味精生產技術(Monosodium glutamate production technology)第九組 系部：食品與生物工程系專業：生物工程 班級：文生105-2 成員：王照生201090621235 李亞東201090621216 王汝春201090621233 馬成龍2010906212101、 行業簡介味精，也稱味之素（商品名稱），學名谷氨酸鈉，是調味料的一種，主要成分為谷氨酸鈉。谷氨酸鈉是谷氨酸的鈉鹽，是一種無色無臭的晶體，在232時解體融化，吸濕性強，易溶于水。谷氨酸鈉還具有治療慢性肝炎、肝昏迷、神經衰弱、癲癇病、胃酸缺乏等病的作用。要注意的是，如果在100以上的高溫中使用味精，鮮味劑谷氨酸鈉會轉變為致癌性的焦谷氨酸鈉。如果在堿性環境中，味精會起化學反應產生一種叫谷氨酸二鈉的物質，因此要注意使用和存放味精的條件。1、 產品的分類和用途 我國的味精目前有四種規格，即俺含有谷氨酸鈉的純度可分為99、95%、90%、80%四種。除99%以外，其他三種分別加5%、10%、20%食鹽等作填充料，有白色柱狀結晶型和白色粉末狀結晶型。市場上供應的味精，谷氨酸鈉含量低于80%的只能稱之為調味品，所以在選購時要看清包裝上的谷氨酸鈉含量。2、 行業的歷史1866年，德國人H.Ritthasen博士從面筋中分離到谷氨酸，根據原料定名為麩酸（因為面筋是從小麥里的提取出來的）。1908年，日本東京大學池田菊苗實試驗，從海帶中分離的得到L-谷氨酸結晶體，這個晶體和從蛋白質水解得到的L-谷氨酸是同樣的物質，而且都是有鮮味的。在1965年以前是以面筋或大豆粕為原料，通過酸水解的方法生產味精的。這種方法消耗大，成本高，勞動強度大，對設備要求高，需耐酸設備。隨著科學的進步及生物技術的發展，史使味精生產發生了革命性的變化，自1965年以后我國味精廠都以糧食（玉米淀粉、大米、小麥淀粉、甘薯淀粉）為原料，通過微生物發酵、提取、精制得到符合國家標準的谷氨酸鈉，用了它以后使菜肴更加鮮美可口。3、地位和作用隨著生產的發展以及人們消費水平的提高，味精在人們的生活中已經成為不可缺的鮮味物質。味精不僅能為菜肴增添鮮味，還具有豐富的營養。谷氨酸鈉被人們食用后，能夠通過胃酸的作用解離為谷氨酸，能很快的被消化吸收，變成人體組織中必不可少的蛋白質。而谷氨酸是一種高級營養輔助藥，在醫療上有護肝、解毒、改善神經系統的功能，對于年少兒童還具有促進神經系統發育的作用，在日常生活中適量地食用味精，能促進發育，增強體質。因此，味精的作用及營養價值很重要。二、谷氨酸發酵生產方法和生產工藝流程1、生產方法谷氨酸發酵包括了谷氨酸的生物合成和積累兩個過程。谷氨酸的生物合成途徑大致是：葡萄糖經糖酵解（EMP途徑）和己糖磷酸支路（HMP途徑）生成丙酮酸，再氧化成酮戊二酸。酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的催化及有NH4+ 存在的條件下，生成谷氨酸。因此，谷氨酸的生物合成途徑包括EMP、HMP、TCA循環DCA循環和CO固定作用等。 主要酶反應：酮戊二酸+ NH4+ +NADPH谷氨酸+HO+NADP 由葡萄糖生成的谷氨酸鈉的總反應式為： CHO+NH+3/2OCHON+3HO+CO谷氨酸棒狀桿菌、黃色短桿菌的代謝均存在EMP途徑和HMP途徑。