第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
谷氨酸分离提取工艺进展
哈志瑞
郭宝芹
陈崇安
孟
银川市
刚
750011）
（宁夏伊品生物科技股份有限公司
摘要：谷氨酸提取是味精生产企业的重要课题，本文从L-谷氨酸提取工艺技术出发，结合谷氨酸
结晶特性论述了近年来的谷氨酸提取工艺进展及今后的发展方向。此外，随着发酵工艺技术的改进以及谷氨酸高产菌株的培育，尤其是谷氨酸温敏菌株的使用，使得发酵产酸不断提高，因此，适合高产酸发酵液提取的工艺路线已经得到了广大谷氨酸生产企业的青睐。
关键词：L-谷氨酸
提取工艺
温敏菌株
The Progression of Glutamic acid Extraction
Abstract ：The Progression of Glutamic acid Extraction Abstract:The extraction of glutamic acid has become the issue for MSG manufacturer. This paper discussed the recent extraction of progress of Glu and the direction of future development from the extraction of Glu and the characteristic of Glu acid crystals. In addition ,with the developments of Glu acid fermentation and the cultivation of high yield Glu acid bacte -ria, especially, the application of temperature-sensitive strains, making the continuous improvement of fer -mentation acid production ,therefore ,the suitable high acid fermentation liquid extraction process route has get the majority of glutamate production favor.
Key words ：L-glutamic acid
Extraction technology Temperature-sensitive mutant
L-谷氨酸(L—glutamic acid) 在食品、医药与工
业方面均有广泛的用途，尤其是在食品方面，是制造味精的前体。自1957年Kinoshita 等人[1][2]创立了微生物发酵法生产谷氨酸以来，迄今已有五十年历史。谷氨酸发酵法生产开创了发酵法氨基酸工业化生产的新纪元，使得发酵法生产氨基酸成为工业微生物最重要的研究领域之一。1964年，我国应用发酵法生产谷氨酸获得成功，并在上海首先采用发酵新工艺投产，之后在国内逐步推广，有力地推动了我国味精工业的崛起[3][4]。2003年中国味精产量118．9×104t ，占世界53％[5]；2006年产量136×
型结晶，为斜方六面结晶体，这种结晶体颗粒大，沉降速度快，易与菌体分离，是理想的结晶。β型结晶，为针状或鳞片状的微细结晶，颗粒小，难以沉降，不易与菌体分离，常与蛋白质等胶体物质粘合在一起，形成似鱼子状颗粒，上浮于罐壁、搅拌轴周围，不仅影响提取收率，而且直接影响精制，带来过滤困难，导致味精杂质增加、纯度降低、透光差等，给生产带来很大的损失。产生β型结晶的原因是多方面的，当发酵异常、发酵液含杂质多、发酵染菌、感染噬菌体以及操作不当等都会导致
β型结晶产生[7][8]。因此，选择合适的提取工艺是提
高谷氨酸提取收率，降低生产成本的必要前提。
104t ，居世界第一[6]。截至2010年，味精产量已到达210×104t 左右，远远领先于其他国家。
