谷氨酸发酵

味精，学名谷氨酸钠，是谷氨酸的钠盐，味精从诞生到现在有一个世纪的历史了。1907年，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗在研究海带时发现一些棕色晶体，即谷氨酸。在一个世纪里，味精的发展大致经历三个阶段:第一阶段：1866年德国人里德豪森博士从面筋中分离到氨基酸，他们称谷氨酸，根据原料定名为麸酸或谷氨酸。第二阶段：以面筋或大豆粕为原料通过用酸水解的方法生产味精，在1965年以前是用这种方法生产的。这个方法消耗大，成本高，劳动强度大，对设备要求高，需耐酸设备。第三阶段：随着科学的进步及生物技术的发展，使味精生产发生了革命性的变化，逐渐采用粮食作为原料，通过微生物发酵、提取、精制而得到高质量的谷氨酸钠。我国味精生产始于1923年，上海天厨味精厂率先采用水解法生产，1932年沈阳开始用脱脂豆粉水解生产味精。1958年开始谷氨酸产生菌筛选及其发酵机理的基础性研究，1964年首先在上海进行工业化生产。目前国内味精生产已经全部采用发酵法生产，原料多采用玉米发酵。但是我国生产技术水平与发达国家相比尚有较大差距，菌种选育，工艺技术，生产规模方面还需加大改革与创新力度。 1.1.1.1.玉米为原料生产味精工艺概述及工艺流程图玉米为原料生产味精工艺概述及工艺流程图玉米为原料生产味精工艺概述及工艺流程图玉米为原料生产味精工艺概述及工艺流程图 玉米为原料生产味精全过程可划分为四个工艺阶段:(1)原料的预处理及淀粉水解糖的制备；(2)菌种的活化及种子液的制备；(3)发酵；(4)谷氨酸制取味精及味精成品加工。（具体见工艺流程图表1） 2.2.2.2.原料预处理及淀粉水解糖制备原料预处理及淀粉水解糖制备原料预处理及淀粉水解糖制备原料预处理及淀粉水解糖制备 2.12.12.12.1 原料的预处理 此工艺操作的目的在于初步破坏原料结构，以便提高原料的利用率，同时去除固体杂质，防止机器磨损。用于除杂的设备为筛选机，常用的是振动筛和转筒筛，其中振动筛结构较为简单，使用方便。用于原料粉碎的设备除盘磨机外，还有锤式粉碎机和辊式粉碎机。盘磨机广泛用于磨碎大米、玉米、豆类等物料，而锤式粉碎机应用于薯干等脆性原料的中碎和细碎作用，辊式粉碎机主要用于粒状物料的中碎和细碎。 2.2 2.2 2.2 2.2 淀粉水解糖制备 在工业生产上将玉米淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉水解糖。由于谷氨酸生产菌不能直接利用淀粉或糊精作碳源，因而必须将淀粉水解为葡萄糖，才能供发酵使用。目前，国内许多味精厂采用双酶法制糖工艺。首先，淀粉先要经过液化阶段，然后在与β-淀粉酶作用进入糖化阶段。首先利用α-淀粉酶将淀粉浆液化,降低淀粉粘度并将其水解成糊精和低聚糖,应为淀粉中蛋白质的含量低于原来的大米,所以经过液化的混合液可直接加入糖化酶进入糖化阶段,而不用像以大米为原材料那样液化后需经过板筐压滤机滤去大量蛋白质沉淀。液化过程中除了加淀粉酶还要加氯化钙,整个液化时间约30min。一定温度下液化后的糊精及低聚糖在糖化罐内进一步水解为葡萄糖。淀粉浆液化后,通过冷却器降温至60℃进入糖化罐,加入糖化酶进行糖化。糖化温度控制在60℃左右,pH值4.5,糖化时间18~32h。糖化结束后,将糖化罐加热至80～85℃,灭酶30min。过滤得葡萄糖液,经过压滤机后进行油水分离(一冷分离,二冷分离),再经过滤后连续消毒后进入发酵罐。 3333....菌种的活化及种子液的制备菌种的活化及种子液的制备菌种的活化及种子液的制备菌种的活化及种子液的制备 从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。 3.1菌种选择 玉米为原料发酵生产味精常用菌株有：谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌、硫殖短杆菌等。