无根根霉、短乳杆菌、膜毕赤酵母；3.酶转化法：短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。酶转化法:(常用)

固定化细胞富马酸盐（化学合成）苹果酸盐（六）苹果酸的生产方法（以酶转化法为例）菌种：黄色短杆菌（Brevibacteriumflavum）1.游离细胞酶转化法

8%富马酸溶液（pH7.5）+2%湿菌体→苹果酸条件：35℃150r/min24~36h转化率90%以上

2.固定化细胞酶转化法

菌种：产氨短杆菌或黄色短杆菌

方法：包埋法（聚丙烯酰胺凝胶或卡拉胶＋KCl）该方法易生成与苹果酸难以分离的琥珀酸。因此，细胞被固定以后必须经化学试剂处理，以防止这种副反应的发生。采用固定化技术必须注意以下几个问题：细胞被固定前富马酸酶活力要高；使用的固定化方法对酶的损害较小；细胞被固定后不应引起副反应的发生；固定化细胞应有高度的操作稳定性。两种生产方法的比较：发酵法尚未大规模工业化生产的主要原因：菌种的产酸率低。（七）苹果酸的提取从酶转化液中提取苹果酸

H2SO4过滤CaCO3流程：转化液→酸解液→滤液→苹果酸钙

12.5%

过滤→离子交换→浓缩→结晶→干燥→苹果酸

H2SO465%~80%1.选用更合适的原料如葡萄糖、蔗糖、糖蜜、食用级淀粉等进行精细发酵；2.在菌体快速絮凝、发酵液膜分离和净化技术方面进行探讨；3.研究用离子色谱法、树脂吸附法、萃取法等提取技术替代传统的钙盐法；

（八）、L一苹果酸生产技术展望四葡萄糖酸

葡萄糖酸是葡萄糖衍生的糖酸,分子式为C6H12O7。为结晶状化合物，熔点131℃,呈弱酸性，溶于水，微溶于乙醇。

葡萄糖酸作为蓬松剂、凝固剂、鳌合剂、酸味剂而广泛应用于食品、医药、建筑等行业，葡萄糖酸与钠、钙、锌、亚铁等金属氧化物合成制得的葡萄糖酸盐可作为食品添加剂和营养增补剂添加到食品中。葡萄糖酸的金属络合物在碱性体系中广泛用作金属离子的掩蔽剂。葡萄糖酸钠可分为工业级，食品级和医药级目前我国市场价格分别在4300-4800/t，7800-8500元／t，8800-10000元／t。

山东凯翔生物化工有限公司专业从事葡萄糖酸钠，葡萄糖酸内酯，衣康酸的研究、开发、生产和销售，拥有先进的生物发酵设备、一流的检测手段、现代化的科学管理级雄厚的技术力量，并通过了ISO9001国际质量管理体系认证、ISO14001国际环境管理体系认证、OHSAS18001国际职业健康安全管理体系认证。公司年产葡萄糖酸钠35000吨，是国内最大的生产供应商，生产的“凯翔”牌葡萄糖酸钠，葡萄糖酸内酯各项技术指标均达到国际先进水平，产品畅销美洲、欧洲、东南亚、中东等国家和地区。上海卡博工贸有限公司

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葡萄糖酸的发现1880年Boutroux发现使用醋化醋杆菌发酵葡萄糖能够产生一种不挥发的酸，后来确定为葡萄糖酸。以后的许多研究者报道了其他几种细菌也能够产生葡萄糖酸和酮基葡萄糖酸。上个世纪30年代以前，生产葡萄糖酸主要是使用细菌。1922年，Molliard发现，利用霉菌也能够发酵葡萄糖酸，后来人们知道黑曲霉、米曲霉、文民曲霉和青霉都有氧化葡萄糖产生葡萄糖酸的能力。

