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第1页共18页目录年产50吨L-谷氨酸的工艺设计1文献评述1.1产品概述1.1.1名称学名：L-谷氨酸-水化合物；商品名：L-谷氨酸。因L-谷氨酸起源于小麦，故俗称麸酸。英文名：MonosodiumL-glutamate其它名称：L-2-Aminoglutaricacid,H-Glu-OH,L-glutamicacid,L(+)-glutamicacid,H-L-Glu-OH,S-2-Aminopentanedioicacid1.1.2产品规格及标准结构式：分子式C6H14N4O2.C5H9NO4分子量321.331.1.3理化性质L-谷氨酸为白色鳞片状晶体。无臭，稍有特殊的滋味和酸味。呈微酸性。微溶于冷水，易溶于热水，几乎不溶于乙醚、丙酮和冷醋酸中，不溶于乙醇和甲醇。247-249℃分解，200℃升华，相对密度1.538（20/4℃），旋光度[α]＋30-＋33°。1.1.4产品用途（1）食品业氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。（2）日用化妆品等谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。第2页共18页聚谷氨酸是一种出色的环保塑料，可用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途，可在自然界迅速降解，不污染环境。随着科学的进步，研究的深入，谷氨酸新的应用领域将越来越广。（3）医药行业谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。2、工业生产方法的选择和论证2.1L-谷氨酸生产方法的选择与确定2.1.1传统工艺中L-谷氨酸的生产方法有两种：合成法和发酵法。（1）合成法丙烯腈与氢和一氧化碳在高温，高压和催化剂的作用下得到β-氰基丙醛（OHCCH2CH2CN），后者与氰化钾和氯化铵进行斯脱拉克（Straker）反应生成氨基腈。将氨基腈用氢氧化钠水解，得谷氨酸二钠，然后用硫酸中和，生成D，L-谷氨酸析出，将D，L-谷氨酸进行光学分离，即可分成L-谷氨酸和D-谷氨酸，后者经消旋化再返回到中和工序。此法日本曾用之生产L-谷氨酸10年之久，于1973年停用。（2）发酵法此法是L-谷氨酸工业生产的主要方法。薯类，玉米，木薯等的淀粉水解糖或糖蜜，借助于微生物类，以铵盐，尿素等提供氮源，于大型发酵罐中，在通气搅拌下进行发酵30-50个小时，保持30-40度。PH值为7-8，发酵完毕。表1.两种方法的比较缺点优点合成法需要高压，有易燃，有毒物质，设备投资大，年产量小于5000吨L-谷氨酸时不经济，生产工艺复杂不用粮食，采用石油废气发酵法需设置菌种实验室，生产过程需要严格消毒灭菌原料来源广，设备腐蚀性小，劳动强度小，可自动化，连第3页共18页续化生产，成本低所设计的L-谷氨酸生产厂不仅生产方法要可靠，而且原料来源要广泛，故选择发酵法为宜。经过上述两种方法的优缺比较，该法的生产虽然必须要求严格灭菌，但这是不难办到的。由于此法优点很多，又是目前生产L-谷氨酸的主要方法，所以本设计选用发酵法生产L-谷氨酸。发酵法生产L-谷氨酸大致可分为三个阶段：糖化，发酵，提取。2.1.2谷氨酸的生产工艺流程谷氨酸的生产主要包括以下工作：谷氨酸发酵的原料处理和培养基的配制；种子培养；发酵工艺条件的控制；谷氨酸的提取；谷氨酸的精制。谷氨酸发酵生产L-谷氨酸的工艺流程如下：硫酸盐淀粉斜面空气玉米浆酶镁盐等水调和水解摇瓶种子空气净化系统调pH值中和压滤种子罐预热连消发酵罐尿素储罐等电点沉淀粗谷氨酸附图1.发酵法生产谷氨酸钠的工艺流程2.2主要生产原料的选择淀粉是L-谷氨酸生产的主要原料，每吨99%的L-谷氨酸大约需要消耗纯淀粉2.4吨。淀粉的质量对生产的好坏影响很大，比较各类淀粉，以玉米淀粉为最佳，山芋淀粉次之，小麦淀粉较差，而大米淀粉较好。因我国长江流域盛产大米和玉米，故拟建的L-谷氨酸厂可选用这两种农产品的淀粉作为主要原料。生产L-谷氨酸最好是用新鲜淀粉，因为新鲜湿淀粉水解后的营养成分比干淀粉水解糖液丰富。第4页共18页2.3谷氨酸发酵生产中的生产菌种及培养基2.3.1菌种谷氨酸发酵生产菌种主要有棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌。