《谷氨酸提取》PPT课件.ppt

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1、6 谷氨酸提取,6.1 概述 将谷氨酸产生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、脱色并精制成谷氨酸单钠盐（俗称味精）的过程叫提炼。目前生产上可分为谷氨酸提取与精制二个阶段。,由糖质原料转化为谷氨酸的发酵过程是一个复杂的生物化学反应过程。谷氨酸是发酵目的产物，它溶解在发酵液中，而在发酵液中还存在菌体、残糖、色素、胶体物质以及其它发酵副产物。,从发酵液中将产物谷氨酸提取出来，必需了解谷氨酸和发酵液的性质特征，以利用谷氨酸和杂质之间物理、化学性质上的差异，采用适当的提取方法和工艺，除去杂质和分离提纯谷氨酸。,通常应用谷氨酸的两性电解质性质，溶解度、分子大小、吸附剂作用以及谷氨酸的

2、成盐作用等，可以把谷氨酸从发酵液中提取出来。,生产上选择谷氨酸提取工艺的原则如下：工艺简单，操作方便；所用原材料价格低廉，来源丰富；提取收率高，产品纯度高；劳动强度小；设备简单，造价低。在提取过程中，还要注意尽量不造成或减少对环境的污染。,6.2 谷氨酸发酵液的性质,6.2.1 谷氨酸的性质 6.2.1.1 谷氨酸的主要物理性质 谷氨酸结晶为无色正四面体晶体，相对分子质量为147.13，相对密度为1.538(20)，熔点为202203，在2mol/L HCl中的比旋光度为D20=+31.8(HCl浓度为10%)。,谷氨酸的两性解离及等电点 谷氨酸分子中含有2个羧基和1个氨基，是一个既有酸性基团

3、又有碱性基团的两性电解质。谷氨酸晶体是以偶极离子的形式存在的。,谷氨酸溶解于水后呈离子状态存在，其解离方式取决于溶液的pH，也就是说，谷氨酸在不同的pH溶液中，可以解离成阳离子、两性离子和一价阴离子及二价阴离子4种不同的离子状态，分别以GA、GA、GA、GA2表示。,谷氨酸的两性性质和电离平衡随溶液pH的变化情况可用下式表示：,在一定的pH溶液中，4种谷氨酸离子以一定比例存在。,在pH2的酸性溶液中，谷氨酸主要以阳离子(GA)状态存在；随着溶液 pH的升高，谷氨酸的电离平衡发生转移，当溶液的pH等于谷氨酸的等电点时，谷氨酸主要以两性离子(GA)状态存在；在pH=7的中性溶液中，谷氨酸丰要以一价

4、阴离子(GA)状态存在；若溶液的pH继续升高，在pH=13的碱性溶液中时，谷氨酸以二价阴离子(GA2)状态存在。,表6-1 溶液的酸碱性与谷氨酸离子状态的关系,谷氨酸的等电点是它呈电中性时所处的环境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。pI=(pK1+pK2)/2=(2.19+4.25)/2=3.22,谷氨酸在等电点时，即pH3.22时，正负电荷相等，总静电荷为零，形成偶极离子，此时，由于谷氨酸分子之间的相互碰撞，并通过静电引力的作用，会结合成较大的聚合物而沉淀析出。因此在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。工业生产中等电点法提取就是根据这一特性，将发酵液pH调3.2

5、，使谷氨酸处于过饱和状态而结晶析出。,谷氨酸的溶解度 谷氨酸的溶解度与温度有关。温度对谷氨酸溶解度的影响如表6-2所示。,表6-2 在等电点时不同温度条件下谷氨酸的溶解度,由表6-2可以看到，随着温度的降低，谷氨酸的溶解度逐渐减小。因此，工业生产上采用等电点法提取谷氨酸时，应在低温条件下进行，才能得到较高的提取收率。,除了温度对谷氨酸的溶解度有影响外，溶液的pH对谷氨酸的溶解度影响也较大。在发酵液中，谷氨酸的溶解度随发酵液pH的变化情况如表6-3所示。表6-3 20时不同pH条件下谷氨酸的溶解度,在pH0.7或pH5.3情况下，谷氨酸的溶解度很高，但在等电点pH3.22时，谷氨酸的溶解度最小。

6、,谷氨酸的溶解度随pH的变化趋势：在等电点左边溶液偏酸时，溶解度变化较小，而在等电点右边溶液偏碱时，溶解度变化较大。这主要是由于发酵液中还含有其它金属离子而使发酵液中谷氨酸的等电点的pH与纯谷氨酸溶液相比稍偏酸，所以在实际生产操作中，往往将发酵液的pH调节到3.03.2。,除了温度和溶液的pH对谷氨酸的溶解度有影响外，溶液中杂质也影响其溶解度。如谷氨酸发酵液中含有的残糖、其它氨基酸、菌体、胶体物质等，都将影响谷氨酸的溶解度。,当发酵液中有其它氨基酸存在时，会导致谷氨酸的溶解度增加。这种现象在提取谷氨酸时严重影响谷氨酸的收率。另外，发酵液中碳水化合物水解物的存在，也会使谷氨酸的溶解度有所增加。,

