等电点法提取谷氨酸的工艺-资料
等电点-离子交换法提取谷氨酸的实验应用
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。
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。
第六章谷氨酸的提取
可以分开收集。前者为谷氨酸，后者为腺 嘌呤。再精制就可制得腺嘌呤磷酸盐或腺 嘌呤盐酸盐。
（3）大量菌体、蛋白质等固形物质悬浮在发 酵液中，湿菌体约占发酵液的5-8％。
• （4）发酵液中尚有其它一些含量很少的发 酵副产物。
• 有机酸类有乳酸、酮戊二酸、琥珀酸等； 氨基酸类有天门冬氨酸、丙氨酸、缬氨酸、 脯氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、甘氨酸、组 氨酸和谷氨酰胺等。各种氨基酸含量小于1 ％。
• (5)谷氨酸发酵液中含有铵离子0.6-0.8％， 残糖1％以下。
1．机械分离法
• 一般采用高速离心分离机分离菌体。如用 国内生产的DP-400型和D-350型酵母高速 离心机，转速6500r／min，和GF-150型高 速管式离心机，转速13500-1500r／min。
2．加热沉淀法
• 将发酵液加热至80℃以上，静置使菌体和 蛋白质凝固沉淀而除去。
• 此法菌又可使大 量杂质凝固沉淀，有利于提取。但需消耗 较大能量。
• 又如，碳水化合物水解液的存在，也会使 谷氨酸的溶解度有所增加。
二、谷氨酸的结晶
• 在等电点操作中，随着加酸调PH，温度的 降低，逐渐接近谷氨酸的等电点，溶液中 的谷氨酸处于过饱和状态，过量的溶质会 结晶析出。一般控制在介稳区时使溶液产 生微细的晶核。
• 再进行养晶、育晶即以已产生的晶核为中 心，陆续在晶核表面吸附周围的溶质分子， 使晶粒不断长大，通过对晶核形成与晶体 成长的控制，可得到满意的谷氨酸结晶。
• 一般地说，开始加酸中和至PH5左右，这 段时间加酸速度可以快一些，PH5以下，起 晶前后，加酸速度要慢，须倍加小心，发 现晶核时，应立即停止加酸，育晶2h，使 晶核成长壮大，继续缓慢加酸中和至 PH3．2，搅拌育晶。
谷氨酸除菌体连续浓缩等电点提取
工艺过程 将发酵液和硫酸同时加入等电点罐中，始终保 持罐内pH在3.0~3.2，发酵液在等电点罐中采用 低温等电点法结晶，待析晶完全后，以晶体及 母液作为“种子”，维持一定的温度和pH，然 后一边连续添加新发酵液，一边从等电点罐底 部放出已结晶的谷氨酸，使进出料量保持一致， 放出的物料在育晶罐中进行育晶，让晶体长大， 育晶结束后进行分离，得到谷氨酸晶体。
谷氨酸除菌体连续浓缩等电点提取
22号
工艺流程
发酵液 菌体分离（絮凝剂沉淀或离心机分离） 清液 菌体 饲料
蒸发器（多效降膜蒸发器） 等电点罐（浓缩液含谷氨酸20~30%，冷却，连续等电，硫酸调酸） 等电点（pH3.0~3.2,0~5℃） 分离（沉降式离心机） 谷氨酸 母液 浓缩 肥料
先将发酵液进行除菌，可采用絮凝剂沉 淀或离心机分离，分离得到的菌体可作 为饲料或用于制造核苷酸，母液经浓缩 后制造肥料，可以解决废液污染问题。
低温等电点法是根据谷氨酸的溶解度随温度 降低而减小的性质制定的
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℃降到0~5℃，这样可使 母液中的谷氨酸含量降低到1.0%~1.3%，从 而增加等电点提取的一次收率
பைடு நூலகம்
浓缩连续等电点法提取谷氨酸的特点是：
1析出的谷氨酸晶体颗粒粗大，大小均匀， 光泽度好，沉降快，易分离； 2适用于不正常发酵液谷氨酸的提取
3可节省育晶时间，提高设备利用率
谷氨酸的等电点法提取
3.二级调酸罐的操作：
• 一级调酸罐中的固液混合物料进入二级 调酸罐后，当体积达到一半时，即可加 酸调节pH，和用冷水调温，使操作条件 恒定为pH3.6和温度140C。
4.三级调酸罐的操作:
• 二级调酸罐中的固液混合物料进入三级 调酸罐后，当体积达到一半时，即可加 酸调节pH，和用冷水调温，使操作条件 恒定为pH3.2和温度80C。
总结:
• 特点：设备简单、操作方便 • 原理:常温下加盐酸调至谷氨酸等电点
3.2，使谷氨酸呈过饱和状态析出。介稳 区时产生微细的晶核；然后进行养晶， 育晶，使晶粒不断增大，通过控制晶核 形成与晶体增长，获得满意的结晶。
• 工厂中一次收率一般可达75%~85%。
• 晶种加入量一般为发酵液加入量的 0.2%~0.3%.
