子情境：谷氨酸提取

1、子情境：谷氨酸发酵生产技术 -谷氨酸提取技术 1 1、谷氨酸的主要物理性质、谷氨酸的主要物理性质 谷氨酸结晶为无色正四面体晶体，相对分子质谷氨酸结晶为无色正四面体晶体，相对分子质量为量为147.13147.13，相对密度为，相对密度为1.538 (20)1.538 (20)，熔点为，熔点为202202203203，在，在2mol/L HCl2mol/L HCl中的比旋光度为中的比旋光度为D20=+31.8D20=+31.8(HCl(HCl浓度为浓度为10%)10%)。 谷氨酸的性质谷氨酸的性质2 2、谷氨酸的化学性质、谷氨酸的化学性质 成盐反应成盐反应 脱羧反应脱羧反应 与茚三酮反应与茚三酮反

2、应 生成焦谷氨酸生成焦谷氨酸 生成谷氨酸盐酸盐生成谷氨酸盐酸盐 与金属盐反应与金属盐反应谷氨酸的性质谷氨酸的性质 发酵液呈浅黄色浆体、表面浮有少许泡沫、发酵温发酵液呈浅黄色浆体、表面浮有少许泡沫、发酵温度一般为度一般为34-36,pH为为6.57.5，近中性。，近中性。 成分与含量成分与含量 谷氨酸含量一般为谷氨酸含量一般为10% 无机盐、残糖、色素。氨离子无机盐、残糖、色素。氨离子0.6-0.8%,残糖残糖1% 菌体和培养基残留物菌体和培养基残留物 湿菌体占湿菌体占8% 发酵副产物乳酸、发酵副产物乳酸、-酮戊二酸、琥珀酸、其他氨酮戊二酸、琥珀酸、其他氨基酸等基酸等,各种氨基酸含量均小于各种氨

3、基酸含量均小于1% 核苷酸类物质及其降解产物腺嘌呤（核苷酸类物质及其降解产物腺嘌呤（0.02%0.05%），尿嘧啶），尿嘧啶0.01%0.03%谷氨酸发酵液的性质谷氨酸发酵液的性质 等电点法等电点法 离子交换法离子交换法 金属盐法金属盐法 盐酸水解等电点法盐酸水解等电点法 离子交换膜电渗析法离子交换膜电渗析法谷氨酸提取的方法谷氨酸提取的方法v 发酵液物质成分：发酵液物质成分：发酵液中不仅有目的产物谷氨酸，发酵液中不仅有目的产物谷氨酸，还有菌体、残糖、色素、胶体物质及其他副产物还有菌体、残糖、色素、胶体物质及其他副产物v 工艺选择原则：简单、操作方便、原料价格低廉、工艺选择原则：简单、操作方便、

4、原料价格低廉、来源丰富、产品纯度高、劳动强度小、设备简单、来源丰富、产品纯度高、劳动强度小、设备简单、造价低、尽量不造成或减少对环境的污染造价低、尽量不造成或减少对环境的污染1、机械分离法、机械分离法2、加热沉淀法、加热沉淀法3、添加凝聚剂沉淀法、添加凝聚剂沉淀法4、采用各种膜除去菌体、采用各种膜除去菌体菌体分离的方法菌体分离的方法1 1、pHpH对谷氨酸溶解度的影响对谷氨酸溶解度的影响2 2、温度对谷氨酸溶解度的影响、温度对谷氨酸溶解度的影响3 3、杂质对谷氨酸溶解度的影响、杂质对谷氨酸溶解度的影响谷氨酸溶解度的影响因素谷氨酸溶解度的影响因素谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 1 1、谷氨酸的晶型及其

5、性质、谷氨酸的晶型及其性质谷氨酸结晶具有多晶型性质，在不同条件下会形成不谷氨酸结晶具有多晶型性质，在不同条件下会形成不同的谷氨酸结晶，可分为同的谷氨酸结晶，可分为-型结晶和型结晶和-型结晶二型结晶二种。种。-型谷氨酸结晶为正四面体，是等电点提取的一种型谷氨酸结晶为正四面体，是等电点提取的一种理想结晶。这种结晶纯度高、颗粒大、易沉降，因理想结晶。这种结晶纯度高、颗粒大、易沉降，因此容易与母液分离。此容易与母液分离。-型谷氨酸结晶为粉状或针状、鳞片状结晶，晶粒型谷氨酸结晶为粉状或针状、鳞片状结晶，晶粒微细、纯度低、难沉降，结晶时常与发酵液中胶体微细、纯度低、难沉降，结晶时常与发酵液中胶体物质粘结，