除节杆菌外，其他三属中有许多菌种适用于糖质原料的谷氨酸发酵。这些细菌都是需氧微生物，都需要以生物素为生长因子。我国谷氨酸发酵生产所用菌种有北京棒状杆菌AS1.299、7338，钝齿棒状杆菌AS1.452、HU7251、B9；天津短杆菌T613、FM8207等。本设计采用FM8207为生产菌。菌种特点：（1）α-酮戊二酸脱氢酶丧失或活力极弱。（2）谷氨酸生产菌的谷氨酸脱氢酶活力很强，且活力不被高浓度谷氨酸PH值抑制。（3）丙酮酸羧化支路旺盛，使丙酮酸与二氧化碳结合，提供谷氨酸合成中大量需要的碳司二羧酸。（4）有充足的NADPH•2H供给α-酮戊二酸还原氧化。（5）生物素缺陷型（或甘油或油酸缺陷型）。2.3.2培养过程斜面培养一级种子培养二级种子培养发酵罐（1）斜面培养条件谷氨酸斜面菌种培养条件一般是7338、B9类菌种30～32℃，T631类菌种33～34℃培养18～24h.(2)一级种子培养采用液体培养基，由葡萄糖。玉米浆。尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰等组成，pH为6.8～7.0；三角瓶内32℃振荡培养12ｈ，采用恒温控制，贮于4℃冰箱备用。(3)二级种子培养培养基除用水解糖代替葡萄糖,加入泡敌，其他与一级种于培养基相仿。接种量0.5%～1.0%，培养温度为32℃（T613菌为33～34℃），培养时间7～8h，即可移种或冷却至10℃备用。通风量1200L种子罐1:0.2，搅拌转数180r/min。(4)发酵培养基培养基中另外加入植物油,氯化钾,泡敌外,其他与二级种于培养基相仿。在第5页共18页35-36℃下培养约35小时，即可进行谷氨酸提取。但必须注意发酵液中个成分的含量。在谷氨酸发酵培养液中糖浓度为12.5%，总尿量为3%，碳氮比为100:28。碳氮比为100:11时才开始积累谷氨酸。不同的碳氮比对谷氨酸的合成有着显著的影响，例如适量的氨离子可减少α-酮戊二酸的积累，促进古氨酸的合成；过量的氨离子会使生成的谷氨酸受谷酰胺合成酶的作用转化为谷酰胺。另外，还需要无机盐、生长因子等。2.4L-谷氨酸生产过程中的反应历程2.4.1谷氨酸发酵原料的处理因为所有谷氨酸生产菌株都不能直接利用淀粉或糊精，因此必须先水解淀粉成葡萄糖。将淀粉水解为葡萄糖的过程称为糖化。制取的溶液叫淀粉水解糖。在淀粉水解糖中，主要糖分是葡萄糖，另外，尚有少量麦芽糖及其他一些二糖，低聚糖等复合糖类。这些低聚糖，复合糖等杂质不能被菌体利用，它们的存在，不但降低了淀粉的利用率，增加粮食消耗，而且常影响到糖液的质量，降低糖液中可发酵成分。在谷氨酸发酵中，淀粉水解糖质量的高低，往往直接关系到谷氨酸菌的生长速度及谷氨酸的积累。因此，提高淀粉的出糖率，保证水解糖液的质量，满足发酵高产酸的要求，是一个不可忽视的重要环节。能够作为谷氨酸发酵工业原料的水解糖液，必须具备以下条件。（1）糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖浓度的要求。（2）糖液洁净，是杏黄色或黄绿色，有一定的透光度。（3）糖液中不含糊精。（4）糖液不能变质。2.4.2淀粉水解糖的制备2.4.2.1制备方法的选定根据原料淀粉的性质及采用的水解催化剂的不同，水解淀粉为葡萄糖的方法有下列三种。（1）酸解法（acidhydrolysismethod）酸解法是以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，再高温高压下将淀粉水解为葡萄糖的方法。生产路线如下：第6页共18页淀粉盐酸，水调浆蒸汽糖化冷却碳酸钠，活性炭中和脱色压滤糖液（2）酶解法（enzymehydrolysismethod）酶解法是利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。利用α-淀粉酶将淀粉转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加，这个过程称为液化。利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖，这个过程在生产中称为糖化。淀粉的液化和糖化都是在酶的作用下进行的，故酶解法又有双酶水解法之称。