味精工業(yè)下游分離技術(shù)案例分析

1、味精工業(yè)下游分離技術(shù)案例分析 第七組：洪文靜、林明全、蔡圳、馮博、林吳靜、王揚(yáng) 味精的主要成分為谷氨酸。它是中國(guó)菜肴里運(yùn)用較多的一種調(diào)味劑。 但對(duì)于味精的發(fā)現(xiàn)是在20世紀(jì)初期，。1907年，日本東京帝國(guó)大學(xué)的研究員池田菊苗發(fā)現(xiàn)了一種，昆布（海帶）湯蒸發(fā)后留下的棕色晶體，即谷氨酸。這些晶體，嘗起來有一種難以描述但很不錯(cuò)的味道。這種味道，池田在許多食物中都能找到蹤跡，尤其是在海帶中。池田教授將這種味道稱為“鮮味”。繼而，他為大規(guī)模生產(chǎn)谷氨酸晶體的方法申請(qǐng)了專利。池田教授將谷氨酸鈉稱為“味之素”。這種風(fēng)靡整個(gè)日本的“味之素”，很快傳入中國(guó)，改名叫“味精”。味精提取工業(yè)的三大階段：味精生產(chǎn)工藝流程圖菌

2、種菌種斜面培養(yǎng)斜面培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)搖瓶擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)種子罐擴(kuò)大培養(yǎng)原料原料預(yù)處理預(yù)處理水解水解過濾過濾淀粉水解糖淀粉水解糖配料配料發(fā)酵發(fā)酵空氣空氣空氣壓縮機(jī)空氣壓縮機(jī)冷卻冷卻氣液分離氣液分離過濾除菌過濾除菌等電點(diǎn)調(diào)節(jié)等電點(diǎn)調(diào)節(jié)沉淀沉淀離心離心粗谷氨酸粗谷氨酸溶解溶解中和制味精中和制味精 母液母液細(xì)谷氨酸細(xì)谷氨酸除鐵除鐵過濾過濾脫色脫色濃縮結(jié)晶濃縮結(jié)晶離心離心小結(jié)晶小結(jié)晶干燥干燥拌鹽粉碎拌鹽粉碎粉狀味精粉狀味精大結(jié)晶大結(jié)晶干燥干燥過濾過濾成品味精成品味精谷氨酸分離提取工藝技術(shù)簡(jiǎn)介等電點(diǎn)結(jié)晶+離子交換工藝 發(fā)酵結(jié)束，pH值為6.77.0，加入酸，其pH值緩慢下降至pH3.2，使離子態(tài)谷氨酸

3、轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿討B(tài)的谷氨酸鈉，過飽和的分子結(jié)晶、析出。 等電結(jié)晶不可能析出所有的谷氨酸，在小于pH3.2的情況下，谷氨酸以GA+的形式存在，使用銨型交換樹脂吸附GA+，再洗脫使其進(jìn)入下批次的結(jié)晶罐結(jié)晶，從而提高得率。濃縮等電轉(zhuǎn)晶工藝 此工藝下發(fā)酵液不經(jīng)過除菌體直接濃縮之后加酸或水解液，在高溫下始終使谷氨酸成飽和狀態(tài)，然后一邊添加發(fā)酵濃縮液，一邊添加硫酸或水解液，在大量底料存在的情況下，使溶液始終處于飽和狀態(tài)并不斷析出晶體。 晶體經(jīng)離心分離洗滌后轉(zhuǎn)晶，最后制成中和液。溫度溫度加晶種加晶種起晶起晶等電點(diǎn)攪拌20h靜置沉降6h離心分離濕谷氨酸緩慢緩慢加酸加酸發(fā)酵液pH4.0-4.5(起晶中和點(diǎn))停酸育晶2

4、h鹽酸繼續(xù)中和至pH3.0-3.2晶種谷氨酸等電點(diǎn)結(jié)晶+離子交換工藝液體離子交換結(jié)晶廢液影響結(jié)晶的因素溫度與結(jié)晶的關(guān)系起晶與晶種的添加加酸速度的影響攪拌對(duì)結(jié)晶的影響溫度對(duì)結(jié)晶的影響：晶體類型晶體類型斜方型，晶體顆粒大，容易沉淀析出，純度較高。鱗片狀，晶體比較輕，不易沉淀分 離，往往夾有雜質(zhì)與膠體結(jié)合，成 為“漿子”或者輕質(zhì)谷氨酸，浮于 液面和母液中，純度低。：30以下形成 :晶體大且均一,易于沉降,收得率高。 :晶體大小不一,小晶體難于沉降,收得率低.自然起晶，pH中和至4.04.5時(shí)，可作為起晶中和點(diǎn)，應(yīng)停止加酸，養(yǎng)晶育晶2小時(shí)左右，使晶核成長(zhǎng)壯大。過早投放:晶種容易溶化掉過晚投放:形成更多