7、6.2.1.2 谷氨酸的主要化学性质 成盐反应 谷氨酸分子中含有2个酸性的羧基和1个碱性的氨基，是一个既有酸性基团又有碱性基团的两性电解质，与酸或碱作用都可以生成盐。,脱羧反应 在谷氨酸脱羧酶的作用下，谷氨酸脱去-羧基放出二氧化碳，同时生成-氨基丁酸。用瓦勃氏呼吸仪测量二氧化碳的生成量，就可以计算谷氨酸的量，这是测定谷氨酸的方法之一。,与茚三酮反应 谷氨酸和其它氨基酸一样，在pH2.54.7时与水合茚三酮共热，生成紫蓝色产物，其颜色深浅与谷氨酸含量成正比。在没有其它氨基酸存在时，可利用这个反应来定量分析谷氨酸。,生成焦谷氨酸 谷氨酸经长时间加热，脱水生成焦谷氨酸(L-吡咯烷酮酸)。,焦谷氨酸,

8、谷氨酸,生成谷氨酸盐酸盐 谷氨酸在浓盐酸中会生成并析出谷氨酸盐酸盐。谷氨酸盐酸盐与碱作用生成谷氨酸。如果碱过量则生成谷氨酸一钠甚至生成谷氨酸二钠。,与金属盐反应 在一定pH下，谷氨酸与金属盐反应生成难溶于水的复盐。这个性质也被用于提取发酵液中的谷氨酸。,6.2.2 谷氨酸发酵液的性质 谷氨酸发酵属于细菌发酵，培养基的主要成分是葡萄糖、铵离子和磷酸盐等，因此发酵液较稀薄、不黏稠。发酵结束放罐时，发酵液中除了含有谷氨酸外，还有菌体和培养基的残留物以及其它代谢产物等。,从外观上看，发酵结束时整个发酵液呈浅黄色浆状，表面浮有少许泡沫，发酵液温度一般为3436，pH为6.57.0，近中性。发酵液中的主要

9、成分和含量取决于发酵条件的控制和生产菌种的类型。,发酵液中的主要成分有以下几种：谷氨酸 发酵液中所含的谷氨酸均为L-型，一般以谷氨酸铵盐的形式存在，即C5H8O4NNH4。谷氨酸的含量一般在1215%。,无机盐 发酵液中含有的无机盐主要是K、Na、NH4、Mg2、Ca2、Fe2、Cl、SO42、PO43等，此外发酵液中还有残糖、色素等成分。其中NH4的含量占发酵液的0.6%0.8%，残糖的含量占发酵液的0.8%以下。,菌体和培养基残留物 大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发酵液中，其中湿菌体占发酵液的8%左右。此外，在发酵过程中用于消泡的合成消泡剂等也留在发酵液中。,发酵副产物 发酵液中还有一些

10、含量很少的发酵副产物存在，如有机酸类主要有乳酸、-酮戊二酸、琥珀酸等；氨基酸类有天冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组氨酸和谷氨酰胺等；各种氨基酸的含量均小于1%。,此外，发酵液中还含有核苷酸类物质及其降解产物，以腺嘌呤和尿嘧啶较为常见。其中腺嘌呤在发酵液中占0.02%0.05%，而尿嘧啶占发酵液的0.01%0.03%。,6.2.3 提取谷氨酸的方法 常用的提取谷氨酸的方法有以下几种。等电点法 利用谷氨酸是两性电解质的性质，将发酵液加硫酸调pH至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出。,离子交换法 先将发酵液稀释至一定浓度，用盐酸或硫酸将发酵液调至一定的pH，采用阳离子交换树

11、脂（732#）吸附谷氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，达到浓缩和提纯谷氨酸的目的。,金属盐法 利用谷氨酸与Zn2、Ca2等金属离子作用生成难溶于水的谷氨酸金属盐而沉淀析出。,离子交换膜电渗析法 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。,6.2.3 菌体分离方法,国内味精厂从发酵液中谷氨酸时，一般受设备条件限制，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缩液中提取谷氨酸。但菌体存在于发酵液中不利于谷氨酸的结晶分离。有条件的厂家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

12、度,由于谷氨酸产生菌菌体很小，其大小只有0.71.0m0.73.0m，比酵母和霉菌菌丝体小得多，因此分离比较困难。,可用于菌体分离的方法如下：机械分离法 一般采用高速离心分离机分离菌体。如用国产的DP-400型和D-350型酵母高速离心机，转速6500r/min，GF-150型高速管式离心机，转速1350015000r/min。但动力消耗太大。,加热沉淀法 将发酵液加热至7080，静置使菌体和蛋白质凝固沉淀而除去。此法特别适用于感染杂菌、污染噬菌体的发酵液，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；但缺点是消耗较多能源，另外发酵液中残糖与谷氨酸发生美拉德反应造成产酸下降和色素上升

