CN110029134B - 一种生产和提取谷氨酸的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于氨基酸生产技术领域，公开了一种生产和提取谷氨酸的工艺，其包括如下步骤：步骤1）黄色短杆菌发酵生产谷氨酸，步骤2）离心、过滤以及浓缩，步骤3）等电、干燥。本发明提高了谷氨酸产量，适合规模化生产。

Description

一种生产和提取谷氨酸的工艺

技术领域

本发明属于氨基酸生产技术领域，具体涉及一种生产和提取谷氨酸的工艺。

背景技术

氨基酸在食品工业、医药、农业、畜牧业、以及人类健康、保健、化妆品行业等方面，发挥了越来越广泛的作用。国际氨基酸科学协会公布的调查报告显示，亚太地区已成为全球最大的氨基酸市场。中国是氨基酸生产和消费大国，无论是在工业总产量还是在年产值方面，都居于世界前列，在我国国民经济发展中扮演着重要角色。我国氨基酸产业发展至今规模以上生产厂家已达近百家，年产值近500亿元，谷氨酸及其盐产量达240万吨，赖氨酸年产量达85万吨，其产能均位居世界第一位，我国已成为氨基酸产品的“世界工厂”。

生物发酵行业作为传统工业生产行业，同样存在着高能耗、高消耗、高污染的问题，随着国家对生物发酵产业政策支持力度的加大，氨基酸行业在技术创新方面取得了很大进展。氨酸发酵企业绝大部分采用了高性能的温敏菌种发酵的工艺技术，使谷氨酸产酸率和转化率、糖酸转化明显提高，明显提高了产品质量，降低了粮耗、能耗和水耗，减少了COD的产生，很好的起到了节能降耗的作用。

虽然我国发酵技术已经取得了显著进展，但与其他行业或国外氨基酸行业相比，我国氨基酸行业存在创新产品少、产品结构不合理、主要生产技术指标落后、能源消耗大、环境污染严重、生产成本较高等问题。

随着国家节能环保政策的发布和实施及氨基酸行业工业升级转型需要，探索并开发出“高品质、高效率、高收益，低能耗、低消耗、低排废”的氨基酸生产及加工工艺和装备、既能节省生产成本，提高产品质量，又能达到节能减排、绿色清洁生产的新工艺技术路线和低碳循环生产模式，使行业能够健康快速实现产业化升级转型、使企业能够实现经济、环保和社会效益兼具，是氨基酸发酵行业发展的迫切要求和必然趋势。

随着国民经济的稳定高速发展，国家对高科技生物领域投资的不断加大，生物发酵行业得到迅速发展。近年来，我国的生物发酵产业有较大进步，产品种类也得到扩展。目前国内几大氨基酸品种中，谷氨酸产量已高居世界首位，生产企业向大型化、集约化发展，生产水平不断提高。第二大产量的赖氨酸，主要用于饲料工业，随着国内饲料行业的迅速发展，其产量逐年提高并逐步缩小与国外的差距。作为全球最第一大生物多糖产品的黄原胶，我国产能已达到13万吨，逐步掌握了国际市场话语权，但高端市场仍主要为CPKelco等国外巨头把控。

近年来，除了作为食品添加剂、饲料添加剂及药用材料、石油石化行业外，生物发酵产品的工业新用途也在不断的开发之中，市场潜力巨大。

目前我国的生物发酵产业发展虽然很快，但还尚未完全适应经济发展需要，仍处于发展时期。其中对于一些要求较高的药用氨基酸、多糖及其衍生物的需求还十分巨大，所以我国生物发酵行业有着十分巨大的发展潜力。谷氨酸生产工艺已经发展相对成熟，主要技术指标为谷氨酸浓度 10%-12%，糖酸转化率 55%-60%。但是，与国外先进发酵工艺相比较，仍有较大的提升空间。有效地提高转化率，将可以节省原料成本、提升谷氨酸发酵的经济效益。申请人之前的专利技术“一种优化的谷氨酸发酵工艺”对发酵工艺进行了优化，在此基础上，提出了一种生产和提取谷氨酸的工艺。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种生产和提取谷氨酸的工艺。