6、悬浮在母液中或搅拌轴周围，不易沉淀物质粘结，悬浮在母液中或搅拌轴周围，不易沉淀分离，故称为轻质谷氨酸（轻质麸酸）。因此在操分离，故称为轻质谷氨酸（轻质麸酸）。因此在操作中要控制结晶条件，避免作中要控制结晶条件，避免-型结晶析出。型结晶析出。 2 2、影响谷氨酸结晶的主要因素、影响谷氨酸结晶的主要因素 谷氨酸含量对结晶晶型的影响谷氨酸含量对结晶晶型的影响 随着发酵液中谷氨酸含量的升高，等电点结晶时如随着发酵液中谷氨酸含量的升高，等电点结晶时如控制不当，生成控制不当，生成-型结晶的机会增多，这样会造型结晶的机会增多，这样会造成母液分离困难，谷氨酸结晶纯度下降，并影响收成母液分离困难，谷氨酸结晶纯度

7、下降，并影响收率。率。 温度与降温速率对晶型的影响温度与降温速率对晶型的影响 结晶析出温度对晶型有很大影响，当结晶析出温度结晶析出温度对晶型有很大影响，当结晶析出温度超过超过3030时，时，-型结晶明显增加。因此，为了避型结晶明显增加。因此，为了避免形成免形成-型结晶，在等电点法提取谷氨酸时，必型结晶，在等电点法提取谷氨酸时，必须先将发酵液的液温降到须先将发酵液的液温降到3030以下，再进行晶体析以下，再进行晶体析出。出。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 2 2、影响谷氨酸结晶的主要因素、影响谷氨酸结晶的主要因素 加酸速率与终点加酸速率与终点pHpH的控制的控制 加酸的目的是调低发酵液的加酸的目的是调

8、低发酵液的pHpH，最后使其达到谷，最后使其达到谷氨酸的等电点。要缓慢加酸，氨酸的等电点。要缓慢加酸，pHpH缓慢下降，不能回缓慢下降，不能回升。使谷氨酸的溶解度逐渐降低，晶核一旦形成也升。使谷氨酸的溶解度逐渐降低，晶核一旦形成也不会太多。不会太多。 控制一定数量的晶核，经停酸育晶和养晶阶段，控制一定数量的晶核，经停酸育晶和养晶阶段，使其成长壮大，析出大颗粒的使其成长壮大，析出大颗粒的-型结晶。通常开型结晶。通常开始加酸中和到始加酸中和到pH4.8pH4.85.05.0，这段过程加酸速率可稍，这段过程加酸速率可稍快，至育出晶核后，加酸速率要缓慢，直到中和到快，至育出晶核后，加酸速率要缓慢，直到

9、中和到等电点等电点pH3.0pH3.03.23.2。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 3 3、投晶种与育晶、投晶种与育晶 投晶种投晶种 在正常的发酵液中，采用等电点法提取谷氨酸，在正常的发酵液中，采用等电点法提取谷氨酸，当产酸在当产酸在8%8%以上时，可以采用一次冷冻等电点法以上时，可以采用一次冷冻等电点法（0 044），在不加晶种情况下，收率也可达），在不加晶种情况下，收率也可达85%85%以上。但从谷氨酸晶体生成的动力学角度上来看，以上。但从谷氨酸晶体生成的动力学角度上来看，添加晶种能防止突然产生过多的晶核而发生聚晶现添加晶种能防止突然产生过多的晶核而发生聚晶现象。象。投放晶种有二种方式，即在出现

10、晶核前投入；或在投放晶种有二种方式，即在出现晶核前投入；或在出现少量晶核后投入。出现少量晶核后投入。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 3 3、投晶种与育晶、投晶种与育晶 育晶育晶 谷氨酸发酵液在正常情况下，其放罐谷氨酸发酵液在正常情况下，其放罐pHpH一般在一般在6.56.57.07.0之间。当发酵液泵入等电点罐后，其温度之间。当发酵液泵入等电点罐后，其温度冷却到冷却到2828左右，第一步就加酸调至育晶点。通常左右，第一步就加酸调至育晶点。通常发酵产酸高，育晶点的发酵产酸高，育晶点的pHpH也高。也高。确定育晶点确定育晶点pHpH，要仔细观察晶核生成情况，当手触、，要仔细观察晶核生成情况，当手触、目视

