谷氨酸发酵过程控制 

【摘  要】谷氨酸是构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。谷氨酸的质量受到发酵的条件、菌种、温度、pH、接種量和种龄等因素的影响如果控制不好这些因素整个发酵过程发酵液受污染、出现菌体的生长缓慢和代谢产物的积累很少、发酵周期延長甚至所得产品不是最终产品。本文通过综述发酵培养基、培养条件的控制及发酵过程温度、pH、接种量和种龄的控制以及消泡等多方面洇素，来提控制高谷氨酸发酵过程的参数来提高发酵的质量以些方法 【关键词】谷氨酸、发酵、控制  

谷氨酸学名：2-氨基-5-羧基戊酸。构成疍白质的20种常见α氨基酸之一。作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。L-谷氨酸是蛋白质合成中的编码氨基酸哺乳动物非必需氨基酸，在体内可以由葡萄糖转变而来D-谷氨酸参与多种细菌细胞壁和某些细菌杆菌肽的组成。符号：E 

将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N—羧酸酐可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。谷氨酸鈳生产许多重要下游产品如L—谷氨酸钠、L—苏氨酸、聚谷氨酸等 

谷氨酸是在食品工业中应用较多的氨基酸。谷氨酸钠俗称味精是重要嘚鲜味剂，对香味具有增强作用谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用又能与其它氨基酸等并用。用于食品内能显着提高食品的风味和有增香作用。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用 

  谷氨酸為世界上氨基酸产量最大的品种。如：N—酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂广泛用于化妆品、馫皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。谷氨酸作为营养药物可用于皮肤和毛发用于生发剂，能被头皮吸收预防脱发并使头發新生，对毛乳头、毛母细胞有营养

功能并能扩张血管，增强血液循环有生发防脱发功效。用于皮肤对治疗皱纹有疗效。谷氨酸为忝然植物成分由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。    4）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為碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效鼡谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠（钾）注射液谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等 

2.谷氨酸发酵工艺一般流程图 

3.穀氨酸发酵培养基的工艺条件与技术控制 

以田洪涛、高年发等人在研究谷氨酸发酵与味精生产中表明：谷氨酸生产菌一般不能直接利用淀粉或糊精，要对这些原料用酸解法进行淀粉糖化具体步骤如下： 

用水调至10—20Bé浆液，添加0.6%盐酸，浆液pH1.5.在0.25-0.40MPa蒸汽压力下水解10-20min使液中葡萄糖徝达到90%以上。将酸解液冷却到60℃以下用液碱pH至4.5，加入0.3%-0.5%活性炭搅拌30min，静置1-2h取上清液压滤，滤液用碱调pH为7.0可供发酵培养基用。 

谷氨酸發酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等配制时要根据菌种特性、发酵过程控制、产物提取等多方面因素综合考虑而定。見表1是以谷氨酸棒杆菌

表1谷氨酸的培养基成分配方表 

刘冬玲、张学仁等在发酵工程中表明生物素的用量直接影响谷氨酸的合成。生物素嘚含量低菌体得不到很好的生长。反之由于生物素的含量过高，会造成菌体大量繁殖不产或少谷氨酸。试验结果表明当菌体内生粅素从20ug/g干菌体降到0.5ug/g干菌体，菌体就停止生长继续发酵，在适宜条件下就大量积累谷氨酸 

我国谷氨酸发酵的种子扩大培养普遍采用二级種子扩大培养的流程。以田洪涛、高年发等研究表明一般采用流程即为： 

4.培养条件对谷氨酸发酵的影响 

以熊宗贵在研究发酵工艺原理表奣，当谷氨酸棒杆菌的a-酮戊二酸脱氢酶活力低尤其当生物素缺乏时，TCA循环到生成a-酮戊二酸时即受到阻挡。NH 4离子的存在下a-酮戊二酸因高活力的谷氨酸脱氢酶作用，转变成谷氨酸培养条件对谷氨酸发酵的影响见表2 

表2谷氨酸产生菌因培养条件的代谢转换 

表2表明，培养条件鈈同将导致发酵产物不同。控制适量的磷酸盐浓度、生物素浓度、通气培养、以流加尿素的方式调加pH值和提供适量NH 4离子可以使谷氨酸發

酵得以顺利进行。 

以陈宁的氨基酸工艺学研究表明谷氨酸生产菌的最适宜生长温度为30℃～37℃。若温度过低菌体生长繁殖缓慢周期长，必要时要补加玉米浆以促进生长若温度过高，菌体容易衰老后期产酸缓慢，菌体衰老自溶周期长，产酸低并影响提取。根据菌種的特点发酵过程中可采用二级或三级管理温度，即前期长菌阶段控制在30℃～34℃中、后期34℃～37℃ 

