味精工业下游分离技术案例分析

味精工业下游分离技术案例分析第七组：洪文静、林明全、蔡圳、冯博、林吴静、王扬味精的主要成分为谷氨酸。它是中国菜肴里运用较多的一种调味剂。但对于味精的发现是在20世纪初期，。1907年，日本东京帝国大学的研究员池田菊苗发现了一种，昆布（海带）汤蒸发后留下的棕色晶体，即谷氨酸。这些晶体，尝起来有一种难以描述但很不错的味道。这种味道，池田在许多食物中都能找到踪迹，尤其是在海带中。池田教授将这种味道称为“鲜味”。继而，他为大规模生产谷氨酸晶体的方法申请了专利。池田教授将谷氨酸钠称为“味之素”。这种风靡整个日本的“味之素”，很快传入中国，改名叫“味精”。味精提取工业的三大阶段：味精生产工艺流程图菌种斜面培养摇瓶扩大培养种子罐扩大培养原料预处理水解过滤淀粉水解糖配料发酵空气空气压缩机冷却气液分离过滤除菌等电点调节沉淀离心粗谷氨酸溶解中和制味精母液细谷氨酸除铁过滤脱色浓缩结晶离心小结晶干燥拌盐粉碎粉状味精大结晶干燥过滤成品味精谷氨酸分离提取工艺技术简介等电点结晶+离子交换工艺•发酵结束，pH值为6.7—7.0，加入酸，其pH值缓慢下降至pH3.2，使离子态谷氨酸转变为分子态的谷氨酸钠，过饱和的分子结晶、析出。•等电结晶不可能析出所有的谷氨酸，在小于pH3.2的情况下，谷氨酸以GA+的形式存在，使用铵型交换树脂吸附GA+，再洗脱使其进入下批次的结晶罐结晶，从而提高得率。浓缩等电转晶工艺•此工艺下发酵液不经过除菌体直接浓缩之后加酸或水解液，在高温下始终使谷氨酸成饱和状态，然后一边添加发酵浓缩液，一边添加硫酸或水解液，在大量底料存在的情况下，使溶液始终处于饱和状态并不断析出晶体。•晶体经离心分离洗涤后转晶，最后制成中和液。温度加晶种起晶等电点搅拌20h静置沉降6h离心分离湿谷氨酸缓慢加酸发酵液pH4.0-4.5(起晶中和点)停酸育晶2h盐酸继续中和至pH3.0-3.2晶种谷氨酸等电点结晶+离子交换工艺液体离子交换结晶废液影响结晶的因素温度与结晶的关系起晶与晶种的添加加酸速度的影响搅拌对结晶的影响温度对结晶的影响：晶体类型α-型结晶：斜方型，晶体颗粒大，容易沉淀析出，纯度较高。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。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)晶种起晶:晶体大且均一,易于沉降,收得率高。2.起晶与晶种的添加(3)投放晶种的时机:(1)自然起晶:晶体大小不一,小晶体难于沉降,收得率低.总结：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。过早投放:晶种容易溶化掉过晚投放:形成更多细小晶核前期稍快中期要缓后期要慢3.加酸速度的影响加酸步骤:开始加酸调pH至5.0这段时间内，加酸速度可稍快些在pH5.0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总结：三部曲等电点结晶+离子交换工艺(1)不搅拌的情况下起晶:4.搅拌对结晶的影响(2)搅拌的情况下起晶: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。搅拌速度搅拌太快:结晶细小结晶的大小均匀，避免“晶簇”生成。结晶的大小不均匀。浓缩等电转晶工艺主要步骤：•第一步：浓缩连续等电，就是发酵液浓缩后进行以活性晶种为起头的以酸碱度控制手段德连续等电结晶过程，此结晶仍是讲究高纯度的α-晶形。