11、发现晶核时，这时的目视发现晶核时，这时的pHpH就可作为育晶点，停止就可作为育晶点，停止加酸进行育晶，以利于必要的养晶过程，育晶时间加酸进行育晶，以利于必要的养晶过程，育晶时间一般为一般为2 2个小时，使谷氨酸晶核成长壮大，形成较个小时，使谷氨酸晶核成长壮大，形成较大的结晶颗粒。大的结晶颗粒。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 4 4、搅拌的影响、搅拌的影响 搅拌的作用是使液体不断地翻动，使温度和搅拌的作用是使液体不断地翻动，使温度和pHpH保保持均匀，以有利于晶体长大，避免晶簇的形成。但持均匀，以有利于晶体长大，避免晶簇的形成。但搅拌速率不能太快，液体翻动太激烈，对晶体长大搅拌速率不能太快，液体翻动太

12、激烈，对晶体长大不利，促使晶体细小。不利，促使晶体细小。搅拌太慢，液体翻动过慢，温度和搅拌太慢，液体翻动过慢，温度和pHpH不均匀，造成不均匀，造成局部局部pHpH过低，易形成细微的晶核甚至轻质谷氨酸。过低，易形成细微的晶核甚至轻质谷氨酸。搅拌速率与设备的直径和搅拌叶大小有关，设备越搅拌速率与设备的直径和搅拌叶大小有关，设备越大，搅拌器的转速也应适当降低，其转速以大，搅拌器的转速也应适当降低，其转速以30 30 r/minr/min左右为宜。左右为宜。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 5 5、菌体的影响、菌体的影响 发酵液中菌体直接影响谷氨酸结晶。用等电点法发酵液中菌体直接影响谷氨酸结晶。用等电点法沉

13、淀谷氨酸结晶时，菌体也随之沉降于结晶上层，沉淀谷氨酸结晶时，菌体也随之沉降于结晶上层，不易与谷氨酸分离。菌体经分离后其收率可提高不易与谷氨酸分离。菌体经分离后其收率可提高5%5%左右。左右。 谷氨酸发酵液中菌体数量和菌体大小由菌种和采用谷氨酸发酵液中菌体数量和菌体大小由菌种和采用发酵工艺的不同而有所区别。如发酵工艺的不同而有所区别。如AS1542AS1542、B9B9系列菌系列菌种，发酵后菌体的数量少、菌体较大而相对密度又种，发酵后菌体的数量少、菌体较大而相对密度又小，沉降速率很慢，易于与谷氨酸结晶分离。小，沉降速率很慢，易于与谷氨酸结晶分离。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 6 6、杂菌和噬菌体的影

14、响、杂菌和噬菌体的影响 谷氨酸发酵一旦污染了噬菌体或杂菌后，发酵液谷氨酸发酵一旦污染了噬菌体或杂菌后，发酵液色泽变得深灰、有异味，其产酸率和转化率都受到色泽变得深灰、有异味，其产酸率和转化率都受到很大影响。很大影响。尤其是受噬菌体侵入，寄主谷氨酸产生菌因噬菌体尤其是受噬菌体侵入，寄主谷氨酸产生菌因噬菌体发生溶菌作用，细胞核物质破坏，细胞壁破裂，菌发生溶菌作用，细胞核物质破坏，细胞壁破裂，菌体内含物渗出，发酵液中胶体物质大量增加，泡沫体内含物渗出，发酵液中胶体物质大量增加，泡沫多、残糖高，等电点时极易形成多、残糖高，等电点时极易形成-型结晶，杂质型结晶，杂质与胶体物质结合形成轻质谷氨酸，严重时成

15、浆状。与胶体物质结合形成轻质谷氨酸，严重时成浆状。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 7 7、氨基酸和多肽类物质的影响、氨基酸和多肽类物质的影响 氨基酸对晶型的影响氨基酸对晶型的影响 谷氨酸结晶过程中，如有谷氨酸结晶过程中，如有L-L-型的天门冬氨酸、苯型的天门冬氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸和胱氨酸等氨基酸存在时，丙氨酸、酪氨酸、亮氨酸和胱氨酸等氨基酸存在时，能改变能改变-型结晶长短轴比，促使转向型结晶长短轴比，促使转向-型结晶的型结晶的形成。形成。因此在谷氨酸结晶处于不良状态时，容易形成因此在谷氨酸结晶处于不良状态时，容易形成-结结晶时，可以添加一些蛋白质水解液或含有其它氨基晶时，可以添加一些蛋白质