本发明是通过如下技术方案来实现的。

一种生产和提取谷氨酸的工艺，其包括如下步骤：步骤1）黄色短杆菌发酵生产谷氨酸，步骤2）离心、过滤以及浓缩，步骤3）等电、干燥。

进一步地，所述工艺包括如下步骤：

步骤1）黄色短杆菌发酵生产谷氨酸：

将黄色短杆菌按10-12％接种量将种子液接入装有发酵培养基的发酵罐中进行发酵培养，发酵12-18h，然后添加黄腐酸和碳酸镁，继续发酵24h，收集发酵液；整个发酵过程中，控制发酵温度36-38℃，通风比1∶0.6，搅拌转速400-500r/min，溶氧维持在20％，流加质量百分比浓度为80％的葡萄糖维持残糖为1-1.5％，流加消泡剂消泡；

步骤2）离心、过滤以及浓缩：

将发酵液采用碟片离心机离心，收集上层液体，然后采用陶瓷膜过滤，收集过滤液，再进行超滤膜过滤，收集超滤液；再经过多效板式蒸发器低温蒸发浓缩，得到谷氨酸含量达到质量浓度为25%的谷氨酸浓缩液；

步骤3）等电、干燥：用硫酸调节谷氨酸浓缩液的pH至谷氨酸等电点，待溶液中的谷氨酸等电析出后，经过滤得到湿晶体，80℃干燥得到谷氨酸产品。

优选地，

所述黄腐酸的添加量为1-20mg/L，所述碳酸镁的添加量为1-4g/L。

优选地，

所述黄腐酸的添加量为5-10mg/L，所述碳酸镁的添加量为2-4g/L。

优选地，

所述发酵罐培养基的组分为：葡萄糖80g/L，玉米浆30g/L，K₂HPO₄ 2g/L，MnSO₄·H₂O 3mg/L，FeSO₄·7H₂O 3 mg/L，VB₁10mg/L，生物素7μg/L。

优选地，

所述陶瓷膜的截留分子量为10000Da。

优选地，

所述超滤膜截留分子量为300Da。

优选地，

所述碟片离心机的转速为5000rpm，离心时间为3min。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果主要包括但是并不限于以下几个方面：

根据谷氨酸发酵机制，发酵理论酸对糖的转化率最多为81.7％，扣除菌体呼吸、菌体合成、副产物生成等转化率又降低15％左右，因此，只有全面地控制发酵参数及过程，减少降低发酵转化率的因素，才能最大可能的提高发酵转化率；通过合理增加CO2，使CO2含量处于既维持菌体正常呼吸作用，又确保更多的CO2固定生成草酰乙酸与乙酰-CoA合成柠檬酸，提供合成谷氨酸所必须的C4二羧酸，这样就可以适当提高发酵转化率。

碳酸镁添加时间为发酵中期，细胞由积累型进入分泌产酸型，碳酸镁能够与副产物乳酸、乙酸反应，分解产生二氧化碳，既能提供二氧化碳，使CO2含量处于既维持菌体正常呼吸作用，又确保更多的CO2固定生成草酰乙酸与乙酰-CoA合成柠檬酸，提供合成谷氨酸所必须的C4二羧酸，提高发酵转化率；

乙酸、乳酸等副产物降低，减少了对菌株的毒害，提高了发酵效率；

镁离子是菌株合成谷氨酸过程中多种酶的激活剂，能够刺激菌株生长和产酸；

黄腐酸中含有大量酚羟基、羰基等基团，电解程度较高，能够促进谷氨酸合成过程中利用O₂作为氢受体，进而减少丙酮酸作为氢受体，因此副产物乳酸和乙酸的生成量减少，进而提高谷氨酸的产量。

说明书附图

图1：不同添加量的黄腐酸对发酵液中谷氨酸浓度的影响；

图2：不同添加量的碳酸镁对发酵液中谷氨酸浓度的影响。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请具体实施例，对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

本实验选用的菌株为黄色短杆菌GDK-9（来源于天津科技大学，菌株出处参见“L-谷氨酸发酵的变温控制工艺研究，天津化工2010年”）。

一种生产和提取谷氨酸的工艺，其包括如下步骤：

1）将黄色短杆菌GDK-9按10-12％接种量将种子液接入装有30L发酵培养基的50L全自动发酵罐中进行发酵培养，菌体的接种浓度为OD_600nm为1.2，发酵12h，然后添加10mg/L的黄腐酸和4g/L的碳酸镁，继续发酵24h，收集发酵液；

