5谷氨酸的提取课件

5谷氨酸的提取2020年9月28日1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工艺选择原则：简单、操作方便、原料价格低廉、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2020年9月28日2第二节谷氨酸发酵液的性质发酵液呈浅黄色浆体、表面浮有少许泡沫、发酵温度一般为34-36,pH为6.5－7.5，近中性。成分与含量谷氨酸含量一般为10%无机盐、残糖、色素。氨离子0.6-0.8%,残糖1%菌体和培养基残留物湿菌体占8%发酵副产物乳酸、α-酮戊二酸、琥珀酸、其他氨基酸等,各种氨基酸含量均小于1%核苷酸类物质及其降解产物腺嘌呤（0.02%－0.05%），尿嘧啶0.01%－0.03%2020年9月28日32020年9月28日4提取谷氨酸的方法等电点法离子交换法金属盐法盐酸水解－等电点法离子交换膜电渗析法2020年9月28日5直接常温等电点法常温下等电点母液含谷氨酸1.5－2%，一次提取收率仅60－70%。（发醇醪中谷氨酸含量为5%左右）水解等电点法低温等电点法一次冷冻等电点法提取工艺，收率达78－82%母液谷氨酸含量为1.2%左右。低温提取谷氨酸）等电－离交法等电点－离子交换、等电点－锌盐法总回收率可达85%。浓缩连续等电点法第三节等电点法提取谷氨酸2020年9月28日6特点：设备简单、操作方便分类：除菌或不除菌、浓缩或不浓缩、常温或低温下加盐酸调至谷氨酸等电点3.22，使谷氨酸呈过饱和状态析出。工艺特点2020年9月28日7一、等电点提取谷氨酸的原理谷氨酸的两性解离与等电点谷氨酸在等电点时，正负电荷相等，总静电荷等于0，形成偶极离子，在直流电场中即不向阳极移动，也不向阴极移动，易聚集沉淀。即在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。酸性AA等电点为最小两个pk值平均值，碱性AA等电点为最大的两个pK值平均值。谷氨酸的溶解度pH对Glu溶解度的影响温度对Glu溶解度的影响其他杂质的影响：有其他氨基酸会导致谷氨酸溶解度增加杂质对Glu溶解度的影响第三节等电点法提取谷氨酸2020年9月28日8温度有无杂质溶解度23.5℃纯谷氨酸0.818%23.5℃有其他氨基酸存在1.412%23.5℃碳水化合物水解液存在导致Glu溶解度增加2020年9月28日9二、谷氨酸的结晶在等电点操作过程中，溶液中glu逐渐转变为过饱和状态，过量的溶质便结晶析出。介稳区时产生微细的晶核；然后进行养晶，育晶，使晶粒不断增大，通过控制晶核形成与晶体增长，获得满意的结晶2020年9月28日101、谷氨酸的晶型及其性质а－晶型：斜六方晶体，特点：纯度高、颗粒大、质量重，易沉降，易与母液分离。β－晶型：粉状或针状、鳞片状，晶粒微细，纯度低，晶体无光泽，质量轻，难沉降，结晶时常与发酵液中胶体特质粘结，形成鱼子状，悬浮在母液中或搅拌轴周围，不易沉淀分离，常称为轻质氨基酸。2020年9月28日11影响谷氨酸晶型的主要因素谷氨酸含量（4－8%）室温自然冷却条件下，随溶液谷氨酸含量升高，β晶型增多，水分增加，母液难分离。在4%以上，等电提取容易，收率高；若含量在1.5－3.5%常温下不易达过饱和状态，结晶生成速度慢，难形成晶核或晶核数量极少。（加高流分、投晶种）2020年9月28日12影响谷氨酸晶型的主要因素温度与降温速度（超过30℃β晶型明显增加）为避免形成β晶型，在等电点法提取谷氨酸时必须把发酵液温降到30以下再进行晶体析出。2020年9月28日13影响谷氨酸晶型的主要因素3.