其生产路线如下：淀粉调浆液化灭酶糖化灭酶压滤糖化（3）酸酶结合法（酶酸法）将淀粉乳先用α-淀粉酶液化到一定程度，然后用酸水解成葡萄糖的工艺。淀粉调浆液化过滤加酸糖化中和脱色压滤糖液这些糖化方法各有特点，其主要指标的优劣列于下表。其中，A--优，B—好，C--可，D—差。由该表可知，从周期短来说，酶酸法可取；从原料广泛性的转化率而言，双酶法更胜一筹。表2.各种糖化方法的特点工艺简单生产周期短转化率高对淀粉要求不高糖液质量高酸解法AABDB双酶法BCAAA酶酸法BABBA通过上述三种糖化方法的比较，本设计拟选用双酶法制糖。2.4.2.2制糖工段双酶法制糖可使淀粉对糖的转化率高达96%～98%。糖纯度达98%，并具有能耗底、副产物少及利于发酵和提取等优点，被国内工厂广泛采用。（1）流程第7页共18页淀粉糊化淀粉液化酶糊精、低聚糖糖化酶葡萄糖（C6H10O5）n+nH2O酶nC6H12O6与碘显色反应依次为：蓝色糊精，紫色糊精，红色糊精，浅红色糊精，无色寡糖，葡萄糖。副反应：葡萄糖分解5′—羟甲基糠醛2葡萄糖龙胆二糖+异麦芽糖+复合二糖[1]（2）概述先在调浆配料槽调浆配料，将淀粉乳调成15～20°Be，用碳酸钠水溶液调PH=6.4～6.5，氯化钙的用量为干淀粉的0.15%～0.3%；用泵打入缓冲器，喷射加热温度100～105℃，层流罐温度95～100℃，液化时间60min,以碘色反应呈棕色即可。然后液化液经130～140℃灭酶5～10min，再经板式换热器冷却至И℃以下。进入糖化罐。糖化温度59～61℃，PH=4.0～4.4，糖化酶用量按100～120U/g干淀粉计算。糖化时间30～40h，以无水乙醇检查无白色沉淀为终点，终点DE值为95%～98%。再将物料加热至80～85℃，灭酶30min。糖液用碳酸钠水溶液调节PH=4.6～4.8，然后过滤，进入贮糖罐。2.5发酵工段2.5.1发酵机制首先是糖代谢阶段。葡萄糖经糖酵解(EMP途径)和己糖磷酸支路(HMP途径)生成丙酮酸，谷氨酸生产菌在生物素供应充足的情况下，经HMP途径所分解葡萄糖占总量的38%，当控制生物素亚适量，HMP途径所占比例为28%，生成的丙酮酸一部分氧化成乙酰辅酶A(乙酰COA)，一部分固定CO2，生成草酰乙酸或苹果酸。然后草酰乙酸和乙酰辅酶A进入三羧酸循环，在柠檬酸合成酶上午作用下生成柠檬酸，进而转化为α-酮戊二酸。α-酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶（GDH）的催化及有NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。当生物素缺乏时，菌种生长十分缓慢；当生物素过量时，则转为乳酸发酵。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢至少16步反应，尽量控制通过CO2固定反应供给四碳二羧酸。为了获得能量和产生生物合成反应所需的中间产物，在谷氨第8页共18页酸发酵的菌体生长期，需要异柠檬酸裂解酶反应，走乙醛酸循环途径。但在菌体生长期以后，进入谷氨酸生长期，为了大量合成、积累谷氨酸，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封闭乙醛酸循环循环，理想的发酵途径按如下反应进行：C6H12O6+NH3+3/2O2→C5H9O4+CO2+3H2O理论转化率为81.7%若CO2固定反应完全不起作用，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的作用下，脱氢脱羧全部氧化成乙酰COA，通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸，按如下反应进行：3/2C6H12O6+NH3+3/2O2→C5H9O4+CO2+3H2O理论转化率为54.4%因此实际的理论转化率为54.4%～81.7%。2.5.2谷氨酸生物合成调节机制（1）优先合成与反馈机制（2）糖代谢调节（3）氮代谢调节（4）其他代谢调节2.5.3控制细胞膜的渗透性通过控制发酵培养基中的化学成分，达到控制磷脂、细胞膜的形成或阻碍细胞壁正常的生物合成，使谷氨酸生产菌处于异常的生理状态，以解除细胞对谷氨酸向胞外漏出的渗透屏障，使细胞内谷氨酸不能积累到引起反馈调