•第二步：转晶、洗晶，就是为了提高谷氨酸纯度和品质，以温度控制的手段使谷氨酸由α-晶形转化为β-晶形，并进行2次以上的洗晶分离。•第三步：分离蛋白和旋流沉淀，就是把连续等电结晶分离出的一次母液以电荷絮凝的手段提出菌体蛋白，同时把清夜用专门设计的液态旋流器是母液中结晶谷氨酸连续快速沉淀而分层逆流，增加谷氨酸的回收。谷氨酸提取工艺的比较等电离交工艺的优缺点浓缩等电转晶工艺的优缺点等点离交工艺优缺点：优点：•工艺提取率高：94%-95%•操作简单，适合大规模提取、分离。缺点：•物耗高•废水污染严重•谷氨酸质量低浓缩等电转晶工艺优缺点优点：•硫酸、液氨消耗量低•废水排放量少•产物质量高缺点：•时间较久：浓缩以及连续等电均需要时间•所需反应复杂：浓缩等电必须加入转晶这一步骤，不然所得产物质量差。等电离交与浓缩等电转晶的技术指标、物耗以及经济分析采用浓缩等电转晶工艺虽然提取收率比等电离交工艺低1%，但硫酸、液氨的消耗量低，同时谷氨酸专晶后的精制收率提高2%，浓缩等电工艺的总体成本比等电离交工艺低了124元。张建华,杨玉岭,孙付保,等.谷氨酸提取产业现状与无废化发展方向[J].生物加工过程,2009,7(6):1-7.等电离交与浓缩等电转晶的后续清洁与废水处理对比•但由于等电离交工艺辅料投入大，副产物有机肥的产出量多了400多kg，因而二者经济相当。谷氨酸提取的新技术以及清洁生产技术谷氨酸双结晶技术味精清洁生产技术的发展谷氨酸双结晶技术首先用发酵液直接等点结晶，谷氨酸一步收率80%以上，得到的麸酸质量好，不用转晶可直接用于精制;提取后的母液除去菌体和可溶性蛋白后浓缩，再经蒸发结晶得到的二次结晶谷氨酸(以后简称二次谷氨酸)，谷氨酸二步收率在70%以上，总提取收率超过94%但二次谷氨酸杂质含量多，颜色深，必须适当纯化后才可精制生产味精。转晶是首选的纯化方法。谷氨酸双结晶技术关键：•半连续结晶工艺：半连续结晶是连续间歇耦联结晶的简称，它保留了连续结晶和间歇结晶共有的优点。研究结果显示：一步结晶收率＞85%，纯度＞98%，母液浓度1.6%。谷氨酸提取无废工艺研究进展毛忠贵1张建华1杨玉岭2（1.江南大学无锡214122；2.山东菱花集团济宁272073）•二次提取（二次结晶）：二次结晶是考虑蒸发消除废水的同时，顺势再结晶，增加主产品谷氨酸收率。关键和难点是从高杂高粘溶液中结晶出颗粒状α-晶体，便于其后的固液分离。研究结果显示：获得正常α-晶体，二次收率60%，湿纯75%。固液分离快速。谷氨酸提取无废工艺研究进展毛忠贵1张建华1杨玉岭2（1.江南大学无锡214122；2.山东菱花集团济宁272073）提高谷氨酸双结晶产率的核心是提高二次结晶效率。谷氨酸二次结晶的影响因素：杂质种类及浓度对谷氨酸二次结晶的影响浓缩倍数对谷氨酸二次结晶的影响温度对谷氨酸焦化的影响晶种添加量对谷氨酸二次结晶的影响蒸发速率对谷氨酸二次结晶的影响杂质种类及浓度对谷氨酸二次结晶的影响上述述杂质均不同程度地增加了谷氨酸在等电母液中的溶解度。浓缩倍数对谷氨酸二次结晶的影响不同浓缩倍数下晶体粒径分布趋势基本相同，随着浓缩倍数增加，中位径依次为122.2、138.0和127.7μm，表明浓缩倍数对结晶产品的颗粒分布影响不大。但随着浓缩倍数的提高硫酸铵随谷氨酸结晶析出，导致结晶产品纯度明显下降。另一面，提高浓缩倍数后母液粘度大幅度增加，谷氨酸溶解度增加，结晶收率增幅较小（表4.9），因此可以确定浓缩倍数以6倍为宜。温度对谷氨酸焦化的影响•理论上，提高温度降低溶液粘度将有利于改善谷氨酸结晶条件，但并非可以任意提高结晶温度，因为谷氨酸在高温下会分子内脱水生成焦谷氨酸，引起谷氨酸的损失。谷氨酸二次蒸发结晶温度应控制在70℃以下较为合适。