从发酵液中提取谷氨酸，不同工艺都有可能使谷氨酸结晶晶型多变，出现α型或β型结晶。α
1谷氨酸的结晶特性
从固体物质的不饱和溶液里析出晶体，一般
—31—
发酵科技通讯
第41卷
要经过下列步骤：不饱和溶液→饱和溶液→过饱和溶液→晶核的发生→晶体生长等过程。目前，大多味精生产企业所采取的间歇等电结晶操作大致可分为五个阶段：
1.1发酵液降温，搅拌加酸将pH 降至介稳区。1.2加晶种搅拌育晶。
1.3继续搅拌加酸调pH 结晶，逐步降至等电点。1.4搅拌降温至4℃～8℃。
1.5
放置养晶，沉降分离，使谷氨酸的溶解度最
低而结晶析出。所以提取工艺的设计应根据谷氨酸的结晶理论来确定。
谷氨酸等电结晶工艺的好坏直接关系味精生产的经济效益，因此各研究单位及厂家都投入了大量的人力物力去进行研究开发，但至今在实际生产中仍存在着很多难以解决的实际问题。研究表明在液相中的谷氨酸分子可以有六种具有不同能量的结构形式存在，这六种分子结构之间的数量比是由温度决定的。当它们由液相分子转化为固体结晶时，将按当时的温度、浓度，杂质等因素的不同以各自的成核和生长速率来决定生成α晶、β晶或γ晶。正是谷氨酸本身性质的这种多样性，再加上发酵过程引入杂质的不稳定性，从而造成生产中等电结晶过程常难于控制。在通常结晶条件下，
Glu 是以三棱锥状的α晶和针羽状的β晶形式结晶的。在纯的Glu 体系中，在液相中运动的Glu 分
子形成β晶时释放出的能量要比形成α晶体多。因此β晶是比α晶更稳定的晶型，它的溶解度也比α晶更低。α晶是能量尚未释放完的过渡晶态，因此它是不稳定的，在一定的温度条件下，放在母液中的α晶会自动转化为β晶，而β晶是不可能自动向α晶转化的。国内外的一些厂家正是利用这一特性，在不消耗任何试剂的情况下，将α晶GIu 转化为β晶，从而得以脱色、脱杂，使后继精制收率提高。尽管β晶是稳定的晶形，但由于其结晶细微，密度小，表面易沾粘胶体杂质，难于固液分离，因此实际生产中必须制备粗壮、密度大、纯度高、易与固液分离的α晶体，尽量避免β晶产生。
2谷氨酸提取工艺
随着味精行业的发展，谷氨酸提取工艺也不
断改进。味精生产厂家多采用的提取工艺主要有：等电-离交法、连续等电-转晶法、低温一次等电法[9]，此外尚有锌盐法、等电-锌盐法[10]、少数工厂—32—
采用膜过滤除菌连续等电-转晶法。以上都是基于谷氨酸结晶特性及结晶晶型等理论研究而采用的分离提取方法。
2.1L-谷氨酸结晶晶型的研究进展
2006年，Jochen Scholl 等[11]使用了确定有机
物反应性沉淀过程的成核动力学的新方法，该方法采用了pH 变换法沉淀混有盐酸的水溶性谷氨酸单钠水溶液中的谷氨酸。在搅拌分批反应器中通过ATR —FTIR 光谱仪监测和FBRM 原位检测技术精确地监测了诱导时间。实验结果表明，
ATR —FTIR 光谱仪适合于监测不同谷氨酸离子
的浓度，当理想的超级饱和状态在反应器中建立时，可用于确定沉淀过程的起始时间，结晶颗粒形成的起始可通过FBRM 检测，沉淀的聚合体使用原位的拉曼光谱和PVM 进行检测，且通过独立检测生长速率与确定成核速率结合起来确定谷氨酸晶体形成的诱导时间。
2007伍浩珉等[12]利用超声波这一能量场对
谷氨酸结晶过程进行了研究，通过对谷氨酸溶液的表面张力和电导率测定, 分析了超声波场影响谷氨酸溶液结晶机理。实验结果表明：超声波可提高谷氨酸溶液的结晶速率, 并可改善谷氨酸晶体颗粒质地。在超声波功率为50w 条件下3min 内谷氨酸结晶速率可达到90%以上，比未经超声波处理同等条件下提高70%。
2010年陈爱强等[13]用不同浓度的蔗糖溶液
制备不同黏度梯度的溶液，考察了黏度对谷氨酸结晶晶型及粒度分布的影响，并通过测定不同黏度条件下谷氨酸结晶诱导期时间及生长速率的变化，探寻了黏度对谷氨酸结晶的影响机理。实验表明，在实验所测的黏度范围(1.00mp·s ～10.30mp ·s) 内，黏度对谷氨酸的晶型基本没有影响，在相同过饱和度下，黏度增加，谷氨酸结晶诱导期时间延长，结晶成核速率减小，谷氨酸晶体的生长速率减小，使得谷氨酸晶体的颗粒直径减小，但晶体粒度分布均匀性略有增加。在工业生产上可以适当地提高结晶温度，以降低溶液的黏度，缩短结晶的诱导期时间，提高晶体的生长速率，使其更有利于谷氨酸的结晶。