谷氨酸的等电点法提取
分批提取与连续提取
分批提取：
• 等电点法分批提取谷氨酸的工艺流程 • 操作要点：
1.起晶前的调酸。 2.起晶与育晶。 3.继续调酸与等电点结晶。 4.沉淀与分离。 • 总结
1.起晶前的调酸：
• 当发酵液放入等电点罐以后，启动搅拌，在等 电点罐的盘管或列管中通入冷水，将温度降至 280C左右，然后加入硫酸调节pH。为了缩短 提取周期，根据目前发酵液中谷氨酸含量情况， 在pH5.0之前的加酸速度可以加快，在1~2个 小时内完成。
工艺流程：
超滤液
四效真空蒸发器
浓缩液
三级调酸罐
二级调酸罐
一级调酸罐
连续离心分离
湿谷氨酸
母液
1.蒸发浓缩：
• 将清液浓缩2.5~3倍，使浓缩液的谷氨 酸浓度为300g/L左右。蒸发器出来的浓 缩液降温至400C左右，存放在贮藏罐内。 使用时，经过换热器与离心分离母液交 换热量，温度降低至28~300C，然后才 进入第一级加酸罐。
谷氨酸提取
谷氨酸提取：
低温等点工艺：是根据谷氨酸的溶解度随温度降低而减小的性质制定的。
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降低到1.0%～1.3%，从而增加等电点提取的一次收率。
工艺流程：
发酵液→边冷却边加硫酸调节至PH4.0～4.5→加晶种→育晶2h→边冷却边加硫酸调至PH3.0～3.2 →冷却降温→搅拌16h→4℃静置4h→离心分离→谷氨酸晶体和母液
实验发现温度对二次结晶谷氨酸转晶有非常显著的影响，确定95℃为最适转晶温度；pH值对二次结晶谷氨酸转晶也有较显著影响，对最终收率的影响尤为显著，选择pH4.5作为转晶起始pH值。
(曹付明;杂质对谷氨酸结晶影响及二次结晶谷氨酸纯化研究[D];江南大学;2012年)
谷氨酸等电点：3.22
谷氨酸的溶解度变化特点：(1)温度降低，溶解度减小。
(2)在不同PH条件下，溶解性会变化：①在同一温度下，溶解度随PH值的变化是以等电点(PI)为最低点的不对称U形曲线，PI偏酸性，溶解度增加幅度小；PI偏碱性，溶解度增大幅度大。
②偏离PI越远，PH变化造成溶解度变化也愈大。
③发酵液中杂质多，溶解度越大。
5谷氨酸的提取
• •
三、离子交换法提取谷氨酸的基本理论
• 目前味精厂均采用732强酸性阳离子交换树 脂，利用阳离子交换树脂对谷氨酸阳离子 的选择性吸附，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。
影响谷氨酸晶型的主要因素
6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 菌体 残糖 L－谷氨酰胺 杂菌和噬菌体 水解糖液质量 不同谷氨酸产生菌种对谷氨酸结晶晶型的影响 玉米浆胶体过多时对结晶的影响 某些氨基酸、多肽类物质及杂质的影响：Ｌ－ 天冬氨酸、Ｌ－苯丙氨酸，Ｌ－酪氨酸，Ｌ－ 亮氨酸及Ｌ－胱氨酸能促进а－晶型的生成。
提取谷氨酸的方法
– 等电点法
– 离子交换法 – 金属盐法 – 盐酸水解－等电点法 – 离子交换膜电渗析法
第三节 等电点法提取谷氨酸
• 直接常温等电点法
– 常温下等电点母液含谷氨酸1.5－2%，一次提取收率仅 60－70%。（发醇醪中谷氨酸含量为5%左右）
• 水解等电点法 • 低温等电点法
– 一次冷冻等电点法提取工艺，收率达78－82%母液谷 氨酸含量为1.2%左右。低温提取谷氨酸）
二、离子交换树脂的性能
• • • • • 交联度：交联剂的百分含量。732树脂交联度通常按树脂母体中二乙烯苯的 总量所占重量百分数计。 粒度：颗粒在水中充分膨胀后的直径，732树脂粒度为16-60目（碎米大小） 形状：不定形颗粒与球状两种 含水量：在指定活性基团形式下，树脂充分膨胀后树脂内部水分占树脂的百 分比。交联度小内部容量大，含水量高。一般树脂含水量40%－60% 相对密度：