晶种添加量对谷氨酸二次结晶的影响从粒径分布图4-6可以看出，在晶种添加量为30%时，10-30μm之间的细晶峰最小，结晶纯度最高。表4.5表明当晶种添加量为30%时，晶体纯度最高。这是因为晶体颗粒较大时，晶体几乎是分散的颗粒，杂质含量相对较低，因此纯度较高。蒸发速率对谷氨酸二次结晶的影响当蒸发速率较低时，在溶液中晶体之间碰撞以及晶体与器壁之间的碰撞增加，由此产生的接触二次成核几率增加，产生大量的细晶。部分晶体由于生长时间延长使得颗粒直径更大，使得晶体粒径分布均一性变差。当蒸发速率过高时，溶液中的过饱和度不断增加，初级成核速率增加，细晶增多，导致晶体颗粒直径变小。蒸发速率以207L/m^2·h为宜。味精工业常用清洁生产技术•废水处理清洁生产技术•工艺改造•建立水循环系统•蒸汽余热利用味精清洁生产技术的发展常见的清洁生产方案序号技术名称适用范围技术主要内容解决的主要问题技术来源所处阶段应用前景分析1新型浓缩连续等电提取工艺味精行业本工艺采用新型浓缩连续等电提取工艺替代传统味精生产中的等电-离交工艺，对谷氨酸发酵液采用连续等电、二次结晶与转晶以及喷浆造粒生产复混肥等技术，解决味精行业提取工段产生大量高浓离交废水的问题，且无高氨氮废水排放；传统的谷氨酸提取工艺大多采用等电-离交工艺，即发酵液直接在低温条件下等电结晶，结晶母液经离交回收母液中的谷氨酸。传统工艺投入设备多，离交废水量大；硫酸、液氨消耗量大；自主研发应用阶段本技术实施后，味精吨产品减少了60%硫酸和30%液氨消耗，且无高氨氮废水排放，吨产品耗水量可降低20%以上；能耗可降低10%以上；吨产品COD产生量可降低50%左右；2发酵母液综合利用新工艺味精行业本工艺将剩余的结晶母液采用多效蒸发器浓缩，再经雾化后送入喷浆造粒机内造粒烘干，制成有机复合肥，至此发酵母液完全得到利用，实现发酵母液的零排放。工艺中利用非金属导电复合材料的静电处理设备处理喷浆造粒过程中产生的具有较强异味的烟气，处理效率可达95%以上。味精生产中提取谷氨酸后的发酵母液有机物含量高，酸性大，处理较困难。本工艺不但可将剩余发酵母液完全利用，实现零排放，且具有投资小，生产及运行成本低，经济效益好的特点。本工艺同时还解决了由喷浆造粒产生的烟气的污染问题，具有显著的经济效益、环境效益和社会效益。自主研发应用阶段该技术实施后味精吨产品COD产生量减少约80%，并可产生1吨有机复合肥，增加产值600元。以年产10万吨味精示范企业为例：每年可减少COD产生约6万吨；生产10万吨有机复合肥，增加产值6000万元。全行业推广(按80%计算)每年可减少COD产生约96万吨；生产160万吨有机复合肥，增加产值9.6亿元。3·高性能温敏型菌种定向选育、驯化及发酵过程控制技术味精行业本技术利用现代生物学手段定向改造现有温度敏感型菌种，选育出具有目的遗传性状、产酸率高的高产菌株，同时对高产菌株发酵生物合成网络进行代谢网络定量分析，结合发酵过程控制技术，优化发酵工艺条件，提高谷氨酸的产酸率和糖酸转化率，其产酸率可提高到现阶段味精企业普遍使用生物素亚适量型菌种，其产酸率和糖酸转化率较低，产酸率在11%-12%，糖酸转化率在58%-60%。采用本技术可解决味精企业生产中菌种产酸率和糖酸转化率较低的问题，其产酸率可达到17%-18%，糖酸转化率可达到65%-68%，不仅可降低味精生自主研发应用阶段该技术实施后味精单位产品玉米消耗降低19%以上；能耗可降低10%；COD产生量减少10%。以年产10万吨味精示范企业为例：每年可节约玉米约4.5万吨；节约能源消耗折2万吨标煤；减少COD产生约0.7万吨。全行业推广后（按50%计算）每年可节约玉米