13、。,添加凝聚剂沉淀法 在发酵液中加入适量的絮凝剂如聚丙烯酰胺，使菌体凝聚一起，加助滤剂过滤除去，但聚丙烯酰胺具有一定的毒性。,采用各种膜除去菌体 随着膜技术进步，国内已有厂家采用此技术分离菌体，但存在问题是投资大，另外分离得到的湿菌体中含有大量谷氨酸，如何回收湿菌体中谷氨酸是一大难题。,6.2.4 发酵液的综合利用,发酵废液中含有一些量较小，但价值较高的代谢副产物，主要有如下：从谷氨酸发酵液中提取腺嘌呤。从菌体中用自溶法制取腺嘌呤核苷酸、鸟嘌呤核苷酸、胞嘧啶核苷酸和尿嘧啶核苷酸。,菌体中含有丰富的蛋白质和脂肪等物质，是动物良好的饲料。发酵废液中含有大量铵和磷钾等，是农业生产中很好的NPK肥料。

14、发酵废液还可以来进行酵母发酵，制取单细胞蛋白，作饲料，又可减少环境污染。,6.3.2 谷氨酸的溶解度,pH对谷氨酸溶解度的影响 谷氨酸的溶解度随pH改变而变化。谷氨酸在pH1附近或碱性情况下，溶解度很大，但是等电点pH3.22和在30%以上的高浓度盐酸条件下，溶解度便显著降低到最低点。工业生产中的等电点法、盐酸盐法提取谷氨酸，就是巧妙地利用这一特性。,温度对谷氨酸溶解度的影响 温度对谷氨酸溶解度影响较大，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。,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，这些杂质都会提高谷氨酸的溶解度。,6.3.3

15、 谷氨酸的结晶,在等电点操作时，随着加酸降pH，温度的降低，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，过量的溶质谷氨酸便会结晶析出。,一般控制在介稳区时使溶液产生微细的晶核，再进行养晶、育晶即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，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（-型结晶）。,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同的谷氨酸结晶，可分为-型结晶和-型结晶二种。-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，因此容易与母液分离。,-型谷氨酸结晶为粉状或针状、鳞片状

16、结晶，晶粒微细、纯度低、难沉降，结晶时常与发酵液中胶体物质粘结，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）。因此在操作中要控制结晶条件，避免-型结晶析出。,影响谷氨酸结晶的主要因素 影响谷氨酸结晶的因素很多。发酵液的纯度和中和结晶操作条件是影响谷氨酸结晶的主要因素。如发酵液中谷氨酸含量、温度、残糖、菌体以及是否染菌(尤其是否染噬菌体)；中和时的加酸速率、搅拌、加晶种与否、晶种质量等，对谷氨酸的结晶及收率都有很大影响。,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，等电点结晶时如控制不当，生成-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

17、影响收率。,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，必须先将发酵液的液温降到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，这样形成的谷氨酸结晶颗粒较大，否则降温过快或温度忽高忽低时，不仅晶核小而多，而且会引起-型结晶向-型结晶转换。中和结束育晶2h后，温度应尽可能降低，以减少谷氨酸的溶解。,加酸速率与终点pH的控制 加酸的目的是调低发酵液的pH，最后使其达到谷氨酸的等电点。要缓慢加酸，pH缓慢下降，不能回升。使谷氨酸的溶解度逐渐降低，晶核一旦形成也不会太多。,控制

18、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-型结晶。通常开始加酸中和到pH4.85.0，这段过程加酸速率可稍快，至育出晶核后，加酸速率要缓慢，直到中和到等电点pH3.03.2。,等电点终点pH要准确，才能使谷氨酸的溶解度达到最低，一次收率才会提高。由于谷氨酸溶解度在等电点偏碱时比偏酸时增加幅度大，为了防止目视和仪器测定的pH所造成的误差，pH应调在3.03.2范围内，待停酸半小时搅拌均匀后，再取样测定，中和结束后23h内，再取样复测，如发现pH变化，需及时调整。,谷氨酸发酵时，NH4+不能过高，pH不能偏低，以防止谷氨酸向谷氨酰胺转化。发酵液放罐时，有时pH是正常的，但搁

