年產3000噸味精發酵工段工藝設計畢業設計-資料下載頁

【導讀】內蒙古科技大學畢業設計說明書

　　

【正文】 N A D+N A D H2( 或 N A D P )( 或 N A D H2)C O2谷 氨 酸N A D H2N A D+①②③④⑤⑥⑦⑧⑨ 圖 32 由葡萄糖生成 合成谷氨酸的代謝途徑 ①蘋果酸酶；②丙酮酸羧化酶；③丙酮酸脫羧酶；④異檸檬酸脫氫酶； ⑤異檸檬酸裂解酶；⑥α 酮戊二酸脫氫酶；⑦谷氨酸脫氫酶；⑧蘋果酸脫氫酶；⑨乳酸脫氫酶 谷氨酸的發酵技術 原料的預處理 此工藝操作的目的在于初步破壞原料結構，以便提高原料的利用率，同時去除固體雜質，防止機器磨損。用于除雜的設備為篩選機，常用的是振動篩和轉筒篩，其中振動篩結構較為簡單，使用方便。用于原料粉碎的設備除盤磨機外，還內蒙古科技大學畢業設計說明書 17 有錘式粉碎機和輥式粉碎機。盤磨機廣泛用于磨碎大米、玉米、豆類等物料，而錘式粉碎機應用于 薯干等脆性原料的中碎和細碎作用，輥式粉碎機主要用于粒狀物料的中碎和細碎。 淀粉水解糖的制備 在工業生產上將淀粉水解為葡萄糖的過程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液稱為淀粉水解糖。由于谷氨酸生產菌不能直接利用淀粉或糊精作為碳源，因而必須將淀粉水解為葡萄糖，才能供發酵使用。淀粉水解方法有：酸水解法，酶水解法，酸酶水解法和酶酸水解法。目前，國內許多味精廠采用雙酶法制糖工藝，如圖33。 糖化結束后，將糖化罐加熱至 8085℃ ， 滅酶 30min。過濾得葡萄糖液，經過壓濾機后進行油水，再經過濾后連續消毒后進入發酵罐。 淀 粉 調 漿 配 料 過 濾 液 化 滅 酶 糖 化 滅 酶 壓 濾 糖 化 液濾 渣糖 化 酶堿 液 、 氯 化 鈣 、α 淀 粉 酶 圖 33 雙酶法制糖工藝 種子擴大培養 種子擴大培養為保證谷氨酸發酵過程所需的大量種子，發酵車間內設置有種子站，完成生產菌種的擴大培養任務。谷氨酸的發酵過程為：斜面活化→一級種子培養→二級種子擴大培養→發酵培養。從試管斜面出發，經活化培養，搖瓶培養，擴大至一級乃至二級谷氨酸發酵開始前，首先必須配制發酵培養基，并對其作高溫短時滅菌處理。 (1)斜面培養基的組成：葡萄糖 %，牛肉膏 %，蛋白胨 %，氯化鈉%，瓊脂 %， ~。 121℃滅菌 30min(傳代和保藏斜面不加葡萄糖 )。 (2)一級種子培養：種子擴大培養的目的是為了獲得大量健壯的細胞。一級種子培養基應該營養豐富，有利于菌體的生長繁殖；其組分與斜面培養基相同。為了避免培養過程中因產生有機酸引起培養基 pH 下降而造成菌體老化，培養基的含糖量要低，一般在 左右。 內蒙古科技大學畢業設計說明書 18 培養條件：在 1000ml 三角瓶中，裝入一級種子培養基 180200ml，滅菌后接種，然后置搖床上，放于搖床上在 30~32℃振蕩培養 10~12h。往復式搖床的沖程為 ，頻率 100 次 /min。 旋轉式搖床偏心距為 5cm，轉速為 220r/min。 (3)二級種子培養：通過以及擴大，種量還不能滿足發酵用的需要，因此需進一步擴大接種量，二級種子培養基的組成與原來一致，但配比上可有差異，這是因為可保證菌種較快適應環境，縮短發酵周期。 