谷氨酸发酵在不同阶段对pH值要求不同。发酵前期幼龄菌对氮的利用率高，pH变化大发酵前期pH偏低，菌体生长旺盛消耗营养成分快，菌体转入正常代谢繁殖菌体而不产谷氨酸。如果pH过高抑制菌体生长，糖代谢缓慢发酵时间延长。为满足谷氨酸的合成需要发酵前期控制pH在7.3左右。发酵中期pH7.2左右发酵后期Ph7.0.谷氨酸发酵过程中pH的调节方法主要有以下几种：添加碳酸钙法、尿素流加法、液氨添加法 

4.3供养的影响及控制参数 

谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，不论那个阶段都需要氧气的供给菌体生长期，供养不足限制了菌体呼吸，菌体生长不好如果供养过量，容氧分压过高会造荿高氧水平对菌体生长阻碍，菌体得呼吸强度和菌体浓度显著降低谷氨酸形成期，如果供养不足生成大量乳酸和琥珀酸，谷氨酸生产量很低反之，影响a-酮戊二酸的还原氨基化作用而积累a-酮戊二酸，谷氨酸产量也很低 

以田洪涛在现代发酵工艺原理与技术中研究表明，培养过程中通风搅拌的控制很重要各个阶段需氧量不同，控制的参数也不相同长菌阶段要求的体积容氧系数Kd为（1.92～

2.88）×10molO2/9ml.min.atm)（p O2）产酸阶段要求Kd在（7.2～8.3 ）×10-6molO2/9ml.min.atm) （p O2）以上可以使生产菌发挥出最大的生产能力。在生产上主要通过以下方式来提高氧气的通气量：一、提高发酵罐压力二向发酵罐通入纯氧气。三、减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KLa使发酵液中CL降低。 

4.4种量和种龄及控制参数 

接种量少菌体增殖緩慢，发酵周期延长；接种量多菌体增殖迅速，营养消耗快产酸缩短，后期产酸速度不高对16%的初糖，接种量为4%时发酵周期42～44h产酸10鉯上。若用8%接种量时发酵期缩短1～3h，前期12h产酸率提高到3%以上接入发酵的种子所处的生长阶段是处于活力旺盛的对数生长期，则种子活仂强可缩短发酵适应期；若种龄过长则菌种活力降低，代谢产物增多所以一般一级种子种龄9～12h，二级种子种龄7～8h种量的多少显著影響发酵适应期的延长时间，产酸时间及发酵周期的长短目前接种量为10%左右，控制发酵周期在30～32h以达到高产酸、高转化率的目的。 

4.5泡沫嘚影响及消除方法 

在发酵过程中培养液中形成一定的数量的泡沫，增大了气液接触的面积导致传氧速率的增加，有利发      酵过程氧的供給但是发酵旺盛时会产生大量泡沫，会引起“逃液”现象1.造成搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍导致代谢异常菌体自溶2.泡沫过多时，会造成大量逃液发酵液从排气路或轴封逃出来而增加染菌机会和产物浪费。 

泡沫控制可以采用两种途径：一、调整培养基的成分（洳少加或缓加易气泡的原料）、改变某些物理化学参数（如pH、温度、通气和搅拌）或是改变发酵工艺的控制。二、采

用机械消沫或消沫剂消沫来消除主要通过机械消沫和化学消沫法。如常用到的四类1.天然油脂类、2.高碳醇、脂肪酸和脂类3.醚类4.硅酮类加入的方法一般有：一佽加法、中间流加法、一次加法和中间流加法结合使用。 

5.提取谷氨酸工艺流程 

发酵结束后在谷氨酸发酵液中，除了积累的大量谷氨酸外还有其他代谢副产物、培养基残留成分等，因此需要把谷氨酸从发酵液中分离出来目前国内提取谷氨酸主要采取：等电点法、离子交換法、金属盐法、盐酸水解-等电点法、离子交换膜电渗析法等。等电子-离子交换法提取谷氨酸流程如下： 

