1、提炼：提炼： 将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的L谷氦酸谷氦酸提取出来，再进一步中和、除铁、脱色、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加工精制成谷氨酸单钠盐(俗称味精俗称味精)这个过这个过程叫提炼。程叫提炼。 目前生产上可分为谷氨酸提取与精制两个阶段。 本章主要介绍以发酵液中提取谷氨酸的原理、方法和生产上出现的异常问题及解决的方法。 谷氨酸提取工艺的选择原则：谷氨酸提取工艺的选择原则： 应当是工艺简单，操作方便，提取收率高，应当是工艺简单，操作方便，提取收率高，产品纯度高，劳动强度小，设备简单，造产品纯度高，劳动强度小，设备简单，造价低，使用的原
2、材料，药品价廉，来源容价低，使用的原材料，药品价廉，来源容易。同时还要从减少环境污染等方面综合易。同时还要从减少环境污染等方面综合考虑。考虑。目前国内各味精厂主要采用以下几种方法提取谷氨酸： （1）等电点法）等电点法 将发酵液加盐酸调将发酵液加盐酸调PH至谷氨酸的等电至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出，其收率可达点，使谷氨酸沉淀析出，其收率可达60-70。如果采用冷冻低温等电点法，液温冷。如果采用冷冻低温等电点法，液温冷却至却至5以下，收率可达以下，收率可达78左右。左右。 (2)离子交换法离子交换法 先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸将发先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸将发酵液调至一定的酵液调
3、至一定的PH值，采用阳离子交换树值，采用阳离子交换树脂吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从脂吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯的目的。树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯的目的。收率可达收率可达85-90左右。左右。 但是酸碱用量大，废水排放量大。国内有但是酸碱用量大，废水排放量大。国内有些味精厂采用等电点些味精厂采用等电点-离子交换法提取工艺离子交换法提取工艺路线，总收率可达路线，总收率可达90左右。左右。(3)金属盐法 金属盐法包括锌盐法和钙盐法，即利用谷金属盐法包括锌盐法和钙盐法，即利用谷氨酸与氨酸与Zn、Ca、Co等金属离子作用，生成等金属离子作用，生成难溶于水的
4、谷氨酸金属盐，沉淀析出，在难溶于水的谷氨酸金属盐，沉淀析出，在酸性环境中谷氨酸金属盐被分解，在酸性环境中谷氨酸金属盐被分解，在PH24时，谷氨酸溶解度最小，重新以谷时，谷氨酸溶解度最小，重新以谷氨酸形式结晶析出。氨酸形式结晶析出。 一般锌盐法提取收率在一般锌盐法提取收率在85左右，有的左右，有的厂采用等电点厂采用等电点-锌盐法提取谷氨酸收率较稳锌盐法提取谷氨酸收率较稳定。定。 (4)盐酸水解盐酸水解-等电点法等电点法 发酵液中除含有谷氨酸外，尚含有一定量发酵液中除含有谷氨酸外，尚含有一定量的谷氨酰胺，焦谷氨酸和菌体蛋白，这些的谷氨酰胺，焦谷氨酸和菌体蛋白，这些物质用等电点、离子交换、锌盐法提取
5、是物质用等电点、离子交换、锌盐法提取是无法回收的。无法回收的。 发酵液经浓缩后加盐酸水解，可回收部分发酵液经浓缩后加盐酸水解，可回收部分谷氨酸，从而使谷氨酸的提取收率和谷氨谷氨酸，从而使谷氨酸的提取收率和谷氨酸质量得到提高。酸质量得到提高。 (5)离子交换膜电渗析法提取谷氨酸离子交换膜电渗析法提取谷氨酸 根据渗透膜对各种离子物质的选择透性不根据渗透膜对各种离子物质的选择透性不同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。同而将谷氨酸分离，如电渗析和反渗透法。国外提取谷氨酸工艺如下：国外提取谷氨酸工艺如下： (1)日本 目前(1978年)日本协和发酵采用浓缩等电点工艺。发酵液先分离出菌体，加硫酸结晶。菌
6、体做饲料，母液做肥料。回收率85-90。 发酵液：谷氨酸含量为发酵液：谷氨酸含量为8-10。 菌体分离：碟片式自动分离机，处理量为菌体分离：碟片式自动分离机，处理量为70th，菌渣为，菌渣为14-15，含谷氨酸，含谷氨酸2-3。 浓缩：浓缩：60以下减压浓缩，浓缩液含谷氨以下减压浓缩，浓缩液含谷氨酸为酸为15-20%。 出晶：加浓硫酸调出晶：加浓硫酸调PH 32，搅拌，搅拌20-30h，多罐串联，连续冷却结晶。连续分离出料。多罐串联，连续冷却结晶。连续分离出料。母液含谷氨酸为母液含谷氨酸为3-5，做肥料。，做肥料。结晶洗涤三次，方法如下：每个等电点罐容量为每个等电点罐容量为45-100t。 (