葡糖糖酸工艺的发展Bernhager在1924年发现，采用中和生成酸的方法，黑曲霉能够高效地将葡萄糖转化为葡萄糖酸，而添加碳酸钙是最好的。在较低温度，限制氮源的条件下，生成的葡萄糖酸几乎可以达到理论产率。1952年，Blom等发明了添加NaOH、维持pH6．5以上的方法生产葡萄糖酸钠，使糖的转化率达95％以上，发酵时间缩短至20小时以内，这种工艺形成了现代工业深层发酵的基础。

1999年,黄道震等以葡萄糖含量为30%的发酵培养基接种10%的黑曲霉种子液,通气、220r·min-1，搅拌、流加氢氧化钠溶液控制pH值6.0～6.5、温度32～34℃、发酵20h,残糖可降至1g·L-1以下。

2002年,Anastassiadis等利用筛选得到的短梗霉(Aureobasidiumpullulans)在连续式搅拌发酵罐中进行了静息细胞和固定化细胞的葡萄糖酸连续转化实验,葡萄糖酸浓度可达260g·L-1,最高生成速率为19g·L-1.h-1。葡萄糖酸发酵的生物工艺黑曲霉发酵能力的特性不仅由其遗传特性决定，其所处的环境条件也决定了发酵法生产葡萄糖酸的产量，发酵法生产葡萄糖酸产量的高低除了受生产菌种的影响外，培养基的组成和培养条件对产量的影响也很大。黑曲霉发酵水平的提高，主要依赖于菌种选育及发酵工艺(培养基和培养条件)的优化，这两个环节是相辅相成的。菌种选育按照生产要求，根据微生物的遗传和变异的理论，用人工的方法造成菌种变异，再经过筛选获得高产变株而达到提高发酵水平的目的；而发酵工艺的优化是改变培养基的在发酵过程中改变培养温度、通气量、搅拌转速、调节pH等措施，从而强化微生物的生物合成的全过程，提高发酵产量。通过工艺优化，改进发酵培养基成份和发酵条件，创造适合菌体生长和生物代谢的最佳条件，充分发挥菌种的生产潜力，从而显著提高发酵产量

表1

经过紫外线诱变所获得的突变菌株的葡萄糖氧化酶活性葡萄糖酸发酵生产发酵过程影响葡萄糖酸产量的因素葡萄糖浓度发酵液PH值溶氧接种量

结论：(1)葡萄糖含量对黑曲霉产葡萄糖酸没有抑制作用,但如果葡萄糖含量过高,且用CaCO3控制pH值时,则发酵液粘度增大,会严重阻碍发酵液中氧的溶解和传递。较好的葡萄糖控制方式是:总糖含量30%,初糖含量20%,每当残糖降至15%时补加5%的糖。

(2)pH值控制可采取流加30%NaOH溶液、加25%～30%Ca(OH)2乳浊液、分批添加CaCO33种方式。流加NaOH溶液,发酵速率快,转化率高,最适合葡萄糖酸钠的生产;流加Ca(OH)2或分批添加CaCO3适合于葡萄糖酸(钙)、葡萄糖酸内酯、葡萄糖酸盐(钠盐除外)的生产。

(3)通过调整搅拌转速控制溶氧含量50%左右,产酸性能好、搅拌能耗低,值得推广应用。

（4）通过控制接种量，黑曲霉合成葡萄糖酸钙最佳接种量为10％此时产量最高。1、氨基酸构成蛋白质的基本分子单元。α碳原子分别以共价键连接氢原子、羧基和氨基及侧链。侧链不同，氨基酸的性质不同。目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。一、氨基酸简介第二节氨基酸

2、氨基酸的用途（1）食品工业：强化食品：赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦中。增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸。甜味剂：苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯，甜味是蔗糖的150-200倍),此产品1981年获FDA批准,现在每年产量已达数万吨。（2）饲料工业：甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料，添加蛋氨酸、赖氨酸、精氨酸等必须氨基酸可促进动物生长发育、改善肉质、节省蛋白饲料、降低成本等。