19、置过久，尤其是气温高的季节，由于环境中酵母等杂菌的作用，pH会降低。当pH6左右时是谷氨酰胺合成酶的最适pH，酶活力增高，谷氨酰胺积累量就会增加，所以供提取的发酵液应尽量新鲜，不要放置时间过长。,投晶种与育晶 投晶种 在正常的发酵液中，采用等电点法提取谷氨酸，当产酸在8%以上时，可以采用一次冷冻等电点法（04），在不加晶种情况下，收率也可达85%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象。,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。按结晶理论，溶液在变为饱和时，经历介稳区和不稳区二个区域。介稳区决定晶体的成长，不稳区决定晶核

20、的形成，故投晶种时应控制在介稳区。利用调节pH与温度两个手段，使谷氨酸处于介稳区。一般投晶种量为发酵液的0.20.3%。,育晶 谷氨酸发酵液在正常情况下，其放罐pH一般在6.57.0之间。当发酵液泵入等电点罐后，其温度冷却到28左右，第一步就加酸调至育晶点。通常发酵产酸高，育晶点的pH也高。,确定育晶点pH，要仔细观察晶核生成情况，当手触、目视发现晶核时，这时的pH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，育晶时间一般为2个小时，使谷氨酸晶核成长壮大，形成较大的结晶颗粒。,搅拌的影响 搅拌的作用是使液体不断地翻动，使温度和pH保持均匀，以有利于晶体长大，避免晶簇的形成。但搅拌速率

21、不能太快，液体翻动太激烈，对晶体长大不利，促使晶体细小。,搅拌太慢，液体翻动过慢，温度和pH不均匀，造成局部pH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，设备越大，搅拌器的转速也应适当降低，其转速以30 r/min左右为宜。,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5%左右。,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AS1542、B9系列菌种，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。,而AS

22、1299、7338和T6-13系列菌种，发酵后菌体数量多、菌体较小而又重，沉降速率快，与谷氨酸结晶较难分离，影响提取收率，所以采用这类菌种发酵时，必须控制有关工艺条件，使其有利于提取，以获得较高收率。,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，发酵液色泽变得深灰、有异味，其产酸率和转化率都受到很大影响。,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，泡沫多、残糖高，等电点时极易形成-型结晶，杂质与胶体物质结合形成轻质谷氨酸，严重时成浆状。,氨基酸和多肽类物质的影响 氨基酸对晶型的影响 谷氨酸结晶过程

23、中，如有L-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，能改变-型结晶长短轴比，促使转向-型结晶的形成。,因此在谷氨酸结晶处于不良状态时，容易形成-结晶时，可以添加一些蛋白质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-型结晶析出和提高得率。,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，也有利于-型结晶析出。,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。当谷氨酰胺含量大于0.25%时，就会影响谷氨酸-型结晶的形成，含量越高，转向-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。,原辅材料对提取的影响 玉米浆 发酵培养基中玉米浆

24、质量不好会引起提取困难，如有些地区生产的玉米浆固形渣质多、色素深、胶体物质也多，对谷氨酸提取极为不利。,淀粉质量 质差淀粉、霉变大米等因含杂质多、蛋白质含量高，尤其是可溶性蛋白质，经双酶法水解后的糖液，即影响发酵，也不利于等电点提取。,糖蜜 有些废糖蜜无论直接作为碳源发酵或作为营养剂添加，如色素深、杂质多，谷氨酰胺含量高，它在发酵过程中虽然能向谷氨酸转化，但其较高残留量，也会影响的谷氨酸结晶，特别要注意不要用放置时间长、浓度低和已酸败的转化糖蜜。,其它影响因素 谷氨酸发酵时，由于泡沫大，消泡剂加量过多，当大于0.06%时不利于谷氨酸提取。发酵液中酮酸含量过高，当大于0.1%时，也会影响谷氨酸的

25、提取。,钙盐、镁盐等杂质存在，对谷氨酸结晶也有影响。当发酵液中钙离子含量达到0.34g/100mL时，也会影响谷氨酸结晶析出。所以以前采用双酶法制糖时，如用中温-淀粉酶时必须控制氯化钙添加量，不得超过工艺规定的要求。目前采用高温-淀粉酶液化时一般不必添加氯化钙，基本上不存在这个问题。,6.3.4 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晶法（即当量中和法）。,直接常温等电点法发酵液 加硫酸调pH5.05.5(出现晶核为准)育晶24h 加硫酸调

26、pH3.53.8育晶2h 加硫酸调pH3.03.2搅拌1620h 沉淀24h 离心分离 湿谷氨酸结晶 上清液(经离子交换回收谷氨酸),操作要点：将放罐的发酵液先测定放罐体积、pH、谷氨酸含量和温度，开动搅拌。若放罐的发酵液温度高，应先将发酵液冷却到2530，泡沫消除后然后再开始调pH。用硫酸调pH5.05.5(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。,当pH达到5.0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，若观察到有晶核形成时，应停止加酸，搅拌育晶24h。若发酵不正常，产酸低于4%时，虽调pH4.0，仍无晶核出现，遇到这种情况可适当将pH降至3.53.