培養條件：二級種子是在種子罐里培養的培養二級種子的接種量為~%，溫度為 32~34℃，培養時間為 6~8h。種子罐的攪拌轉速和通風量因種子罐大小而異，如表 34 所示。種子罐的培養基裝量為罐體積的 70%，種子罐的徑高比為 1∶ 2，攪拌器為二檔六彎葉渦輪型，葉徑比為 1∶（ ~） [7]。 表 34 種子罐通風量和攪拌轉 罐體積 (L) 通風量 攪拌轉速 (r/min) 50 1∶ 350 250 1∶（ ~） 300 500 1∶ 230 表注： 1∶ 表示 1min 對 1m179。發酵液通入 179。空氣 （ 4）發酵培養：發酵培養基不僅提供菌體生長繁殖所需要的營養和能量，而且是形成谷氨酸的物質來源。因此，發酵培養基應含有足夠多的碳源和氮源，發酵培養基的組成和配比因菌種、設備工藝條件和原料來源不同而異。 谷氨酸發酵 一般認定的為無論是 野生株還是突變株，在增值旺盛，進行正常代謝的微生物培養液中不存在特生物合成代謝中間產物大量分泌積累的現象。因此為了積累特定的氨基酸，必須用某些方法使微生物代謝調節異常化。谷氨酸產生菌之所以能夠在體外大量積累谷氨酸，首先是菌體的代謝異常化，即具有一定生理特性的菌株是生產谷氨酸的內因和依據。這種代謝異常化的菌株對環境條件是敏感的。谷氨酸發酵是建立在容易變動的代謝平衡上，是受多種條件支配的。 （ 1）發酵 培養基的控制 與種子培養基不同，發酵培養基不僅是供給菌體生長繁殖所需要的營和能內蒙古科技大學畢業設計說明書 19 源，而且是構成谷氨酸的碳架來源，要 積累大量谷氨酸，就要有足夠多的碳源和氮源，其量大大地高于種子培養基，對于菌體繁殖所必需的因子 — 生物素卻要控制其用量。 ①碳源 目前所發現的谷氨酸產生菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、果糖和麥芽糖等，這里主要是將淀粉水解糖作為碳源，培養基中糖濃度對谷氨酸發酵有很大影響。在一定的范圍內，谷氨酸產量隨糖濃度的增加而增加，但是糖濃度過高，由于滲透壓增大，對菌體生長和發酵都不利。 ②氮源 氮源是合成菌體蛋白質、核酸等含氮物質和合成谷氨酸氨基的來源，同時，在發酵過程中一部分氨用于調節 pH 值，形成谷氨酸銨鹽。因此，谷氨酸 發酵需要的氮源比一般的發酵工業高。碳氮比對谷氨酸發酵影響很大，在發酵的不同階段，控制碳氮比以促進以生長為主階段向產酸階段轉化。氮源有無機氮和有機氮，菌體利用無機氮源比較迅速，利用有機氮比較緩慢。常用的無機氮源有尿素、液氨、碳酸氫銨。 ③ 無機鹽 微生物對無機鹽的需要量很少，但無機鹽含量對菌體生長和代謝產物的合成影響很大。磷酸鹽對谷氨酸發酵影響很大，磷濃度過高時，菌體的代謝轉向合成纈氨酸，但磷含量過低，菌體生長不好；鎂是某些細菌的葉綠素的組成成分，它的離子狀態是許多重要的酶的激活劑。鎂離子含量過少，影響基質的 氧化。培養基中的硫已經在硫酸鎂中供給，不必另加；谷氨酸發酵產物生長所需要的鉀鹽比菌體生長需要量高。 ④ 生長因子 以糖質原料為碳源的谷氨酸產生菌均為生物素缺陷型，以生物素為生長因子。生物素的作用主要影響谷氨酸產生菌細胞膜的通透性，同時也影響菌體的代謝途徑。生物素濃度對菌體生長和谷氨酸積累都影響，大量合成谷氨酸所需要的生物素濃度比菌體生長的需要量低，即為菌體生長需要的“亞適量”。