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一 谷氨酸提取的工艺原理 二 等电点法的工艺流程 三 影响结晶的因素
1.温度与结晶的关系 2.起晶与晶种的添加 3.加酸速度的影响 4.搅拌对结晶的影响 四 缺点与改进措施
一.提取谷氨酸的工艺原理
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。
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，工程设备，工艺控制及操作不同而异。
谷氨酸的分离提纯，通常应用他的两性电解质性质，
（3）连续结晶：将多管串联，连 续冷却，结晶。 （4）去除发酵液的菌体：利用 离心分离法，絮凝法或结晶分 离法预先去除发酵液中的菌体， 然后进行提取谷氨酸。
1.不足：结晶母液内还残留部分谷氨酸未利用。 (1)浓缩等电点法
2.改进的措施:
(2)等电点-离子交换法 (3)连续结晶 (4)去除发酵液的菌体
(1)浓缩等电点法
将发酵液（含谷氨酸8%-10%）先分离菌体，
再在60摄氏度以下减压浓缩，浓缩液含谷氨酸 为15%-20%，然后加浓硫酸调pH至3.2，搅拌 20-30小时，多管串联，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。
谷氨酸的溶解度，分子量大小，吸附剂的作用以及谷 氨酸的成盐作用等。我们在这主要介绍简单常用，回 收率较高的（90%)等电点法。
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
pH4.0-4.5 (起晶中和点) 等电点搅拌 20h 离心分离
晶种
停酸育晶 2h
缓慢 加酸
继续中和至 pH3.0-3.2 谷氨酸
三.影响结晶的因素
1.温度与结晶的关系
α-型结晶： 斜方型，晶体颗粒大，容易沉淀
（2）等电点-离子交换法
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，将母液经过离子交换柱 （单柱或双柱）进行吸附，洗脱回收，使洗脱液 所得到的高分流与发酵液合并，进行等电点提取。 这样即可避免等电点收率低，又可减少树脂的用 量，还可以获得较高的收率，回收率可达95%左右。 所以低温等电点-离子交换法是国内厂家常用的提 取工艺。
前期稍快 中期要缓 后期要慢
三部曲:
4.搅拌对结晶的影响
(1)不搅拌的情况下起晶: 结晶的大小不均匀。 (2)搅拌的情况下起晶: 结晶的大小均匀，避免“晶簇” 生成。
搅拌太快:结晶细小
搅拌速度 搅拌太慢:形成过多的微细晶核，甚至出现β型结晶． 工厂多采用的搅拌转速一般为20～35r/min。
四 缺点与改进措施
(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
析出，纯度较高。
晶体类型
β-型结晶：鳞片状，晶体比较轻，不易沉淀分
离，往往夹有杂质与胶体结合，成 为“浆子”或者轻质谷氨酸，浮于 液面和母液中，纯度低。
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
含水分(%) 13.80 15.03 18.32 30.80 38.00 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。