等电点-离子交换法提取谷氨酸的实验应用
6谷氨酸提取
6.1 概述
一、提取谷氨酸的方法：
⑴等电点法：利用谷氨酸是两性电解质，在等电点时 其溶解度最小的性质，将发酵液加硫酸或盐酸调pH 至谷氨酸的等电点，使谷氨酸沉淀析出的方法。
⑵离子交换法：先将谷氨酸稀释至一定浓度，用盐酸 将发酵液调至一定pH，采用阳离子交换树脂吸附谷 氨酸，然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来， 达到浓缩和提纯的目的。
6.3.2 谷氨酸的溶解度
①pH对谷氨酸溶解度的影响
谷氨酸在pH1附近或碱性情况下，溶解度很高，但在等电点 pH3.22和在30%以上高浓度盐酸下，溶解度便显著减少到最 低点。
②温度对谷氨酸溶解度的影响
图 6-1
表6-2 在等电点时，不同温度条件下谷氨酸的溶解度
温度/℃
0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
缺点：整个过程酸性强，腐蚀性大，需要耐酸耐压的水 解和浓缩设备，耗用大量蒸汽和盐酸，操作也比较复 杂。
⑶低温等电点法 关掉冷却水
投晶种0.2%
图6-4 低温等电点法提取谷氨酸工艺流程
通过增加制冷能力，将等电点提取的终点温度，由原来 的15~20℃，降至0~5℃，这样可使母液中的谷氨酸含量由 1.5~2%降低到1.0~1.3%，从而增加等电点一次收率。 特点： 工艺操作简便，设备简单，废水量少，节约酸、碱用 量，成本较低，一次提取收率可达78%左右。
⑶金属盐法：金属盐法包括锌盐法和钙盐法，即利 用谷氨酸与Zn2+、Ca2+等金属离子作用，生成难 溶于水的谷氨酸金属盐，沉淀析出，在酸性环境 中谷氨酸金属盐被分解，重新以谷氨酸形式结晶 析出。
⑷离子交换膜电渗析法：根据渗透膜对各种离子物 质的选择透性不同而将谷氨酸分离，如电渗析和 反渗透法。
谷氨酸的发酵和提取工艺综述
⾕氨酸的发酵和提取⼯艺综述综述：⾕氨酸的发酵与提取⼯艺第⼀部分⾕氨酸概述⾕氨酸⾮⼈体所必需氨基酸，但它参与许多代谢过程，因⽽具有较⾼的营养价值，在⼈体内，⾕氨酸能与⾎氨结合⽣成⾕氨酰胺，解除组织代谢过程中所产⽣的氨毒害作⽤，可作为治疗肝病的辅助药物，⾕氨酸还参与脑蛋⽩代谢和糖代谢，对改进和维持脑功能有益。
另外，众所周知的⾕氨酸钠盐即味精有很强烈的鲜味，是重要的调味品。
1996、1997、1998年味精年产量分别为55.0万吨、56.64万吨、59.03万吨。
尽管如此，我国⼈均年消耗味精量还只有400g左右，⽽台湾省已达2000g。
因此，中国将是世界上最⼤的潜在味精消费市场，也就是说，味精⽣产会稳步发展。
这也意味着⾕氨酸的⽣产不断在扩⼤[1]。
⾕氨酸⽣产⾛到今天就⽣产技术⽽⾔已有了长⾜进步,⽆论是规模还是产能都今⾮昔⽐,与此同时各⼚家还在追求完美, 这是⾏业进步的动⼒,也是⽣存之所需。
实际上⽣产⼯艺是与时俱进的,没有瑕疵的⼯艺是不存在的。
如:配⽅及提取⽅法现在是多种多样,有单⼀⽤纯⽣物素的,也有⽤⽢蔗糖蜜加纯⽣物素的, 还有加⽟⽶浆⼲粉或麸⽪⽔解液及⾖粕⽔解液等等;提取⽅法有:等电-离交、等电-离交-转晶、连续等点-转晶等等[2]。
本综述简述⾕氨酸⽣产的流程及发酵机制，着重介绍⾕氨酸的提取⼯艺。
第⼆部分⾕氨酸⽣产原料及其处理⾕氨酸发酵的主要原料有淀粉、⽢蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、⼄醇、正烷烃(液体⽯蜡)等。
国内多数⾕氨酸⽣产⼚家是以淀粉为原料⽣产⾕氨酸的，少数⼚家是以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸⽣产的，这些原料在使⽤前⼀般需进⾏预处理。
(⼀)糖蜜的预处理⾕氨酸⽣产糖蜜预处理的⽬的是为了降低⽣物素的含量。
因为糖蜜中特别是⽢蔗糖蜜中含有过量的⽣物素，会影响⾕氨酸积累。