經這兩條途徑發酵至丙酮酸后，一部分經氧化脫羧生成乙酰輔酶A,一部分通過羧化固定CO生成草酰乙酸或蘋果酸，草酰乙酸與乙酰輔酶A在檸檬酸合酶催化作用下，縮合成檸檬酸，再經TCA循環中的部分步驟生成酮戊二酸，經轉氨反應生成谷氨酸。2、 發酵工藝流程材料準備谷氨酸發酵生產菌種制備移種谷氨酸發酵過程的控制谷氨酸等電點回收谷氨酸發酵培養基的制備谷氨酸的中和，精制味精的結晶與干燥提交工作任務報告單3、 主要工藝參數溶解氧對谷氨酸產生菌種的種子培養影響很大。溶解氧過低，菌體呼吸收到抑制，從而抑制生長，引起乳酸等副產物的積累；但是并非溶解氧越高越好，當溶解氧滿足菌的需氧量后繼續升高，不但會造成浪費還會由于高氧水平抑制菌體生長和谷氨酸的生成。溫度 谷氨酸發酵0-12h為長菌期，菌種生長最適溫度30-32。當菌體生長到穩定期，進入產酸期，控制溫度為34-36。pH 為了維持發酵的最佳條件，根據谷氨酸產生菌發酵的最適pH在7.0-8.0之間，采用提高通風量、控制流加氮源的方法來調節谷氨酸的發酵。磷酸鹽是谷氨酸發酵過程中必需的，但濃度不能過高，否則會轉向纈氨酸發酵；但磷濃度過低，則菌體生長不好，不利于產酸。發酵結束后，常用離子交換樹脂法等進行提取。3、 技術參數1、 菌種方面目前在谷氨酸發酵生產中所使用的菌種主要如下：棒狀桿菌屬：谷氨酸棒狀桿菌、北京棒狀桿菌、鈍齒棒狀桿菌。短桿桿菌：黃色短桿菌、天津短桿菌。這些菌種具有以下共同的特征：細胞形態為棒狀、斷桿；革蘭氏陽性菌，無芽包，無鞭毛，不能運動；都是需氧型；都是生物素缺陷型；脲酶強陽性；不分解淀粉；谷氨酸脫氫酶活力強；不分解谷氨酸，并能耐高濃度谷氨酸；發酵中菌體發生明顯的形態變化，同時細胞膜滲透性發生變化；二氧化碳固定反應酶系活力強；乙醛酸循環弱；-酮戊二酸氧化缺失或微弱。菌種的選育根據各個軍中的特征，選擇合適的菌種作為培養的對象很重要，英雌在生產實踐中，育種思路可以從以下幾個方面考慮。一是可通過誘變選育L-谷氨酸的結構類似物抗性突變株和營養缺陷型的回復突變株，以解除自身的反饋抑制和反饋阻遏，增大L-谷氨酸積累量。二是選育強化能量代謝的突變株。三是選育不能以L-谷氨酸作為唯一碳源生長的突變株。(1)北京棒狀菌AS 1.99（Corynebaxterium pekinense n.sp.AS 1.99）細胞呈短桿或棒狀，有時略呈彎曲狀，兩端鈍圓，排列為單個、成對或V字形。革蘭染色陽性。無芽孢，無鞭毛，不運動。普通肉汁平皿培養，菌落圓形，中間隆起，表面光滑濕潤，邊緣整齊，菌落顏色開始呈白色，直徑1mm，隨培養時間延長變為淡黃色，直徑增大至6mm，不產水溶性色素。普通肉汁液體培養，稍餛飩，有時表面呈微環狀，管底有粒狀沉淀。(2)鈍齒棒狀菌 AS 1.542（Corynebacterium crenatum n.sp.AS 1.542）細胞呈短桿或棒狀，兩端鈍圓，排列為單個、成對或V字形。革蘭染色陽性。無芽孢，無鞭毛，不運動。細胞內次極端有異染顆粒并存在數個橫隔。普通肉汁固體平皿培養，菌落扁平，呈草黃色，表面濕潤無光澤，邊緣較薄呈鈍齒狀，不產水溶性色素，直徑3-5.普通肉汁液體培養渾濁，表面有薄菌膜，管底有較多沉淀。2、 工藝上 材料準備 谷氨酸常用材料有玉米、小麥、甘薯、大米等。谷氨酸生產時發酵原料具有一定的選擇原則。首先要考慮菌體生長繁殖的營養，是否有利于谷氨酸的大量積累，還要考慮原料是否豐富、價格便宜，發酵周期是否短，產品是否易提取等因素。 