（3）医药工业：多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调氨基酸注射液由1985年的100万瓶增长到2003的1.5亿万瓶，每年以15-20%的速度递增，全行业的年产值预计能达到10亿元苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨髓肿瘤治疗有效,且副作用低。（4）化学工业：谷氨基钠作洗涤剂.丙氨酸制造丙氨酸纤维（合成高分子化合物）甘氨酸、半胱氨酸、丙氨酸可制表面活性剂、缓冲剂和抗氧剂等表3--8世界氨基酸主要生产厂家生产能力3、氨基酸生产的历史氨基酸生产首先从谷氨酸开始19l0年日本味之素公司采用提取法大量生产味精1936年美国从甜菜废液中提取谷氨酸1956年日本用糖质原料发酵谷氨酸成功，完全取代了原来的水解法。1960年发酵法生产了赖氨酸，同年用合成法生产dl－蛋氨酸。

1962年谷氨酸的合成法生产成功1966年采用醋酸原料生产谷氨酸，此后石油发酵谷氨酸、赖氨酸、酪氨酸等也获得成功目前氨基酸几乎都可应用发酵法生产。我国味精生产始于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1964年上海味精厂和有关科学研究单位协作，开始采用发酵法生产味精，现在全国已普遍采用目前除味精外，还生产赖氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸等十多种氨基酸。生产氨基酸的大国为日本和德国。日本的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸,可直接用于输液制剂的生产。4、氨基酸的生产方法发酵法：直接发酵法：野生菌株发酵、营养缺陷型突变发酵、抗氨基酸结构类似物突变株发酵、抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型菌株发酵和营养缺陷型回复突变株发酵。添加前体发酵法：如用邻氨基苯甲酸，生产L-色氨酸；甘氨酸生产L-丝氨酸。酶法：利用微生物细胞或产生的酶来制造氨基酸。延胡索酸和铵盐为原料，经天冬氨酸酶催化生产L-天冬氨酸。提取法：常用毛发、血粉等蛋白质原料水解，从中提取。如胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸合成法：合成法获得DL-蛋氨酸、不对称合成法获得L-氨基酸。如丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本高，工艺复杂，难以达到工业化生产的目的。二谷氨酸我国与国外谷氨酸生产的现状及存在问题菌种的性能：我国产酸8.6－10％，转化率55％；日本10－12％，转化率55％。工艺和过程控制：我国低糖和中糖发酵，日本高糖发酵并流加、提高罐压，保证溶氧。对温度、压力、空气流量、蛋白质、溶氧采用计算机控制。（一）、

