谷氨酸钠发酵工段工艺研究设计说明书.doc
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1、学校代码: 10128学 号: 200710513066生物工艺学课程设计说明书题 目:100kt/a谷氨酸钠发酵车间工艺设计学生姓名: 学 院: 化工学院班 级: 指导教师: 2011年 1 月20 日目录第一章设计任务与设计依据11.1 设计任务11.2 设计基本依据1第二章谷氨酸简介21.1 概述21.2 理化性质21.2.1 物理性质21.2.2 谷氨酸的化学性质21.3 应用21.4 谷氨酸的生物合成途径2第三章发酵法生产谷氨酸的工艺流程23.1 发酵法概述23.2 原料的预处理及糖化23.2.1 原料的种类23.2.2 原料处理23.3. 谷氨酸发酵工艺23.3.1 发酵培养基23
2、.3.2 培养基灭菌23.3.3 发酵控制23.4 谷氨酸的提取23.4.1 原理23.4.2 工艺流程2第四章工艺计算24.1 生产要求24.2 工艺计算24.2.1总物料平衡的计算24.2.2发酵工段物料平衡计算2第五章总结与体会2致谢2参考文献2引言谷氨酸是一种酸性氨基酸,是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之一,在代谢上具有重要意义。不论在食品、化妆品还是医药行业,谷氨酸都有很大的用途。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位,参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷,还用于改善儿童智力发育。食品工业上,味精是常用的仪器增鲜剂,其主要成分是谷氨酸钠盐。
3、过去生产味精主要用小麦面筋(谷蛋白)水解法进行,现改用微生物发酵法来进行大规模生产。不论在食品、化妆品还是医药行业,谷氨酸都有很大的用途。谷氨酸钠俗称味精,是重要的鲜味剂,对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂,既可单独使用,又能与其它氨基酸等并用。用于食品内,有增香作用。甘氨酸具有甜味,和味精协同作用能显着提高食品的风味。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道,不仅能增强食品风味,对动物性食品有保鲜作用。本次设计为年产10万吨谷氨酸生产的发酵工段,因此对谷氨酸的发酵介绍较为详细。第一章设计任务与设计依据1.1 设计任务(1)设计题目:100kt/a谷氨酸钠车间发酵工段设计(2
4、)目的与意义: 本题目根据生物工程专业的培养方向选择。谷氨酸是是本专业中一个具有代表性的产品,生产工艺涉及种子培养、发酵、提取等重要的单元操作和工程概念,通过对谷氨酸的工艺设计,进一步巩固加深并应用所学的生物工艺学、身无分离工程、发酵设备与工厂设计概论和化工原理等专业基础和专业课的理论知识,使之系统化、综合化。培养综合运用基础知识和专业理论,解决工程实际能力,为毕业设计打下基础。1.2 设计基本依据(1)于信令.味精工业手册M,第二版.中国轻工业出版社,2009(2)HG20559-93标准。(3)俞文和.新编生物工艺学M,第二版。中国建材工业出版社,2002(4)吴思方.生物工程工厂设计概论
5、M,第二版.中国轻工业出版社,2002第二章 谷氨酸简介1.1 概述谷氨酸一种酸性氨基酸。分子内含两个羧基,化学名称为-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的,为无色晶体,有鲜味,微溶于水,而溶于盐酸溶液,等电点3.22。大量存在于谷类蛋白质中,动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位,参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。医学上谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷,还用于改善儿童智力发育。食品工业上,味精是常用的仪器增鲜剂,其主要成分是谷氨酸钠盐。过去生产味精主要用小麦面筋(谷蛋白)水解法进行,现改用微生物发酵法来进行大规模生产。谷氨酸是生物机体内氮代谢的基本氨基酸之