2.2离子交换法提取谷氨酸
谷氨酸是两性电解质，它含有可被离子交换
的阳离子（—NH 3+）和阴离子（—COOH -）。阳离子和阴离子树脂都能对它交换吸附。目前国内大部
第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
分厂家都采用等电点-离子交换法提取谷氨酸。该方法是发酵液经等电点法提取谷氨酸以后，再采用单柱或串柱法，将等电母液通过离子交换树脂进行交换，然后用氨水洗脱树脂上的谷氨酸，收集高流分，将其酸化后调下批发酵液等电点，提取谷氨酸。该工艺既可以克服等电点法提取谷氨酸收率低的缺点，又可以减少树脂用量，提取收率在95-
97%，提取回收率比较理想，但存在着下述缺点：2.2.1硫酸及液氨消耗量大，增加了生产成本；2.2.2提取的谷氨酸质量差，硫酸根离子超标，直
接影响到味精的质量；
2.2.3离子交换提取中需大量的酸碱再生树脂洗
脱谷氨酸，树脂的处理中会产生大量污水，对环境造成很大影响。虽然高浓度污水可经浓缩制得复合肥，但低浓度污水的处理难度较大，随着环保工作的要求，该工艺发展前景黯淡。
2.3谷氨酸提取中膜分离技术的应用
目前，国内味精生产厂家通常采用等电沉降
和离子交换相结合的方法。其所产生的COD 、硫酸根、NH3-N(氨氮) 的高浓废水，治理难度大，污染环境严重，为此，国内许多企业和科研机构采取了一些清洁生产方法，如菌体与料液分离，回收菌体蛋白，不仅可以简化后续处理工艺，而且还可以减轻企业污水处理负担。目前分离菌体、残糖杂质的主要方法有离心法、絮凝法、加热法、膜分离法等，综合考虑以膜分离法最为先进。膜分离法效果优劣取决于膜的优选和分离工艺条件的优化。谷氨酸发酵液中的菌体大小为700nm ～1000nm ，比发酵液中同时存在的蛋白质、糖类和胶体分子大得多，可以采用有机或无机膜，利用流体的压力使菌体和溶液分离。
2000年，许赵辉等[14]采用截留分子量为6×104和1×104的卷式超滤膜，去除谷氨酸发酵液中的菌体，同时将发酵液浓缩l0倍，再利用等电法
提取谷氨酸。经超滤后的发酵液等电收率可达到
90.6％。在提高等电收率的同时，菌体的去除还降
低了污水的处理负荷。
2006年，章樟红等[15]采用钛合金膜超滤中试
系统对谷氨酸发酵液进行了除菌体试验研究，结果表明：钛合金膜对菌体的截留率超过99％，谷氨酸损失低于1％；无机钛合金膜除菌体的最佳操作条件为：系统压力为1.0MPa ，pH6.6，表面流速5m ／S ，过滤温度为70℃。膜清洗后通量恢复率
超过98％，可满足生产的需要。
2006年，黄继红等[16]研究了无机钛合金膜除菌体的pH 值、操作压力、膜表面流速、温度等操作条
件对通量的影响；实验表明：钛合金膜对菌体截流率大于99％，膜清洗后通量恢复率始终大于97％。
2.4谷氨酸提取母液的处理技术
我国味精生产基本上以淀粉质和糖质原料通
过发酵法生产，下游提取大都采用冷冻等电或等电离交工艺。冷冻等电工艺谷氨酸提取收率75％
～80％，等电离交工艺可以达到94％以上，但是每生产1t 味精排放10余t 母液，母液中含有2%～5%的湿菌体及蛋白质等固形物，还含有丰富的无机离子及各种有机酸，其SO 42-含量在5％，COD 高达60g ／L ～80g ／L ，属于高浓度有机酸性废水，直接
排放不仅造成资源浪费而且严重污染环境，需对其进行再处理。
2007年，Xiaoyan Zhang 等[17]使用双室阴阳极
膜电渗析(compartmentbipolar membranes electro
dialysis) 和改进的传统电渗析从等电母液中回收谷
氨酸，这两种方法回收谷氨酸均有很高的回收率。等电母液的预处理程度、谷氨酸的起始浓度和操作电压显著影响谷氨酸的平均转化率、平均电流效率和能量消耗。在改进的传统电渗析过程中，能量消耗通过逐步调整操作电流而减小。通过对两种电渗析过程的对比显示，改进的传统电渗析较双室阴阳极膜电渗析更有效，改进的传统电渗析具有较高的谷氨酸回收率和较低的能量消耗。