27、8左右，搅拌2h，以利于晶核形成或者适当加一点晶种剌激起晶。,搅拌育晶2h后，继续缓慢加酸，耗时46h，调pH3.03.2，停酸复查pH，搅拌2h，开大冷却水降温，使温度尽可能降低。达到等电点pH后，继续搅拌16h以上，停搅拌静置沉淀4h，关闭冷却水，将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。,带菌体冷冻一次等电点法,该工艺流程和操作方法基本与常温直接等电点法相同。但低温等电点法终点温度为05。母液中的谷氨酸含量由1.52%降低到1.01.3%，从而增加等电点一次收率，同时省去了等电点-离

28、子交换或等电点-锌盐法工艺的工序。,操作要点 发酵液放罐后，开大降温水，待液温降至25时边加硫酸调pH到5.05.5(具体pH根据发酵液含谷氨酸高低而定)。液温在25左右时，晶核还未出来时，关闭冷却水，投入一定量晶种起晶，育晶23h，继续缓慢降温一边缓慢加硫酸调至pH3.8左右，一般液温20关闭冷却水育晶2h。,缓慢降温和调pH3.5左右，液温降至1315，育晶2h，继续缓慢降温和调pH3.03.2，育晶2h，开大冷却水降温至05，育晶10h以上，停搅拌沉淀4h。该工艺具有操作简便、设备简单、废水量减少、节约酸碱用量和成本较低等优点，一次提取收率可达8088%左右。,除菌体常温等电点法,首先将

29、发酵液中的菌体经过高速离心机分离，然后将清液进行常温等电点操作。菌体可综合利用，采用自溶法获得四种单核苷酸。由于发酵液除去菌体，制得的谷氨酸杂质减少，谷氨酸质量可有一定提高，等电点母液经离子交换回收。,浓缩水解等电点法,发酵液 一次蒸发 盐酸水解 过滤脱色 二次蒸发 加入NaOH调pH1.2或用发酵液调pH1.8 育晶12h 加入NaOH调pH3.2或用发酵液调pH3.2 降温结晶 分离 母液谷氨酸 洗水 复合肥料 谷氨酸,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。,经盐酸水解作用所得水解液为

30、谷氨酸盐酸盐的混合物，除了谷氨酸在盐酸溶液中形成谷氨酸盐酸盐外，还使焦谷氨酸和谷氨酰胺水解成谷氨酸盐酸盐；菌体蛋白质水解生成各种氨基酸和氯化铵。同时残糖被破坏生成腐殖质，经过滤除去。因此可提高水解液的质量。,这样，一方面消除了影响谷氨酸结晶的因子（残糖和腐殖质），另一方面又增加了谷氨酸含量和蛋白质水解液（生成其它氨基酸），有利于促进-型结晶的形成。但工艺需要耐酸耐压的水解和浓缩设备，整个过程酸性强，腐蚀性大，耗用大量蒸汽和盐酸，提取操作还比较复杂。,除菌浓缩等电点法,发酵液 菌体分离（絮凝剂沉淀或离心机分离）清液 菌体 饲料 蒸发器（多效降膜蒸发器）等电点罐（浓缩液含谷氨酸2030%，冷却，连

31、续等电，硫酸调酸 等电点（pH3.03.2，05）分离（沉降式离心机）谷氨酸 母液浓缩肥料,先将发酵液进行除菌，可采用絮凝剂沉淀或离心机分离。分离得到的菌体可作饲料或用于制造核苷酸；母液经浓缩后制造肥料，可解决废液污染问题。,6.4 离子交换法提取谷氨酸,6.4.1 离子交换树脂的结构与分类 离子交换树脂是具有网状结构、不溶于水酸碱和有机溶剂，化学稳定性良好，带有交换基团具有离子交换能力的固体高分子聚合物。离子交换树脂由树脂本体（母体）和合成中引进的交换基团组成。,离子交换树脂的结构 树脂本体是高分子化合物和交联剂化合的共聚物。交联剂使高分子化合物聚合成固体，使之成为网状结构，构成树脂有骨架。

32、,在树脂合成过程中，可引进的交换基团有磺酸基（-SO3），羧基（-COOH）和胺基等。酸性解离基团可交换阳离子，称为阳离子树脂；碱性解离基团可交换阴离子，称为阴离子交换树脂。,工业生产中通常采用732#强酸性阳离子交换树脂来交换吸附谷氨酸。这种树脂是在苯乙烯-二乙烯苯共聚体的母体中引入交换活性基团-SO3，二乙烯苯是交联剂，把聚苯乙烯线状的高分子交联成多孔网状结构的固体颗粒，磺酸根就连在苯乙烯对位的苯环上。,离子交换树脂的分类 强酸性阳离子交换树脂 阳离子交换树脂 弱酸性阳离子交换树脂 离子交换树脂 强碱性阴离子交换树脂 阴离子交换树脂 弱碱性阴离子交换树脂,6.4.2 离子交换树脂的主要性能

