生物工艺学课程设计(3)

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生成大量的二氧化碳，呈现剧烈的沸腾状态，所以中和桶容积应为糖化液体积的3-4倍，以防糖化液溢出桶外，中和时的pH应控制在4.0-5.0左右。此时有利于蛋白质、氨基酸、色素和其他杂质的凝聚沉淀。

（4） 脱色过滤 糖化液中杂质的存在对糖液质量影响很大，通过调节pH，将水解糖液调至等电点时，蛋白质和谷氨酸的溶解度最小，便于沉淀过滤，色素则可用活性炭吸附法除去。中和结束后，添加活性炭脱色，控温在60℃，活性炭用量相当于淀粉量的0.6%-0.8%左右。最后让经过中和脱色的水解糖液静置1-2h，使其充分沉淀，待液温降至45-50℃时，用泵打入过滤器过滤，过滤后的糖液送贮糖桶备用。

糖蜜的预处理

谷氨酸生产上使用的糖蜜进行预处理的目的是为了降低生物素的含量。因为糖蜜中含有大量的生物素，因此不宜用与谷氨酸发酵，降低生物素含量的方法有：活性炭处理法、水解、活性炭处理法、树脂处理法、亚硝酸处理法、糖蜜原料添加青霉素法，此外，还可以采用表面活性剂，或采用非生物素缺陷型突变株的方法，以解除糖蜜中过量生物素对谷氨酸积累的影响。

淀粉水解糖制备

在工业生产上将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。

3.3. 谷氨酸发酵工艺

3.3.1 发酵培养基

谷氨酸发酵培养基主要成分有碳源、氮源、生长因子和无机盐等。 ⑴ 碳源 大多数谷氨酸生产菌可以利用葡萄糖、蔗糖、果糖等，极少数可以直接利用淀粉。除这些糖质原料外还可以利用醋酸、酒精、石蜡油等为碳源生产谷氨酸由葡萄糖生成谷氨酸的总反应式如下:

C2H12O6+NH3+1/2O2→C5H9NO4+CO2+3H2O

上面反应式表示，一克分子葡萄糖产生一克分子谷氨酸，两者之间存在着

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定量关系。其原理转化率等于89.7%，因此从理论上讲，糖浓度越大，谷氨酸产量越高。但实际上糖的浓度越过一定限度时，反而不利于细菌细胞的增值和谷氨酸的合成。反之，培养基葡萄糖浓度过低，虽能提高糖酸转化率，但谷氨酸总量上不去。所以，在配制培养基时，应综合考虑以上问题，选择适当的浓度。

⑵ 氮源 谷氨酸产生菌细胞中的蛋白、核酸、磷脂、某些辅酶及其他主要产物（谷氨酸）等均为含氮化合物，为了合成这些化合物，在培养基中必须添加氮源物质。谷氨酸发酵所采用的氮源数量要比一般发酵大很多，通常工业发酵所用培养基碳和氮的比值（C/N）为100/（0.5-2），而谷氨酸发酵所要求的C/N为100/（20-30）。实际生产中，一般用尿素或氨水作为氮源

⑶ 无机盐 它们是构成细胞和调节菌体生命活动的营养物质。如镁、磷、钾、锰、铁等，是代谢中辅酶或辅基的组分，是培养基不可缺少的。在谷氨酸发酵中，常应用K

+

、Mg、Fe、Mn

2+3+

2+

等阳离子和PO4

3-

、SO4、Cl等阳离子作为无机

2--

盐。他们通常用量是：磷酸氢二钾（或磷酸氢二钾）0.05%-0.2%,硫酸镁0.005%-0.1%硫酸亚铁0.0005%-0.01%，硫酸锰0.0005%-0.005%。

⑷ 生长因子 凡是微生物生长不可缺少，而其自身又不能合成的微量有机物质都称为生长因子。生物素是当前谷氨酸身长菌的重要生长因子。其含量多少，对促进谷氨酸菌的生长、繁殖和积累谷氨酸有着密切的关系。除生物外，谷氨酸产生菌还需要维生素B1 (硫胺素)等。一般生产原料中（如玉米浆、麸皮水解液）都含B族维生素，因此谷氨酸发酵常以这些物质提供生长因子。

⑸ 发酵培养基营养成分的配比 常因菌种、设备和工艺不同而异，此外与原料来源和质量不同有关。

3.3.2 培养基灭菌

谷氨酸发酵培养基一般采用淀粉水解糖为主要碳源，实罐灭菌条件是105-110℃保温6min。连续灭菌所采用的灭菌条件是，连消塔灭菌温度为110-115℃，维持罐温105-110℃，约6-10min。培养基灭菌后冷却至30℃左右，即可接入种子进行发酵。

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3.3.3 发酵控制

主要指发酵条件的管理，包括温度、通气、PH值与泡沫的控制。要获得谷氨酸发酵的产品率，除了选用优良菌种外。在发酵条件控制和严格无菌操作方面是极其重要的。

⑴ 温度对发酵的影响 在发酵中，谷氨酸产生菌的生长繁殖与谷氨酸合成都 是在酶的催化下进行的。不同酶促反应所需的温度各异。谷氨酸发酵分前期和后期两个阶段。前期（0-12h）主要是合成细胞物质，菌体大量增殖阶段。而控制这些合成反应的最适温度为30-32℃；在发酵中后期，是谷氨酸大量积累阶段，而催化谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度为32-36℃，故在发酵中后期应适当提高罐温，以利谷氨酸形成和积累。不同菌种对温度的敏感性也不一样，故应视菌种进行温度控制。

