谷氨酸中和技术

根据目前国内发酵液的谷氨酸含量（80~140g/L），在23~25℃、pH 4.4~4.8时，发酵液中的谷氨酸可达到过饱和状态，会有晶核析出。因此，当pH 下 降至5.0之后，要注意不时取样仔细观测（可通过显微镜观察），一旦发现晶核出现， 应立即停止加酸，停止继续降温，并投入质量良好的α-型晶种0.1~0.3%，搅拌育晶 2 h。 ③ 育晶后继续加酸操作
② 浓缩发酵液的提取法
① 树脂预处理
新树脂装填入柱后，先用清水浸泡12 h左右，再用2~3倍树脂体积的10%食盐水浸泡4h以上， 然后用清水洗净残留的NaCl，最后根据树脂类型和使用所需要的型号分别用碱和酸处理。
利用732#树脂提取谷氨酸，一般树脂先用4% NaOH（用量一般为树脂体积二倍）浸泡4 h，水洗 至pH8.0以下，加入4%盐酸（用量一般为树脂体积两倍）浸泡4 h，最后用少量自来水洗至pH2.0左 右，备用。
二、离子交换法提取谷氨酸 （一） 离子交换法提取谷氨酸的基本原理
谷氨酸是两性电解质，是一种酸性氨基酸，含有可交 换的 -NH4+和COOH—，与酸、碱两种树脂都能发生交换。 谷氨酸的等电点为pH 3.22，当pH＞3.22时，羧基离解， 而带负电荷，它能被阴离子交换树脂交换吸附；当pH＜ 3.22时，谷氨酸在酸性介质中，呈阳离子状态，氨基离解， 带正电荷，它能被阳离子交换树脂交换吸附。
④ 上柱液流速的控制
根据实际操作，一般流速为SV（单位时间通过每立方米树脂肪液体体积），以m3／（m3﹒h） 表示。逆上柱SV = 2~3 m3／（m3﹒h），顺上柱SV＝1.5~2m3／（m3﹒h）。
⑤ 漏吸的判断
当上柱流出液谷氨酸含量大于0.2%时，视为“漏吸”。上柱后阶段，要特别注意防止“漏吸” 的发生，用5%茚三酮溶液的显色反应来检测。
发酵液的杂质，如消泡剂，糊精、焦糖、蛋白质、色素等杂质，如果过多，对提取 带来影响。 2. 温度对结晶晶型的影响
温度越低，析出α-型结晶纯度越高。当等电点调酸时,发酵液温度高于30℃, β-型 结晶增加；当温度低于30℃，β-型结晶减少。温度在20℃以下时主要是α-型结晶析出。
3.降温速度对结晶晶型的影响 如果降温速度过快，不仅晶核小而多，结晶微细，而且会引起α-
1. 谷氨酸提取率
谷氨酸提取率是指经过各种方法提取 所得谷氨酸质量占发酵液所含谷氨酸质量 的百分比。可用下式计算：
（9-14） 谷氨酸提取率
(%)

湿谷氨酸含量 (w / w) 湿谷氨酸质量 发酵液中谷氨酸含量 (w / v) 发酵液体积
100 %
2. 提高谷氨酸提取率的措施
① 连续结晶的提取法
③ 上柱量的控制
上柱量是指一次通过离子交换树脂而达到交换处理的溶液量。上柱量的多少，是离子交换效果 好坏的综合指标，它反映树脂交换能力。如果上柱量大于树脂交换能力，谷氨酸就会漏吸造成损失； 如果上柱量小于树脂的交换能力，离子树脂柱的生产能力不饱和，而且洗脱时谷氨酸峰不集中。
在实际生产上，树脂的工作交换当量比树脂的全交换当量要小得多，上柱量是根据树脂的工作交换 当量和上注液中可交换离子（主要是谷氨酸和NH4+）的浓度来决定的。
洗脱剂有很多种，生产上通常采用4%的NaOH溶液或用液氨调节pH 9.0以上的等 电点母液。
一般来说，洗脱流速控制要比上柱流速慢，使谷氨酸高峰集中，拖尾少。但谷氨 酸溶解度低，在谷氨酸浓度高时，流速过慢要发生“结柱”，此时应迅速加快流速， 使结晶溶化。 ⑧ 洗脱液的收集
按洗脱过程中pH值进行分段收集洗脱液，见表10-7。
② 上柱液pH值的控制
经试验表明，上柱液pH值低于1.0时，谷氨酸的离子交换效果也不理想。原因在于：在强酸性 下（如pH 1.0）阳离子交换树脂本身交换能力差，例如，在pH 1.0时的H+ 浓度为0.1mol/L，pH 2.0时的H+ 浓度为0.01 mol/L，H+ 浓度增大10倍，谷氨酸的离子交换就比较困难。
（四）带菌体低温等电点分批提取工艺 1. 工艺流程
温度
发酵液
pH4.0-4.5
盐酸 (起晶中和点)
加晶种 起晶
停酸育晶