33、,外观和颗粒大小 离子交换树脂是一种透明或半透明的物质，有白、黄、黑和赤褐色等几种颜色。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。,树脂的形状有球形和不定形粒状二种，目前一般使用球形。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。一般树脂颗粒小，交换速率快，但压力损失大，反洗时较困难。,树脂的粒度是指出厂的交换基团型式时在水中充分膨胀后的颗粒直径，常用筛孔目数或颗粒直径(mm)表示。工业上应用的国产树脂颗粒一般为1650目（颗粒直径1.180.3mm)。,交联度 树脂

34、中二乙烯苯的用量对树脂性能影响很大，它的百分含量表示树脂的交联度，二乙烯苯含量大，即树脂的交联度大，则内部结构紧密，树脂孔隙小，不易膨胀，不能交换吸附大分子物质。商品树脂交联度在225%，其中732#树脂的交联度为78%。,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。一般来说，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。,密度 树脂的密度，在理论和实际应用上都是重要的。有干真密度、湿真密度和视密度。干真密度 即干燥状态下树脂合成材料本身的密度，干真密度一般为1.6g/cm3，但没有实际意义

35、。,湿真密度 指树脂充分膨胀后树脂颗粒本身的密度，湿真密度对树脂反洗强度大小及混合柱再生前分层好坏有影响。湿真密度一般为1.041.3g/cm3左右，阳离子树脂比阴离子树脂大。,视密度 指树脂充分膨胀后的堆积密度。视密度一般为0.60.85，根据视密度来估计树脂柱所受的压力，计算树脂柱所需装入的树脂重量。,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。,理论交换容量 又称总交换量是指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，也就是树脂全部可交换离子的当量数。一般用滴定法测定，单位一般用毫克当量/克树脂或毫克当量/毫升湿树脂来表示。,理论交换容量

36、为离子交换树脂的特性所决定，与操作条件无关，如谷氨酸提取常用的732#树脂的总交换量为4.5毫克当量/克干树脂或1.8毫克当量/毫升湿树脂。,工作交换容量 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。,6.4.3 离子交换法提取谷氨酸的基本原理,谷氨酸是两性电解质，pI为3.22。当pH3.2时，羧基解离而带负电荷，被阴离子交换树脂交换吸附；当pH3.2时谷氨酸在酸性介质中呈阳离

37、子状态，被阳离子交换树脂交换吸附。,目前各味精厂均采用732#强酸性阳离子交换树脂。离子交换法就是利用阳离子交换树脂对谷氨酸阳离子的选择性吸附，以使发酵液中妨碍谷氨酸结晶的残糖及其聚合物、色素、蛋白质等非离子杂质得以分离，经洗脱浓缩，在等电点条件下获得谷氨酸。,吸附顺序 用732#提取谷氨酸时，其吸附顺序如下：Fe3+Al3+Ca2+Mg2+K+NH4+Na+H+氨基酸有机色素,氨基酸交换顺序 对于强酸性阳离子交换树脂进行交换时，所有氨基酸都能吸附，其吸附顺序如下：精氨酸赖氨酸丙氨酸亮氨酸谷氨酸天门冬氨酸,金属阳离子和氨基酸的交换顺序 Ca2+Mg2+K+NH4+Na+腺嘌呤丙氨酸亮氨酸谷氨酸

38、天门冬氨酸,6.4.4 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的可游离交换离子中磺酸根中H+，与溶液中的同性离子的交换反应过程。它同化学反应一样，服从质量作用定律，而是可逆的。,图6-7 离子交换过程,732#树脂的交换基团不仅在树脂表面，而且大量在树脂内部。这是一个十分复杂的过程，大致可分为五个阶段。溶液中的谷氨酸离子经溶液扩散到树脂表面；穿过树脂表面向树脂内部扩散；,谷氨酸离子与树脂中H+进行离子交换；交换出来的H+从树脂内部向树脂表面扩散；最后H+扩散到溶液中。,其中步骤、称为外扩散，、称内扩散，称交换反应。一般来说，谷氨酸离子(GA)的扩散速度较慢，而谷氨酸离子(GA)

39、与树脂上活性基团的可交换离子H的交换速度较快。,因此，整个离子交换过程的速度主要取决于扩散速度。在离子交换树脂形式确定后，加快离子交换过程的措施有以下3种：选择小粒度的树脂，使离子扩散过程缩短；选择交联度低的树脂，因为其网孔直径大，所以离子内扩散所用的时间短；提高交换时的温度，以加快扩散速度。,6.4.5 谷氨酸发酵液交换层次,用谷氨酸发酵液顺向通过732#阳离子交换树脂柱时，发酵液中不同阳离子在柱内分层交换顺序依次如下：Ca2+Mg2+K+NH4+Na+碱性氨基酸中性氨基酸谷氨酸天门冬氨酸。因此，当发酵液（或等电点母液）自柱上部流入柱内时，树脂先选择金属离子进行交换，再次与有机物质等交换。非