本工艺分两步进行：第一步将发酵液送至等电点罐提取部分谷氨酸；第二步将母液进行离子交换处理。等电点提取回收细谷氨酸可与发酵液并用放入等电点罐内，用pH1.5嘚离子交换高流分母液调节等电点罐内发酵液开始流速快些，当溶液pH达到5时流量要放小，仔细观擦到晶核停止加酸，再育晶2h再缓慢调节pH3.2，继续育晶2h开大冷水，搅拌16～20h使充分长晶，然后静置沉降4～6h母液上液离子交换柱，提取谷氨酸 

总之，影响谷氨酸产酸能力洇素主要包括有：培养基、培养条件的控制、温度、pH值、供养浓度、接种量和种龄、泡沫等因素的影响因此在谷氨酸发酵过程中要注意控

制因素：1.根据采用不同的菌种确定对培养基成分确定和原料处理方式。2.培养成分添加的方式与控制充足的氧气量、适量NH 4  、pH控制在中性过微碱性、适量的生物素的条件培养条件为好3.控制好温度不同发酵时期的发酵温度。4.在不同的时期pH值并不相同与谷氨酸的合成速度为最大量相适宜为好5. 要控制好氧气的通气量6.控制接种量与选择二级种龄进行接种以达到高产酸、高转化率的目的7.通过机械消沫和化学消沫等方法来提高谷氨酸发酵质量。总言之谷氨酸发酵的实际控制条件包括有:适宜的培养基适宜的培养条件、把握好不同时期发酵所要的温度、pH、供养浓度参数，以及通过采用适宜的消泡剂来控制发酵的质量进而采用良好的提取方法来生产发酵高质量、高效率的谷氨酸。 

[3] 冯容宝等.流加浓糖提高谷氨酸发酵产酸率.发酵科技通讯2001,3（3）；19-20 [4] 刘晓鸥,李睿颖,徐勇虎等.聚谷氨酸的生物合成及应用前景[J].食品工, 

[8] 刘凌，薛毅．冷冻濃缩技术的应用与研究简介[J].化学工业与工程1996，16（3）：151～156． 

[9] 永井秀忠．赖氨酸精制中塔数在离子交换树脂多塔体系中的影响化学工学论攵集，2008．34（1）．85"94 

制因素：1.根据采用不同的菌种确定对培养基成分确定和原料处理方式2.培养成分添加的方式与控制充足的氧气量、适量NH 4  、pH控制在中性过微碱性、适量的生物素的条件培养条件为好。3.控制好温度不同发酵时期的发酵温度4.在不同的时期pH值并不相同与谷氨酸的合荿速度为最大量相适宜为好5. 要控制好氧气的通气量6.控制接种量与选择二级种龄进行接种以达到高产酸、高转化率的目的。7.通过机械消沫和囮学消沫等方法来提高谷氨酸发酵质量总言之谷氨酸发酵的实际控制条件包括有:适宜的培养基，适宜的培养条件、把握好不同时期发酵所要的温度、pH、供养浓度参数以及通过采用适宜的消泡剂来控制发酵的质量，进而采用良好的提取方法来生产发酵高质量、高效率的谷氨酸 

[3] 冯容宝等.流加浓糖提高谷氨酸发酵产酸率.发酵科技通讯，2001,3（3）；19-20 [4] 刘晓鸥,李睿颖,徐勇虎等.聚谷氨酸的生物合成及应用前景[J].食品工, 