故在以糖蜜为原料进⾏⾕氨酸发酵时，常常采⽤⼀定的措施来降低⽣物素的含量，常⽤的⽅法有以下⼏种:(1)活性炭处理法; (2)⽔解活性炭处理法;（3）树脂处理法。
谷氨酸的提取1
（五）低温等电点-离子交换法提取 谷氨酸工艺
低温等电点-离子交换法提取谷氨酸是在发酵 液经等电点提取谷氨酸以后，将母液通过离子交 换柱（单柱或双柱）进行吸附，洗脱回收，使洗 脱所得的高流分与发酵液合并，进行等电点提取。 这样既可避免等电点收率低，又可减少树脂用量， 还可以获得较高的提取收率，回收率可达95%左右。 低温等电点-离子交换法提取谷氨酸工艺分两 步操作，第一步是将发酵液经等电点提取部分谷 氨酸；第二步是将母液进行离子交换提取。
•
（四）谷氨酸提取的常用方法
• ① 等电点法 • 将发酵液加盐酸调pH至谷氨酸的等电点，使谷 氨酸沉淀析出。（谷氨酸的等电点pH是3.22。） • 其缺点是结晶母液内仍残存部分谷氨酸未利用。 • ② 离子交换法 • 先将发酵液稀释到一定浓度，用盐酸将发酵液 调至一定pH，采用阳离子交换树脂吸附谷氨酸， 然后用洗脱剂将谷氨酸从树脂上洗脱下来，得到 浓缩与提纯。 • 其缺点是酸碱用量大，洗离子交换柱子的低浓 度废水排放量也大，造成环境污染。
谷氨酸的提取
谷氨酸提取
• 从发酵液中提取谷氨酸，必须要了解 谷氨酸理化特性和发酵液的成分及特 征，以利用谷氨酸和杂质之间物理、 化学性质的差异，采用适当的提取方 法，达到分离提纯的目的。
（一）谷氨酸发酵液的主要成分
谷氨酸发酵液中除了谷氨酸外，还有代 谢副产物、培养基配制成分的残留物质、 有机色素、菌体、蛋白和胶体物质等。 • 其含量随发酵菌种、工程装备、工艺控 制及操作不同而异。
• ③ 浓缩等电点法 • 将发酵液（含谷氨酸8%~10%）先分离菌 体，再在60℃以下减压浓缩，浓缩液含谷 氨酸为15%~20%，然后加浓硫酸调pH至3.2， 搅拌20~30h，多罐串联，连续冷却结晶， 连续分离出料，母液含谷氨酸3%~5%，浓缩 处理可做肥料。 • 低温等电点-离子交换法是国内厂家常 用的提取工艺。
离子交换法提取谷氨酸
离子交换法回收提取谷氨酸一、实验目的通过实验掌握新树脂的预处理方法及动态离子交换的基本操作；了解谷氨酸提取的原理和方法。
二、实验原理树脂的选择，选择离子交换树脂的主要依据是被分离物的性质和分离目的。
包括被分离物和主要杂质的解离特性、分子量、浓度、稳定性、所处介质的性质以及分离的具体条件和要求。
然后从性质各异的多种树脂中选择出最适宜的品种进行分离操作。
其中最重要的一条是根据分离要求和分离环境保证分离目的物与主要杂质对树脂的吸附力有足够的差异。
当目的物具有较强的碱性和酸性时，宜选用弱酸性弱碱性的树脂。
这样有利于提高选择性，并便于洗脱。
如目的物是弱酸性或弱碱性的小分子物质时，往往选用强碱、强酸树脂。
如氨基酸的分离多用强酸树脂，以保证有足够的结合力，便于分步洗脱。
对于大多数蛋白质，酶和其它生物大分子的分离多采用弱碱或弱酸性树脂，以减少生物大分子的变性，有利于洗脱，并提高选择性。
就树脂而言，要求有适宜的孔径，孔径太小交换速度慢，有效交换量下降(尤对生物大分子)，若孔径太大也会导致选择性下降。
此外树脂的化学稳定性及机械性能也需考虑．在既定的操作条件下有足够的化学耐受性和良好的物理性能以利操作。
一般树脂都有较高的化学稳定性，能经受酸、碱和有机溶剂的处理。
但含苯酚的磺酸型树脂及胺型阴离子树脂不宜与强碱长时间接触，尤其是在加热的情况下。
对树脂的特殊结合力也要给予足够的注意，如树脂对某些金属离子的结合以及辅助力的作用。
氨基酸为两性电解质，等电点较低的谷氨酸在pH小于pI 3.2时，主要以GA+型式存在，故可用强酸性阳离子交换树脂提取。
当发酵液流过交换柱时，发酵液中各成分依亲和力的不同进行交换。
吸附GA的树脂再用洗脱液(5%NaOH)洗脱，收集富含GA的流分(高流液)。