2008年，卞疆[18]等采用先进的色谱分离技术
处理谷氨酸提取母液。首先制备了一系列大孔丙烯酸甲酯阴离子交换树脂作为分析柱。采用
KNAUER 色谱系统和示差检测器，分离谷氨酸和
葡萄糖。考察了树脂的交换容量、柱温、流速以及发酵液的pH 值对谷氨酸和葡萄糖分离度影响。研究结果表面，控制一定的pH 值及流速，树脂交换容量增大及柱温的升高，母液中谷氨酸的分离度越大。
2011年，古丰等[19]通过实验研究了谷氨酸母
液提取硫酸铵并制备复合肥技术，该技术方案是将谷氨酸母液进行蒸发浓缩；去除菌体后将其中结晶析出的硫酸铵进行重结晶、提纯、分离，制备高纯度的硫酸铵用作化工原料；结晶分离硫酸铵后的废母液，用作加工复合肥原料。开发产品技术含量和附加值大幅度增高，产品质量进一步提高，
—33—
发酵科技通讯
第41卷
实施了清洁生产，实现减排降耗，发展循环经济，达到环境保护和经济增效的双赢目的，是实现味精高浓度废液资源化利用的大势所趋。
3浓缩连续等电提取工艺
随着人们环保意识的加强以及国家“节能减
排”等相关政策的推行，谷氨酸提取工艺也应摆脱高能耗、高污染的阴霾，寻找出一条既能减少排放又能提高收率的提取工艺路线。此外，随着谷氨酸发酵工艺的改进以及优良菌种的选育，使得谷氨酸发酵产酸率不断提高，目前国内外厂家采用的温度敏感菌株已使产酸达到18%以上，现行的等电加离交工艺无法处理高含酸发酵液，也使得发酵工艺受到一定限制。因此，采用能耗低、污染小且可同时处理高浓度和低浓度含酸发酵液的连续等电工艺将是谷氨酸生产厂家今后的发展趋势。此工艺具体工艺路线为：
发酵液
蒸发浓缩
水解母液连续等电
拉冷
一级卧螺分离母液去菌体和肥料
二级卧螺分离
转晶
降温
带式分离
一次母液
水解
湿谷氨酸
该工艺的主要控制点为发酵液经浓缩处理使含酸达到30%左右，然后以一定的流速流加至配置好的底料料罐中，并同时流加硫酸和水解母液，使得底料罐中的pH 值始终保持在3.0～3.2。待流加至底料罐的80%左右时开始溢流，溢流液进入拉冷罐降温。拉冷降温可采用梯度降温和连—34—
续降温，使最终温度降到8℃。拉冷结束后，采用卧螺离心机将固液分离开，得到谷氨酸α型晶体。将此晶体按固形物的一定比例进行转晶处理，然后经带式分离得到最终适合精制生产需要的β型晶体。该工艺的重点和难点是底料罐的配置及连续流加速度的控制，底料罐应选用含酸较低的料液按间歇等电的方式制取，如浓度过高会导致糊罐；流加速度应保持与罐中谷氨酸结晶速度一致，流加过慢或过快都会影响结晶效果和提取收率。
浓缩连续等电工艺与等电离交比较存在以下优点：
3.1低消耗、低污染。取消离交工艺使等电没有
液氨消耗，硫酸消耗也相应降低，同时高浓度废水减少60%以上，减轻了环保压力。
3.2降低料液粘度不易糊罐，利于谷氨酸结晶。3.3
提高谷氨酸纯度，从而为提高味精质量和精
制收率奠定基础。由于采用三级分离，经过水洗，有效除去杂质，谷氨酸纯度达到98%以上。通过引进转晶工艺和使用全转晶中和液，使得精制收率得以提高，同时保证了味精质量。
3.4有效提高设备利用率并降低精制成本。浓缩连续等电工艺采用连续化操作，提取设
备只有离交工艺的1/3，精制使用转晶中和液，易脱色、好过滤，同时缩短了结晶周期，使精制各项消耗大幅度降低。此外，对于温敏菌株发酵而言，由于高菌体量、高生物素、高风量等措施，发酵产酸迅速提高的同时，发酵液中的副产物、培养基残留也迅速升高，尤其是浓缩糖中不可发酵的糖类急剧增加，这些因素导致谷氨酸的溶解度明显升高，介稳区明显变窄，给调酸结晶带来了新的困难，提取表现为收率降低且极易出现β型晶体甚至糊罐。连续等电工艺避开了蛋白质的等电点，介
稳区最宽，而且有大量的α型晶种，因此是解决此难题的理想办法。
4小结
近年来，随着国民经济的发展，我国味精工