晶种
2h
缓慢 加酸
静置沉 降6h
离心分离
等电点搅拌 20h
湿谷氨酸
继续中和至 pH3.0-3.2
2. 操作要点 ① 育晶前的加酸操作
当发酵液放到等电点罐以后，先降温至28℃左右，然后加入盐酸或硫酸（为降低 生产成本，目前基本使用硫酸）调节pH值。为了缩短提取周期，根据目前国内发酵液 谷氨酸含量情况，一般在pH5.0之前的加酸速度可以快些，在1~2 个小时内完成。 pH值逐渐接近起晶点时，加酸速度逐渐减慢。在pH值降低的过程中，用冷水缓慢降 温，一般在起晶点时控制温度在23~25℃。 ② 投晶种与育晶
谷氨酸溶解度受温度影响较大，温度越低，溶解度越小，这是低 温等电点法提取谷氨酸的依据。 ③ 杂质对谷氨酸溶解度的影响
发酵液中合有残糖、其它氨基酸、菌体及肢体物质等杂质，这些 杂质都会影响谷氨酸的溶解度。
（三）影响谷氨酸结晶的主要因素 1.发酵液性质对结晶晶型的影响 ① 谷氨酸含量对结晶晶型的影响
若发酵液中谷氨酸含量过低，低于4.5%时，不容易达到过饱和度，即使提取温度 很低，所形成晶核数量也不会太多。如果谷氨酸含量较高，在室温条件下已经容易形 成β-型结晶，导致分离困难，影响谷氨酸收率，且谷氨酸含水量较大、纯度较低。 ② 菌体对结晶晶型的影响
第十章 谷氨酸与赖氨酸提取及精制技术
第一节 谷氨酸提取技术
目前国内谷氨酸提取工艺主要有等电点法、离子交换法与等电点—离子 交换法等，下面主要介绍这三种方法。
一、等电点法提取谷氨酸
（一）谷氨酸发酵液的主要成分
对于正常发酵液，放罐时pH为6.5~7.2，呈浅黄色，表面有少量泡沫， 有谷氨酸发酵的特殊气味，发酵液的主要成分以及含量见表10-1。
6.搅拌对结晶晶型的影响 搅拌有利于晶体长大，避免“晶簇”生成，但搅拌太快，液体翻
动剧烈，会引起晶体的磨损，对晶体长大不利，造成结晶细小。搅拌 太慢，液体翻动不大，晶体容易下沉，pH和温度不均匀，引起局部 pH过低，形成过多的微细晶核，造成结晶颗粒大小不均，不易与菌体 分离，影响收率。一般搅拌转速以25~35r/min。
型结晶向β-型结晶转化，导致收率下降。 4. 加酸速度对结晶晶型的影响
发酵液加酸至pH5.0左右，加酸速度可以快一些；pH5.0以下，特 别是接近育晶点，加酸速度要缓慢，发现晶核时，应立即停止加酸， 育晶2 ~3h，使晶核成长壮大，再继续缓慢加酸至pH 3.2。 5. 投晶种与育晶对结晶晶型的影响
谷氨酸起晶有两种方法：自然起晶和加晶种起晶。一般来说，加 晶种起晶，晶核容易控制，不易出现β-型结晶，但必须要选择质量好 的α-型晶体作为晶种。投晶种一定要掌握好投放时间，根据结晶理论， 应在发酵液处于介稳区时投入晶种。
等电点母液
加水稀释(谷氨酸含量3.0%左右） 调pH5.0~5.5
上柱交换
水洗菌体及疏松树脂
再生
热水预热 60C 洗脱
4%NaOH溶液（或液氨 冲调的等电点母液）
初流分
高流分
后流分
（pH1.5~2.5） （pH2.5~9.0）（pH9~12）
等电点
2. 操作要点
离子交换柱及其管道装置简单示意图见10-8。
（二） 谷氨酸阳离子交换机制 谷氨酸发酵液交换层次的剖析
酸、碱、冷水、热水
发酵液（或等电点母液）
排气
K+、Na+、Ca2+ 等
ＮＨ４＋
中碱性氨基酸
ＧＡ 其它氨基酸 有机色素
石英砂 石块 孔板
出废水
出发酵液（或等电 点母液）、洗脱液
（三） 阳离子树脂柱提取工艺 1. 工艺流程
发酵液(带菌体或除菌体)
育晶后继续缓慢加酸，并逐渐降低温度，一直将pH值调节至3.2，耗时4~6 h， 此时温度降低到10~13℃。 ④ 等电点搅拌育晶
当达到等电点，停止加酸，继续用冷水降低温度至4℃左右，搅拌育晶8~12 h。 ⑤ 沉淀与分离
如果使用人工卸料离心机分离，由于劳动强度较大，通常在分离之前要停止搅拌， 沉淀4 h，排出上清液，然后再用人工卸料离心机分离等电点罐底部沉淀下来的谷氨酸 固液混合物料。如果使用自动卸料离心机，在离心机生产能力足够的情况下，通常不 必经过沉淀即可直接泵送至自卸机分离。