从而实现与杂质的分离及GA的富集，高流液调等电点pH 3.2，GA结晶析出。
用过的树脂用稀酸再生以用于下轮交换（图1）。
主要化学反应有：交换: RSO3H + NH4+ = RSO3NH4+RSO3H + GA+ = RSO3GA + H+洗脱: RSO3-GA+ + NaOH = RSO3Na+ + GA+ + H2ORSO3-GA+ + NH4OH = RSO3HN4+ + GA+ + H2O再生: RSO3Na+ + HCl = RSO3H + NaCl图 1 GA 离子交换操作循环本实验所用树脂为732型苯乙烯强酸型阳离子交换树脂。
谷氨酸的等电点法提取
一次等电点法提取生产工艺
发酵液
调酸 晶种
停止加酸后， 降温至4℃左 右，搅拌育晶 8～12h 28℃，+ H2SO4调节pH至4.5～5.0 23～25℃，pH4.4 ～4.8 +α- 型晶种0.1～0.3％，搅拌育晶2h 调节pH至3.2 ，10～13℃，耗时4～6h
起晶
停酸育晶
缓慢调酸 等电点育晶
将浓缩液和30％氢氧化钠溶 液同时流加到含有少量谷氨酸晶种、 pH3.2的溶液中，并始终保持 pH3.2左右，冷却到15℃以下，搅 拌20h，沉降分离得谷氨酸。二次 母液可直接制做有机肥料。
如何提高提取收率
•提高糖液质量，降低发酵液中残糖量
•准确把握育晶点
•合理控制搅拌速度
•调酸温度越低越好，结晶温度应不超过30℃。
生化111
第二组
谷氨酸是什么？
谷氨酸，是一种酸性氨基酸，在等 电点时，其正负电荷相等，总静电荷等 于零，形成偶极离子，在直流电场中不 向两极移动。此时，由于谷氨酸分子之 间的相互碰撞，并通过静电引力的作用， 会结合成较大的聚合体而沉淀析出。因 而在等电点时，谷氨酸的溶解度最小。
工业生产中等电点法提取谷氨酸就 是根据这一特性，将发酵液pH调至3.2， 使谷氨酸处于过饱和状态而结晶析出。 目前主要采用以下几种方法提取谷 氨酸：①等电点法；②离子交换法；③ 金属盐法；④盐酸水解 - 等电点法；⑤ 离子交换膜电渗析法等。
前期稍快 中期要缓 后期要慢
连续等电点提取生产工艺
等电点母液 沉菌 菌体液
吸滤
加酸调pH 1.8，加1％硅藻土，加热 至70℃，放置沉降5～6h
上清液
减压浓缩
菌体
滤液
浓缩液
过滤
离子交换法提取谷氨酸
离子交换法提取谷氨酸谷氨酸离子交换层析一、实验目的1.学习用阳离子交换树脂柱分离氨基酸的操作方法和基本原理。
2.掌握离子交换柱层析法的基本操作技术。
二、实验原理离子交换法提取谷氨酸是利用离子交换树脂对发酵液中谷氨酸与其它同性离子吸附能力的差别，将这些离子选择性地吸附到树脂上，然后用洗脱剂先后洗脱，从而得到谷氨酸。
谷氨酸是一种两性电解质，其等电点为pH3.22.当pH＞3.2时，谷氨酸的羧基离解，带负电荷，当pH＜3.2时，谷氨酸带正电荷，呈阳离子状态，它能被阳离子交换树脂交换吸附。
三、仪器与试剂(一)实验器材(1)玻璃层析柱(2)试管(3)移液管(4)恒压洗脱瓶(5)部分收集器(6)水浴锅(7)分光光度计(8)电炉(二)材料与试剂(1)苯乙烯磺酸钠型树脂(100~200目)(2)2mol/L盐酸溶液(3)2mol/L氢氧化钠溶液(4)标准氨基酸溶液：将天门冬氨酸和赖氨酸分别配成2mg/mL的0.1mol/L 盐酸溶液。
(5)显色剂：2克水合茚三酮溶于95%乙醇中，加水至100毫升。
四、操作步聚(1)树脂的准备：树脂过夜浸泡，使树脂膨胀，加2mol／L NaOH 至上述树脂中搅拌2h，倾弃碱液，用蒸馏水洗涤至中性。
加25ml 12mo1／L HCl搅拌2h，倾弃酸液，用蒸馏水充洗涤树脂至中性。
（2)层析柱的准备：将强酸性阳离子交换树脂用HCl处理成H+型后洗至中性，搅拌1小时后装入层析柱，使之自然降沉到一定高度。
(3)加样分离：将液面缓慢放至贴近层析柱表面，由柱上端仔细加入pH4.5的发酵液离心液3毫升，同时开始收集流出液。