菌种的扩大培养和种子的质量要求

斜面菌种一级种子培养二级种子培养

发酵罐

1.种子培养过程菌种：钝齿棒杆菌和北京棒杆菌及各种诱变株。生长特点：糖质原料，需氧，以生物素为生长因子。斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的pH7.0-7.2琼脂培养基，32℃培养18-24h。一级种子培养：由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成。pH6.5-6.8。1000ml三角瓶装量200－250ml，震荡，32℃，培养12h。二级种子培养：用种子罐培养，料液量为发酵灌投料体积的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃进行通气搅拌7－10h。2、种子质量要求一级种子质量标准：一级种子为摇瓶种子。质量要求：显微镜检查，无杂菌，菌体粗壮、均匀、排列整齐涂平板检查无杂菌、无噬菌斑OD值净增0.6左右。种子营养液pH在6.7左右种子营养液残糖在0.5%以下。平板检查无杂菌、无噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列。活菌数108－109/ml。pH在7.2左右，残糖含量在1.5左右。其它各项指标与一级种子相同。种龄和种量的控制一级种子控制在11-12h，二级控制在7-8h。种量为1％。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸量不高。二级种子质量标准：二级种子为生产车间的种子罐中培养的，质量要求（二）、谷氨酸的生产工艺1谷氨酸发酵工艺流程磷酸盐、玉米浆、镁盐等分过滤器发酵灌调和配料预处理（水解）发酵培养基调pH连消菌种罐等电沉淀粗谷氨酸中和摇瓶菌种原料种子培养基空气斜面尿素贮罐空气净化系统脱色结晶浓缩成品味精2原料的预处理（1）.淀粉水解糖的制备：酸水解或酶水解酸水解法调浆：干淀粉用水调成10-110Bx的淀粉乳，加盐酸0.5-0.8％至pH1.5。糖化：蒸汽加热，加压糖化25min。冷却至80℃下中和。中和：烧碱中和，至pH4.0-5.0脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为0.6-0.8％，在70℃及酸性条件下搅拌后过滤。酶法：以大米或碎米为原料时采用调浆配料：大米进行浸泡磨浆，将淀粉乳调成15－20°Bè，用Na2CO3调pH6.4-6.5，用CaCl2调节浆中的Ca2+至50mg/L。加细菌a-淀粉酶（10－12u/g，干淀粉计算)。喷射液化：一次喷射温度100－105℃，层流罐维持95－100℃，液化时间1h。典色反应棕红色。液化液经二次喷射，维持温度130－140℃，灭酶5－10min，再经板式换热器冷却至70℃以下，进入糖化罐。糖化：糖化温度60±1℃，pH4.0-4.4；糖化酶（100－120u/g，干淀粉计算)糖化过滤：糖液先用Na2CO3水溶液调pH4.8-5.0，过滤。糖化液的质量要求色泽淡黄色透明液糊精反应无还原糖含量25－28％DE值95－98％透光率60％pH4.6-5.0淀粉转化率95－98％糖蜜原料：不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源，因含丰富的生物素。预处理方法：活性碳或树脂吸附法和亚硝酸法吸附或破坏生物素。也可以在发酵液中加入表面活性剂吐温60或添加青霉素。3谷氨酸发酵控制发酵培养基（1）、碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖低中糖发酵：初始糖浓度12.5-13%.中高糖发酵：初始糖浓度14-16%。补糖发酵：初始糖浓度12-13%，中后期补糖2-4％。目前，较多采用低糖浓度流加发酵控制。碳源浓度过高时，对菌体生长不利，氨基酸的转化率降低。（2）、氮源：无机氮源:(1)尿素(2)液氨(3)碳酸氢铵；有机氮源:玉米浆、麸皮水解液、豆饼水解液和糖蜜等。尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌，分批流加。氨水用pH自动控制连续流加

C:N，谷氨酸发酵所需比为100：15～21

（3）、无机盐：磷酸盐、硫酸镁、钾盐、微量元素磷酸盐：对发酵有显著影响，不足时糖代谢受抑制。控制在0.005-0.01mol/L硫酸镁：是已糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶的激活剂，促进葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活力。G＋要求镁离子浓度最低25ug/L；G-要求4-6ug/L。钾盐：钾盐多，有利于产酸；钾盐少，有利于菌体生长微量元素：主要是锰（许多酶的激活剂）、铁（细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶活性基团组分，可促进谷氨酸产生菌的生长），10-6－10-4mol/L。严格控制铜、汞含量，以免对发酵产生毒害作用。（4）、生长因子：参与细胞膜的代谢，影响膜的透性。A生物素（2－5ug/ml）(2)维生素B1生物素：乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，影响磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液中。生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。当生物素缺乏时，菌种生长缓慢。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。表