业发展很快。据统计，截至2010年中国味精产量已达216×104t 左右，工业总产值达486亿元，高居世界首位。但生产技术水平和国外相比还有很大差距，主要表现在产酸率、转化率、提取收率上。在提取工艺上，国外普遍采用一次用带菌体
第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
(2)：51～53
[6]王宏龄，富春江．中国氨基酸工业现状及发展趋势，生物技术产业，2007，(2)：1
或除菌体浓缩等电点工艺，提取收率为88%～
92%。现日本某些工厂发酵采用温度敏感株生产，产酸18g/dl～22g/dl，转化率68%～72%，后提取工艺应用浓缩连续等电工艺，收率达到94%，其
生产成本远低于国内的各生产厂家，形成较强的竞争优势。而国内大多数厂家采用冷冻等电点加离交提取工艺，虽然提取收率略高，达95%～96%，但其所产生的COD 、硫酸根、氨氮的高浓废水，污染环境严重，治理难度大且费用较高，在很大程度上增加了味精生产成本，制约了我国味精行业和谷氨酸生产进入良性的可持续发展轨道。此外，随着发酵技术的改进以及谷氨酸高产菌株的培育，使得发酵产酸不断提高。因此，作为可处理高产酸发酵液、可实现连续化操作并适应国家“节能减排”政策的浓缩连续等电点工艺优势已越来越明显，必将得到国内众多味精生产厂家的青睐。参考文献：
[1]Kinoshita，S ．，Udaka ，S ．，Shimon0，M ．Studies on the amino acid fermentation ．I ．Product ion of L ．glutamic acid by variOHS microor -ganisms ，J ．Gen ．Appl Microbi 01．3(1957)193～205[2]Udaka，S ．Screening method Bacteri01．79(1960)754～75
[3]袁平坦．谷氨酸菌种选育的进展及其回顾，发酵科技通讯，2001，29(1)：15～20
[4]冯容保，谷氨酸发酵40周年纪念带动国内氨基酸的开发，发酵科技通讯，2006，35：27～28
[7]林瑾琳．谷氨酸β-型结晶的研究，发酵科技通讯，1989，18(4)：27～29
[8]晏承富．反调pH 值提取谷氨酸探讨，发酵科技通讯，2003，32(4)：1～2
[9]张克旭．等电法提取谷氨酸，发酵科技通讯，l981：22～31[10]张克旭．锌盐法提取谷氨酸，发酵科技通讯，l981：14～18[11]JochenScholl ，Lars Vicum ，Mart in Muller ，Marco Mazzotti ．Precipitation of L ～Glutamic Acid ：Determination of Nucleation Kinetics ，Chem ．Eng ．Yechn01．29(2006)257～264
[12]伍浩珉，宋金凤，冯颖韬，刘世锋，邹长军. 超声波对谷氨酸结晶过程影响的研究，氨基酸和生物资源，2007．15(7)：104～106
[13]陈爱强，张建华，张宏建，毛忠贵．晶浆黏度对谷氨酸结晶晶习及粒度分布的影响，食品与发酵
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 工业，2010，36(10)：1～5
[14]许赵辉，王焕章，赵亮，李红兵，刘忠洲．超滤膜除谷氨酸发酵液中菌体对等电提取收率的影响，膜科学与技术，2000，20(3)：
62～64
[15]章樟红，刘小红，叶微微，樊明涛，严龙飞．谷氨酸生产中膜分离技术的应用研究．中国酿造．2006．158(5)：52～55
[16]黄继红，张鹰，章勤，杨公明，王岁楼．无机膜分离谷氨酸菌体应用技术研究，发酵科技通讯，2006，35(3)：9～12
for microorganisms accumulating
metabolites arits use in the isolation of Micrococcus glutamic ，J ．