生物素過量，大量繁殖而不產或少產谷氨酸，在生長中表現為長菌快、耗糖快、尿素消耗多、 pH 值低。生物素過量，發酵向乳酸發酵轉換。供氧充足， 生物素過量，糖內蒙古科技大學畢業設計說明書 20 代謝傾向于完全氧化。 （ 2） 青霉素添加的時間和濃度的控制 青霉素添加的時間和濃度是影響產酸的關鍵。在即將添加前半小時，每隔 5 min 測定 OD、菌體重量、 pH 值等參數，嚴密注視該添加的時間與濃度。一般掌握在發酵 ～ 、 OD 凈增 ～ 時，加入青霉素 3～ 5 國際單位 / ml 發酵液，加入后 OD 值再凈增一倍，菌體經過繁殖保持穩定。若添加青霉素后， OD控制不住，有時還需再補加 1～ 2 次適當濃度的青霉素。 （ 3） 初糖、接種量和生物素的控制 采用較低初糖（ 8~10%），滲透壓低利于長菌；接種 量大（ 10%）、高生物素（ 50~100 ug /L），使菌生長快，發酵前期菌體多，添加青霉素后，又同步進行生產型，故產酸速度很快。發酵周期可控制（一般 30~32 h），周期穩定，上罐、放罐均可有計劃進行，有利于生產管理和動力平衡。 （ 4） 發酵過程 pH 值變化及控制 在谷氨酸發酵過程中，由于菌體對培養基中的營養成分的利用和代謝產物的積累，使得培養液的 pH 值不斷變化。在谷氨酸發酵過程中， pH 的變化是發酵的重要指標。谷氨酸生產菌的最適 pH 值因菌株而異，一般為 ，在中性和微堿性條件下積累谷氨酸，在酸性 條件下形成谷氨酰胺和 N乙酰谷氨酰胺。谷氨酸在發酵不同階段對 pH 值的要求不同，發酵前期幼齡菌對氮的利用率高，pH 值變化大。發酵前期若 pH 值偏低，菌體生長旺盛，消耗營養快，菌體轉入正常代謝，繁殖菌體而不產谷氨酸；若 pH 值偏高，抑制菌體生長，糖代謝緩慢，發酵時間延長。故谷氨酸發酵在正常情況下，為了保證足夠的氮源，發酵前期控制 pH 值 左右，發酵中期控制 pH 值 左右，發酵后期控制 pH值 ，放罐時 pH 值 ～ 。在發酵過程中根據 pH 值變化流加液氨或氨水調節 pH值， 保持一定的 NH4+/GA 比 ， 同時作為氮源。 （ 5）發酵 過程溫度的控制 谷氨酸生產菌的最適宜生長溫度為 30~34℃ ，發酵產酸的最適宜溫度為34~38℃ 。若長菌期溫度偏高，菌體在短時間生長可能會快，但容易衰老，表現為 OD 值增長不高，前期短時間內耗糖快，很快耗糖速度下降，發酵周期長，谷氨酸生產少；若長菌期溫度偏低，菌體生長緩慢，導致發酵周期長。必要時可以內蒙古科技大學畢業設計說明書 21 加玉米漿來促進生長。一般控制在發酵開始的溫度上，每隔 56h 升 1℃ 即可。在發酵中期、后期菌體生長已停止，由于谷氨酸脫氫酶的最適宜溫度比菌體生長繁殖的溫度高，為促進產酸性細胞積累谷氨酸，需要 適當提高溫度，有利于提高谷氨酸產量。 （ 6） 定容的控制 開始定容 45～ 50%，以便留出較大的流加糖空間，最后定容至 80%。 （ 7） 通氣量與 總 △ OD 的控制 在菌體生長期，供氧必須滿足菌體呼吸的需氧量。供氧量不足，菌體呼吸受到抑制而影響生長。但通氣量并非越大越好。當菌體生長速度達最大值，如果再提高供氧，不但造成浪費，而且由于高氧水平抑制生長且不能有效地產生谷氨酸。只要根據細胞繁殖數量的增加適當增加供氧即可。