40、电解质则透过树脂随交换后的液体排出。,上面的树脂首先被金属离子、NH4+饱和，随着交换的继续进行，开始在上层被交换的谷氨酸又被新流入的上清液中及其它离子置换出来，而往下移动，最后在交换柱中大致形成六层。,谷氨酸发酵液流经阳离子交换柱时，被交换吸附的物质，其分层的大致情况如下：第一层：Ca2+、Mg2+、K+、Na+等金属离子；第二层：NH4+；第三层：中性和碱性氨基酸；第四层：谷氨酸；第五层：其它氨基酸；第六层：有机色素。,图6-8 谷氨酸发酵液在交换柱中的交换层次示意图,6.4.6 离子交换设备,离子交换柱是离子交换法提取谷氨酸的主要设备，其结构如图6-13所示。它是一个具有椭圆形顶及底的圆

41、筒形设备，材料小型的多用有机玻璃或不锈钢，大型用碳钢钢板制成，内衬橡胶，以防酸碱腐蚀。,图6-9 具有多孔支持板的离子交换罐 图6-10 具有块石支持层的离子交换罐1一视镜2一进料口 3一手孔4一液体分布器 1一进料口 2视镜3一液位计5一树脂层6一多孔板 7一尼龙布 8一出液口 4一树脂层 5一卵石层 6一出液口,耐腐性能要求 由于离子交换过程中，需经过强酸、强碱和高温交替接触，因此对交换柱的设计必须考虑耐酸、耐碱和耐热。交换柱材质一般采用碳钢板，内衬橡胶或涂玻璃钢。交换柱的附属管道一般用硬聚乙烯管或衬胶铁管。阀门采用不锈钢橡胶隔膜阀或硬塑料阀门。,径高比要求 在设计交换柱时，首先要考虑交换

42、柱的径高比例，根据生产上操作经验，一般柱直径为0.91.2m，圆柱高45m，高径比为23，最大为5。树脂层高度为柱有效高度的1/22/3为好。一般正上柱有效树脂体积约为柱的70%，倒上柱约为60%，以备反冲树脂时扩展之用。,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及尼龙滤布以支持树脂层，也有按装一块小花板，上面放卵石或石英石，直接铺于柱底作支持树脂用。,6.4.7 离子交换法工艺流程,按操作方式的不同，离子交换法提取谷氨酸可分为单柱式和双柱式两种。,图6-11 单柱法离子交换工艺流程,一般带菌上柱采用逆流上柱，顺流洗脱，因谷氨酸发酵液中除菌体外，尚有大量的杂蛋白等胶体物质和其它杂

43、质，顺流上柱与上层树脂易粘结、堵塞，流速逐渐减慢，不利于工业化生产。,当发酵液除去菌体，排除了堵塞因素后就可采用顺流上柱，因顺流上柱，树脂按溶质解离度分层吸附，起到层析作用，树脂交换吸附易达到饱和，树脂利用率高。洗脱时，谷氨酸洗脱峰集中，高流分收集液总浓度高，而且收集的高流分含杂质少、纯度高，有利于谷氨酸结果和收率的提高。,单柱法交换吸附，工厂一般不采用，因谷氨酸发酵液中谷氨酸和其它能被交换的物质全部集中在一根柱上，单是铵根离子就占30%左右，还有其它氨基酸、金属离子、有机色素等，所以洗脱峰不高，高流分不集中，收集液中谷氨酸平均含量低。,当树脂交换吸附到饱和量的80%时，发酵液流出时谷氨酸就有

44、漏吸现象，树脂利用率较低。如果是串联上柱，第一柱漏吸的谷氨酸就会被第二柱所吸附，避免了单柱操作的损失，所以国内味精厂采用离子交换法提取谷氨酸时普遍采用双柱法离交工艺，包括等电点母液回收。,所谓双柱式即把732#树脂分装二柱串联起来，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，便迅速接入第二柱交换。特别是上柱液是等电点母液，由于含谷氨酸较少，而铵根离子多，如果采用单柱法上柱，则大部分树脂用于交换吸附铵根离子，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而影响谷氨酸质量，且耗碱量大、收率低。,采用双柱法，通过提高加大上柱量的办法，由原来的单柱法上柱量1