不同生产菌谷氨酸发酵培养基配方4

谷氨酸发酵工艺控制(1)、

温度对谷氨酸发酵的影响

微生物在一定条件下，都有一个最适的生长温度范围。谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～32℃，产生谷氨酸的最适为34～37℃。菌体生长期温度过高,易造成菌体衰老。生产上表现为OD值增长慢，pH值高，耗糖慢，发酵周期长，谷氨酸生成少。在发酵中、后期，菌体生长基本停止，适当提高温度可促进产生谷氨酸。因此根据菌种特点，温度采用二级或三级管理。即发酵前期控制在30-32℃；中、后期34-37℃。表4—2菌谷氨酸产生菌的培养温度(2)、pH对氨基酸发酵的影响及其控制控制pH方法：流加尿素和氨水流加方式：根据菌体生长、pH变化、糖耗情况和发酵阶段等因素决定控制：（1）菌体生长或耗糖慢时，少量多次流加尿素，避免pH过高（2）菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，以抑制菌体生长。（3）发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或不加尿素，以免造成氨基酸提取困难。（4）氨水对pH影响大，应采取连续流加。(3)、

供氧对谷氨酸发酵的影响

溶解氧的控制：大小是由通风与搅拌两方面决定的，与搅拌器的型式、直径大小、搅拌转速、搅拌器在发酵罐内的相对位置因素等有关。一般搅拌器直径大，转速快，溶氧系数大。所以，增大搅拌转速比增加通风量对溶氧系数提高更为显著。具体操作：

发酵前期，以低通风量为宜；发酵中、后期，以高通风量为好。当培养基浓度高、营养丰富、生物素用量大时，应采用高通风量。当菌体生长缓慢、pH偏高时，应减少通风量，或停止搅拌，以利于长菌。当菌体生长快、耗糖快时，应提高通风量，以抑制生长和满足合成谷氨酸所必须的足够能量。

具体风量：前期1:0.12（V/V)；中期1:0.22-0.26；后期1:0.15-0.18发酵通风量的控制(4)、泡沫的消除

（1）泡沫的形成和性质搅拌与通风发酵液中含有蛋白胨、玉米浆、黄豆粉是主要的发泡剂。发酵液感染杂菌和噬菌体（2）泡沫对发酵的影响发酵灌的装料系数减少氧传递系数减少发酵液逃液，增加染菌机会（3）泡沫的消除（控制）调整培养基的成分（少加或缓加宜起泡的原材料）；改变某些物理化学参数（pH、温度、通气和搅拌；改变发酵工艺）采用机械消泡或消泡剂消泡机械消泡：利用机械振动或压力变化使泡沫破裂消泡剂：属表面活性剂，天然油脂（豆油、玉米油）；脂肪酸和酯类；聚醚类（氧化丙烯和氧化乙烯与甘油的聚合物）；硅酮类(5)、发酵过程主要变化及中间代谢控制

1.适应期2.对数生长期3.转化期4.产酸期谷氨酸的发酵过程曲线（1）适应期：尿素分解出氨使pH上升，糖不利用，2-4h。措施：接种量和发酵条件控制使适应期缩短。（2）对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用后pH又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形。不产酸。12h。措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH，维持温度30-32℃（3）菌体生长停止期：谷氨酸合成。措施：提供必须的氨及pH维持在7.2-7.4。大量通气，控制温度34-37℃。（4）发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。(6)、异常发酵现象及其处理

