谷氨酸工艺原理及控制.ppt

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1、目录,1.摘要与 前言2.药理效果与用途3.生物合成途径4.发酵工艺5.三废 处理,摘要：谷氨酸的生物合成包括糖酵解作用（EMP途径）、磷酸戊糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA循环）、乙醛酸循环和丙酮酸羧化支路等。生物合成谷氨酸的主要方式是-酮戊二酸的还原性氨基化作用。谷氨酸的生物合成受机体内复杂机制的调控。影响谷氨酸发酵过程的参数有很多，谷氨酸发酵过程主要受种子质量，培养基组成，温度，pH以及供氧速率等因素控制。提取谷氨酸常用的工艺为等电点法和离子交换法。,一 摘要前言,前言：的一种，主要用于生产谷氨酸钠，即味精。我国的味精生产始于1923年，最初采用传统的蛋白质水解法。这种工艺原料消

2、耗高（需要30多吨小麦的面筋才生产出1吨味精）、劳动条件差、污染严重、生产效率低、成本高，当时的最高年产量不足4000吨。1958年，我国广大的科技工作者，在国家的支持下联合攻关，选育菌种，自主创新选育了以淀粉质或糖蜜为原料生产谷氨酸的优良菌种，于1965年正式在上海味精厂首先投入工业化生产，继而在全国味精生产企业全面推广。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、提高农产品附加值作出了积极的贡献。发酵法生产谷氨酸是我国氨基酸工业科学技术的重大突破，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

3、酸工业中的应用开辟了广阔的前景。本文将从生产菌种、代谢途径、调控机制和提取工艺等方面对谷氨酸发酵生产工艺进行比较系统的论述。,二 药理效果与用途,1.谷氨酸的作用：谷氨酸(C5H9O4N)是中枢神经系统中一种最重要的兴奋性神经递质，主要分布于大脑皮质、海马、小脑和纹状体，在学习、记忆、神经元可塑性及大脑发育等方面均起重要作用。此外，谷氨酸对心肌能量代谢和心肌保护起着重要作用。,三、谷氨酸生物合成途径,生物体内合成谷氨酸的前体物质是a-酮戊二酸，是三羧酸循环(TCA循环)的中间产物，由糖质原料生物合成谷氨酸的途径包括糖酵解途径(EMP途径)、三羧酸循环、乙醛酸循环、CO2的固定反应(伍德一沃克曼

4、反应)等。,生成谷氨酸的主要酶反应,谷氨酸的生物合成包括糖酵解作用（EMP途径）、磷酸戊糖途径（HMP途径）、三羧酸循环（TCA循环）、乙醛酸循环和丙酮酸羧化支路等。在谷氨酸生物合成中，生成谷氨酸的主要酶反应有以下三种：,（1）谷氨酸脱氢酶（GHD）所催化的还原氨基化反应,（2）转氨酶（AT）催化的转氨反应,（3）谷氨酸合成酶（GS）催化的反应,以上三个反应中，由于在谷氨酸生产菌中谷氨酸脱氢酶的活力很强，因此还原氨基化是主导反应。,谷氨酸生物合成的理想途径,由葡萄糖生物合成谷氨酸的理想途径如图1所示,谷氨酸生物合成的代谢途径,四发酵工艺流程,谷氨酸的生产工艺流程,1.发酵条件的控制,温度 温度

5、对谷氨酸发酵的影响是多方面的，温度不仅会影响菌体内各种酶的活性，还会影响生物合成途径，此外，对发酵液的物理性质也会产生影响。因此。发酵过程需维持适宜的温度。一般来讲，谷氨酸产生菌的最适生长温度为3034，其生产谷氨酸的最适温度为3537。在谷氨酸发酵前期长菌的阶段应采用与种子扩大培养时相应的温度，以满足菌体生长最适温度。若发酵前期温度过高，菌体容易衰老，生产上常出现前劲大后劲小，后期产酸缓慢，菌体衰老自溶，周期长、产酸低，并影响提取；若前期温度过低，则菌体繁殖缓慢，周期长，必要时可补加玉米浆，以促进生长。一般控制在发酵开始的温度上，每隔56h升1即可。在发酵中、后期菌体生长已停止，由于谷氨酸脱

6、氢酶的最适温度比菌体生长繁殖的温度要高，为大量积累谷氨酸，需要适当提高温度。,pH 谷氨酸产生菌的最适生长pH一般为6.58.0，在不同的发酵阶段，谷氨酸对pH的要求不同，因此需要分别加以控制。发酵前期，幼龄菌对氮的利用率高，pH变化大，一般控制pH在7.3左右，如果pH偏低，则菌体生长旺盛，营养消耗快，菌体转入正常代谢，繁殖菌体而不产谷氨酸，如果pH过高，则抑制菌体生长，糖代谢缓慢，发酵时间延长。发酵中期控制pH在7.2左右，发酵后期在7.0，在将近放罐时，为了后序提取谷氨酸，可控制pH在6.56.8范围内。谷氨酸发酵过程pH的调节方法主要有：添加碳酸钙法，尿素流加法，液氨流加法。第一种方法