加酸速度（加酸中和到pH5左右可快些，pH5以下，起晶前后，加酸要慢，发现晶核应立即停止加酸，育晶2h，使晶核成长，缓慢加酸中和到pH3.2，搅拌育晶）常用硫酸而不用盐酸中和，终pH要准，常调节终点到3.0－3.2，停酸半小时，取样复测pH。2020年9月28日14加酸速度对晶型的影响2020年9月28日15影响谷氨酸晶型的主要因素4.投晶种与育晶结晶理论表明，溶液为过饱和时，经历介稳区和不稳区两个区域。介稳区决定晶核的成长，不稳区决定晶核的形成，故投种要注意时间。育晶：pH中和至4.5时，要仔细观察晶核生成情况，当能目视晶核时，说明晶核不少，可作为第一步pH终点值，停酸育晶，过2h后，逐步把pH调到结晶点，使晶核成长，形成结晶颗粒。2020年9月28日16自然起晶自然起晶加晶种起晶起晶方式2020年9月28日17影响谷氨酸晶型的主要因素搅拌的影响（25rpm）搅拌有利于晶体成长，避免晶簇生成，但搅拌太快，液体翻动剧烈，会引起晶体磨损，对晶体成长不利，结晶细小搅拌太慢，液体翻动不大，晶体易下沉，pH和温度不均匀，引起局部pH过低，形成过多微细晶核，结晶颗料大小不一，不易与菌体分离，影响收率。2020年9月28日18影响谷氨酸晶型的主要因素菌体残糖L－谷氨酰胺杂菌和噬菌体水解糖液质量不同谷氨酸产生菌种对谷氨酸结晶晶型的影响玉米浆胶体过多时对结晶的影响某些氨基酸、多肽类物质及杂质的影响：Ｌ－天冬氨酸、Ｌ－苯丙氨酸，Ｌ－酪氨酸，Ｌ－亮氨酸及Ｌ－胱氨酸能促进а－晶型的生成。2020年9月28日19残糖对晶型的影响2020年9月28日20在相同条件下，影响谷氨酸晶型的关键因素是加酸速度2020年9月28日212020年9月28日22三、等电点工艺类型带菌体直接常温等电点法带菌体冷冻低温一次等电点法除菌体常温等电点法浓缩水解等电点法低温浓缩等电点法从结晶方法分类：逐步起晶法和连续结晶法（即当量中和法）2020年9月28日231.直接常温等电点法2020年9月28日24操作要点放罐后测定体积,pH,谷氨酸含量和温度，开搅拌。冷却至25－30℃、消除泡沫后调pH用盐酸较快地调到pH5.0，达4.5后，放慢速度，调节pH至有晶核形成，搅拌育晶2－4h。当产酸低于4%时，将pH调至3.5－3.8。搅拌育晶2h，缓慢加酸，耗时6h调到pH3.0-3.2,停酸复查pH，搅拌2h后，开大冷却水降温，使温度尽可能低。至等电点后，继续搅拌16－20h，停搅拌静置沉淀4h，关闭冷却水，将上层菌体液放到近谷氨酸层面时用真空将谷氨酸抽到另一容器里回收。取出底部谷氨酸，离心甩干，水洗谷氨酸，改善谷氨酸质量和色泽。2020年9月28日252带菌体冷冻低温一次等电点法将等电点温度由15－20℃降至0－5℃，降低母液中谷氨酸含量。与方法1的区别终点温度为0－5℃，在较低温度下形成的晶体如果操作不当往往较小。发酵醪降至25℃，加盐酸调至pH4.5-4.0投入0.2%晶种育晶2－3h边降温边加盐酸调至pH3.820℃时关冷却水育晶2h缓慢降温和调pH至3.513－15℃时育晶2h缓慢降温调pH至3.0-3.2育晶2h开大冷却水降温至0-5℃育晶10h,停搅拌沉淀4h2020年9月28日26除菌体常温等电点法先通过超速离心机分离发酵液中的菌体，等电法法分离清液中的谷氨酸2020年9月28日274.浓缩水解等电点法将发酵液浓缩后加入盐酸，加压水解，使菌体的蛋白质、残糖等有机物质，得到破坏，经过滤除去，然后脱色，浓缩后用碱或发酵液中和到谷氨酸等电点结晶析出。