5、細(xì)小晶核前期稍快中期要緩后期要慢 :開始加酸調(diào)pH至 5.0這段時(shí)間內(nèi)，加酸速度可稍快些在pH 5.0以下，加酸速度要緩慢發(fā)現(xiàn)晶核時(shí)，應(yīng)停酸育晶然后再繼續(xù)慢慢加酸直至pH緩慢降到等電點(diǎn)為止等電點(diǎn)結(jié)晶+離子交換工藝(1)不攪拌的情況下起晶:(2)攪拌的情況下起晶:攪拌速度濃縮等電轉(zhuǎn)晶工藝主要步驟： 第一步：濃縮連續(xù)等電，就是發(fā)酵液濃縮后進(jìn)行以活性晶種為起頭的以酸堿度控制手段德連續(xù)等電結(jié)晶過程，此結(jié)晶仍是講究高純度的-晶形。 第二步：轉(zhuǎn)晶、洗晶，就是為了提高谷氨酸純度和品質(zhì)，以溫度控制的手段使谷氨酸由-晶形轉(zhuǎn)化為-晶形，并進(jìn)行2次以上的洗晶分離。 第三步：分離蛋白和旋流沉淀，就是把連續(xù)等電結(jié)晶分離

6、出的一次母液以電荷絮凝的手段提出菌體蛋白，同時(shí)把清夜用專門設(shè)計(jì)的液態(tài)旋流器是母液中結(jié)晶谷氨酸連續(xù)快速沉淀而分層逆流，增加谷氨酸的回收。谷氨酸提取工藝的比較等電離交工藝的優(yōu)缺點(diǎn)濃縮等電轉(zhuǎn)晶工藝的優(yōu)缺點(diǎn)等點(diǎn)離交工藝優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 工藝提取率高：94%-95% 操作簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模提取、分離。缺點(diǎn)： 物耗高 廢水污染嚴(yán)重 谷氨酸質(zhì)量低濃縮等電轉(zhuǎn)晶工藝優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 硫酸、液氨消耗量低 廢水排放量少 產(chǎn)物質(zhì)量高缺點(diǎn)： 時(shí)間較久：濃縮以及連續(xù)等電均需要時(shí)間 所需反應(yīng)復(fù)雜：濃縮等電必須加入轉(zhuǎn)晶這一步驟，不然所得產(chǎn)物質(zhì)量差。等電離交與濃縮等電轉(zhuǎn)晶的技術(shù)指標(biāo)、物耗以及經(jīng)濟(jì)分析采用濃縮等電轉(zhuǎn)晶工藝雖然提取收率比等

7、電離交工藝低1%，但硫酸、液氨的消耗量低，同時(shí)谷氨酸專晶后的精制收率提高2%，濃縮等電工藝的總體成本比等電離交工藝低了124元。張建華, 楊玉嶺, 孫付保,等. 谷氨酸提取產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與無廢化發(fā)展方向J. 生物加工過程, 2009, 7(6):1-7.等電離交與濃縮等電轉(zhuǎn)晶的后續(xù)清潔與廢水處理對(duì)比但由于等電離交工藝輔料投入大，副產(chǎn)物有機(jī)肥的產(chǎn)出量多了400多kg，因而二者經(jīng)濟(jì)相當(dāng)。谷氨酸提取的新技術(shù)以及清潔生產(chǎn)技術(shù)谷氨酸雙結(jié)晶技術(shù)味精清潔生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展谷氨酸雙結(jié)晶技術(shù) 首 先 用 發(fā) 酵 液 直 接 等 點(diǎn) 結(jié) 晶 ，谷 氨 酸 一 步 收 率 8 0 % 以 上 ， 得到 的 麩 酸 質(zhì) 量 好