菌種制備 菌種制備的主要目的是盡可能地培養出高活性、能滿足大規模發酵需要的純種，主要方式為：分離純化和擴大培養。分離純化一般兩個月左右就應該分離純化一次，分兩步進行。第一步是用平板稀釋法分離出單細胞菌落，具體方法是把待分離的菌株用無菌生理鹽水制成菌懸液，并在裝有玻璃珠的三角瓶中充分震蕩，利用玻璃珠的滾動使菌體細胞分散，然后將菌懸液稀釋成一定的濃度，分別做平板培養，使被分離的單細胞長成單菌落；第二步是挑取若干單細胞菌落接種于試管斜面培養基上，然后把這些菌株分別用三角瓶進行搖瓶發酵試驗，比較各菌株產酸的高低，選擇產酸的菌株供生產用。擴大培養室菌種制備的主要手段，其培養順序為：斜面菌種、一級種子、二級種子。工藝操作要點 a制備淀粉水解唐 b發酵 發酵過程分為：斜面活化二級搖瓶種子二級罐種子發酵 c谷氨酸提取 大本分工廠提取谷氨酸采用等電點法。將發酵液的pH調至3.22，谷氨酸就處于過飽和狀態呈結晶析出。d中和脫色 谷氨酸與碳酸鈉中和制成谷氨酸鈉，才具有強力鮮味。中和溫度為60-65，中和液的濃度為22B,pH為6.9-7.0。106g的t碳酸鈉可中和294g的谷氨酸。中和完畢后，需將中和液脫色。先用谷氨酸將中和液pH調回至6.3，加熱至60，使谷氨酸鈉充分溶解加入粉末活性炭進行脫色，攪拌30min后，即可讓其自然沉淀或進行過濾。e濃縮結晶 將脫色液放入真空濃縮鍋內，真空度保持8000Pa以上，溫度控在60以下，當鍋內液體濃度達到32B時，即開攪拌機，關掉蒸汽，用真空吸入晶種，進行起晶，然后將所得晶液在離心機內進行離心分離。f干燥過篩 將結晶味精于80干燥，然后過篩。大片的可打碎成粉攪拌入食鹽，作為粉狀味精；過細的作為小結晶味精或當晶種使用。g成品包裝、標志、運輸和存儲 產品的外包裝按照包裝儲運圖示標志（GB/T 191-2008)的要求，外包裝物應有明顯的標志。產品在運輸過程中應輕拿輕放，嚴防污染、雨淋和曝曬。產品儲存在陰涼、干燥、通風無污染的的環境下，不應露天堆放。3、 產物的分離和提取主要工藝流程圖： 谷氨酸中和脫色除鐵濃縮和結晶成品分離和干燥a、使用碳酸鈉對谷氨酸鈉進行中和，pH一般控制在6.7-7.0得到的是谷氨酸一鈉|（有鮮味）。在實際操作中，由于谷氨酸在水中的溶解度較小，中和反應的體系應當控制在60左右，應先將谷氨酸加入到熱水中，在逐步加入碳酸鈉，完成中和。b、脫色常用的活性炭脫色法，溫度一般控制在50-60。c、根據實際操作所使用設備的材質，此步驟選做。d、濃縮和結晶包括三個過程：形成過飽和溶液晶核形成晶體成長e、用抽濾裝置將味精晶體分離，再放入干燥箱干燥，干燥溫度不超過60，即得到味精原晶體。4、 主要生產設備試管；三角瓶；高壓滅菌鍋；搖床；培養箱；顯微鏡；膜組件；板塊過濾器；旋轉蒸發器；發酵罐：GUJS-50-500型，種子罐50L,發酵罐500L。4、 技術進展(一).菌種方面為了證實在谷氨酸棒桿菌中，利用H + -ATPase 基因失活構建高產谷氨酸基因工程菌的應用可行性，通過重組PCR 技術部分缺失H + -ATPase 亞基基因序列，采用插入失活方法構建H + -ATPase 失活的谷氨酸棒桿菌。考察了其谷氨酸產生能力及對生長速率的影響。