7、2)美国 美国圣何塞味精厂提取工艺，发酵液经两次4650 rmin高速离心机分离菌体和消液，菌体经干燥制成鸡、奶牛饲料。 清液经清液经90-95加热，使蛋白质等有机物凝加热，使蛋白质等有机物凝聚沉淀，并加入一定比例硅藻土助滤剂，聚沉淀，并加入一定比例硅藻土助滤剂，经旋转真空膜过滤机过滤，除去杂质。经旋转真空膜过滤机过滤，除去杂质。母液经五效蒸发器浓缩后加盐酸调母液经五效蒸发器浓缩后加盐酸调PH使谷使谷氨酸结晶析出，再加入一定助滤剂，在旋转氨酸结晶析出，再加入一定助滤剂，在旋转真空膜过滤机过滤，分离出谷氨酸结晶和助真空膜过滤机过滤，分离出谷氨酸结晶和助滤剂混合物，作为精制味精的原料。滤剂混合物，
8、作为精制味精的原料。第二节 谷氨酸发酵液的性质和 发酵废液的综合利用 一、谷氨酸发酵液的主要性质一、谷氨酸发酵液的主要性质发酵液中的主要成分有： (1)发酵液中所含的谷氨酸为L-型，一般以谷氨酸铵盐形式存在。 (2)发酵液含有无机盐，有发酵液含有无机盐，有K、Na、NH4、Mg、Ca、Fe、Po4等、还有残糖、色素、等、还有残糖、色素、尿素等。此外，也有消泡用的花生油、豆尿素等。此外，也有消泡用的花生油、豆油或合成消泡剂等留在发酵液中。油或合成消泡剂等留在发酵液中。（3）大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发）大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发酵液中，湿菌体约占发酵液的酵液中，湿菌体约占发酵液的5
9、-8。 （4）发酵液中尚有其它一些含量很少的发）发酵液中尚有其它一些含量很少的发酵副产物。酵副产物。 有机酸类有乳酸、酮戊二酸、琥珀酸等；有机酸类有乳酸、酮戊二酸、琥珀酸等；氨基酸类有天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、氨基酸类有天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组氨酸和谷氨酰胺等。各种氨基酸含量小于氨酸和谷氨酰胺等。各种氨基酸含量小于1。 (5)谷氨酸发酵液中含有铵离子谷氨酸发酵液中含有铵离子0.6-0.8，残糖残糖1以下。以下。二、菌体分离方法 国内味精厂从发酵液中提取谷氨酸时，一国内味精厂从发酵液中提取谷氨酸时，一般受设备条件限制，
10、并不先分离菌体，而般受设备条件限制，并不先分离菌体，而直接从含有菌体和蛋白质的发酵液及其浓直接从含有菌体和蛋白质的发酵液及其浓缩物中提取谷氨酸。缩物中提取谷氨酸。 但菌体存在于发酵液中不利于谷氨酸的结但菌体存在于发酵液中不利于谷氨酸的结晶分离。有条件的工厂如能将发酵液中菌晶分离。有条件的工厂如能将发酵液中菌体预先分离，就会降低发酵液的粘度和杂体预先分离，就会降低发酵液的粘度和杂质含量，有利于谷氨酸发酵液的浓缩纯化质含量，有利于谷氨酸发酵液的浓缩纯化和结晶分离，提高产品收率和纯度。和结晶分离，提高产品收率和纯度。1机械分离法机械分离法 一般采用高速离心分离机分离菌体。如用一般采用高速离心分离机分
11、离菌体。如用国内生产的国内生产的DP-400型和型和D-350型酵母高速型酵母高速离心机，转速离心机，转速6500rmin，和，和GF-150型高型高速管式离心机，转速速管式离心机，转速13500-1500rmin。2加热沉淀法加热沉淀法 将发酵液加热至80以上，静置使菌体和蛋白质凝固沉淀而除去。 此法特别适用于发酵感染杂菌，噬菌体的发酵液，经过加热既可杀死杂菌又可使大量杂质凝固沉淀，有利于提取。但需消耗较大能量。 3添加凝聚剂沉淀法 在发酵液中加入适量絮凝剂（如聚丙烯酰胺)使菌体凝集一起，加助滤剂过滤除去。 三、发酵液的综合利用 发酵法生产味精的工厂，每天都有大量废液和废菌体排放，造成环境污
12、染，对发酵废液的处理，是目前各味精厂急待解决的问题。 发酵废液中含有一些量很小，价值很高的代谢副产物。许多味精厂开展了综合利用，主要有以下几个方面： (1)从谷氨酸发酵液中提取腺嘌呤。腺嘌呤从谷氨酸发酵液中提取腺嘌呤。腺嘌呤是肌苷发酵的必要原料，同时它还可合成是肌苷发酵的必要原料，同时它还可合成ATP。腺嘌呤是发酵过程核酸降解产物，。腺嘌呤是发酵过程核酸降解产物，利用其解离度不一，在利用其解离度不一，在732离子交换树脂中，离子交换树脂中，用氢氧化钠洗脱时出现两个峰，见图用氢氧化钠洗脱时出现两个峰，见图6-1。 可以分开收集。前者为谷氨酸，后者为腺嘌呤。再精制就可制得腺嘌呤磷酸盐或腺嘌呤盐酸盐