每管收集1毫升，测量收集液pH，洗脱液加入速度控制在0.5ml/min，当样品液弯月面靠近树脂顶端时，立即加入发酵液。
如此重复，不断测量收集液的PH值，直至树脂吸附饱和。
（4）洗脱，加样完毕后，用滴管小心注入60℃4%（或2%）氢氧化钠溶液(切勿搅动床面)。
用试管收集洗脱液，每管收集1毫升，同时测量收集液pH，直至收集液的pH值达到9为止。
谷氨酸发酵工艺流程及谷氨酸的提取操作流程
谷氨酸发酵、提取，精制工艺
（一）发酵及提取工艺流程
菌种（石河子大学菌种）
斜面
摇瓶种发酵罐（SY-3015）发酵液
GQ-75分离机离心（15000rpm ） （去菌体）发酵液
结晶（中和）罐，酸罐，
(离子交换 高流分
（二）谷氨酸的等电点-离子交换提取谷氨酸工艺
（三）谷氨酸钠的精制操作
1、中和
工艺条件：湿谷氨酸：水：(固体)纯碱=1：2：（0.3-0.34）
T=60℃，pH=6.4（用试纸测）
注意：60℃下，搅拌下，徐徐加入固体纯碱中和，至pH 6.4 ,搅拌至澄清。
2、谷氨酸钠喷雾干燥
工艺流程：中和完的澄清液，用SY-6000小型喷雾干燥仪干燥并收集；
工艺条件：
进风170℃，出风温度65-75℃，进料量控制40%（即500ml/h），空气流量600l/h （四）谷氨酸产生菌发酵代谢曲线示例。
等电点法提取谷氨酸的工艺-
组员：段守富（组长），黄有贵（主讲）， 邓崇飞，刘玉，王珏慧
基础知识： 1.等电点定义：两性电解质净电荷为零时的兼性离子状态下的 pH值，称为等电点。 2.等电点性质:处于等电点时,氨基酸的溶解度最小。 3.谷氨酸的等电点为pI=3.22（25℃的测定值）。
谷氨酸 结构
二.等电点法提取谷氨酸的工艺流程
温度 加晶种 起晶
发酵液 盐酸 静置沉 降6h 湿谷氨酸
纯度(%) 95.0 94.8 93.5 92.3 90.8 90.7
结论：30℃以下形成α-型结晶，而且温度越低， 其溶解度越小，故将发酵液降温，低温等电点 法能提高回收率。
2.起晶与晶种的添加
(1)自然起晶:晶体大小不一,小晶体难于沉降,收得率低. (2)晶种起晶:晶体大且均一,易于沉降,收得率高。
(3)投放晶种的时机:
过早投放:晶种容易溶化掉
过晚投放:形成更多细小晶核
自然起晶，pH中和至4.0～4.5时，可作为起晶中 和点，应停止加酸，养晶育晶2小时左右，使晶核成 长壮大。
3.加酸速度的影响
开始加酸调pH至 5.0这段时间内，加酸 速度可稍快些 加酸步骤: 在pH 5.0以下，加酸速度要缓慢 发现晶核时，应停酸育晶 然后再继续慢慢加酸直至pH缓慢降到 等电点为止
α-型结晶是等电点提取的一种理想的结晶。
表1 析出温度对晶型的影响
析出温度 (℃) 10 20 30 40 50 60
α -型与 β -型的比较 主要是α -型 主要是α -型 多数α - 型,少量β - 型 α ,β - 型各半 主要是β -型 主要是β -型
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等电点-离子交换法提取谷氨酸的实验应用
谷氨酸在生物体内具有重要的生理功能，因此，对谷氨酸的提取和研究具有重要意义。
等
电点-离子交换法是一种常用的谷氨酸提取方法，可以有效地提取谷氨酸，并且操作简便、快捷。
实验步骤：
1.准备样品：将需要提取谷氨酸的样品（如动物组织、植物组织、微生物组织）研磨成粉末，加入适量的水，搅拌均匀，得到悬浮液。
2.等电点-离子交换提取：将悬浮液加入等电点-离子交换柱中，改变柱内的溶液浓度，使
谷氨酸结合在离子交换柱的表面上，并用碱性溶液洗脱，得到谷氨酸溶液。
3.纯化：将提取的谷氨酸溶液经过离子交换柱精确纯化，得到纯度较高的谷氨酸溶液。
4.分析：将提取的谷氨酸溶液进行光谱分析，测定谷氨酸的浓度，以确定提取效果。
等电点-离子交换法提取谷氨酸的实验应用，可以有效地提取谷氨酸，并且操作简便、快捷，是一种常用的谷氨酸提取方法。