實驗結果表明，H + -ATPase 失活的谷氨酸棒桿菌在含有100g /L 的葡萄糖培養基中搖瓶發酵，其谷氨酸最大累積量為51 6g /L，比野生菌株提高了42 9%。生長速率研究結果表明，H + -ATPase 失活的谷氨酸棒桿菌生長速率略低于野生谷氨酸棒桿菌。證實了H +-ATPase 基因失活對提高谷氨酸產量的作用，為利用H + -ATPase 基因構建高產谷氨酸基因工程菌株提供了科學依據。（二）工藝上1 選育優良菌種高產、純正、優良的菌種是保證發酵成功的前提，因此優良生產菌種的選育一直是谷氨酸發酵的主要研究課題。谷氨酸發酵一般采用黃色短桿菌（Brevibacterium fLavum） 為出發菌株，根據代謝控制發酵原理進行人工誘變，定向選育高產率的菌種。如陳寧等人以黃色短桿菌T1 為出發菌株，利用紫外線、硫酸二乙酯進行誘變，定向選育出具有寡霉素抗性、谷氨酸氧肟酸鹽抗性的溫度敏感型突變株TM106。然后，以TM106 和產酸率高（10.5%以上） 的天津短桿菌TG961 為親株，通過原生質體融合技術，成功地選育出了產酸率高的融合子CM021，并且該菌株系溫度敏感型菌株，可用于谷氨酸強制發酵。在最佳條件下，谷氨酸產酸率達13.6%，糖酸轉化率達60%以上在菌種的保藏和培養過程中，與一切生物發酵生產一樣，菌種是發酵生產成敗的內因，生產選用高產、純正、優良的菌種，必須做好5 個方面的控制：嚴格保藏溫度和干燥的環境，滿足菌種不變異、不退化、不污染的條件。保藏菌種要經分離、純化、篩選，要有專門的冷藏設備，周圍的環境要清潔無污染，對于細菌的保藏可采用- 80 冰箱保藏液體菌種的方法。生產使用的菌種要盡量減少傳代次數，斜面菌種一般以2 代 3 代可用于生產的為佳。嚴格菌種培養的原材料，試劑原料經過搖瓶和生產試驗后，要基本固定規格和生產廠家。有機原料更換批號要做搖瓶試驗，每批都要留樣做下批試驗的對照。一級種子的培養要嚴格搖瓶培養間的溫度、無菌等級，有條件的情況下搖瓶間可送無菌風。要保證搖床的轉速和振幅，經常檢查搖床的皮帶或齒輪是否松動。控制好一級種子下瓶的時機，除進行OD （光密度） 的檢測外還可進行濕菌體或用血球計數器計數檢測，鏡檢菌體的形態和同步性，同時要盡量縮短一級種子的冷凍時間，為下一步的擴大再培養提供活力強、同步性好、數量多、無污染的一級菌種。2 流加糖的控制流加糖工藝的關鍵技術在于開始流加的時機的選擇、流加過程中的流加速度、流加期間殘糖的含量及流加糖量占總投糖的比例。根據菌種的耗糖能力、生物素，在采用適量法的工藝條件下，總投糖含量為18%左右的轉化率較高，投糖超過20%的轉化率就有低于58.0%的危險（轉化率低于58.0%對淀粉的單耗和成本造成升高的影響），投糖量過低雖然可以提高轉化率，但產酸低、影響設備利用率和能源的消耗。2.1 初糖濃度一般情況下，大罐初糖12%14%、菌種10 h左右達到平衡，初糖15%16%、菌種12 h 左右達到平衡，12 h 的轉化率為55.0%左右；初糖16.0%以上菌種要在14 h 左右達到平衡，12 h 的轉化率一般為52%左右。總之，初糖含量的設計要考慮對菌種生長和轉化率的影響也要考慮到發酵培養基的平衡，在發酵周期30 h 左右、流加糖含量為36.0%左右的條件下，初糖設計含量為14%16%是比較適當的。如果流加糖含量提高至50.0%以上，初糖質量分數設計在13%14%即可。