13、。 (2)谷氨酸菌体内含有大量的蛋白质谷氨酸菌体内含有大量的蛋白质(约占干约占干菌体重的菌体重的60)和核糖核酸。和核糖核酸。 谷氨酸发酵液先经高速离心机分离菌体，谷氨酸发酵液先经高速离心机分离菌体，回收菌体用自溶法可制得腺嘌呤核苷酸、回收菌体用自溶法可制得腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核鸟嘌呤核苷酸，胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸。苷酸。 这些都是医药上贵重药物，在治疗肝炎，这些都是医药上贵重药物，在治疗肝炎，血小板减少等症都有明显疗效。这样使菌血小板减少等症都有明显疗效。这样使菌体的经济价值得到充分利用。而鸟嘌呤核体的经济价值得到充分利用。而鸟嘌呤核苷酸和腺嘌呤核苷酸经脱氨成
14、肌苷酸，为苷酸和腺嘌呤核苷酸经脱氨成肌苷酸，为味精助鲜剂。味精助鲜剂。 (3)菌体中含有丰富的蛋白质和脂肪等物质，菌体中含有丰富的蛋白质和脂肪等物质，是动物的良好饲料。是动物的良好饲料。 (4)发酵废液中含有大量铵和磷钾等，是农发酵废液中含有大量铵和磷钾等，是农业生产中很好的肥料。业生产中很好的肥料。 (5)发酵废液还可用来进行酵母发酵，制取发酵废液还可用来进行酵母发酵，制取单细胞蛋白，作饲料用，又可减少环境污单细胞蛋白，作饲料用，又可减少环境污染。染。第三节 等电点法提取谷氨酸 一、等电点提取谷氨酸的原理一、等电点提取谷氨酸的原理 1谷氨酸的两性解离与等电点谷氨酸的两性解离与等电点 (3)谷
15、氨酸等电点的性质 谷氨酸的等电点是它呈电中性时所处环境的PH值，即谷氨酸解离成兼性离子时所处环境的PH值，习惯上常以PI代表。 谷氨酸在等电点时，正负电荷相等，总静谷氨酸在等电点时，正负电荷相等，总静电荷等于零，形成偶极离子，在直流电场电荷等于零，形成偶极离子，在直流电场中既不向阳极移动，也不向阴极移动，此中既不向阳极移动，也不向阴极移动，此时，由于谷氨酸分子之间的相互碰撞，并时，由于谷氨酸分子之间的相互碰撞，并通过静电引力的作用，会结合成较大的聚通过静电引力的作用，会结合成较大的聚合体而沉淀析出。合体而沉淀析出。 因而在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。工业生产中等电点法提取谷氨酸就是根据这一特
16、性，将发酵液PH调至32，使谷氨酸处于过饱和状态而结晶析出。2谷氨酸的溶解度 在一定温度下，每在一定温度下，每100g水中所能溶解谷氨水中所能溶解谷氨酸的最多克数，称为谷氨酸的溶解度。酸的最多克数，称为谷氨酸的溶解度。可从下式求得：可从下式求得：（1）pH值对谷氨酸溶解度的影响值对谷氨酸溶解度的影响 由图由图6-3可知谷氨酸在可知谷氨酸在PH1附近或碱性情况附近或碱性情况下，溶解度很高，但在等电点下，溶解度很高，但在等电点PH322和和在在30以上的高浓度盐酸下，溶解度便显以上的高浓度盐酸下，溶解度便显著减少到最低点。著减少到最低点。 工业生产中的等电点，盐酸盐法提取谷氨工业生产中的等电点，盐
17、酸盐法提取谷氨酸，就是巧妙地利用这一特性。酸，就是巧妙地利用这一特性。(2)温度对谷氨酸溶解度的影响 见表见表6-3，谷氨酸溶解度受温度影响较大，谷氨酸溶解度受温度影响较大，温度越低，溶解度越小，这便是低温等电温度越低，溶解度越小，这便是低温等电点法提取谷氨酸能提高收率的依据。点法提取谷氨酸能提高收率的依据。(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 发酵液中含有残糖、其它氨基酸、菌体及胶体物质等杂质，这些杂质都会影响谷氨酸的溶解度。 例如发酵液有其它氨基酸存在时，会导致例如发酵液有其它氨基酸存在时，会导致谷氨酸溶解度的增加，当发酵液在谷氨酸溶解度的增加，当发酵液在235时，纯谷氨
18、酸的溶解度为时，纯谷氨酸的溶解度为08l8，倘若，倘若有其它氨基酸存在时，有其它氨基酸存在时，(以以0.097计计)，则，则谷氨酸的溶解度增加为谷氨酸的溶解度增加为14l2，是纯谷，是纯谷氨酸溶解度的氨酸溶解度的1726，严重影响谷氨酸，严重影响谷氨酸的收率。的收率。 又如，碳水化合物水解液的存在，也会使谷氨酸的溶解度有所增加。二、谷氨酸的结晶二、谷氨酸的结晶 在等电点操作中，随着加酸调在等电点操作中，随着加酸调PH，温度的，温度的降低，逐渐接近谷氨酸的等电点，溶液中降低，逐渐接近谷氨酸的等电点，溶液中的谷氨酸处于过饱和状态，过量的溶质会的谷氨酸处于过饱和状态，过量的溶质会结晶析出。一般控制在