国产菌株有：北京棒杆菌AS1.299、北京棒杆菌7338、北京棒杆菌D110、棒杆菌S-944、钝齿棒杆菌AS1.542、钝齿棒杆菌HU7251、。本工艺选用谷氨酸棒状杆菌 3.2菌种的活化 把保藏在斜面上的菌体移接到活化斜面（培养基中添加0.1%葡萄糖）上，在30~32℃下恒温培养18~24h，取出后存放于4℃冰箱内，随时取用。 3.3 一级种子培养 为了获得大量健壮的细胞，一级种子培养基应该营养丰富，有利于菌体的生长繁殖。为了避免培养过程中因产生有机酸引起培养基Ph下降而造成菌体老化，所以培养基的含糖量要低，一般在2.5%左右。 3.3二级种子培养 通过一级种子扩大培养后，种量仍不能满足发酵用的需要，因此需要进一步扩大培养，二级培养基方面组成应与发酵培养基原料组成一致，只是配比上可有差异，这样就保证了二级种子接到发酵罐后能很快适应环境。经过二级种子培养之后，一般来说，种量能够满足需求，但是有些要求高种量还可以采用三级种子培养。 4.4.4.4.发酵过程与控制发酵过程与控制发酵过程与控制发酵过程与控制 种子扩大培养为保证谷氨酸发酵过程所需的大量种子，发酵车间内设置有种子站，完成生产菌种的扩大培养任务。从试管斜面出发，经活化培养，摇瓶培养，扩大至一级乃至二级种子罐培养，最终向发酵罐提供足够数量的健壮的生产种子。 谷氨酸发酵开始前，首先必须配制发酵培养基，并对其作高温短时灭菌处理。用于灭菌的工艺除采用连消塔—维持罐一喷淋冷却系统外，还可采用喷射加热器—维持管—真空冷却系统或薄板换热器灭菌系统。但由于糖液粘度较大，流动性差，容易将维持管堵塞，同时真空冷却器及薄板加热器的加工制造成本较高，因而应用较少。 发酵设备，国内味精厂大多采用机械搅拌通风通用式发酵罐，罐体大小在50m3到200m3之间。对于发酵过程采用人工控制，检测仪表不能及时反映罐内参数变化，因而发酵进程表现出波动性，产酸率不稳定。 由于谷氨酸发酵为通风发酵过程，需供给无菌空气，所以发酵车间还有一套空气过滤除菌及供给系统。首先由高空采气塔采集高空洁净空气，经空气压缩机压缩后导入冷凝器、油水分离器两级处理，再送入贮气罐，进而经焦炭、瓷环填充的主过滤器和纤维分过滤器除菌后，送至发酵罐使用。在北方地区由于空气湿度小、温度低，还可采用空气压缩、冷却过滤流程，省去一级冷却设备。 4.1发酵培养基 发酵培养基不仅提供菌体生长繁殖所需要的营养和能量，而且是形成谷氨酸的物质来源，因此，要求发酵培养基含有足够的碳源和氮源，其量比种子培养基中含量要高出很多，发酵培养基的组成和配比，因菌种，设备，工艺条件和原料来源不同而异。通常可以采用以下配比（百分比）进行发酵，菌种采用B9，T6-13菌株，水解糖 12~14，KCL 0.05,尿素0.5~0.8，MgSO4 0.06,玉米0.6ml,Ph7.0,Na2HPO4 0.17。 4.2谷氨酸发酵参数与控制 过滤的滤液冷却到32℃，进入发酵罐发酵，用冷却水调温，每隔12小时升温1～2℃，当发酵时间接近34h时，温度升至37℃。加水使糖化液浓度为14%，发酵时间为34h，发酵菌种的产酸量与葡萄糖量之比为50％。具体来说有温度，PH，氧溶量，菌种种龄、种量，泡沫的控制。 4.2.1温度的控制 国内常用菌株的最适生长温度为30-34℃， 产生谷氨酸的最适温度为34～36℃。0～12h的发酵前期，主要是长菌阶段；发酵12h后，菌体进入平衡期，增速度变得缓慢；温度提高到34～36℃，谷氨酸的生成量就增加。 4.2.2 pH的控制 一般发酵前期pH控制在7.5-8.5左右，发酵中、后期pH控制在7.0～7.2，调低pH的目的在于提高与谷氨酸合成有关的酶的活力。尿素被谷氨酸生产菌细胞的脲酶所分解放出氨，因而发酵液的pH会上升。发酵过程中，由于菌体不断利用氨，以及有机酸和谷氨酸等代谢产物进入发酵液，使N源不足和发酵液pH下降，需再次流加尿素 。 4.2.3溶解氧的控制 谷氨酸产生菌是兼性好氧菌，故控制适当的氧溶量十分重要。