2.2 流加時間選擇適當的時機是相當重要的，對發酵的產量有很大影響。補糖的時機不能單純以培養時間作為依據，要根據糖的耗用速度、值變化、殘糖的高低、菌體活力、菌體形態是否轉型等因素判斷比較符合實際。補糖的時間原則是控制微生物的中間代謝，使之向有利于產物積累的方向發展。能控制菌體量的增加、糖的消耗速度與發酵單位增長三者之間的關系，就可獲得更長的生物合成期，以利于谷氨酸的積累。其控制要點是谷氨酸生產菌轉型期和乳酸峰值期相結合進行糖流加。開始流加時機應以殘糖量、耗糖速度、菌體的活力和轉型情況為依據，通過耗氧及需氧情況的計算顯示，發酵殘糖在5.0%2.0%時是流加糖的最佳時機。在流加過程中流加速度主要根據殘糖量控制，根據生產經驗殘糖控制量為2.0% 1.0%、流加糖占總投糖的60%70%時產酸和轉化率較為理想。糖液質量直接影響谷氨酸發酵生長、耗糖速度，進而影響產量和酸糖轉化率, 控制好糖液的質量是發酵成功的基礎，糖液的質量應該是具有高DE 值（97%以上） 和高DX 值（95.0%以上），復合二糖3.0 以下，三糖、四糖以上的糖含量不超過0.5%1。2.3 流加方式連續流加比間歇流加控制效果好，這樣可以避免一次性大量流加而引起菌體的代謝受到環境突然改變的影響。如此在恒定狀態下微生物所處的環境條件，如培養物濃度、產物濃度、pH 值以及微生物細胞的濃度、生長速率等可以始終維持不變，以達到產生大量代謝產物的目的。對谷氨酸發酵而言，其控制要點有以下3 個方面：流加糖質量分數在45%50%之間，糖色澤不增加，糖不被分解，蒸發過程中損失盡量減小，蒸發溫度不宜過高，時間不宜過長，避免產生焦糖和色素，濃縮前后的糖DE 值（或DX 值） 與透光率差距不能過大；流加糖消毒滅菌溫度不宜過高，而且要迅速降溫至30 45 ，保壓備用；流加過程中殘糖控制量不宜忽高忽低，宜根據糖耗速率控制流加數量，保持殘糖含量穩定。3 生物素的控制在生物素用量的控制中不但要考慮到培養基中原料（包括玉米漿、糖蜜純生物素） 的生物素總量，同時還要考慮到糖液因玉米淀粉和生產工藝的變化造成的營養素（生物素和維生素） 的變化，適時地根據發酵耗糖、產酸及發酵的容氧情況調整培養基中生物素配比，控制生物素用量，充分滿足生長、耗糖、合成谷氨酸的需要，并且不能出現負面的影響。在采用生物素適量法工藝控制中，發酵培養基的總生物量控制在10.0 g/L 以上，與生物素用量相配套的二級種子到大罐的接種量達到10.0%以上，濕菌體量控制1.0 mL/10 mL 以上；大罐初糖采用14%16%的中高糖發酵，大罐前期（對數生長、轉型期、發酵期） 的通風量已達到0.35 m3/s0.45 m3/s，大罐最大濕菌體量達到0.9 mL/10 mL1.0 mL/10 mL；在低糖（36.0%左右） 流加的情況下周期縮短到28 h30 h，產酸可達到12.0%左右，轉化率達到59.0%以上。適量法成功的經驗說明，生物素量的設計不是孤立的一個條件，要與其他的工藝條件相配合。4 發酵環境條件控制4.1 溫度控制發酵罐溫度根據發酵時間進程，在不同階段按最適宜的微生物生長環境設定溫度值。4.2 pH 值控制發酵罐pH 值程序控制根據生產實踐長期摸索的規律，確定一條優化設定曲線，采用液氨流加，控制發酵液的pH 值。考慮到pH 值過程的非線性特性，為了提高控制效果，采用了有約束力的非線性補償控制方法，pH 值的跟蹤性能與抗干擾性能都較強，最大穩態誤差pH 值不超過0.1。