19、介稳区时使溶液产结晶析出。一般控制在介稳区时使溶液产生微细的晶核。生微细的晶核。 再进行养晶、育晶即以已产生的晶核为中再进行养晶、育晶即以已产生的晶核为中心，陆续在晶核表面吸附周围的溶质分子，心，陆续在晶核表面吸附周围的溶质分子，使晶粒不断长大，通过对晶核形成与晶体使晶粒不断长大，通过对晶核形成与晶体成长的控制，可得到满意的谷氨酸结晶。成长的控制，可得到满意的谷氨酸结晶。1谷氨酸的晶型及性质谷氨酸的晶型及性质 谷氨酸结晶具有多晶型性质，在不同条件下会形成不同晶型的谷氨酸结晶。分为-型结晶和-型结晶两种。 -型谷氨酸结晶为斜方六面晶体，是等电型谷氨酸结晶为斜方六面晶体，是等电点提取的一种理想的结
20、晶，这种结晶体纯点提取的一种理想的结晶，这种结晶体纯度高，颗粒大，质量重，实测其视比重为度高，颗粒大，质量重，实测其视比重为085晶体光泽，易沉降，与母液分离容易。晶体光泽，易沉降，与母液分离容易。 取容易，收率高。若含量在取容易，收率高。若含量在15-35之之间，在常温下不易使谷氨酸达到过饱和状间，在常温下不易使谷氨酸达到过饱和状态，即溶液的过饱和率小，结晶生成速度态，即溶液的过饱和率小，结晶生成速度很慢，难于形成晶核或晶核数量极少，遇很慢，难于形成晶核或晶核数量极少，遇到这种情况应设法增加发酵液中的谷氨酸到这种情况应设法增加发酵液中的谷氨酸含量：含量： 如在中和时，可以多加些高流分如在中和
21、时，可以多加些高流分(离子交换离子交换柱洗脱下的高流液加酸调至柱洗脱下的高流液加酸调至PHl5，用于，用于等电点中和等电点中和)，以增加发酵液中谷氨酸含量，以增加发酵液中谷氨酸含量，同时在晶核形成前，同时在晶核形成前，PH在在4左右，投入一左右，投入一定量的晶种，以促进结晶的形成。定量的晶种，以促进结晶的形成。 若采用添加青霉素，表面活性剂或高糖以及后期流加糖等发酵工艺，虽然发酵产酸可达8以上，但是容易出现-型结晶。 加之发酵液色素深、菌体多、杂质多等因加之发酵液色素深、菌体多、杂质多等因素，致使等电点操作困难，因此，在这种素，致使等电点操作困难，因此，在这种情况下，不能照搬原有工艺条件，应注
22、意情况下，不能照搬原有工艺条件，应注意提高育晶的提高育晶的PH和育晶时间，投入晶种或采和育晶时间，投入晶种或采取除菌体等措施，以确保丰产又丰收。取除菌体等措施，以确保丰产又丰收。 (2)温度与降温速度对晶型的影响温度与降温速度对晶型的影响 结晶析出温度对晶型有很大影响，当结晶析出温度超过30时，-型结晶明显增加，因此，为了避免形成 -型结晶，在等电点法提取谷氨酸时，必须把发酵液的液温降到30以下，再进行晶体析出。 中和时要控制液温缓慢下降，不能回升，这样形成的谷氨酸颗粒较大，否则降温过快或温度忽高忽低时，不仅晶核小而多，结晶微细，而且会引起-型结晶向-型结晶转换，导致分离困难，收率下降。 中和
23、结束育晶2h后，温度应尽可能降低。以减少谷氨酸的溶解度。（3)加酸速度与终加酸速度与终PH值的影响值的影响 放罐时发酵液的PH为7左右， 加酸速度的快慢，对晶型的影响很大，特别是发酵不正常，一定要缓慢加酸，控制PH缓慢下降(不能回升)，使谷氨酸的溶解度逐渐下降，这样晶核形成也不会太多。 控制一定数量的晶核后，停止加酸，进行育晶，使晶体成长壮大，析出的结晶为-型，晶粒颗粒大，易沉淀分离。 如果加酸速度太快，采用一次性将发酵液调至终点PH32， 会局部过饱和，即使是正常发酵液，也很快出现大量的细小晶核，经搅拌逐步形成片状结晶，周围包住絮状物，形成-结晶，谷氨酸的纯度下降，不易沉淀，分离困难。 一般
24、地说，开始加酸中和至PH5左右，这段时间加酸速度可以快一些，PH5以下，起晶前后，加酸速度要慢，须倍加小心，发现晶核时，应立即停止加酸，育晶2h，使晶核成长壮大，继续缓慢加酸中和至PH32，搅拌育晶。 目前工厂一般采用盐酸中和，若用硫酸中和，要避免局部温度过高，防止形成-型结晶，更需缓慢加酸。同时要选用硫酸含量高，含杂质少，减少溶解度，可提高收得率。 如果用甜菜糖蜜发酵，对发酵液中的钙离如果用甜菜糖蜜发酵，对发酵液中的钙离子要进行预处理，以防止生成硫酸钙沉淀子要进行预处理，以防止生成硫酸钙沉淀而影响谷氨酸纯度。而影响谷氨酸纯度。 终终PH要准，由于谷氨酸的溶解度在等电点要准，由于谷氨酸的溶解度