8、 ， 不 用 轉(zhuǎn) 晶 可 直接 用 于 精 制 ; 提 取 后 的 母 液 除 去 菌體 和 可 溶 性 蛋 白 后 濃 縮 ， 再 經(jīng) 蒸發(fā) 結(jié) 晶 得 到 的 二 次 結(jié) 晶 谷 氨 酸( 以 后 簡(jiǎn) 稱 二 次 谷 氨 酸 ) ， 谷 氨 酸二 步 收 率 在 7 0 % 以 上 ， 總 提 取收 率 超 過 9 4 % 但 二 次 谷 氨 酸 雜 質(zhì) 含 量 多 ， 顏色 深 ， 必 須 適 當(dāng) 純 化 后 才 可 精 制生 產(chǎn) 味 精 。轉(zhuǎn)晶是首選的純化方法。谷氨酸雙結(jié)晶技術(shù)關(guān)鍵： 半連續(xù)結(jié)晶工藝：半連續(xù)結(jié)晶是連續(xù)間歇耦聯(lián)結(jié)晶的簡(jiǎn)稱，它保留了連續(xù)結(jié)晶和間歇結(jié)晶共有的優(yōu)點(diǎn)。研究結(jié)果顯示

9、：一步結(jié)晶收率85%，純度98%，母液濃度 1.6%。谷氨酸提取無廢工藝研究進(jìn)展毛忠貴1 張建華1 楊玉嶺 2（1.江南大學(xué) 無錫 214122；2.山東菱花集團(tuán) 濟(jì)寧 272073） 二次提?。ǘ谓Y(jié)晶）：二次結(jié)晶是考慮蒸發(fā)消除廢水的同時(shí)，順勢(shì)再結(jié)晶，增加主產(chǎn)品谷氨酸收率。關(guān)鍵和難點(diǎn)是從高雜高粘溶液中結(jié)晶出顆粒狀 -晶體，便于其后的固液分離。研究結(jié)果顯示：獲得正常 -晶體，二次收率 60%，濕純 75%。 固液分離快速。谷氨酸提取無廢工藝研究進(jìn)展毛忠貴1 張建華1 楊玉嶺 2（1.江南大學(xué) 無錫 214122；2.山東菱花集團(tuán) 濟(jì)寧 272073）提高谷氨酸雙結(jié)晶產(chǎn)率的核心是提高二次結(jié)晶效率

10、。谷氨酸二次結(jié)晶的影響因素：雜質(zhì)種類及濃度對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響雜質(zhì)種類及濃度對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響濃縮倍數(shù)對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響濃縮倍數(shù)對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響溫度對(duì)谷氨酸焦化的影響溫度對(duì)谷氨酸焦化的影響晶種添加量對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響晶種添加量對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響蒸發(fā)速率對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響蒸發(fā)速率對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響雜質(zhì)種類及濃度對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響上述述雜質(zhì)均不同程度地增加了谷氨酸在等電母液中的溶解度。濃縮倍數(shù)對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響不同濃縮倍數(shù)下晶體粒徑分布趨勢(shì)基本相同，隨著濃縮倍數(shù)增加，中位徑依次為 122.2、138.0和 127.7m，表明濃縮倍數(shù)對(duì)結(jié)晶產(chǎn)品的顆粒分布影響不

11、大。但隨著濃縮倍數(shù)的提高硫酸銨隨谷氨酸結(jié)晶析出，導(dǎo)致結(jié)晶產(chǎn)品純度明顯下降。另一面，提高濃縮倍數(shù)后母液粘度大幅度增加，谷氨酸溶解度增加，結(jié)晶收率增幅較?。ū?4.9），因此可以確定濃縮倍數(shù)以 6倍為宜。溫度對(duì)谷氨酸焦化的影響 理論上，提高溫度降低溶液粘度將有利于改善谷氨酸結(jié)晶條件，但并非可以任意提高結(jié)晶溫度，因?yàn)楣劝彼嵩诟邷叵聲?huì)分子內(nèi)脫水生成焦谷氨酸，引起谷氨酸的損失。 谷氨酸二次蒸發(fā)結(jié)晶溫谷氨酸二次蒸發(fā)結(jié)晶溫度應(yīng)控制在度應(yīng)控制在 7070以下較為以下較為合適。合適。晶種添加量對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響l 從粒徑分布圖 4-6 可以看出，在晶種添加量為 30%時(shí)，10-30m 之間的細(xì)晶峰最小，結(jié)晶