[17]XiaoyanZhang ，Wenhua Lu ，Hongyan Ren ，Wei Cong ．Recov -
ery of glutamic acid from iso electric supernatant using electro dialysis ，Separation and Purification Technology 55(2007)274～280[18]卞疆，彭奇均．色谱法分离谷氨酸和葡萄糖，光谱实验室，2008，25(6)：1163～1165
[19]古丰，刘云燕．谷氨酸母液提取硫酸铵并制备复合肥技术研究，发酵科技通讯，2011，40(2)：16～18
[5]郑芸岭．世界味精市场及安全性综述，发酵科技通讯，2006，35
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
通
下列专家为本刊第四届编辑委员会委员：
知
为提高本刊水平，争创国际一流期刊需要，经研究，决定分期分批调整部分编委成员，增补吴松刚：福建麦丹生物集团福州研究中心首席科学家宋金虎：甘肃蓝科石化高新装备股份公司教授级高工斯
波：成都乐客食品技术开发公司技术顾问
并欢迎各单位积极推荐有真才实学、通晓行业技术、富有文字功底，能积极写稿，热心组稿的专家加入本刊编委会行列。同时由于近年各单位人事调整等因素，有的编委已调离原工作岗位或已离开发酵行业，希望有关单位领导主动来电、来函提出调整名单。
《发酵科技通讯》编辑部
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
—35—
第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
谷氨酸分离提取工艺进展
哈志瑞
郭宝芹
陈崇安
孟
银川市
刚
750011）
（宁夏伊品生物科技股份有限公司
摘要：谷氨酸提取是味精生产企业的重要课题，本文从L-谷氨酸提取工艺技术出发，结合谷氨酸
结晶特性论述了近年来的谷氨酸提取工艺进展及今后的发展方向。此外，随着发酵工艺技术的改进以及谷氨酸高产菌株的培育，尤其是谷氨酸温敏菌株的使用，使得发酵产酸不断提高，因此，适合高产酸发酵液提取的工艺路线已经得到了广大谷氨酸生产企业的青睐。
关键词：L-谷氨酸
提取工艺
温敏菌株
The Progression of Glutamic acid Extraction
Abstract ：The Progression of Glutamic acid Extraction Abstract:The extraction of glutamic acid has become the issue for MSG manufacturer. This paper discussed the recent extraction of progress of Glu and the direction of future development from the extraction of Glu and the characteristic of Glu acid crystals. In addition ,with the developments of Glu acid fermentation and the cultivation of high yield Glu acid bacte -ria, especially, the application of temperature-sensitive strains, making the continuous improvement of fer -mentation acid production ,therefore ,the suitable high acid fermentation liquid extraction process route has get the majority of glutamate production favor.