整个发酵过程中，控制发酵温度38℃，通风比1∶0.6，搅拌转速400r/min，溶氧维持在20％，流加质量百分比浓度为80％的葡萄糖维持残糖为1.5％，流加消泡剂消泡；

所述发酵罐培养基的组分为：葡萄糖80g/L，玉米浆30g/L，K₂HPO₄ 2g/L，MnSO₄·H₂O 3mg/L，FeSO₄·7H₂O 3 mg/L，VB₁10mg/L，生物素7μg/L；

2）将发酵液采用碟片离心机以5000rpm离心3min，收集上层液体，然后采用陶瓷膜过滤，收集过滤液，再进行超滤膜过滤，收集超滤液；再经过多效板式蒸发器低温蒸发浓缩，得到谷氨酸含量达到质量浓度为25%的谷氨酸浓缩液；陶瓷膜的截留分子量为10000Da，超滤膜截留分子量为300Da；

3）用硫酸调节谷氨酸浓缩液的pH至谷氨酸等电点，待溶液中的谷氨酸等电析出后，经过滤得到湿晶体，80℃干燥得到谷氨酸产品。

实施例2

一种生产和提取谷氨酸的工艺，其包括如下步骤：

1）将黄色短杆菌GDK-9按12％接种量将种子液接入装有30L发酵培养基的50L全自动发酵罐中进行发酵培养，菌体的接种浓度为OD_600nm为0.8，发酵18h，然后添加5mg/L的黄腐酸和2g/L的碳酸镁，继续发酵24h，收集发酵液；

整个发酵过程中，控制发酵温度36℃，通风比1∶0.6，搅拌转速500r/min，溶氧维持在20％，流加质量百分比浓度为80％的葡萄糖维持残糖为1.5％，流加消泡剂消泡；

所述发酵罐培养基的组分为：葡萄糖80g/L，玉米浆30g/L，K₂HPO₄ 2g/L，MnSO₄·H₂O 3mg/L，FeSO₄·7H₂O 3 mg/L，VB₁10mg/L，生物素7μg/L；

2）将发酵液采用碟片离心机以5000rpm离心3min，收集上层液体，然后采用陶瓷膜过滤，收集过滤液，再进行超滤膜过滤，收集超滤液；再经过多效板式蒸发器低温蒸发浓缩，得到谷氨酸含量达到质量浓度为25%的谷氨酸浓缩液；陶瓷膜的截留分子量为10000Da，超滤膜截留分子量为300Da；

3）用硫酸调节谷氨酸浓缩液的pH至谷氨酸等电点，待溶液中的谷氨酸等电析出后，经过滤得到湿晶体，80℃干燥得到谷氨酸产品。

实施例3

一种生产和提取谷氨酸的工艺，其包括如下步骤：

1）将黄色短杆菌GDK-9按10-12％接种量将种子液接入装有30L发酵培养基的50L全自动发酵罐中进行发酵培养，菌体的接种浓度为OD_600nm为1.1，发酵16h，然后添加20mg/L的黄腐酸和3g/L的碳酸镁，继续发酵24h，收集发酵液；

整个发酵过程中，控制发酵温度37℃，通风比1∶0.6，搅拌转速450r/min，溶氧维持在20％，流加质量百分比浓度为80％的葡萄糖维持残糖为1.2％，流加消泡剂消泡；

所述发酵罐培养基的组分为：葡萄糖80g/L，玉米浆30g/L，K₂HPO₄ 2g/L，MnSO₄·H₂O 3mg/L，FeSO₄·7H₂O 3 mg/L，VB₁10mg/L，生物素7μg/L；

2）将发酵液采用碟片离心机以5000rpm离心3min，收集上层液体，然后采用陶瓷膜过滤，收集过滤液，再进行超滤膜过滤，收集超滤液；再经过多效板式蒸发器低温蒸发浓缩，得到谷氨酸含量达到质量浓度为25%的谷氨酸浓缩液；陶瓷膜的截留分子量为10000Da，超滤膜截留分子量为300Da；