7、在工业上并不适用。由于液氨作用快，对pH影响大，易于实现自动控制连续流加，因而目前工业上普遍采用液氨流加法。,供氧 在谷氨酸发酵中，供氧对谷氨酸生产菌的生长和谷氨酸的积累都有很大影响。供氧量的多少应根据不同菌种、发酵条件和发酵阶段等具体情况决定。在菌体生长期糖的消耗最大限度地用于合成菌体；在产酸期，糖的消耗最大限度地用于合成谷氨酸。在菌体生长期，供氧必须满足菌体呼吸的需氧量，即rab=QO2*X,PL=PL临界。当PL=PL临界时，供氧满足菌的需氧量，菌体的生长速率达最大值，再提高供氧，反而会抑制菌体生长和谷氨酸的高效合成。与菌体生长期相比较，谷氨酸生成期需要大量的氧，谷氨酸发酵在细胞最大呼吸

8、速率时，产酸量最大，因此，谷氨酸生成期要求供氧量要满足细胞最大会吸速率。,2.噬菌体与杂菌的防治,谷氨酸发酵过程中，污染噬菌体后，一般会出现“二高三低”，即pH高、残糖高；OD值低、温度低、谷氨酸产量低。发酵前期污染噬菌体通常表现为：吸光度下降；pH上升到8.0以上；耗糖缓慢或停止；产生大量泡沫，发酵液黏度大，甚至可拔丝，发酵液发红发灰，有刺激性气味；谷氨酸产量少或不产酸；镜检菌体少，形状不规则；平板检查有噬菌斑OD420OD650；精致中和时，色素深泡沫大，成品色重透光差收率低。发酵后期污染噬菌体对产酸影响不大，甚至会提高产酸量，但由于噬菌体污染，发酵液拈、色素重、泡沫大，难于中和和过滤，会

9、严重影响等电点收率和谷氨酸质量，若不进行有效处理，有可能造成污染前移。对于前期发酵的噬菌体污染，可采取如下措施：并罐法，菌种轮换或使用抗性菌株，放罐重消，罐内灭噬菌体法。,如果发酵过程出现杂菌污染，则应根据染菌时期的不同，采取相应的补救措施。前期出现轻度染菌，要降温培养，降低pH，补加菌种培养液或主发酵液使生产菌占优势，并进行实罐灭菌后重新接种发酵。若发酵前期染杂菌严重，发酵液糖分较高时，实罐灭菌后重新接种，发酵液糖分较低时，补加培养液，实罐灭菌后重新接种，发酵液糖分很低时，无法补救则倒罐。中期染菌时，要降低温度，降低通风量，停止搅拌，少量补糖，提前放罐。若发酵后期轻度染菌，则补充种液抑制杂菌

10、，让其发酵完毕，并适当提前放罐。若发酵后期严重染菌，且残余糖分已不多时，应立即放罐。谷氨酸发酵过程中，噬菌体与杂菌的防治应以预防为主，加强管理与监督，防治结合。,3.产物的分离纯化,常用的分离提取谷氨酸的方法主要有：等电点法和离子交换法。现就这两种方法的几种流程作简单介绍。1.常温等电点法2.低温等电点法3.离子交换法4.等电点离子交换法,常温等电点法,该法是利用谷氨酸的两性性质，将带菌发酵液或除菌体发酵液用硫酸调节pH至谷氨酸的等电点，使谷氨酸结晶析出。工艺流程图如图6所示，该工艺的特点是设备简单，操作容易，生产周期短，酸、碱用量省，易于上马等。,低温等电点法,低温等电点法是根据谷氨酸的溶解

11、度随温度降低而减小的性质制定的。通过增加制冷能力，将等电点提取的终点温度由原来的1520降至05，这样可使母液中的谷氨酸含量降低至1.0%1.3%，从而增加等电点提取的一次收率。工艺流程如图8所示，该工艺操作简单，废水量减少，节约酸、碱用量，成本较低，一次提取收率可达78%,离子交换法,离子交换法提取谷氨酸是利用离子交换树脂对发酵液中谷氨酸与其它离子吸附能力的差别，将这些离子选择性的吸附到树脂上，然后用洗脱剂洗脱，从而得到谷氨酸的过程。按照操作方式的不同，离子交换法提取谷氨酸可分为单柱式和双柱式两种。,等电点离子交换法,目前国内许多工厂都采用等电点离子交换法提取谷氨酸。该法是发酵液经等电点法提

12、取谷氨酸以后，再采用单柱或双柱法，将等电点母液通过离子交换树脂进行交换，然后用碱液洗脱树脂上的谷氨酸，收集高流分，将其与下一批发酵液合并，再用等电点法提取谷氨酸。该工艺流程如图11所示，该工艺既可以克服等电点法提取收率低的缺点，又可以减少树脂用量，获得较高的收率，一般回收率可达95%。,常温等电法说明,将放罐的发酵液（带菌体或用超高速离心机分离菌体）用硫酸调节pH。若放罐的发酵液温度高，应先将发酵液冷却至2535并消除泡沫后再开始调节pH。在pH4.5以前加酸速度可以稍快。当pH达到4.5时，应放慢加酸速度。在此期间当观察到晶核形成时，应停止加酸。若发酵不正常，虽然将pH调到4.0，仍无晶核出现时，可适当将pH降至3.53.8，搅拌2h，以利于晶核的形成，或适当加一点晶种刺激起晶。,三废处理,1.废渣因为是有机物，可以发酵至沼气，最后剩下的做有机肥料2.废气.主要是二氧化碳，可直接排放到大气中,感谢观赏,