常见的异常发酵现象及其处理方法序异常现象原因分析

处理方法

10时pH值高(1)初尿过多(2)尿素灭菌温度过高、时间过长停搅拌，小通风，待菌体生长，pH下降后再按正常发酵进行

2发酵前期pH值过高

(1)初尿过多

(2)菌种被烧死

(3)种子感染噬菌体

(4)培养基缺乏或抑制菌体生长

(1)按第1项方法处理(2)补种(3)按感染噬菌体处理

(4)根据情况补料,补种(5)均先停搅拌、小通风3菌体生长缓慢或不长

(1)感染噬菌体

(2)培养基贫乏

(3)菌种老化

(4)前期风量过大,或初尿过多抑制生长(1)按感染噬菌体处理(2)补料，并停搅拌(3)换种、补种(4)停搅拌、小通风4中后期耗糖慢、产酸低

(1)菌种老化

(2)前期风量过大后期无力

(3)种子或发酵前期温度过高

(4)生物素不足

(1)略减风量，如残糖高可补种或并罐发酵

(2)略减风量，如残糖高可补种或并罐发酵

(3)略减风量，如残糖高可补种，或并罐发酵

(4)补料

514h后OD值继上升

(1)生物素过量

(2)染菌

(1)提高风量，提高温度(2)按染菌处理6耗糖快，pH偏低,产酸低

(1)培养基丰富，生物素过量

(2)pH低，流尿不及时

(3)通风不足,空气短路,搅拌转速低

(4)感染杂菌

(1)提高风量,提高pH(2)及时流尿,提高pH(3)提高风量,提高pH(4)按染菌处理

7发酵液变红色

生物素充足，风量不足提高风量8谷氨酸生成后又下跌

(1)pH偏低,NH4+过量,谷氨酸转变为谷酰胺

(2)大量下跌,可能染菌

(1)及时流尿，提高pH(2)按染菌处理

9泡沫太多

(1)水解糖质量不好

(2)染菌

(1)改进水解糖质量

(2)按染菌处理

(7)、发展方向改进发酵工艺

1.一次高浓度糖发酵

2.降低发酵初糖浓度,连续流加糖发酵

3.混合碳源发酵

4.应用电子计算机控制和管理发酵,使发酵工艺最佳化

5.固定化活细胞连续发酵生产谷氨酸

(三）谷氨酸的提取

1、

概

述

将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的L-谷氨酸提取出来，再进一步中和、除铁、脱色、加工精制成谷氨酸单钠盐叫提炼。谷氨酸是发酵的目的物，它溶解在发酵液中，发酵液的特点：温度34-36℃；pH6.5-7.5；外观浅黄色浆状，表面浮有少许泡沫。存在菌体、残糖、色素、胶体物质以及其他发酵副产物。提取工艺的选择原则：工艺简单，操作方便，提取收率高，产品纯度高，劳动强度小，设备简单，造价低，使用的原材料、药品价廉，来源容易。

主要提取方法简介

(1)等电点法：操作简单，收率60％。周期长，占地面积大。(2)离子交换法：用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形成的阳离子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐酸结晶。(3)等电-离交法(4)连续等电点法

(5)金属盐法

(6)盐酸水解-等电点法

(7)离子交换膜电渗析法提取谷氨酸2、等电点法提取谷氨酸

（1）.等电点法提取谷氨酸的原理

谷氨酸发酵液不经除菌或除菌、不经浓缩或浓缩处理、在常温或低温下加盐酸调至谷氨酸的等电点pH3.22,使谷氨酸呈过饱和状态结晶析出。（2）、等电点工艺的类型A直接常温等电点法B带菌体冷冻低温一次等电法C除菌体常温等电点法D浓缩、水解等电点法E低温浓缩等电点法F谷氨酸发酵液连续等电工艺(3).pH值对谷氨酸溶解度的影响pH为3.22时,大部分谷氨酸以[GA±]形式存在,此时谷氨酸的氨基和羧基的离解程度相等,总静电荷为零。谷氨酸的溶解度随pH值的改变而改变,pH3.22和在30%以上的高浓度盐酸下,溶解度便显著减少到最低点。(4).温度对谷氨酸溶解度的影响温度对谷氨酸溶解度的影响谷氨酸溶解度受温度的影响较大,温度越低,溶解度越小。A谷氨酸的晶型及性质：α型（颗粒大）、β型（细小，针状）(5)、谷氨酸的结晶晶型呈α、β两种，α型结晶是大型结晶，在纯谷氨酸溶液中为斜方六面体晶，纯度高，颗粒大，质量重，易沉降，与母浓分离容易，是一种理想的结晶。而β型结晶，晶粒微细，纯度低，质量轻，难沉降不易沉淀析出。B影响谷氨酸结晶的主要因素