⑵ PH值对发酵的影响 在发酵中，发酵液PH值的变化是微生物代谢过程的综合标志。主要是通过培养基配比及发酵条件的控制，使其适宜于生产菌的PH值。发酵前期，应创造有利于谷氨酸产生菌生长的最适pH(偏碱性)，通常控制pH在7.5-8.0左右。发酵中后期，应满足催化谷氨酸合成的酶对pH的要求（中性或弱碱性），故将其发酵pH控制在7.0-7.5

⑶ 通风量与搅拌对发酵的影响 谷氨酸产生菌（谷氨酸棒杆菌）属兼性好气菌，在供氧充足与不足的条件下都可生成，但其代谢产物不同。通风量小，供氧不足时，进行不完全氧化，葡萄糖进入菌体后经糖酵解途径产生丙酮酸，丙酮酸则还原成乳酸。如果通气量过大，葡萄糖在菌体内被氧化成丙酮酸。继而进一步氧化成乙酶辅酶A，进入三羧酸循环，生成α-酮戊二酸，但由于供氢体（NADPH2）在氧气充足的条件下经呼吸链被氧化成水，而没有氢的供给，谷氨酸合成受阻，α-酮戊二酸大量积累；只有在供氧适当时还原性辅酶Ⅱ大部分不经呼吸链被氧化成水，在充足的NH条件下，才有利于谷氨酸脱氢酶的催化，还原氨基化反应，大量形成并积累谷氨酸。

通风的实质除了供氧外，还使菌体培养基密切结合，保证代谢产物均匀扩散，以及维持罐内正压的作用。

搅拌可以提高通风效果，使空气变成小气泡，增加气液接触面积，提高溶解氧量。因为微生物呼吸时只能利用溶解于培养集中的氧气，而空气进入发酵罐后，

+

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其氧分子并不是全部被发酵液吸收，所以在讨论通气量时，必须考虑氧的溶解系数（以Kd表示），Kd表示摩尔分子氧/（毫升·分钟·大气压）,在通气搅拌条件相同时，Kd值大即表示设备通气效果好，反之则差。

在谷氨酸发酵过程中，通风量的控制应掌握前期比后期小的原则。一般发酵前期以低通风量为宜中后期以高通风量为宜。实际生产上，用气体转子流量计来检查通气量即每分钟单位体积的通气量表示通气强度。发酵时搅拌速度与通气量常因发酵罐大小不同而异。

⑴ 泡沫的控制 在谷氨酸发酵中，由于强烈的通风与菌体代谢所产生的二氧化碳，使培养液产生大量的泡沫，泡沫的存在往往给发酵造成危害和损失，在泡沫过多时，会使培养液溶解氧减少，气体交换受阻，影响菌的呼吸和代谢。同时，泡沫过多不仅影响装料系数，降低发酵设备使用率，而且还能使发酵液外溢，增加污染机会，通常，当泡沫多时，必须及时消除泡沫，才能保证发酵正常进行。

⑵ 消泡的方法有两种。一是机械消泡法。包括采用靶式消泡器或离心式、刮板式、蝶形等消泡器。另一种是化学消泡法，即采用化学消泡机进行消泡，一般发酵中采用天然油脂、聚酯类、醇类、硅酮等消泡剂。

⑶ 不同谷氨酸产生菌对糖浓度的要求不同，其发酵时间也有所差异。一般低糖（10%-12%）发酵，其发酵时间在36-38h。中糖（14%）发酵为45h.

3.4 谷氨酸的提取

发酵结束后，发酵液中积累了大量的谷氨酸，将谷氨酸从发酵液中分离出来的过程，称为谷氨酸的提取。谷氨酸提取方法有五种：等电点法、离子交换法、锌盐法、渗透膜法和溶剂抽提法。目前我国大多数采用等电点法提取谷氨酸。

3.4.1 原理

谷氨酸子等电点pH 时，发酵中正负离子（电荷）相等，总静电荷等于零，形成偶极离子，此时谷氨酸溶解度最小，被析出呈结晶状态。谷氨酸的等电点时pH 为3.0-3.2.

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3.4.2 工艺流程

等电点法提取谷氨酸的工艺流程如下： 盐酸

发酵液 调酸 停酸育晶 等电搅拌 静置沉降 离心分离 谷氨酸

（pH4.5-4.0）（2h） （pH3.0-3.2）

1． 调节等电点

将发酵结束的醪液引入等电点桶或等电点池，待液温降至30℃加盐酸调pH，约2h左右将发酵液pH调至4.0-4.5左右时，观察晶核有否形成，如已形成晶核，应停止加酸，育晶1-2h，使晶核增大，然后缓慢地将pH调节至3.0-3.2为止，此时继续搅拌20h。 2． 谷氨酸分离

停止搅拌后，静置分离4h，关闭冷却水，放出上清液，除去谷氨酸沉淀表层菌体及细麸酸（放入另一缸中回收利用）。底部谷氨酸结晶取出送离心机分离，所得湿谷氨酸供精制用。

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