离子交换法从发酵液提取谷氨酸，是谷氨酸与发酵液 中其它同性离子性质不同，树脂对这些离子的吸附能力有 差别，采用不同的树脂将这些离子分别选择地吸附，然后 根据吸附能力差别，用洗脱剂分别先后洗脱。
目前各味精厂均采用732#强酸性阳离子交换树脂。 离子交换法提取谷氨酸，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 残糖及糖的聚合物、蛋白质、色素等非离子性杂质得以分 离，后经洗脱达到浓缩提取谷氨酸的目的。
成分
含量
谷氨酸
＞8%
湿菌体
5~10%
有机酸
＜0.8%
葡萄糖
＜0.6%
铵离子
0源自文库6~0.8%
核酸、核苷酸类物质 0.02~0.06%
成分
谷氨酸类似物质
少量
其他氨基酸
少量
无机盐
微量
有机色素
少量
残留消泡剂及其他杂质 少量
含量
（二）谷氨酸的性质 1. 谷氨酸的立体异构
谷氨酸分为L型、D型、DL型三种，在动植物和微生物机体中天然 存在的，都是L型谷氨酸，L型谷氨酸是味精的前体。 2. 谷氨酸结晶的特性
⑥ 冲洗、疏松与预热 离子交换结束必须进行冲洗操作。通常，先从树脂柱底部进水反洗，使菌体等较
轻的杂质随水流经排污口排出，然后再顺洗，直至流出液清亮为止。在冲洗过程中可 通入压缩空气疏松树脂，同时要防止树脂溢出。 为了防止洗脱下来的谷氨酸在树脂柱内结晶析出，发生“结柱”现象，在洗脱前，要 用50~60℃热水对树脂柱预热。 ⑦ 洗脱
三、等电点—离子交换法提取谷氨酸 1. 工艺流程 见图10-9。
盐酸或硫酸
发酵液 调酸
上离子交换柱 水洗及疏松树脂
晶种
起晶
热水预热
盐酸或硫酸
停酸育晶2h（搅拌） 缓慢调酸
等电点
搅拌育晶 8 ~ 16 h
再生
洗脱
初流分 高流分 后流分 用酸调pH1.5
离心分离
母液
湿谷氨酸
碱液
四、谷氨酸提取率及其提高的措施
初流分 高流分 后流分
pH值
成分
1.5~2.5 2.5~9.0 9.0~12.0
谷氨酸含量1%左右 谷氨酸含量9%左右 谷氨酸含量2%左右，NH4+含量高。
处理
重新上柱回收 等电点提取 配洗脱液或重新上柱回收
⑨ 再生 谷氨酸洗脱后，树脂成为NH4+型和Na+型，下次继续使用之前，必须进行再生，
使树脂转变成为H+型。再生之前，先用热水冲洗（逆洗与顺洗结合）树脂，至流出液 接近中性，然后再用再生剂进行再生。 3. “结柱”与“漏吸”的原因分析 （1）“结柱”的原因分析 ① 上柱液交换过程中，其它阳离子将树脂中H+ 置换下来，当柱内pH值为3.22时，谷氨酸 以结晶形式析出。 ② 菌体等杂质干扰，影响流速。 ③ 树脂的严重破碎，菌体的堵塞，影响流速，容易“结柱”。 ④ 洗脱之前，如果没有充分冲洗菌体、色素、消泡剂等非离子型大分子粘稠物质，或没有 充分预热树脂；洗脱时，如果采用NaOH洗脱剂浓度太高、温度较低，都有可能造成 （2）“漏吸”的原因分析 ① 树脂再生不完全，吸附能力明显降低。 ② 上柱量过大或上柱流速太快。 ③ 上柱液中金属阳离子含量过多。 ④ 树脂厚度不适当，或树脂破碎流失而未及时添加。 ⑤ 上柱液杂质过多，或有杂菌感染。 ⑥ 上柱液pH不当，部分谷氨酸未能解离为阳离子。 ⑦ 树脂处理不当，导致“结柱”，造成上柱走短路。 ⑧ 阀门有漏液现象。
谷氨酸结晶具有多晶型性质，在不同条件下会形成不同晶型的谷 氨酸结晶。通常分为α-型结晶和β-型结晶两种。 3. 谷氨酸的溶解度
在一定温度下，每100g水中所能溶解谷氨酸的最多克数，称为谷 氨酸的溶解度。 ① pH值对谷氨酸溶解度的影响
谷氨酸等电点pH 3.22时，溶解度显著减少到最低点。 ② 温度对谷氨酸溶解度的影响
当带菌体进行等电点提取谷氨酸时，如果菌体数量多，发酵液黏度大，易使结晶 形成β-型结晶。 ③ 杂菌和噬菌体结晶晶型的影响
如果谷氨酸发酵感染杂菌和噬菌体，发酵液中胶体物质增多，泡沫多，残糖高， 发酵液黏度大，容易形成β-型结晶。 ④ 残糖对结晶晶型的影响
如果发酵液残糖过高，不仅会影响谷氨酸的溶解度，而且易产生β-型结晶。 ⑤ 发酵液杂质对结晶晶型的影响