化学变化（谷氨酸、菌体、焦谷氨酸、谷氨酰胺、残糖）此方法消除了影响谷氨酸结晶的因子，增加了谷氨酸结晶的形成需耐酸耐压的水解和浓缩设备2020年9月28日282020年9月28日29操作要点发酵液的浓缩：真空浓缩至原来的三分之一左右分解：将浓缩液转入分解缸中，加入工业盐酸，通入蒸汽，以0.2Mpa水解4h，降温至70℃过滤，滤液脱色后再经2次减压浓缩，加水，反复浓缩，调节pH1-1.5，d=1.25/70℃浓缩液中和、结晶：用NaOH中和至pH3.2，结晶析出。搅拌育晶48h，离心分离得粗谷氨酸。2020年9月28日30低温浓缩等电点法真空浓缩至12%－14%，采用一步低温直接等电点法提取发酵液发酵液浓缩育晶沉淀搅拌降温4h母液分离2020年9月28日316.谷氨酸发酵液连续等电点工艺管道连续等电点法：发酵液通过管道边加盐酸等电点罐（池）连续流加2020年9月28日32第四节离子交换法提取谷氨酸离子交换法从复杂的混合物中，分离性质相似大分子的方法之一，依据的原理是物质的酸碱性、极性，也就是所带阴阳离子的不同。电荷不同的物质，对管柱上的离子交换剂有不同的亲和力，改变沖洗液的离子強度和pH值，物质就能依次从层析柱中分离出來。离子交换树脂的结构与功能(以732树脂为例)离子交换树脂是由本体(由高分子化合物(苯乙烯)和交联剂（二乙烯苯）组成的高分子共聚物母体及磺酸基、羧基、胺基等活性基团两部分组成。交换基团(由能起交换作用的阳(阴)离子（Ｈ＋）和与交换树脂本体联结在一起的阴(阳)离子（-SO3）两部分组成（磺酸基）。2020年9月28日33二、离子交换树脂的性能交联度：交联剂的百分含量。732树脂交联度通常按树脂母体中二乙烯苯的总量所占重量百分数计。粒度：颗粒在水中充分膨胀后的直径，732树脂粒度为16-60目（碎米大小）形状：不定形颗粒与球状两种含水量：在指定活性基团形式下，树脂充分膨胀后树脂内部水分占树脂的百分比。交联度小内部容量大，含水量高。一般树脂含水量40%－60%相对密度：湿真密度：树脂经水充分膨胀后的湿树脂质量与湿树脂体积之比，一般为1.04－1.3视密度：经充分膨胀后的湿树脂质量与湿树脂在离子交换柱中所占体积比。一般为0.6－0.85，依据视密度大小估计出离子交换柱所承受的压力，从而确定离子交换柱树脂的最大装填量。2020年9月28日34二、离子交换树脂的性能膨胀性：树脂在水中由于活性基团的解离和形成水合离子的缘故，树脂的交联网孔增大，树脂发生膨胀。交联度小的树脂膨胀性大；活性基团解离能力高的树脂，膨胀性大。离子交换树脂上活性基团的形式的改变，会影响树脂的膨胀度。因此树脂再生和转型过程中会发生胀缩，如此反复多次，易造成树脂破碎，引起树脂老化。一般阳离子交换树脂比阴离子树脂抗老化，交联度高的树脂比交联度低的树脂不易老化。耐热性：温度高活性基团发生分解，从而影响交换容量和树脂使用寿命，温度过低，树脂的机械强度变弱，当温度低于0时水分冻结，树脂易破裂。树脂交换容量：理论交换容量：树脂交换基团中所有可交换离子全部被交换时的交换容量，也是树脂全部可交离子的当量数。工作交换量：一定操作条件下，离子交换树脂能利用的交换容量，受操作条件（柱长度）、树脂粒度、离子性质及浓度、流速、交换基团等因素影响。2020年9月28日35三、离子交换法提取谷氨酸的基本理论目前味精厂均采用732强酸性阳离子交换树脂，利用阳离子交换树脂对谷氨酸阳离子的选择性吸附，使发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖及糖的聚合物，蛋白质、色素等非离子性杂质得以分离，后经洗脱达到浓缩提取谷氨酸的目的。2020年9月28日36１.亲和力所有阳离子与阳离子交换树脂交换，阴离子与阴离子交换树脂交换。