16、水解液或含有其它氨基酸较高的离交后流分、结晶母液等，以促进酸较高的离交后流分、结晶母液等，以促进-型型结晶析出和提高得率。结晶析出和提高得率。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 7 7、氨基酸和多肽类物质的影响、氨基酸和多肽类物质的影响 多肽对结晶的影响多肽对结晶的影响 谷氨酸结晶过程中添加少量多肽类物质，也有利谷氨酸结晶过程中添加少量多肽类物质，也有利于于-型结晶析出。型结晶析出。 谷氨酰胺对结晶的影响谷氨酰胺对结晶的影响 发酵液中的谷氨酰胺对谷氨酸结晶影响很大。当发酵液中的谷氨酰胺对谷氨酸结晶影响很大。当谷氨酰胺含量大于谷氨酰胺含量大于0.25%0.25%时，就会影响谷氨酸时，就会影响谷氨酸-型型结

17、晶的形成，含量越高，转向结晶的形成，含量越高，转向-型结晶越多，所型结晶越多，所以在谷氨酸发酵过程中要控制谷氨酰胺形成。以在谷氨酸发酵过程中要控制谷氨酰胺形成。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 8 8、原辅材料对提取的影响、原辅材料对提取的影响 9 9、其它影响因素、其它影响因素 谷氨酸发酵时，由于泡沫大，消泡剂加量过多，谷氨酸发酵时，由于泡沫大，消泡剂加量过多，当大于当大于0.06%0.06%时不利于谷氨酸提取。发酵液中酮酸时不利于谷氨酸提取。发酵液中酮酸含量过高，当大于含量过高，当大于0.1%0.1%时，也会影响谷氨酸的提取。时，也会影响谷氨酸的提取。谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶 国内谷氨酸发酵采用等

18、电点提取工艺，归纳起来有国内谷氨酸发酵采用等电点提取工艺，归纳起来有带菌体直接常温等电点、带菌体冷冻低温一次等电带菌体直接常温等电点、带菌体冷冻低温一次等电点、除菌体常温等电点、浓缩水解等电点和低温浓点、除菌体常温等电点、浓缩水解等电点和低温浓缩等电点等。从结晶方法分为逐步起晶法和连续结缩等电点等。从结晶方法分为逐步起晶法和连续结晶法（即当量中和法）。晶法（即当量中和法）。等电点工艺类型等电点工艺类型1 1、工艺类型、工艺类型发酵液发酵液 加盐酸调加盐酸调pH5.05.5(pH5.05.5(出现晶核为准出现晶核为准) )育晶育晶24h24h 加盐酸调加盐酸调pH3.53.8pH3.53.8育晶

19、育晶2h2h 加盐酸调加盐酸调pH3.03.2pH3.03.2搅拌搅拌1620h1620h沉淀沉淀24h24h 离心分离离心分离 湿谷氨酸结晶湿谷氨酸结晶 上清液上清液( (经离子交换回收谷氨酸经离子交换回收谷氨酸) )直接常温等电点法工艺直接常温等电点法工艺2 2、操作要点：、操作要点： 将放罐的发酵液先测定放罐体积、将放罐的发酵液先测定放罐体积、pHpH、谷氨酸、谷氨酸含量和温度，开动搅拌。若放罐的发酵液温度高，含量和温度，开动搅拌。若放罐的发酵液温度高，应先将发酵液冷却到应先将发酵液冷却到25253030，泡沫消除后然后再，泡沫消除后然后再开始调开始调pHpH。 用盐酸调用盐酸调pH5.