25、在等电点偏碱时比偏酸时增加速度快，所以为了防偏碱时比偏酸时增加速度快，所以为了防止肉眼或仪器测定止肉眼或仪器测定PH误差所造成的损失，误差所造成的损失，终点终点PH应调节应调节30-32，停酸半小时，停酸半小时，搅拌均勺，取样复测搅拌均勺，取样复测PH。(4)投晶种与育晶 谷氨酸起晶有两种方法，即自然起晶和加谷氨酸起晶有两种方法，即自然起晶和加晶种起晶。晶种起晶。一般来说，加晶种起晶，晶核容易控制，不一般来说，加晶种起晶，晶核容易控制，不易出现易出现-型结晶，但是晶种质量的好坏与结型结晶，但是晶种质量的好坏与结晶质量密切相关，一定要选择质量较好的晶质量密切相关，一定要选择质量较好的-型结晶作晶
26、种。型结晶作晶种。 投晶种一定要掌握好投放时间，以溶液PH值来控制，投种出溶液PH值偏高晶种容易溶解，起不到投晶种的作用，反而增加溶液中溶质的浓度，不利于谷氨酸结晶。 若控制溶液PH值太低，谷氨酸结晶已析出，会刺激更多细小晶核的形成。 根据结晶理论，溶液变为过饱和时，经历介稳区和不稳区两个区域。 介稳区决定晶体的成长，不稳区决定晶核的形成，故投种时间应控制在介稳区。利用调节PH与温度，使谷氨酸处于介稳区，投入晶种。 接种量为发酵液的接种量为发酵液的01-0.3%。一般含谷氨。一般含谷氨酸酸5左右时，于左右时，于PH 40-45间投放晶种，间投放晶种，含谷氨酸含谷氨酸35-4时，在时，在PH35
27、-40左左右投入晶种。右投入晶种。 PH中和至45时，要仔细观察晶核生成情况，当能目视发现晶核时，说明晶核已不少了，可作为第一步的PH终点值，停酸育晶，保证必要的养晶、育晶时间（2h)。再逐步把PH调至结晶点，使晶核成长壮大。从而形成较大的结晶颗粒。 育晶：育晶： （5)搅拌的影响 搅拌有利于晶体长大，避免“晶簇”生成，但搅拌太快，液体翻动剧烈，会引起晶体的磨损，对晶体长大不利，结晶细小。 搅拌太慢，液体翻动不大，晶体容易下沉，PH和温度不均匀，引起局部pH过低，形成过多的微细晶核，结晶颗粒大小不一，不易与菌体分离，影响收率。 搅拌转速与设备直径和搅拌浆叶大小有关，设备越大，搅拌器的转速亦应相
28、应降低。生产上大多采用浆式搅拌器，二档叉安装，一般搅拌转速以25-35rmin左右。(6)菌体的影响 菌体影响谷氨酸结晶，不易与谷氨酸分离、有条件的工厂最好能先除去菌体，再用等电点法提取谷氨酸。(7)残糖的影响残糖的影响 发酵液中的残糖高，不仅会增加谷氨酸的溶解度，而且容易产生-型结晶，详见表6-8。这往往是由于淀粉水解不完全，或者水解过头，所产生的糊精和焦糖等末被谷氨酸菌所利用，在提取时沉淀析出，影响结晶。 (8)L-谷氨酰胺对晶型的影响 天津味精厂从生产实践中找到了L-谷氨酰胺与谷氨酸结晶的关系，即当发酵液中L-谷氨酰胺含量越高，谷氨酸结晶-型的出现就越严重，见表6-9。 所以应积极控制L
29、-谷氨酰胺的生成。（9)杂菌和噬菌体的影响 如果谷氨酸发酵感染杂菌和噬菌体，导致如果谷氨酸发酵感染杂菌和噬菌体，导致发酵液色泽深，发灰、发红，有异昧，并发酵液色泽深，发灰、发红，有异昧，并因噬菌体溶菌作用，致使胶体物质增多，因噬菌体溶菌作用，致使胶体物质增多，发酵液粘度大，泡沫多，残糖高，这些高发酵液粘度大，泡沫多，残糖高，这些高分子物质，在一定的分子物质，在一定的PH值下沉淀析出，形值下沉淀析出，形成无数絮状物把谷氨酸吸附住，影响晶体成无数絮状物把谷氨酸吸附住，影响晶体的正常生长，而形成的正常生长，而形成-型结晶。型结晶。 使谷氨酸与菌体难以分离，造成提取困难，甚至分离不出谷氨酸。遇到此情况
30、，最好发酵液先通过加热杀菌，沉淀菌体，这样既能防止杂菌和噬菌体扩散，又可破坏影响谷氨酸结晶的因素。也可采取等当量中和工艺，越过菌体蛋白质的等电点，使菌体蛋白质不易析出。（10)水解糖液质量对晶型的影响 水解糖的质量，一般是指糖液PH值控制是否正确，糖液有否含糊精及焦糖等成分。因为水解糖质最差，不仅对发酵不利，造成泡沫多，oD值上升慢，产酸低，残糖高等弊病，而且对提取带来影响。 导致提取时泡沫多，糖液中没有除尽的蛋白质，随PH值变动而伴随着谷氨酸结晶同时析出，容易出现谷氨酸-型结晶。(11)发酵液PH值对晶型的影响 (12)不同菌种对提取的影响 (13)玉米浆对提取的影响 (14)某些氨基酸、多
31、肽类物质及杂质等的影响 3-型结晶形成的过程 生产上应尽量避免生产上应尽量避免-型结晶的产生。为此，型结晶的产生。为此，观察了观察了 -型结晶产生的过程，发现在相同型结晶产生的过程，发现在相同条件下。唯有加盐酸速度快慢不一，加酸条件下。唯有加盐酸速度快慢不一，加酸速度快，是产生速度快，是产生 -型结晶的关键之一。型结晶的关键之一。 这是由于加酸速度快，使溶液很快进入过这是由于加酸速度快，使溶液很快进入过饱和状态，产生大量的细小晶核及溶液中饱和状态，产生大量的细小晶核及溶液中蛋白质随蛋白质随PH变化而同时析出，和谷氨酸晶变化而同时析出，和谷氨酸晶核吸附在一起，影响谷氨酸晶体长大，形核吸附在一起，