Key words ：L-glutamic acid
Extraction technology Temperature-sensitive mutant
L-谷氨酸(L—glutamic acid) 在食品、医药与工
业方面均有广泛的用途，尤其是在食品方面，是制造味精的前体。自1957年Kinoshita 等人[1][2]创立了微生物发酵法生产谷氨酸以来，迄今已有五十年历史。谷氨酸发酵法生产开创了发酵法氨基酸工业化生产的新纪元，使得发酵法生产氨基酸成为工业微生物最重要的研究领域之一。1964年，我国应用发酵法生产谷氨酸获得成功，并在上海首先采用发酵新工艺投产，之后在国内逐步推广，有力地推动了我国味精工业的崛起[3][4]。2003年中国味精产量118．9×104t ，占世界53％[5]；2006年产量136×
型结晶，为斜方六面结晶体，这种结晶体颗粒大，沉降速度快，易与菌体分离，是理想的结晶。β型结晶，为针状或鳞片状的微细结晶，颗粒小，难以沉降，不易与菌体分离，常与蛋白质等胶体物质粘合在一起，形成似鱼子状颗粒，上浮于罐壁、搅拌轴周围，不仅影响提取收率，而且直接影响精制，带来过滤困难，导致味精杂质增加、纯度降低、透光差等，给生产带来很大的损失。产生β型结晶的原因是多方面的，当发酵异常、发酵液含杂质多、发酵染菌、感染噬菌体以及操作不当等都会导致
β型结晶产生[7][8]。因此，选择合适的提取工艺是提
高谷氨酸提取收率，降低生产成本的必要前提。
104t ，居世界第一[6]。截至2010年，味精产量已到达210×104t 左右，远远领先于其他国家。
从发酵液中提取谷氨酸，不同工艺都有可能使谷氨酸结晶晶型多变，出现α型或β型结晶。α
1谷氨酸的结晶特性
从固体物质的不饱和溶液里析出晶体，一般
—31—
发酵科技通讯
第41卷
要经过下列步骤：不饱和溶液→饱和溶液→过饱和溶液→晶核的发生→晶体生长等过程。目前，大多味精生产企业所采取的间歇等电结晶操作大致可分为五个阶段：
1.1发酵液降温，搅拌加酸将pH 降至介稳区。1.2加晶种搅拌育晶。
1.3继续搅拌加酸调pH 结晶，逐步降至等电点。1.4搅拌降温至4℃～8℃。
1.5
放置养晶，沉降分离，使谷氨酸的溶解度最
低而结晶析出。所以提取工艺的设计应根据谷氨酸的结晶理论来确定。
谷氨酸等电结晶工艺的好坏直接关系味精生产的经济效益，因此各研究单位及厂家都投入了大量的人力物力去进行研究开发，但至今在实际生产中仍存在着很多难以解决的实际问题。研究表明在液相中的谷氨酸分子可以有六种具有不同能量的结构形式存在，这六种分子结构之间的数量比是由温度决定的。当它们由液相分子转化为固体结晶时，将按当时的温度、浓度，杂质等因素的不同以各自的成核和生长速率来决定生成α晶、β晶或γ晶。正是谷氨酸本身性质的这种多样性，再加上发酵过程引入杂质的不稳定性，从而造成生产中等电结晶过程常难于控制。在通常结晶条件下，
Glu 是以三棱锥状的α晶和针羽状的β晶形式结晶的。在纯的Glu 体系中，在液相中运动的Glu 分