45、.1毫克当量/mL湿树脂提高到2.35毫克当量/mL湿树脂，利用等电点母液含有交换吸附强、含量比较高的铵根离子将谷氨酸置换出来，而铵根离子被吸附在第一柱中，将只有含有较少的铵根离子而含有谷氨酸的流出液，接入第二柱进行交换，这样可以达到分离铵根等离子，提高谷氨酸的高流分的纯度及浓度，提高谷氨酸收率。,图6-12 双柱法离子交换工艺流程,6.4.7 离子交换法操作要点,上柱液pH的控制 发酵液放罐后用硫酸调pH5.0，然后加水稀释至谷氨酸含量为3%左右，这时pH在5.05.5之间，即为待上柱液。,由于上柱交换时树脂交换基团磺酸根离子的电离，树脂内部pH约为1，谷氨酸等电点pI3.22，被树脂吸附。

46、当pH3.2时，谷氨酸带负电荷而不能与阳离子树脂进行交换。但实际生产中发酵液pH不要求低于3.2，而是调pH在5.05.5之间就可上柱。,因为发酵液中有一定量铵根离子、钠离子等阳离子，而这些阳离子先与树脂进行反应，放出氢离子，使溶液pH降低，谷氨酸带正电荷成为阳离子而被交换吸附，因此要控制上柱液pH6。实验结果表明，当上柱液在pH1以下和pH7以上时，离子交换树脂本身交换能力差。,上柱体积计算 732#树脂理论交换量为4.5毫克当量/克树脂，取树脂视密度为0.8，含水量50%，则湿树脂交换量：4.5(150%)0.8=1.8mg当量/mL湿树脂,取树脂利用率为70%,则 1.8mg当量/mL湿

47、树脂70%=1.26 8mg当量/mL湿树脂 上柱量=(1.01.2kg当量谷氨酸+NH4+)/湿树脂(m3)上柱液体积=1.01.2湿树脂体积(m3)/(谷氨酸含量/147+NH4+含量/18）,每立方米湿树脂千克当量：顺流上柱取1.01.2；逆流上柱取0.91.0。每立方米湿树脂大约可交换吸附60kg谷氨酸或等电点母液中的谷氨酸约30kg。,新树脂的预处理 由于新树脂在制造过程中常有某些未参与聚合反应的低分子和高分子成分的分解产物以及一些铁、铜、铝等金属物质，在树脂表面还有灰尘等污物。这些杂质如不除去会影响交换效果和产品质量，甚至会使树脂失效，所以新树脂必须进行预处理才能使用。,新树脂装入

48、柱后，先用清水浸泡12h左右，使树脂充分吸水膨胀，再用23倍树脂体积的10%食盐水浸泡4h以上。用水洗净残留的NaCl，再根据树脂类型和使用所需要的型号分别用碱酸处理。树脂处理的方法很多，但基本原理是相似的。,利用732#树脂提取谷氨酸，一般树脂先用23倍树脂体积的4%NaOH浸泡4h，然后用水顺流洗至pH8，再用23倍树脂体积的4%HCl浸泡4h，用不顺流洗涤，中间可用水反冲翻动几次，使树脂均匀，水洗至pH12时备用，这时的树脂为R-SO3-H+型。,体积流速（SV）控制 上柱流速与被吸附离子的性质与树脂类型、树脂充填高度H与柱直径D的比H/D等因素有关，通常逆流上柱比顺流上柱流速要快。,体

49、积流速SV为单位时间（小时）内通过每立方米树脂的液体体积。体积流速可按经验数据，一般 逆流上柱SV=23m3/(m3h)；顺流上柱SV=1.52m3/(m3h)。,防止漏吸 在发酵液上柱时，特别后阶段，为了防止漏吸，可用5%茚三酮溶液的显色反应来检测，当上柱流出液谷氨酸含量大于0.2%时，即为漏吸。,反洗 交换吸附结束后，用水反洗，使菌体等杂质的上层污物冲洗出排污口，中间可开启压缩空气和抽真空，使树脂疏松，但要防止树脂溢出。,树脂预热和洗脱 温度高时，溶液中离子运动速率加快，能加快洗脱速率，并可防止谷氨酸在洗脱时在柱内析出。但温度过高，树脂易破损，所以洗脱的温度应控制在60左右。为了防止忽冷忽

50、热而导致树脂破损，在洗脱前先用5060水预热，洗脱后也要上一定数量的5060热水，使碱液全部流过浸泡树脂。,洗脱剂为60的45%氢氧化钠溶液。关于氢氧化钠用量，按经验氢氧化钠的摩尔量应是被吸附谷氨酸摩尔量的34倍，则氢氧化钠用量=上柱量谷氨酸含量/147440。,洗脱后，树脂转为钠型即R-SO3-Na+。洗脱速率应比上柱流速慢，但谷氨酸溶解度小，浓度高时其流速太慢要产生结柱，此时应立即加快流速，避免谷氨酸结晶在柱内析出。,洗脱液收集 从pH1.8，波美度为零开始收集，到pH2.5，波美度为1，这一阶段为低流分。从pH2.5，波美度为1到pH8，波美度为4左右，这一阶段为高流分，以pH33.5为