3）用硫酸调节谷氨酸浓缩液的pH至谷氨酸等电点，待溶液中的谷氨酸等电析出后，经过滤得到湿晶体，80℃干燥得到谷氨酸产品。

实施例4

黄腐酸和碳酸镁对最终的发酵液中菌体含量、谷氨酸、乳酸以及乙酸产量的影响。

设置对照组，其中：

对照组1：不添加黄腐酸和碳酸镁，其余同实施例1；

对照组2：不添加碳酸镁，其余同实施例1；

对照组3：不添加黄腐酸，其余同实施例1；

实验组为实施例1。

具体检测结果见表1。

表1

组别	谷氨酸g/L	乳酸g/L	乙酸g/L
				对照组1	149.7	4.34	2.79
对照组2	158.3	3.65	2.54
				对照组3	163.4	2.18	1.33
实验组	168.1	0.27	0.12

结论：本发明设置对照组，研究发酵中期添加黄腐酸和碳酸镁两种组分对谷氨酸产量的有明显的促进作用；其中，碳酸镁能够大幅降低发酵液中乳酸和乙酸的含量，黄腐酸对发酵液中乳酸和乙酸的含量也存在着一定的下调，也能够促进谷氨酸含量的提高，通过上表可见，黄腐酸和碳酸镁协同作用，提高了谷氨酸的产量，减低了副产物的含量；对照组1-3和实验组发酵液中菌体的浓度没有显著差异，说明黄腐酸和碳酸镁并不能大幅提高菌株增殖速度（表1数据未显示）。

实施例5

1.不同添加量的黄腐酸对发酵液中谷氨酸浓度的影响，分别设置添加量为：0，2.5，5，10，20，40，80（mg/L）。如图1所示，随着黄腐酸添加量的增加，能够促进谷氨酸合成过程中利用O₂作为氢受体，进而减少丙酮酸作为氢受体，谷氨酸浓度逐步提高，当增达到20mg/L后，谷氨酸浓度并没有明显的改变，因此，选择低于20mg/L的添加量较为合适。

2.不同添加量的碳酸镁对发酵液中谷氨酸浓度的影响，分别设置添加量为：0，1，2，4，6，8，10（g/L）。如图2所示，碳酸镁能够与副产物乳酸、乙酸反应，分解产生二氧化碳，既能提供二氧化碳，使CO2含量处于既维持菌体正常呼吸作用，又确保更多的CO2固定生成草酰乙酸与乙酰-CoA合成柠檬酸，提高谷氨酸发酵转化率；同时，乙酸、乳酸等副产物降低，减少了对菌株的毒害，提高了发酵效率；而且，镁离子是菌株合成谷氨酸过程中多种酶的激活剂，能够刺激菌株生长和产酸；当碳酸镁添加到6g/L后，谷氨酸产量并没有提升，当碳酸镁添加到8g/L后，发酵液中形成了部分碳酸镁沉淀物，因此，选择6g/L以下的添加量较为合适。

以上列举的仅是本发明的最佳具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种生产和提取谷氨酸的工艺，所述工艺包括如下步骤：

步骤1）黄色短杆菌发酵生产谷氨酸：

将黄色短杆菌按10-12％接种量将种子液接入装有发酵培养基的发酵罐中进行发酵培养，发酵12-18h，然后添加黄腐酸和碳酸镁，继续发酵24h，收集发酵液；整个发酵过程中，控制发酵温度36-38℃，通风比1∶0.6，搅拌转速400-500r/min，流加质量百分比浓度为80％的葡萄糖维持残糖为1-1.5％，流加消泡剂消泡；

所述黄腐酸的添加量为5-10mg/L，所述碳酸镁的添加量为2-4g/L；

所述发酵罐培养基的组分为：葡萄糖80g/L，玉米浆30g/L，K₂HPO₄ 2g/L，MnSO₄·H₂O3mg/L，FeSO₄·7H₂O 3 mg/L，VB₁10mg/L，生物素7μg/L；

步骤2）离心、过滤以及浓缩：

将发酵液采用碟片离心机离心，收集上层液体，然后采用陶瓷膜过滤，收集过滤液，再进行超滤膜过滤，收集超滤液；再经过多效板式蒸发器低温蒸发浓缩，得到谷氨酸含量达到质量浓度为25%的谷氨酸浓缩液；

所述陶瓷膜的截留分子量为10000Da，所述超滤膜截留分子量为300Da；

步骤3）等电、干燥：用硫酸调节谷氨酸浓缩液的pH至谷氨酸等电点，待溶液中的谷氨酸等电析出后，经过滤得到湿晶体，80℃干燥得到谷氨酸产品。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述碟片离心机的转速为5000rpm，离心时间为3min。

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