6、一,在代谢上具有重要意义。L谷氨酸是蛋白质的主要构成成分,谷氨酸盐在自然界普遍存在的。多种食品以及人体内都含有谷氨酸盐,它即是蛋白质或肽的结构氨基酸之一,又是游离氨基酸,L型氨基酸美味较浓。L谷氨酸 又名“麸酸”或写作“夫酸”,发酵制造L谷氨酸是以糖质为原料经微生物发酵,采用“等电点提取”加上“离子交换树脂”分离的方法而制得。1.2 理化性质1.2.1 物理性质 谷氨酸的立体异构体谷氨酸分为L型、D型、DL型三种。谷氨酸具有一般氨基酸的性质,其分子具有不对称的碳原子,所以有旋光性。它的氨基在不对称碳原子右方的称为D型(或右型),在不对称碳原子左方的称为L型(或左型),在化学命名中以前左旋用“l
7、”表示,右旋用“d”表示,消旋体用“dl”表示。现在化学才统一用D型、L型和DL型表示光学异构体,而左旋和右旋则用(-)与(+)表示。 所以L型谷氨酸旧的命名为1-谷氨酸,因为它的水溶液中是右旋,故沃尔罗登宝命名法叫做L-(+)-谷氨酸,现在统称L-谷氨酸,又名d-氨基戊二酸。同样D型谷氨酸旧的命名为1-谷氨酸,因为它的水溶液为左旋,故称为D-(-)-谷氨酸,又名1-谷氨酸,又名1-氨基戊二酸。而 DL型谷氨酸即消旋异构体。在动植物和微生物等生物机体中天然存在的,都是L型谷氨酸,L-谷氨酸是味精的前体。 谷氨酸结晶的特征谷氨酸结晶体是有规则晶形的化学均一体 其晶形结构是以原子、分子或离子在晶格
8、结合点上呈对称排列。谷氨酸在不同的结晶条件下,其晶格形状、大小、颜色是不同,通常分为型结晶和型结晶。型的密度为1.535g/cm3,型的密度为1.570g/cm3.型和型结晶的外观和X射线衍射图形均不同。表2-1 谷氨酸两种结晶型比较结晶型型型光学显微镜下的晶体形态多面棱柱形的六面晶体,呈颗粒分散,横断面为三或四边形、边长与厚度相近针状或薄片状凝聚结集,其长和宽比厚度大得多晶体特点晶体光泽,颗粒大,纯度高,相对密度大,沉降快,不易破碎薄片状,性脆易碎,相对密度小,浮于液面和母液中,含水量大,纯度低晶体分离离心分离不碎,抽滤不阻塞,易洗涤,纯度高离心分离困难,易碎,抽滤易阻塞,洗涤困难,纯度低母
9、液中晶形的显微镜观察颗粒状态小晶体分散的针状结晶 谷氨酸的溶解度 谷氨酸在水中的溶解度 表2-2温度/溶解度/(g/100g)温度/溶解度/(g/100g)00.341451.81650.411502.186100.495552.632150.596603.160200.717653.816250.864704.594301.040755.532351.250806.660401.50810014.00谷氨酸对酸、碱的溶解度 谷氨酸在水中的溶解度除温度外,还与pH有关,且随着pH变化,影响很大。 谷氨酸在乙醇中的溶解度表2-3乙醇浓度/%在25时的溶解度/(g/100ml)乙醇浓度在25时的溶
10、解度/(g/100ml)24.50.29274.350.03750.750.13195.140.00941.2.2 谷氨酸的化学性质谷氨酸可以与酸作用谷氨酸与碱作用与氢氧化钠反应生成谷氨酸单钠和水与碳酸钠反应生成氨酸单钠和水,放出二氧化碳加热 谷氨酸长期加热,经脱水后生成焦谷氨酸(无鲜味)。谷氨酸与亚硝酸作用 谷氨酸与亚硝酸反应生成羟基酸,释放出氮气谷氨酸的脱羧作用 在谷氨酸脱羧酶的催化下,谷氨酸生成-氨基丁酸和二氧化碳 谷氨酸在氨的存在下,通过谷氨酰胺合成酶的催化能生成谷氨酰胺谷氨酸与茚三酮反应 谷氨酸或其它-氨基酸在pH 2.5-5.0与茚三酮共热,能显示蓝色或蓝紫色,按其显色的深淡度可作
11、为-谷氨酸定性或定量分析的依据。甲醛反应 氨基酸与甲醛反应后,碱性的氨基被遮盖,用标准NaOH溶液滴定羧基1.3 应用1.下游产品开发将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L谷氨酸直接酯化保护羧基,用三光气活化成其相应的N羧酸酐,可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L氯乙基谷氨酸酯。谷氨酸的结构中有一个氨基和两个羧基,在光气的作用下,羧基和氨基会形成环状N羧酸酐,由于羧基也较为活泼,可能会参与成环反应,因此在成环反应之前,通常用苄醇将羧基进行保护,这样得到的聚合物的侧链活性极低,一般需经进一步氢化脱苄或胺解脱苄,才能得到有反应活性的侧链,我们选用双功能基试剂氯乙醇作保护基因,在聚合之后可直接得到
