谷氨酸钠发酵工段工艺设计说明书

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..........................................41.3应用..........................................................51.4谷氨酸的生物合成途径..........................................7第三章发酵法生产谷氨酸的工艺流程...................................93.1发酵法概述....................................................93.2原料的预处理及糖化............................................93.2.1原料的种类................................................93.2.2原料处理.................................................103.3.谷氨酸发酵工艺..............................................113.3.1发酵培养基...............................................113.3.2培养基灭菌...............................................123.3.3发酵控制.................................................123.4谷氨酸的提取.................................................143.4.1原理.....................................................143.4.2工艺流程.................................................14第四章工艺计算....................................................164.1生产要求.....................................................164.2工艺计算.....................................................164.2.1总物料平衡的计算..........................................164.2.2发酵工段物料平衡计算......................................18第五章总结与体会..................................................22致谢...............................................................23参考文献...........................................................23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。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。课程设计1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）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[M],第二版.中国轻工业出版社,2002课程设计2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α-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㈠谷氨酸的立体异构体课程设计3⑴谷氨酸分为L型、D型、DL型三种。⑵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”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-α-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-α-氨基戊二酸。而DL型谷氨酸即消旋异构体。⑶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。㈡谷氨酸结晶的特征⑴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α型结晶和β型结晶。α型的密度为1.535g/cm3,β型的密度为1.570g/cm3.⑵α型和β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α型β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，纯度低课程设计4母液中晶形的显微镜观察颗粒状态小晶体分散的针状结晶㈢谷氨酸的溶解度⑴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)00.341451.81650.411502.186100.495552.632150.596603.160200.717653.816250.864704.594301.040755.532351.250806.660401.50810014.00⑵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。⑵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℃时的溶解度/(g/100ml)24.50.29274.350.03750.750.13195.140.00941.2.2谷氨酸的化学性质⑴谷氨酸可以与酸作用⑵谷氨酸与碱作用①与氢氧化钠反应生成谷氨酸单钠和水②与碳酸钠反应生成氨酸单钠和水，放出二氧化碳⑶加热谷氨酸长期加热，经脱水后生成焦谷氨酸（无鲜味）。课程设计5⑷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⑸谷氨酸的脱羧作用在谷氨酸脱羧酶的催化下，谷氨酸生成γ-氨基丁酸和二氧化碳⑹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⑺谷氨酸与茚三酮反应谷氨酸或其它α-氨基酸在pH2.5-5.0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为α-谷氨酸定性或定量分析的依据。⑻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.食品业课程设计6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