20、0pH5.05.5(5.5(根据发酵液的谷氨酸含量根据发酵液的谷氨酸含量高低而定），此前的加酸速率稍快，影响不大。高低而定），此前的加酸速率稍快，影响不大。 当当pHpH达到达到5.05.0左右时，应放慢加酸速率，在此期左右时，应放慢加酸速率，在此期间应注意观察晶核形成的情况，若观察到有晶核形间应注意观察晶核形成的情况，若观察到有晶核形成时，应停止加酸，搅拌育晶成时，应停止加酸，搅拌育晶2 24h4h。若发酵不正。若发酵不正常，产酸低于常，产酸低于4%4%时，虽调时，虽调pH4.0pH4.0，仍无晶核出现，仍无晶核出现，遇到这种情况可适当将遇到这种情况可适当将pHpH降至降至3.53.53.8

21、3.8左右，搅拌左右，搅拌2h2h，以利于晶核形成或者适当加一点晶种剌激起晶。，以利于晶核形成或者适当加一点晶种剌激起晶。直接常温等电点法工艺直接常温等电点法工艺2 2、操作要点：、操作要点： 搅拌育晶搅拌育晶2h2h后，继续缓慢加酸，耗时后，继续缓慢加酸，耗时46h46h，调，调pH3.0pH3.03.23.2，停酸复查，停酸复查pHpH，搅拌，搅拌2h2h，开大冷却水降，开大冷却水降温，使温度尽可能降低。温，使温度尽可能降低。 达到等电点达到等电点pHpH后，继续搅拌后，继续搅拌16h16h以上，停搅拌静以上，停搅拌静置沉淀置沉淀4h4h，关闭冷却水，将上层菌体液放至近谷氨，关闭冷却水，将

22、上层菌体液放至近谷氨酸层面时，用真空将谷氨酸表层菌体和细谷氨酸抽酸层面时，用真空将谷氨酸表层菌体和细谷氨酸抽到另一容器里回收。取出底部谷氨酸，离心甩干，到另一容器里回收。取出底部谷氨酸，离心甩干，水洗谷氨酸，可改善谷氨酸的质量和色泽。水洗谷氨酸，可改善谷氨酸的质量和色泽。直接常温等电点法工艺直接常温等电点法工艺一一. .谷氨酸的检测谷氨酸的检测1.1.原理：原理：茚三酮溶液与氨基酸共热，生成氨。氨与茚三酮和茚三酮溶液与氨基酸共热，生成氨。氨与茚三酮和还原性茚三酮反应，生成紫色化合物。该化合物颜还原性茚三酮反应，生成紫色化合物。该化合物颜色的深浅与氨基酸的含量成正比，可通过测定色的深浅与氨基酸的

23、含量成正比，可通过测定570nm 570nm 处的光密度，测定氨基酸的含量。处的光密度，测定氨基酸的含量。产品的含量测定产品的含量测定一一. .谷氨酸的检测谷氨酸的检测2.2.试剂与材料（试剂与材料（1 1）标准氨基酸溶液：配制成）标准氨基酸溶液：配制成0.3mmol/L 0.3mmol/L 溶液。溶液。（2 2）pH5.4pH5.4，2mol/L 2mol/L 醋酸缓冲液：量取醋酸缓冲液：量取86mL 2mol/L 86mL 2mol/L 醋酸钠溶液，加入醋酸钠溶液，加入14mL 2mol/L14mL 2mol/L乙酸混合而成。用乙酸混合而成。用pH pH 检查校正。检查校正。（3 3）茚三

24、酮显色液：称取）茚三酮显色液：称取85mg 85mg 茚三酮和茚三酮和15mg 15mg 还原还原茚三酮，用茚三酮，用10mL 10mL 乙二醇甲醚溶解。乙二醇甲醚溶解。（4）60乙醇。乙醇。（5）样品液：每毫升含）样品液：每毫升含0.550g 氨基酸。氨基酸。（6）分光光度计。）分光光度计。（7）水浴锅。）水浴锅。产品的含量测定产品的含量测定一一. .谷氨酸的检测谷氨酸的检测3.3.操作步骤操作步骤标准曲线的制作标准曲线的制作分别取分别取0.3mmol/L 0.3mmol/L 的标准氨基酸溶液的标准氨基酸溶液0 0，0.20.2，0.40.4，0.60.6，0.80.8，1.0mL 1.0mL 于试管中，用水补足至于试管中，用水补足至1mL1mL。各。各加入加入1mL pH5.41mL pH5.4，2mol/L 2mol/L 醋酸缓冲液；再加入醋酸缓冲液；再加入1mL 1mL 茚三酮显色液，充分混匀后，盖住试管口，在茚三酮显色液，充分混匀后，盖住试管口，在100100水浴中加热水浴中加热15min15min，用自来