Glu含量要求：＞4％温度：低于30℃。＞30℃，β型结晶增加。残糖浓度：低有利于α型结晶增加中和时加酸的速度：缓慢使谷氨酸溶解度逐渐降低，可控制一定数量的晶核，使晶核形成少，经养晶育晶后成长壮大。因而，析出的结晶颗粒大，易于沉淀分离。加晶种：

Glu含量5％左右，在pH4.0-4.5投晶种；Glu含量3.5-4.0％左右，在pH3.5-4.0投晶种；搅拌：自然起晶，结晶大小不匀；缓慢冷却，适当搅拌，有利于晶体长大，大小均匀一致。成品干燥盐酸育晶（2h）起晶中和点（pH4-4.5)静置沉降4-6h离心分离发酵液等电点搅拌pH3-3.22母液湿谷氨酸晶体菌体及细小的谷氨酸晶体3等电点法提取谷氨酸工艺流程直接常温等电点法工艺流程去菌体低温等电点法提取谷氨酸工艺流程等电点高流分盐酸停酸搅拌（2h）起晶中和点（pH4-4.5)缓慢调酸4h离心分离发酵液等电点pH3.0-3.2母液湿谷氨酸晶体处理后排放菌体分离清液离子交换母液初流分后流分静止沉降6-8h（0-4℃）菌体饲料

1.加酸调等电点将发酵液排入等电桶后，测量温度、pH和谷氨酸含量，然后搅拌冷却，待液温降至30℃时，加盐酸调pH。前期加酸稍快，1h左右将发酵液的pH调至5.0。中期加酸要缓慢，约经2h，发酵液的pH接近4.0-4.5时，观察晶核形成情况。当能目视发现晶核时，要停止加酸，育晶1～2h，使晶核壮大。此后加酸速度要慢，直到pH为3.0-3.2时，停止加酸，继续搅拌20h结束。整个中和温度要缓慢下降，不能回升。最终温度越低越好（等电中和液的终温在3—5℃左右，低温下形成的晶粒较小，沉降时间相应要稍长些）。

等电点提取工艺的操作要点

2.沉降分离将中和好的发酵液静置沉淀4～6h，放出上清液，然后将谷氨酸结晶沉淀层表面的少量菌体细麸酸清除，放另一缸中回收利用，底部的谷氨酸结晶取出后，离心分离。2、等电点－离子交换法提取谷氨酸(1)、工艺流程发酵液加盐酸（或高流分母液pH1.5)育晶2h(pH4-5)育晶2h(pH3.5-3.8)加盐酸（或高流分母液pH1.5)育晶2h(pH3.0-3.2)加盐酸（或高流分母液pH1.5)搅拌育晶20-16h沉淀4h细谷氨酸母液谷氨酸上离子交换柱洗脱后流分高流分初流分浓缩等电点法提取谷氨酸补充：离子交换法用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形成的阳离子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐酸结晶。原理：在酸性介质中(pH＜3.23)，谷氨酸以阳离子状态存在，可以采用阳离子交换树脂来提取，其树脂型号为732苯乙烯型强酸性阳离于交换树脂。1)溶液中谷氨酸离子经溶液扩散到树脂表面；2)穿过树脂表面，又扩散到树脂本体颗粒网孔内；3)谷氦酸离子与树脂中的H+进行离子交换；4)交换出来的H+从树脂内部又扩散到树脂表面之外；5)最后H+又扩散到溶液中去。离子交换树脂结构示意图上柱液配制与处理上柱液为母液、前后流分和发酵液的混合液，用水稀释均匀，调pH至5-6，浓度2-2.5波美度，要求新鲜不腐败，并取样测定其中的谷氨酸和铵离子含量。然后根据树脂的交换当量和溶液中可交换离子的浓度，按等当量交换关系计算上柱量。上柱反交换