12、有反应活性的侧链,可有效地简化合成路线。侧链酯化过程是一个可逆反应,随着体系内水含量的不断增加,反应速度会降低,导致产率不高。在形成谷氨酸苄酯时,采用分子筛脱水,操作大大简化。新型的聚合氨基酸,含有氨基的药物或靶向基因,可以方便的接入聚谷氨酸的分子中,形成大分子前药或靶向大分子载体,接入特异性的基因,可进行特殊的分离或提纯,这一聚合物在医药领域会有很广泛的应用前景。谷氨酸可生产许多重要下游产品如L谷氨酸钠、L苏氨酸、聚谷氨酸等。2. 食品业氨基酸作为人体生长的重要营养物质,不仅具有特殊的生理作用,而且在食品工业中具有独特的功能。构成蛋白质的氨基酸主要有20多种。在食品工业中应用较多的氨基酸有谷
13、氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、苏氨酸、精氨酸、缬氨酸、色氨酸、丙氨酸等。各种氨基酸都有自己独特的呈味效应,其中应用较多的有谷氨酸钠和甘氨酸。谷氨酸钠俗称味精,是重要的鲜味剂,对香味具有增强作用。谷氨酸钠广泛用于食品调味剂,既可单独使用,又能与其它氨基酸等并用。用于食品内,有增香作用。在食品中浓度为0.2%-0.5%,每人每天允许摄入量(ADl)为0120微克/千克(以谷氨酸计)。在食品加工中一般用量为0.21.5克/公斤。甘氨酸具有甜味,和味精协同作用能显着提高食品的风味。谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道,不仅能增强食品风味,对动物性食品有保鲜作用。3. 日用化妆品等谷氨酸为世
14、界上氨基酸产量最大的品种,作为营养药物可用于皮肤和毛发。用于生发剂,能被头皮吸收,预防脱发并使头发新生,对毛乳头、毛母细胞有营养功能,并能扩张血管,增强血液循环,有生发防脱发功效。用于皮肤,对治疗皱纹有疗效。N酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂,广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。生物表面活性剂N酰基谷氨酸钠不同于化学法合成的表面活性剂,它不但性能优良,并且具有良好的生物降解性和安全性,在人体内能分解为氨基酸和脂肪酸而吸收利用。N酰基谷氨酸钠耐硬水,能在碱性、中性和弱酸条件下使用。这种表面活性剂具有明显的发展优势,其新的使用性能包括具有良
15、好的洗净力和发泡力,对人体无毒无害,无异味,性质柔和无刺激,能稳定酶的活性,是高档香波和浴液的主要原料,能牢固地吸附在头发和皮肤上,增加和保持头发的柔软、蓬松、光泽,使皮肤舒适光洁,对毛发角质损伤有保护和修复作用。N酰基谷氨酸钠可用于肥皂的改性剂,在香皂中加入N酰基谷氨酸钠可缓和对皮肤的刺激,提高香皂在硬水中的钙皂分散性,使泡沫细腻持久,提高发泡性和洗净力,易于被皮肤吸收,使皮肤保持滋润光滑。N酰基谷氨酸钠具有抑菌效果,由于无刺激性常可用于儿童洗涤制品和皮肤病患者,N酰基谷氨酸钠溶液,具有突出的发泡能力和稳泡力,常可与其它表面活性剂复配,具有协同增效作用。谷氨酸为天然植物成分,由世界上最先进的
16、生物酶工程技术制取,以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向,用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。聚谷氨酸是一种出色的环保塑料,可用于食品包装、一次性餐具及其它工业用途,可在自然界迅速降解,不污染环境。随着科学的进步,研究的深入,谷氨酸新的应用领域将越来越广。4. 医药行业谷氨酸还可用于医药,因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一,虽然它不是人体必须的氨基酸,但它可作为碳氮营养与机体代谢,有较高的营养价值。谷氨酸被人体的吸收后,易与血氨形成谷酰氨,能解除代谢过程中氨的毒害作用,因而能预防和治疗肝昏迷,保护肝脏,是肝脏疾病患者的辅助药物。脑组织只能氧化谷氨酸,而不能氧化其它氨基酸,故谷酰胺