在实际生产中，搅拌转速固定不变，通常用调节通风量来改变供氧水平。通风比（ m3 /m3.min ）：每分钟向1m3的发酵液中通入0.1cm3无菌空气，用1:0.1表示。 4.2.4种龄和种量的控制 微生物的生长大致可分为适应期、对数期、稳定期、衰老期。种龄：一级种子菌龄控制在11～12h，二级种子菌龄为7～8h。种量：指接入发酵罐内种子的量占发酵罐内发酵培养基量的百分比。接种量的多少对适应期的延续时间也有很大的影响。接种量一般以1％为好。种量过多，使菌体生长速度过快，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸不高；如果接种量过少，则菌体增长缓慢，会导致发酵时间延长，容易染菌。 4.2.5泡沫的控制 生产上为了控制泡沫，除了在发酵罐内安装机械消泡器外，还在发酵时加入消泡剂。目前谷氨酸发酵常用的消泡剂有：花生油、豆油、玉米油、棉子油、泡敌和硅酮等。天然油脂类的消泡剂的用量较大，一般为发酵液的0.1%～0.2%(体积分数)，泡敌的用量为0.02%～0.03%(体积分数)。 5.5.5.5.谷氨酸提取及谷氨酸制备工艺谷氨酸提取及谷氨酸制备工艺谷氨酸提取及谷氨酸制备工艺谷氨酸提取及谷氨酸制备工艺 谷氨酸的提取一般采用等电点—离子交换法，国内有些味精厂还采用等电点—锌盐法、盐酸水解—等电点法及离子交换膜电渗析法提取谷氨酸。但存在废水污染大，生产成本高，技术难度大等问题，应用上受到限制。具体来说包括三个步骤，酸中和、碱中和、等电点分离。其中酸中和、碱中和过程就是向中和罐盘管内注入冷冻盐水，将发酵液温度调到22℃，然后加硫酸中和，使其pH值从7.0降至3.2，温度从22降至8℃。该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸与搅拌1.5h，保证晶体增长，然后继续缓慢加酸调整，直到pH降为3.2，温度冷却至8，达到等电点，停止中和及搅拌。过滤得谷氨酸结晶，加入温水溶解，用碳酸钠将谷氨酸溶液的pH值调到5.6，T=70℃。等达到等电点后，发酵液进入等电点中和罐，进入罐前使温度降为22℃，由于谷氨酸等电点只有3.2左右，需要加硫酸调节pH值，该过程要先以较快的速率加酸，将pH先调整至5.0，停止加酸与搅拌1.5h，保证晶体增长，然后继续缓慢加酸调整，直至pH降为3.2左右，温度冷却至8℃，达到等电点停止搅拌，谷氨酸沉淀分离之后可以获得粗糙晶体。 5.1谷氨酸钠制取 将谷氨酸凝聚物充入二次中和罐，然后加水加纯碱中和成谷氨酸钠，加水溶解温度为40～60℃， Na2CO3调pH至5.6，中和温度控制在70℃以内，接着将谷氨酸钠盐溶液充入活性炭脱色器脱色，分离，再进入离子交换柱除去Ca2+、Fe2+、Mg2+ 等金属离子，即可得到高纯度的谷氨酸钠溶液,将纯净的谷氨酸钠溶液导入结晶罐,进行减压蒸发,当波美度达到295波美时放入晶种,进入育晶阶段,根据结晶罐内溶液的饱和度和结晶情况实时控制谷氨酸钠溶液输入量及进水量。经过十几小时的蒸发结晶,当结晶形体达到一定要求、物料积累到80%高度时,将料液放至助晶槽,结晶长成后分离出味精,送去干燥和筛选。精制车间加工的谷氨酸产品为谷氨酸单钠，即味精。粗品经提纯、加工、包装，得到成品。味精的干燥过程，国内许多厂家还采用箱式烘房干燥，设备简单，投资低，但操作条件差，生产效率低，不适应大规模生产的要求。也有的厂家使用气流干燥技术，生产量大，干燥速度快，干燥时间短，但干燥过程对味精光泽和外形有影响，同时厂房建筑要求较高，这样均不如振动式干燥床应用效果好。 6.6.6.6.味精生产前景味精生产前景味精生产前景味精生产前景 随着世界粮食的短缺和生物燃料的广泛应用，今年来，玉米的价格上升很快，使得以玉米为原料生产味精的企业，固化成本大大提高，各个企业不得不寻求技术方面的突破和新技术的利用，开发新的菌株，满足市场对味精的持续需求。