4.3 壓力控制發酵罐壓力的穩定不僅可以有效地防止染菌，減小供風阻力的波動，也有助于氣液兩相氧氣分壓的平衡和DO 值的穩定。該系統與空氣流量控制系統雖然有明顯的關聯性，但通過調整控制器的有關參數，可以將這2 個變量分別控制穩定。4.4 溶解氧控制在發酵過程中恰當控制溶解氧， 改變代謝分布，可以增大谷氨酸產率，減少雜酸的生成。溶解氧最優控制水平為10%左右。在一般情況下，當發酵罐內有富余的空氣且攪拌電機轉速適中時，通過對攪拌電機轉速控制可以得到良好的溶解氧動態過程，而在空氣量不足或攪拌電機達到一定轉速后，DO 變化受到限制，這時可以通過溶解氧和風量調回路得到繼續改善（三）產物的分離和提取1.1濃縮等電工藝流程濃縮等電工藝源自日本味之素公司糖蜜發酵谷氨酸的提取技術, 國內最早由河南蓮花味精集團將其嫁接于淀粉糖原料發酵工藝上(圖2), 該工藝沒有采用/離交技術0, 優點是硫酸、液氨消耗低, 排放高濃度廢水總量僅占發酵液體積的50% 左右。211 清潔工藝流程“清潔工藝”是由江南大學和山東菱花集團合作開發并于2000年成功產業化的開環式清潔工藝(圖3)。通過絮凝除菌、多效蒸發濃縮、脫硫酸銨和造粒干燥等工序, 從離交尾液中回收菌體蛋白、無機和有機肥, 蒸發冷凝水回用, 既無廢水又無廢氣。圖三3 無廢低耗工藝的構建與關鍵技術研究311 無廢低耗工藝的構建吸取上述提取技術及高濃廢水治理技術的優點而摒棄其缺點, 實現高收率、高質量、低物耗及資源綜合利用等優勢的集成, 是構建谷氨酸提取無廢低耗工藝的目標。基于此目標構建的谷氨酸提取無廢低耗生產工藝(以下簡稱無廢低耗工藝)如圖5所示。無廢低耗工藝采用新型的具有/ 細晶消除功能的等電結晶工藝, 以降低等電母液中殘留谷氨酸濃度, 提高一步等電結晶的收率; 同時以等電母液中殘留谷氨酸的二次結晶技術替代現有的離子交換技術, 以降低硫酸、液氨等輔料的消耗; 將谷氨酸二次結晶和清潔工藝的蒸發濃縮巧妙結合, 在不增加蒸氣消耗的前提下, 有效地解決高濃廢水污染問題。工藝目標: 谷氨酸提取總收率93% , 接近等電離交工藝; 不再消耗離子交換所需的硫酸和液氨,也無額外產生的工藝廢水。要實現圖5無廢低耗工藝, 必須解決2 個技術關鍵點: 連續間歇耦聯等電結晶技術(簡稱半連續結晶)和二次結晶技術。該工藝在山東菱花味精有限公司進行了中試,半連續結晶罐規模為5 m3, 二次結晶罐規模為3.4m3。圖五312 半連續等電結晶工藝研究常規等電結晶母液中存在大量微小晶體, 微晶數量多少直接影響提取收率和晶體質量。半連續結晶內含“微晶自動消除技術”, 目的是消除結晶母液中存在的微小晶體, 使等電母液中殘留谷氨酸的濃度由離交工藝的2.3%降至1.8% 以下, 將一步等電結晶收率提高到85% ; 其次, 谷氨酸晶體顆粒直徑大幅度提高, 純度提高到98% 以上。微晶消除后谷氨酸結晶顆粒粗壯, 容易分離且夾帶母液少,因而收率和純度都高。313 二次結晶工藝研究二次結晶技術的關鍵是獲得晶形良好的-晶體, 以保證二次結晶收率達到60% 以上, 且工藝上容易實現分離操作。等電母液中硫酸銨等雜質濃度是谷氨酸的4倍以上, 二次結晶困難, 采用常規濃縮結晶, 得到的是小顆粒泥狀結晶(圖6), 分離困難且純度低。采用變溫連續濃縮