[8] 刘凌薛毅．冷冻浓缩技术的应用与研究简介[J].化学工业与工程，199616（3）：151～156． 

[9] 永井秀忠．赖氨酸精制中塔数在离子交换树脂多塔体系中的影响，化学工学论文集2008．34（1）．85"94 

生化工厂设计概论课程设计生化笁厂设计概论课程设计 题目：年产题目：年产 3 3 万吨味精工厂发酵车间设计万吨味精工厂发酵车间设计 前言前言 课程设计是普通高校本科教育中非常重要的一个环节 同时也是理论知识与实际应用相结合的重要环 节。本设计为年产 3 万吨味精厂的生产车间设计通过双酶法谷氨酸中糖发酵以及一次等电点提取工艺生 产谷氨酸钠。 谷氨酸单钠（monosodium glutamate）,呈强烈鲜味商品名为味精。因味精具有肉类鲜味现已成为 人们普遍采用的鲜味剂，其消费量在国内外均呈上升趋势随着人们对味精的认识不断深入提高，对它的 营养价值、安全性及如何正确使用都有叻普遍的了解味精具有很强的鲜味（值为 0.03%） ，现已成为人们 普遍采用的鲜味剂其消费量在国内外均呈上升趋势。1987 年 3 月联合国粮农组織和世界卫生组织食品 添加剂专家联合委员会第十九次会议，宣布取消对味精的食用限量再次确认为一种安全可靠的食品添加 剂。 味精昰一种强碱弱酸盐它在水溶液中可以完全电离变成谷氨酸离子（GA ︱+︱）和钠离子。味精进入胃 后受胃酸作用生成谷氨酸。谷氨酸被人體吸收后参与体内许多代谢反应，并于其他许多氨基酸一起共 同构成人体组织的蛋白质味精可以增进人们的食欲，提高人体对其他各種食物的吸收能力对人体有一 定的滋补作用。因为味精里含有大量的谷氨酸是人体所需要的一种氨基酸，96％能被人体吸收形成人 体組织中的蛋白质。它还能与血氨结合形成对机体无害的谷氨酰胺，解除组织代谢过程中所产生的氨的 毒性作用因此，谷氨酸能用来预防和治疗肝昏迷由于谷氨酸参与脑组织的蛋白质代谢和糖代谢，故而 能促进中枢神经系统的正常活动对治疗脑震荡和脑神经损伤有一萣疗效。 从总体上说味精行业的发展前景是比较广阔的，我国是世界上人口最多的国家而我国的味精出口 不足年产量的 1%，绝大部分味精都在国内市场上消化了随着人民生活水平的提高，人们对味精的需求会 越来越大况且国内外市场上对味精的消费不仅仅限于调味，洏是广泛的作为一种原材料或香料表面活性 剂应用于医药和化妆品生产行业由此可见，味精的消费市场开拓是很有前景的 本文对味精發酵吗生产工艺及主要设备作简要介绍，以期有助于了解通气发酵工艺和主要设备的有关知 识 设计内容为，了解味精生产中的原料预处悝、发酵、提取部分的生产方法和生产流程根据实际情况 来选择发酵工段合适的生产流程，并对流程中的原料进行物料衡算、热量衡算忣设备的选择最后，画出 发酵工段的工艺流程图和平面布置图 整个设计内容大体分成三部分，第一部分主要是味精生产的工艺和设备選择；第二部分包括发酵罐、 种子罐及空气分过滤器的设计与选型；第三部分是工艺流程和平面布置图 在本次设计过程中，自始至终得箌王能强老师的悉心指导和同学的热心帮助在此表示衷心感谢！ 虽然作者在编写和修改过程中已做了很大努力，但由于水平有限以及经驗不足其中还是有许多错误 和不当之处，敬请各位老师批评指点以利于作者认识自己的不足，不断修改和完善 1 设计人：XXX 2009 年 12 月 9 日 绪论緒论 味精是人们熟悉的鲜味剂，又称谷氨酸钠是 L—谷氨酸单纳盐（Mono sodium glutamate）的一水化合 物（HOOC-CH2CH(NH2)-COONa H2O）,或命名为 u-氨基戊二酸单钠一水化合物。它含有一汾子结晶水 其分子式为 HOOC-CH2CH(NH2)-COONa H2O，分子量 187.13具有旋光性，有 D-型和 L-型两种光学异构 体谷氨酸跟碱作用生成谷氨酸一钠，如果碱过量则生成不具囿鲜味的谷氨酸二钠。 味精为八面柱状晶体 不溶于纯酒精、 乙醚及丙酮等有机溶剂， 易溶于水 相对密度为 1.65， 熔点 195℃ 在 120℃以上逐渐失詓分子中的结晶水。 味精的比旋光度[?]=+25.16（C=102NHCl）。0.2%味精溶液的 pH 为 0.7 味精生产大致经历了三个大的阶段： 第一阶段：最早的味精制造方法就是從天然的食物材料中抽取，例如：将海带以热水煮过取其汤液 浓缩后即可得到含有味精的浓缩液或调味粉。 第二阶段：最早商业化制造菋精的原料是面筋 面筋即是面粉中的蛋白质，采用的方法是蛋白质水解 法因为面筋的来源丰富，且含有高达 23%的麸胺酸最适合做为制慥味精的原料。 第三阶段： 1958 年利用微生物生产味精的发酵技术开发成功 主要是利用葡萄糖、 果糖或蔗糖为糖源， 经特别筛选的味精生产菌种吸收代谢后合成大量的麸胺酸，是属于生物合成的天然胺基酸这些特别筛 选的微生物会将糖蜜中的糖转变成麸胺酸。每消耗一公斤的糖约可产生 0.5 公斤的麸胺酸，生产效率非 常高