强酸性阳离子交换树脂的亲和力随着离子价数和原子序数的增加而增加，而随水合离子半径的增加而减少。氢离子的亲和力随树脂交换基团性质而异，取决于树脂交换基团与H+所形成的酸的酸性强弱在高浓度时，不同离子的亲和力差异显著减少氨基酸与酸碱两种树脂都能发生交换2020年9月28日37离子交换反应过程溶液中的谷氨酸离子经溶液扩散到树脂表面（外扩散）穿过树脂表面向树脂内部扩散谷氨酸离子与树脂中氢离子进行离子交换交换出来的氢离子从树脂内部向表面扩散氢离子扩散到溶液中（外扩散）2020年9月28日38３谷氨酸发酵液交换层次剖析732离子交换树脂对各成分的亲和力石英砂、石块、孔板GA中性氨基酸NH4+NH4+发酵液进口排气2020年9月28日39４.732树脂提取谷氨酸的化学反应

再生吸附洗脱2020年9月28日40四、离子交换柱装置耐腐性能径高比（4-5:1）,树脂层高度为柱有效高度的1/2-2/3，正上柱有效树脂体积约为柱的70%,倒上柱约为60%,以备反冲树脂扩展之用。树脂支持层：2020年9月28日41五、工艺流程单柱法工艺直接等电点提取谷氨酸或发酵液等电点提取时高流分调pH1.5缓慢加入2020年9月28日42双柱串联工艺流程等电点母液一次交换倒冲放氨放氨再生过流分二次交换水洗疏松树脂热水预热热水预热60℃4%氢氧化钠洗脱得不同流分水洗树脂再生水洗树脂及疏松弱酸性阳离子交换树脂强酸性阳离子交换树脂2020年9月28日43六操作要点树脂预处理上柱交换的控制上柱发酵液pH控制（发酵液在pH5－5.5上柱）上柱量的控制上柱流速的控制洗脱剂的选择（氢氧化钠、氯化钠、发酵液）树脂再生“结柱”和上柱“漏吸”原因结柱：谷氨酸以结晶形式析出，把树脂粘结成团，把树䐊粘结成团，使流速困难、走短路洗脱峰拖长等。漏吸原因2020年9月28日44第五节等电点－离子交换法提取谷酸发酵液育晶2h(pH4-5)育晶2h(pH3.5-3.8)搅拌育晶20－16h育晶2h(pH3.0-3.2)离交分离细GluGlu洗脱高流分（用盐酸pH至1.5）初流分后流分1.配碱时当水用或碱洗脱之前当上柱液用2.采用离交法回收2020年9月28日45第六节锌盐法提取谷氨酸一步锌盐法在发酵液中直接投入硫酸锌,使之成为谷氨酸锌,然后转化为谷氨酸方法二:用等电点法提取谷氨酸,对母液用硫酸锌使之成为谷氨酸锌,谷氨酸锌可直接做谷氨酸或与发酵液混合做等电点,提取谷氨酸.2020年9月28日46工艺流程一步锌盐法(1)制备谷氨酸锌(2)制谷氨酸逐步起晶法:将谷氨酸锌泵入等电点缸,开动搅拌,用水调节浓度为20-24波美度,升温45℃，调pH3.2－3.5，使谷氨酸溶解，根据浓度高低，用盐酸调到谷氨酸的起晶点的pH值，育晶2－3h，继续加酸pH2.8，育晶2h,最后调到2.4，搅拌后，开冷却水，继续搅拌16小时以上，然后沉淀4h，把上清液泵入贮存缸内，经两次加水清洗残锌和杂质，最后进行离心分离。连续等电点法：2020年9月28日47工艺流程等电点锌盐法先将发酵液放入等电点缸内，开始搅拌，加入谷氨酸锌盐或将发酵液放入有谷氨酸锌盐的等电点缸内，用盐酸逐步调到pH4.5，出现晶核时，停止加酸，充育晶2h，逐步调到pH2.8,搅拌3h后，开冷却水，继续搅拌16h以上，沉淀4h，离心分离谷氨酸。等电点母液中的谷氨酸采用锌盐法提取。2020年9月28日48第七章谷氨酸制味精味精是L-谷氨酸一钠,带有一分子结晶水.