與菌體生長期相比，谷氨酸生產期需要大量的氧氣，谷氨酸發酵在細胞最大呼吸速率時，谷氨酸產量大，因此，在谷氨酸 生產期要求充分供氧，以滿足細胞最大呼吸的需氧量。 發酵前期，采用低風量較宜；發酵中期以高風量為宜；發酵后期又適當減少風量，以促進產生的 α酮戊二酸還原氨基轉化成谷氨酸，當殘糖降到 1%，可將通風量降到最低，以促進中間產物轉換成谷氨酸。 發酵過程最好實現自動化。如不能實現，隨時測定排氣 CO2， CO2 宜控制在12～ 13%左右， 發酵后期可降到 10%，最后放罐前也要控制在 8%，決不能降到0，不能太低，否則通氣量過大 而影響產酸 。人工控制操作，可采用梯形控制，兩頭小中間大，開始分 2~3 次提風， △ OD 為 時提一次風， △ OD 為 ～ 時添加青霉素后提一次風， △ OD 為 ~ 時再提至最大風量。 20~22 h 降一次風， 24~26 h 降一次風， 28 h 再降一次風。總 △ OD 控制在 ~。 （ 8） 泡沫的控制 在谷氨酸發酵中，由于通氣攪拌與菌體代謝產生的 CO2，使得培養液中產生大量泡沫，目前消除泡沫大多采用機械消泡器與消泡劑相結合的消泡方法。通常采用基礎料中加入消泡劑與中間流加消泡劑相結合的方法來控制泡沫。在基礎料中加入消泡劑主要起抑制泡沫的作用，在發酵培養基配置時加入 %的消泡劑，連同培養基一起滅菌。在 發酵過程中，采用中間流加消泡劑的方法。即先將消泡劑配置一定濃度，經過滅菌、冷卻，當發酵過程產生泡沫時間歇流加進入發酵罐。盡量少加，每次流加量以能夠把泡沫消除為宜。 內蒙古科技大學畢業設計說明書 22 （ 9） 流加糖的控制 采用適當初糖濃度，在發酵過程中流加葡萄糖，有利于菌體生長和谷氨酸生產，從而提高單位發酵容積的產量。一般生產上流加糖濃度范圍是 280600g/L，選擇流加糖的濃度要結合接種量、生物素濃度、發酵初糖濃度及發酵初始體積進行綜合考慮。 流加的方法有間歇流加法和連續流加法。間歇流加法一般在發酵殘糖濃度為4050g/L 時進行第一次流加 ，流加糖量控制在使殘糖濃度上升 2030g/L 為宜，由于菌體不斷耗糖，當殘糖量下降到一定濃度時再進行流加。通常發酵中期控制流加糖以后的殘糖濃度在 3060g/L，并且使殘糖濃度有逐步下降的趨勢，到發酵后期控制流加糖以后的殘糖濃度在 2030g/L，注意最后一次流加的時間和流加的量，確保發酵放罐時殘糖在 4g/L 以下，才有利于谷氨酸提取和不會造成葡萄糖的浪費。連續流加法一般在發酵殘糖濃度為 1015g/L 時開始流加糖，用流量計計量流量，控制流加糖的流量，使殘糖濃度維持在 1015g/L，在 發酵 結束前的最后 12h 停止流加，讓菌體消耗掉殘糖，確保發酵放罐時殘糖 在 4g/L 以下。連續流加法可實現優化控制。 谷氨酸的提取 谷氨酸的提取一般采用低溫等電點 離子交換法，國內有些味精廠還采用等電點 — 鋅鹽法、鹽酸水解 — 等電點法及離子交換膜電滲析法提取谷氨酸。但存在廢水污染大，生產成本高，技術難度大等問題，應用上受到限制。 低溫等電點 — 離子交換法 提取谷氨酸是在發酵液經等電點提取谷氨酸以后，將母液通過離子交換柱進行吸附，洗脫回收，使洗脫所得的高流分與發酵液合并，進行等電點提取。回收率可達 95%左右。其工藝流程圖見圖 35。 內蒙古科技大學畢業設計說明書 23 發 酵 液調 酸起 晶停 酸 攪 拌 育 晶 2 h緩 慢 調