32、影响谷氨酸晶体长大，形成了成了-型结晶。型结晶。三、等电点工艺的类型 国内谷氨酸发酵采用等电点提取工艺，归国内谷氨酸发酵采用等电点提取工艺，归纳起来有：纳起来有： 带菌体直接常温等电点；带菌体直接常温等电点； 带菌体冷冻低温一次等电点；带菌体冷冻低温一次等电点； 除菌体常温等电点；除菌体常温等电点； 浓缩水解等电点和低温浓缩等电点等。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晶从结晶方法分为逐步起晶法和连续结晶法法(即当量中和法即当量中和法)两种。两种。 1直接常温等电点法 60年代中期，我国由面筋水解法制味精转入谷氨酸发酵法生产味精，提取工艺上就采纳了该工艺，其工艺
33、特点是设备简单，操作容易，生产周期短，酸、碱用量省等优点。(1)工艺流程4浓缩、水解等电点法 该法是将发酵液经浓缩后加入盐酸，加压水解，使菌体的蛋白质、残糖等有机杂质，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。 5低温浓缩等电点法 此法是将谷氨酸发酵液在低于45温度下减压蒸发，使谷氨酸含量由原来7-8，提高到12-14，采用一步低温直接等电点提取。 根据沈阳味精厂中型试验结果，平均收率为84左右，谷氨酸含量(干、纯)95左右。第四节 离子交换法提取谷氨酸一、离子交换树脂的结构与分类一、离子交换树脂的结构与分类1离子交换树脂的结构 （1）离子交换树脂是一种不溶
34、于酸、碱和有机）离子交换树脂是一种不溶于酸、碱和有机溶剂的，化学稳定性良好，具有网状结构的，具溶剂的，化学稳定性良好，具有网状结构的，具有离子交换能力的固态高分子化合物。有离子交换能力的固态高分子化合物。 （2）在网状结构的骨架上有许多可以被交换的）在网状结构的骨架上有许多可以被交换的活性基因。活性基因。 离子交换树脂是由离子交换树脂本体离子交换树脂是由离子交换树脂本体(母体母体)和交和交换基团两部分组成。换基团两部分组成。 (1)离子交换树脂本体 它是由高分子化合物和交联剂组成的高分子共聚物。交联剂是使高分子化合物交联成为网状结构的固体颗粒。它构成树脂的骨架，使树脂具有不溶解和化学稳定性质。
35、(2)交换基团交换基团 是由能起交换作用的阳(阴)离子和与交换树脂本体联结在一起的阴(阳)离子两部分组成。2.离子交换树脂的分类 目前生产上常用的是苯乙烯-二乙烯苯型合成树脂，并根据所引入的活性基团酸碱性强弱的不同而分为以下几种：二、离子交换树脂的主要性能 1颗粒与形状 离子交换树脂是一种透明或半透明的物质。有白、黄、黑及亦褐色等几种颜色。一般颜色与性能关系不大，在制造时若交联剂多，原料杂质多，颜色就稍深，树脂吸附饱和后颜色也会变深。树脂的形状有不定形粒状和球状两种。 树脂颗粒大小，对树脂交换能力，树脂层中溶液流动分布均匀程度，溶液通过树脂层的压力以及交换和反冲时树脂的流失等都有很大影响。 一
36、般树脂颗粒小，表面积大，交换速度快。但是，由于颗粒小，装填紧密，阻力大，流速慢，反洗时困难大。 所以颗粒大小应根据具体需要进行选择。732树脂粒度为16-60目。 2交联度 大多数离子交换树脂是由苯乙烯和二乙烯苯聚合而成，二乙烯苯的含量多少决定了交联结构的多少。通常所说的树脂交联度便是二乙烯苯在树脂母体总量中所占的重量百分数，732树脂交联度为7-8。 交联度的大小决定着树脂机械强度以及网状结构的疏密。 交联度大，网孔小，结构紧密，树脂机械强度大；交联度小，则树脂网孔大，结构疏松，强度小。 同时，交联度的变化，使离子交换树脂对大小不同的各种离子具有选择性通过的能力。 此外，由于树脂交联结构的特
37、点，使树脂具有固体不溶性，但能吸水胀溶。一般732树脂由Na型转变为H型时，其体积约增加5。 树脂在进行交换和再生时，其体积都发生胀缩，这是引起树脂老化的原因。一般说，胀溶性越大的树脂，机械强度也越差。3稳定性 尽可能选用耐温、耐磨、耐酸碱、不易破碎的交换树脂，以保证树脂循环使用的次数。 一般说来，苯乙烯型比其它类型交换树脂稳定性好；阳离子交换树脂比阴离子交换树脂的稳定性好；交联度大的比交联度小的稳定性好。4密度 5交换容量 离子交换树脂的交换容量是指树脂交换能力的大小，是衡量树脂性能的一个重要指标。一股选用交换量大一些的好。交换容量有以下几种表示方法： (1)理论交换容量理论交换容量(又称总