17、可作为脑组织的能量物质,改进维持大脑机能。谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂,对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片,谷氨酸钠(钾)注射液,谷氨酸钙注射液,乙酰谷氨酸注射液等。1.4 谷氨酸的生物合成途径 谷氨酸合成方式许多研究者利用不同的谷氨酸产生菌对其合成方式和途径进行了研究。这些研究表明,谷氨酸产生菌菌体内形成谷氨酸的方式主要有两种,即氨基酸的转移作用和还原性氨基化作用。 氨基转移作用 在氨基转移酶的催化下,除甘氨酸以外,任何氨基酸都可以与酮戊二酸变成谷氨酸。同样谷氨酸与其他酮酸之间在转氨酶的催化下,也能生成 酮戊二酸和新的氨基酸。
18、 还原性氨基化作用 在NH+和供氢体(还原型辅酶,即NADPH2)存在的条件下,酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化下形成谷氨酸。 谷氨酸合成途径谷氨酸生物合成途径主要有糖酵解途径(EMP途径)、磷酸己糖途径(HMP途径)、三羧酸循环(TCA)、乙醛酸循环体、二氧化碳固定和还原氨基化反应等。生成谷氨酸的有关酶类主要有苹果酸酶、丙酮酸羧化酶、异柠檬酸脱氢酶、异柠檬酸裂解酶、酮戊二酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶等。第三章发酵法生产谷氨酸的工艺流程3.1 发酵法概述谷氨酸的发酵生产全过程可划分为三个工艺阶段:(1)原料的预处理及糖化;(2)种子扩大培养及谷氨酸发酵;(3)谷氨酸的提取与这三个工艺阶段相对应的生产厂家
19、一般都设置了糖化车间、发酵车间、提取车间等作为主要生产车间。另外,为保障生产过程中对蒸汽的需求,同时还设置了动力车间,利用锅炉燃烧产生蒸汽,并通过供气管路输送到各个生产需求部位。为保障全厂生产用水,还要设置供水站。所供的水经消毒、过滤系统处理,通过供水管路输送到各个生产需求部位。原理: 谷氨酸的生物合成包括酵解途径(EMP)、磷酸乙糖途径(HMP途径)、三羧酸(TCA途径)、乙醛羧酸循环、伍德沃克曼反应(CO2的固定反应等)。谷氨酸产生菌的-酮戊二酸氧化能力微弱,尤其在生物素缺乏条件下,三羧酸循环到达-酮戊二酸时,即受到阻挡。把糖代谢流阻止在-酮戊二酸的堰上,导向谷氨酸形成具有重要的意义。在氨
20、离子存在下,-酮戊二酸因谷氨酸脱氢酶的催化作用,经还原氨基化反应生成谷氨酸。在谷氨酸的生物合成中必须有谷氨酸脱氢酶和异柠檬酸脱氢酶的共轭反应。在氨离子存在下,两者非常密切的偶连起来,形成强的氧化还原共轭系,不与NADPH2的末端的氧化系相连接,是-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸。谷氨酸生产菌需要氧化型NADP,以供异柠檬酸氧化作用。生成的还原型NADPH2又因为-酮戊二酸的还原氨基化而在生为NADP。由于谷氨酸产生菌的谷氨酸脱氢酶比其他微生物强大得多,所以由三羧酸循环所得的柠檬酸的氧化中间物,就不再往下氧化,而以谷氨酸的形式积累起来。3.2 原料的预处理及糖化3.2.1 原料的种类发酵生产谷氨酸
21、的原料主要是淀粉,其次还有非粮食淀粉原料。淀粉来自粮食原料,通常利用各种谷类或薯类淀粉,如北方常用玉米,南方常用番薯淀粉等。非粮淀粉原料主要指甜菜或是甘蔗糖蜜醋酸乙醇正烷烃(如液体石蜡)等。3.2.2原料处理 非粮食原料除糖蜜外,一般不需要预处理,可直接用来配制培养基;而糖蜜中生物素含量过高,虽然生产菌可以良好生长,但采用一般谷氨酸的生产方法,则不积累谷氨酸,故在采用糖蜜为主要原料时,常对糖蜜进行预处理。大多数谷氨酸发酵菌种都不能直接利用淀粉和糊精,因此用淀粉质原料进行谷氨酸生产时,必须先将淀粉水解成葡萄糖,才能供其发酵。在工业上,淀粉的处理主要是指糖化,值得的水解糖叫淀粉糖。可以用来制备淀粉
22、水解糖的原料很多,主要有薯类、玉米、小麦、大米等。我国多数味精生产厂是利用酸水解法莱进行淀粉的水解淀粉水 调浆糖化冷却中和脱色 过滤除杂 糖液盐酸(1) 调浆 首先将原料淀粉、水、和工业盐酸调成均匀的淀粉乳,为便于操作控制,生产上加盐酸量常以淀粉浆pH值为指标,控制在pH在1.5左右。(2) 糖化 在水解锅内加入一定量的水,然后将水解罐顶预热至100-105,蒸汽压力为9.8-19.6kPa,随后将淀粉乳用泵送至水解罐内进行水解,水解蒸汽压力控制在0.25-0.4MPa之间,水解时间控制在10-20min。淀粉的糖化工艺及其条件是根据淀粉水解反应和葡萄糖的缩合与分解反应,但实际上不可能达到此目
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