谷氨酸盐与适量的碱中和,生成谷氨酸一钠,经脱色\除铁\除杂最后通过减压浓缩,结晶分离得到较纯的谷氨酸一钠晶体,酸味消失,有很强鲜味.2020年9月28日49§1味精的性质性状分子式结晶系斜方晶系密度旋光性及其比旋比度溶解度PH全氮熔点吸湿性热稳定性2020年9月28日50§1.2味精的化学性质与盐酸作用与碱作用在水溶液中长时间加热脱水在水溶液中解离2020年9月28日51§1.3味精的生理作用及安全性在自然界中普遍存在构成蛋白质,有较高营养价值安全性2020年9月28日52§2谷氨酸制味精的基本工艺流程谷氨酸加水溶解,用碳酸钠或氢氧化钠中和,经脱色,除铁钙镁等离子,再经蒸发浓缩\结晶分离干燥筛选得到高纯度的晶体或粉体味精,这个生产过程统称为精制.2020年9月28日53§3谷氨酸的中和与除铁一.谷氨酸的中和(一)原理先把谷氨酸加入水中,成为饱和溶液,然后加碱中和,从3.2开始到谷氨酸的第二等电点6.96,谷氨酸一钠离子在溶液中约占总离子浓度的99.59%.当pH超过7以后,随着pH的升高,溶液中的GA2-增多,生成谷氨酸二钠,2020年9月28日54§3谷氨酸的中和与除铁一.谷氨酸的中和(二)工艺条件1.中和剂选择及用量:使用含盐分少的碳酸钠或固体氢氧化钠进行中和而不用工业液碱.但离子膜法所制的液碱也可用于味精的生产.后者具有方便快捷的优点.2.浓度:中和液的浓度选择21-23波美度3.温度:为保证工艺要求的浓度,一般都在加热条件下进行中和.60-70,温度过高谷氨酸钠脱水环化,生成焦谷氨酸钠.谷氨酸一钠溶解度较大,谷氨酸的溶解度常温下很低.为保证获得要求的一钠盐浓度需加热2020年9月28日55§3谷氨酸的中和与除铁一.谷氨酸的中和(二)工艺条件4.中和液pH控制在6.0-6.6:谷氨酸是两性电解质,在6.96时生成一钠最多,但生产上国产PH试纸有一定误差,宜控制在6.4左右中和液超过7时还会发生消旋化反应.2020年9月28日56§3谷氨酸的中和与除铁5.中和操作要点A.先在不銹钢桶内按一定配比加入渣水或蒸馏水和活性炭,加热,开动搅拌器(60r/min),然后按定量投入谷氨酸,缓慢加入液再加热至6.5-7.0,使碱块溶解,继续搅拌,使反应完全,同时也起到降温作用B.采用当量中和,即按上述方法先将底水升温到65度,开动搅拌器,然后按当量中和法将谷氨酸与纯碱缓慢加入,使中和液保持6.4,温度60-65,直至中和结束.注:中和时先将水加热到65;操作时中和速度要缓慢,防止产生大量二氧化碳,防止加碱速度过快,搅拌不均匀等.2020年9月28日57§3谷氨酸的中和与除铁二.中和液除铁来源:原辅材料\设备,含铁10mg/L以上影响品质存在形式:与谷氨酸形成络合物,硫化钠用量需要增加,才能将铁离子从络合物中沉淀析出.除铁方法:A.硫化钠除铁工艺控制:方法一:在中性或碱性条件下除铁效果较好,控制Ph7.0-7.3,加入硫化钠经沉淀后,抽取上清液,加入谷氨酸回调至6.5-6,8,再加入粉体活性炭脱色.方法二:调中和液至6.3-6.5,加入硫化钠,升至6.6-6.8,沉淀后抽取上清液加入粉体活性炭进生脱色操作.2020年9月28日58§3谷氨酸的中和与除铁B.树脂除铁通用1号\122弱酸性阳离子树脂.此法污染小.利用带有酚氧基团的树脂使络合铁与树脂螯合成新的更稳定的络合物除铁.操作:树脂预热,避免谷氨酸钠交换:进料流量为树脂体积的1-2倍,一般顺流交换流出液收集:当流出液浓度高于12波美度并检查无铁时收集,颗粒活性炭脱色,当检查出现铁时停止进样,改进凝结水至流出液为0波美度.再生:正反水洗,酸洗,正水洗,碱洗,正反水洗,备用注:交换及再生过程中保持适宜的液面高度,不得干柱.2020年9月28日59§3谷氨酸的中和与除铁树脂除铁影响因素树脂的离子形式中和液的铁含量越高,树脂吸附容量越大树脂层高度对吸附效果并无明显影响吸