38、交换量又称总交换量) 理论交换容量指树脂交换基团中所有可交换离子全被交换时的交换容量，也就是树脂全部可交离子的当量数。一般用滴定法测定，单位一般用毫克当量克干树脂或毫克当量毫升湿树脂来表示。 (2)工作交换量 指在一定操作条件下，离子交换树脂所能够利用的交换容量，也可以称实际交换容量。 它受操作条件，如柱长度，树脂粒度，离子性质及浓度，流速，交换基团等因素影响，因为不是树脂的每个活性基团都进行交换，又因谷氨酸发酵液中尚含有一些其它离子，所以工作交换容量总比理论交换容量要低些。三、离子交换法提取谷氨酸的基本三、离子交换法提取谷氨酸的基本原理原理 1亲和力 溶液中某一离子能否与树脂上的离子进行交换
39、，主要取决于离子相对浓度以及交换树脂对该离子的相对亲和力。在常温和稀溶液中，有如下的规律： (1)原则上所有阳离子与阳离子交换树脂进行交换，所有阴离子与阴离子交换树脂进行交换。 (2)各种阳离子具有不同的亲和力，它们对于强酸性阳离子交换树脂的亲和力是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。 (3)H的亲和力随树脂交换基团性质而异，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取决于树脂交换基团与H所形成的酸的酸性所形成的酸的酸性强弱。如在强弱。如在-cooH中，中，H的亲和力高，而在的亲和力高，而在-s03H中，中， H的亲和力低。的亲和力低。 (4)在高浓度时
40、，不同离子的亲和力差异显著减少。 (5)氨基酸是两性电解质，它含有可交换的-NH4和coo-，因此，与酸、碱两种树脂都能发生交换。 对于强酸性阳离子交换树脂，所有氨基酸都能吸附，等电点愈高，亲和力愈大，交换吸附能力愈强，见表6-6。2离子交换反应过程离子交换反应过程 离子交换反应是指离子交换树脂交换基团离子交换反应是指离子交换树脂交换基团的可游离交换离子中的的可游离交换离子中的H，与溶液中的同性，与溶液中的同性离子的交换反应过程。它同一般化学反应离子的交换反应过程。它同一般化学反应一样，它服从于质量作用定律，而是可逆一样，它服从于质量作用定律，而是可逆的。的。 (1)溶液中的谷氨酸离子经溶液扩
41、散到树脂表面。 (2)穿过树脂表面向树脂内部扩散。 (3)谷氨酸离子与树脂中H进行离子交换。 (4)交换出来的H从树脂内部向树脂表面扩散 (5)最后H扩散到溶液中。 其中步骤(1)、(5)称为外扩散；(2)、(4)称内扩散；3)称交换反应。 一般速度很快，而扩散速度较慢。因此，离子交换反应的速度主要取决于扩放速度。也正因为这样，离子交换过程一般比溶液中发生的离子反应慢。3谷氨酸发酵液交换层次的剖析4732树脂提取谷氨酸的化学变化反应四、离子交换柱装置 离子交换柱是离子交换法的主要设备。离子交换柱是离子交换法的主要设备。它是圆形柱，上下封头球形或锥形，柱它是圆形柱，上下封头球形或锥形，柱内装有液
42、体分布器，支持树脂用的支座。内装有液体分布器，支持树脂用的支座。要求能密闭，承压钢制设备。要求能密闭，承压钢制设备。 1耐腐性能要求 由于离子交换过程中，需经过强酸、强碱，由于离子交换过程中，需经过强酸、强碱，高温交替接触腐蚀，因此对交换柱的设计，高温交替接触腐蚀，因此对交换柱的设计，必须考虑耐酸，耐碱，耐热。一般工厂都必须考虑耐酸，耐碱，耐热。一般工厂都采用衬胶交换柱。采用衬胶交换柱。2径离比要求 在设计交换柱时，首先要考虑交换柱的径在设计交换柱时，首先要考虑交换柱的径高比例，根据生产上操作经验，柱有效高高比例，根据生产上操作经验，柱有效高度与直径之比，度与直径之比，HD41-51左右为左右
43、为好。树脂层高度为柱有效高度的好。树脂层高度为柱有效高度的12-23为好。一般正上柱有效树脂体积约为柱的为好。一般正上柱有效树脂体积约为柱的70，倒上柱约为，倒上柱约为60%，以备反冲树脂扩，以备反冲树脂扩展之用。展之用。3树脂支持层树脂支持层 圆筒体的底部与椭圆形底之间常装有多孔板筛网以支持树脂层，也有安装一块小花板。上面放卵石或石英石，直接铺子柱底作支持树脂用。石块大的在下面，小的在上，一般分五层，各层石块的直径范围分别为40，20，10， 5，1-2mm。每层高度约10-15cm。五、工艺流程 离子交换法提取谷氨酸，接操作方式，可分为单柱式和双柱式两种。 所谓双柱式即把所谓双柱式即把73