交换也称上柱，是指发酵液中谷氨浚以及铵离子被树脂吸附，发生离子交换的过程。一般采用常温带菌体反交换，柱内树脂疏松平整，料液不断从柱下部流出。谷氨酸被交换吸附在树脂上，发酵液中菌体等其它杂质均自交换柱上部溢出。上柱过程中，要严格控制流速，流速太慢，上液时间太长，不利于生产；流速太快，谷氨酸来不及同树脂发生交换便从流出液中跑掉。如发现流出液pH值和波美度不正常，有谷氨酸泄露，应立即回收。洗脱洗脱之前，先用水或漏液反冲排污，直至液清为止。其目的是除去柱内残存菌体，同时使树脂达到松散和平整。然后再用75℃热水反洗或正洗，其作用一是预热树脂，防止因温度升降骤冷骤热，导致树脂破碎，二是温柱，防止谷氨酸在柱中析出。待树脂自由沉降后，降液面，自柱上部用4.5％碱液顺洗脱。用碱量按NaOH计算，应为树脂全交换量的0.75-0.85倍。洗脱液温度，夏季为60—65℃，冬季为60-70℃。一般情况下，流出液在pH2-11之间的部分含有较多的谷氨酸，并按其含量的多少，分成三个流久分段收集。第一部分是开始流出液，称漏液或前流分，是谷氨酸含量很低的部分。收集从pH2.0-2.5的流分为前流分，可供重配上柱液交换或作反洗水回收其中的谷氨酸。

第二部分是高流分。浓度自0波美升到4.5波美，然后再下降到高流分0.5波波美时为止，pH在2.5—9之间。在谷氨酸含量最高时，颜色发白黄，酸味很浓，pH维持3-3.5，高流分快完时pH迅速上升。高流分送下道工序进行快速冷却结晶提取。第三部分是尾流分或后流分。谷氨酸含量减少，含铵离子量较多，pH在9—11之间，这部分可供配上柱液再交换，回收其中的谷氨酸。当pH＞11时，沈脱液中主要是氨离子等杂质，收集后作肥料。4．高流分快速冷却结晶高流分中谷氨酸含量高，自然冷却易析出细小的β型结晶。因此，一般采用加晶种快速冷却法，以形成α型结晶。发酵废液的综合利用(1)从谷氨酸发酵液中提取腺咳呤，并进一步制备维生素B4。(2)谷氨酸菌体内含有大量的蛋白质(约占干菌体重的80％）和核糖核酸。菌体经回收、洗涤后综合利用，从中可提取腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶核苷酸和辅酶A。(3)菌体中富合蛋白质和脂肪等物质，是动物的良好调料。(4)发酵废液中含有大量氨，是一种良好的肥料。

六、废液的处理与环保

高浓度废水（7波美）-----通液氨调节pH至4.6----四效蒸发器浓缩（26波美）-----喷浆造粒-----复合肥低浓度废水----厌氧处理----好氧处理-----排放

第九节谷氨酸制味精

一、

谷氨酸制味精的工艺流程谷氨酸中和沉淀脱色过滤脱色过滤浓缩结晶离心分离小结晶母液结晶味精干燥拌盐粉碎粉状味精水(或渣水)碳酸钠活性炭硫化碱谷氨酸回调pH活性炭脱色活性炭二次脱色硫化碱晶种流加母液蒸馏水GH15颗粒活性炭脱色干燥过筛粉状味精活性炭硫化碱谷氨酸制味精的工艺流程碳酸钠pH6.0-6.6谷氨酸中和除铁、脱色过滤脱色过滤浓缩结晶离心分离小结晶母液结晶味精干燥拌盐粉碎粉状味精水(或渣水)60-70℃硫化碱谷氨酸回调pH活性炭脱色硫化碱晶种流加母液蒸馏水GH15颗粒活性炭二次脱色干燥过筛粉状味精活性炭硫化碱1、谷氨酸的中和谷氨酸一钠的等电点谷氨酸中和反应的pH应控制