12、純度最高。l 表 4.5 表明當(dāng)晶種添加量為 30%時(shí)，晶體純度最高。這是因?yàn)榫w顆粒較大時(shí)，晶體幾乎是分散的顆粒，雜質(zhì)含量相對(duì)較低，因此純度較高。蒸發(fā)速率對(duì)谷氨酸二次結(jié)晶的影響當(dāng)蒸發(fā)速率較低時(shí)，在溶液中晶體之間碰撞以及晶體與器壁之間的碰撞增加，由此產(chǎn)生的接觸二次成核幾率增加，產(chǎn)生大量的細(xì)晶。部分晶體由于生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)使得顆粒直徑更大，使得晶體粒徑分布均一性變差。當(dāng)蒸發(fā)速率過高時(shí)，溶液中的過飽和度不斷增加，初級(jí)成核速率增加，細(xì)晶增多，導(dǎo)致晶體顆粒直徑變小。蒸發(fā)速率以 207 L/m2h 為宜。味精工業(yè)常用清潔生產(chǎn)技術(shù) 廢水處理清潔生產(chǎn)技術(shù) 工藝改造 建立水循環(huán)系統(tǒng) 蒸汽余熱利用味精清潔生產(chǎn)技術(shù)的

13、發(fā)展常見的清潔生產(chǎn)方案序號(hào)序號(hào)技術(shù)名技術(shù)名稱稱適用適用范圍范圍技術(shù)主要內(nèi)容技術(shù)主要內(nèi)容解決的主要問題解決的主要問題技技術(shù)術(shù)來來源源所處所處階段階段應(yīng)用前景分析應(yīng)用前景分析1新型濃縮連續(xù)等電提取工藝味精行業(yè)本工藝采用新型濃縮連續(xù)等電提取工藝替代傳統(tǒng)味精生產(chǎn)中的等電-離交工藝，對(duì)谷氨酸發(fā)酵液采用連續(xù)等電、二次結(jié)晶與轉(zhuǎn)晶以及噴漿造粒生產(chǎn)復(fù)混肥等技術(shù)，解決味精行業(yè)提取工段產(chǎn)生大量高濃離交廢水的問題，且無高氨氮廢水排放；傳統(tǒng)的谷氨酸提取工藝大多采用等電-離交工藝，即發(fā)酵液直接在低溫條件下等電結(jié)晶，結(jié)晶母液經(jīng)離交回收母液中的谷氨酸。傳統(tǒng)工藝投入設(shè)備多，離交廢水量大；硫酸、液氨消耗量大；自主研發(fā)應(yīng)用階段本技

14、術(shù)實(shí)施后，味精噸產(chǎn)品減少了60%硫酸和30%液氨消耗，且無高氨氮廢水排放，噸產(chǎn)品耗水量可降低20%以上；能耗可降低10%以上；噸產(chǎn)品COD產(chǎn)生量可降低50%左右；2 發(fā)酵母液發(fā)酵母液綜合利用綜合利用新工藝新工藝味精味精行業(yè)行業(yè)本工藝將剩余的結(jié)本工藝將剩余的結(jié)晶母液采用多效蒸晶母液采用多效蒸發(fā)器濃縮，再經(jīng)霧發(fā)器濃縮，再經(jīng)霧化后送入噴漿造?；笏腿雵姖{造粒機(jī)內(nèi)造粒烘干，制機(jī)內(nèi)造粒烘干，制成有機(jī)復(fù)合肥，至成有機(jī)復(fù)合肥，至此發(fā)酵母液完全得此發(fā)酵母液完全得到利用，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵到利用，實(shí)現(xiàn)發(fā)酵母液的零排放。工母液的零排放。工藝中利用非金屬導(dǎo)藝中利用非金屬導(dǎo)電復(fù)合材料的靜電電復(fù)合材料的靜電處理設(shè)備處理噴漿處理設(shè)