44、2树脂分装二柱串接起来，树脂分装二柱串接起来，让上柱液先通过第一柱交换，当流出液中让上柱液先通过第一柱交换，当流出液中发现有谷氨酸漏失时，便迅速接入第二柱发现有谷氨酸漏失时，便迅速接入第二柱交换。交换。 特别是上柱液是等电点母液，含谷氨酸仅0.14毫克当量mL，而NH4却含04毫克当量mL时，如果采用单柱法上柱，则大部分树脂用于交换吸附NH4等交换势强的离子，这就使树脂对谷氨酸的吸附不集中，洗脱时谷氨酸也不易集中，洗脱液中还含有其它离子影响谷氨酸质量，且耗碱量大，收率低。第五节 等电点-离子交换法提取谷氨酸 等电点-离子交换法提取谷氨酸，为目前国内许多工厂所采用。 该法是在发酵液经等电点提取谷
45、氨酸以后，让母液通过离子交换住，(单柱或双柱)进行吸附，洗脱回收，使洗脱所得的高流分与发酵液合并，进行等电点提取。这样既可避免等电点收率低，又可减少树脂用量，还可以获得较高的提取收率，即回收率可达90左右。第六节 锌盐法提取谷氨酸 锌盐法提取谷氨酸有两种方法：一种方法是在发酵液中直接投入硫酸锌，使之成谷氨酸锌，然后把谷氨酸锌变成谷氨酸，称为一步锌盐法。 另一种方法是将发酵液先用等电点提取谷氨酸，其母液中残存的谷氨酸，投入硫酸锌，使之成为谷氨酸锌，谷氨酸锌就可直接做谷氨酸或与发酵液混合做等电点，提取谷氨酸。一般收率可达85-90。一、基本原理和性质 在一定的PH条件下(PH63)，利用谷氨酸与锌
46、离子作用，生成难溶于水的谷氨酸锌沉淀下来，然后在酸性条件下，溶解谷氨酸锌的沉淀，再调PH至24，谷氨酸结晶析出。 谷氨酸锌的基本性状：化学纯谷氨酸和氯化锌制得晶形为白色颗粒结晶，粒粗易沉淀。在发酵液中制得的晶形则是带有黄色的颗粒结晶，在常温下，结晶晶型见图6-15。表618中的测定数据证明，谷氨酸与锌离子的合适反应比例为1：1(摩尔)。1谷氨酸与锌的反应式 相据以上反应，在发酵液中加入与谷氨酸等当量的锌，就可以生成谷氨酸锌盐沉淀析出。但根据化学平衡理论，要使谷氨酸成锌盐并沉淀完全，必须加入稍过量的锌离子。 可是，锌离子含量过多又会形成氢氧化锌胶体，而使沉淀浮动和液相和固相分离困难。 若锌离子不
47、足，则谷氨酸沉淀又不完全，回收量将减少。 上述试验结果表明，锌离子与谷氨酸的比例为05-055：1(重量)，这样母液中残存谷氨酸为018-03时，锌为025-05。 2谷氨酸锌盐的溶解度 (1）温度对谷氨酸锌盐溶解度的影响）温度对谷氨酸锌盐溶解度的影响 见表见表6-19。可见温度对谷氨酸锌盐溶。可见温度对谷氨酸锌盐溶解度影响不大。解度影响不大。 (2)温度对谷氨酸锌盐晶形的影响 从上述结果表明，温度对谷氨酸锌盐的溶解度影响不显著，但温度对谷氨酸锌盐结晶颗粒的大小，影响比较大。 一般说温度高，谷氨酸锌盐结晶粒子粗，沉淀速度快。但温度太高，容易使菌体蛋白质疑固和谷氨酸锌盐一起沉淀，不易分离，反而增
48、加杂质。 对发酵感染噬菌体或杂菌发酵液，最好加热至80杀菌。菌体经过沉淀除去后，再做锌盐，结晶颗粒大，易沉淀分离，效果显著，见图6-17。(3)PH对谷氨酸锌溶解度的影响 谷氨酸锌受溶液PH值的影响甚大，其结果见表620。 从生产实践结果，谷氨酸锌在从生产实践结果，谷氨酸锌在PH63-6.5范围时，溶解度最小，结晶最完全。范围时，溶解度最小，结晶最完全。 (4）钠离子及其它离子对谷氨酸锌溶解度的影响 谷氨酸锌结晶的溶解度除受PH值的影响外，根据同离子效应原理，过量的钠离子等也会影响谷氨酸锌的溶解度。 随添加钠离子量的增加，溶解度明显上升，所以使用的硫酸锌中，硫酸钠含量尽量要低。 同时，由于发酵
49、液中有磷酸二氢钾的存在，易生成磷酸锌的胶体层，其溶解度也会增加，因此必须尽可能控制金属离子的含量。 (5)搅拌结晶时间对残存谷氨酸含量的影响 结晶颗粒的大小及残存谷氨酸的变化与搅结晶颗粒的大小及残存谷氨酸的变化与搅拌时间影响不大，一般反应拌时间影响不大，一般反应2h基本平衡，基本平衡，故工艺要求加碱结束继续搅拌故工艺要求加碱结束继续搅拌2-4h即可，即可，不必象谷氨酸结晶搅拌时间需不必象谷氨酸结晶搅拌时间需10余个小时余个小时才能结晶完全。结果见图才能结晶完全。结果见图6-19。 众所周知，谷氨酸的等电点PI322，然而从谷氨酸锌制备谷氨酸时，发现PH值有所改变(见图620)。 实验结果表明，
50、合适的谷氨酸结晶PH值等于24+-0.2，其原因是由于溶液中含有锌离子浓度很高，产生共存离子效应，使谷氨酸等电点PH值降低。此时，若以PI322来结晶谷氨酸，则其回收率就很难达到满意的结果。二、锌盐罐的设备要求 1.锌盐罐径高比例 根据目前国内各味精厂实际使用的情况，罐径一般都采用D：H1：1.2-1.5，若径高比太大，加碱反应速度慢，就易出现谷氨酸锌较细的弊病。 2搅拌器 一般采用d06D，叶宽h01d，45度二叶直浆搅拌器两档。最好离底部再安装一张小叶子，似刀形，这样翻腾比较均匀，不使谷氨酸锌下沉。 3转速 一般采用25-36rmin为宜。若转速太快，引起谷氨酸锌结晶破碎。搅拌转速与设备直