15、備處理噴漿造粒過程中產(chǎn)生的造粒過程中產(chǎn)生的具有較強(qiáng)異味的煙具有較強(qiáng)異味的煙氣，處理效率可達(dá)氣，處理效率可達(dá)95%以上。以上。味精生產(chǎn)中提取谷氨味精生產(chǎn)中提取谷氨酸后的發(fā)酵母液有機(jī)酸后的發(fā)酵母液有機(jī)物含量高，酸性大，物含量高，酸性大，處理較困難。本工藝處理較困難。本工藝不但可將剩余發(fā)酵母不但可將剩余發(fā)酵母液完全利用，實(shí)現(xiàn)零液完全利用，實(shí)現(xiàn)零排放，且具有投資小，排放，且具有投資小，生產(chǎn)及運(yùn)行成本低，生產(chǎn)及運(yùn)行成本低，經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。本工藝同時(shí)還解決了本工藝同時(shí)還解決了由噴漿造粒產(chǎn)生的煙由噴漿造粒產(chǎn)生的煙氣的污染問題，具有氣的污染問題，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)顯著的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效

16、益和社會(huì)效益。境效益和社會(huì)效益。自主自主研發(fā)研發(fā)應(yīng)應(yīng)用用階階段段該技術(shù)實(shí)施后味精該技術(shù)實(shí)施后味精噸產(chǎn)品噸產(chǎn)品COD產(chǎn)生量產(chǎn)生量減少約減少約80%，并可，并可產(chǎn)生產(chǎn)生1噸有機(jī)復(fù)合噸有機(jī)復(fù)合肥，增加產(chǎn)值肥，增加產(chǎn)值600元。元。以年產(chǎn)以年產(chǎn)10萬噸味精萬噸味精示范企業(yè)為例：每示范企業(yè)為例：每年可減少年可減少COD產(chǎn)生產(chǎn)生約約6萬噸；生產(chǎn)萬噸；生產(chǎn)10萬噸有機(jī)復(fù)合肥，萬噸有機(jī)復(fù)合肥，增加產(chǎn)值增加產(chǎn)值6000萬元。萬元。全行業(yè)推廣全行業(yè)推廣(按按80%計(jì)算計(jì)算)每年可減少每年可減少COD產(chǎn)生約產(chǎn)生約96萬噸；萬噸；生產(chǎn)生產(chǎn)160萬噸有機(jī)萬噸有機(jī)復(fù)合肥，增加產(chǎn)值復(fù)合肥，增加產(chǎn)值9.6億元。億元。3高性能

17、高性能溫敏型溫敏型菌種定菌種定向選育、向選育、馴化及馴化及發(fā)酵過發(fā)酵過程控制程控制技術(shù)技術(shù)味精味精行業(yè)行業(yè)本技術(shù)利用現(xiàn)代生本技術(shù)利用現(xiàn)代生物學(xué)手段定向改造物學(xué)手段定向改造現(xiàn)有溫度敏感型菌現(xiàn)有溫度敏感型菌種，選育出具有目種，選育出具有目的遺傳性狀、產(chǎn)酸的遺傳性狀、產(chǎn)酸率高的高產(chǎn)菌株，率高的高產(chǎn)菌株，同時(shí)對(duì)高產(chǎn)菌株發(fā)同時(shí)對(duì)高產(chǎn)菌株發(fā)酵生物合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)酵生物合成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行代謝網(wǎng)絡(luò)定量分行代謝網(wǎng)絡(luò)定量分析，結(jié)合發(fā)酵過程析，結(jié)合發(fā)酵過程控制技術(shù)，優(yōu)化發(fā)控制技術(shù)，優(yōu)化發(fā)酵工藝條件，提高酵工藝條件，提高谷氨酸的產(chǎn)酸率和谷氨酸的產(chǎn)酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率，其產(chǎn)糖酸轉(zhuǎn)化率，其產(chǎn)酸率可提高到酸率可提高到現(xiàn)階段味精企業(yè)普遍現(xiàn)階段味精企業(yè)普遍使用生物素亞適量型使用生物素亞適量型菌種，其產(chǎn)酸率和糖菌種，其產(chǎn)酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)酸酸轉(zhuǎn)化率較低，產(chǎn)酸率在率在11%-12%，糖酸，糖酸轉(zhuǎn)化率在轉(zhuǎn)化率在58%-60%。采用本技術(shù)可解決味采用本技術(shù)可解決味精企業(yè)生產(chǎn)中菌種產(chǎn)精企業(yè)生產(chǎn)中菌種產(chǎn)酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率較酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率較低的問題，其產(chǎn)酸率低的問題，其產(chǎn)酸率可達(dá)到可達(dá)到17%-18