子形成β晶时释放出的能量要比形成α晶体多。因此β晶是比α晶更稳定的晶型，它的溶解度也比α晶更低。α晶是能量尚未释放完的过渡晶态，因此它是不稳定的，在一定的温度条件下，放在母液中的α晶会自动转化为β晶，而β晶是不可能自动向α晶转化的。国内外的一些厂家正是利用这一特性，在不消耗任何试剂的情况下，将α晶GIu 转化为β晶，从而得以脱色、脱杂，使后继精制收率提高。尽管β晶是稳定的晶形，但由于其结晶细微，密度小，表面易沾粘胶体杂质，难于固液分离，因此实际生产中必须制备粗壮、密度大、纯度高、易与固液分离的α晶体，尽量避免β晶产生。
2谷氨酸提取工艺
随着味精行业的发展，谷氨酸提取工艺也不
断改进。味精生产厂家多采用的提取工艺主要有：等电-离交法、连续等电-转晶法、低温一次等电法[9]，此外尚有锌盐法、等电-锌盐法[10]、少数工厂—32—
采用膜过滤除菌连续等电-转晶法。以上都是基于谷氨酸结晶特性及结晶晶型等理论研究而采用的分离提取方法。
2.1L-谷氨酸结晶晶型的研究进展
2006年，Jochen Scholl 等[11]使用了确定有机
物反应性沉淀过程的成核动力学的新方法，该方法采用了pH 变换法沉淀混有盐酸的水溶性谷氨酸单钠水溶液中的谷氨酸。在搅拌分批反应器中通过ATR —FTIR 光谱仪监测和FBRM 原位检测技术精确地监测了诱导时间。实验结果表明，
ATR —FTIR 光谱仪适合于监测不同谷氨酸离子
的浓度，当理想的超级饱和状态在反应器中建立时，可用于确定沉淀过程的起始时间，结晶颗粒形成的起始可通过FBRM 检测，沉淀的聚合体使用原位的拉曼光谱和PVM 进行检测，且通过独立检测生长速率与确定成核速率结合起来确定谷氨酸晶体形成的诱导时间。
2007伍浩珉等[12]利用超声波这一能量场对
谷氨酸结晶过程进行了研究，通过对谷氨酸溶液的表面张力和电导率测定, 分析了超声波场影响谷氨酸溶液结晶机理。实验结果表明：超声波可提高谷氨酸溶液的结晶速率, 并可改善谷氨酸晶体颗粒质地。在超声波功率为50w 条件下3min 内谷氨酸结晶速率可达到90%以上，比未经超声波处理同等条件下提高70%。
2010年陈爱强等[13]用不同浓度的蔗糖溶液
制备不同黏度梯度的溶液，考察了黏度对谷氨酸结晶晶型及粒度分布的影响，并通过测定不同黏度条件下谷氨酸结晶诱导期时间及生长速率的变化，探寻了黏度对谷氨酸结晶的影响机理。实验表明，在实验所测的黏度范围(1.00mp·s ～10.30mp ·s) 内，黏度对谷氨酸的晶型基本没有影响，在相同过饱和度下，黏度增加，谷氨酸结晶诱导期时间延长，结晶成核速率减小，谷氨酸晶体的生长速率减小，使得谷氨酸晶体的颗粒直径减小，但晶体粒度分布均匀性略有增加。在工业生产上可以适当地提高结晶温度，以降低溶液的黏度，缩短结晶的诱导期时间，提高晶体的生长速率，使其更有利于谷氨酸的结晶。
2.2离子交换法提取谷氨酸
谷氨酸是两性电解质，它含有可被离子交换
的阳离子（—NH 3+）和阴离子（—COOH -）。阳离子和阴离子树脂都能对它交换吸附。目前国内大部
第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
分厂家都采用等电点-离子交换法提取谷氨酸。该方法是发酵液经等电点法提取谷氨酸以后，再采用单柱或串柱法，将等电母液通过离子交换树脂进行交换，然后用氨水洗脱树脂上的谷氨酸，收集高流分，将其酸化后调下批发酵液等电点，提取谷氨酸。该工艺既可以克服等电点法提取谷氨酸收率低的缺点，又可以减少树脂用量，提取收率在95-
97%，提取回收率比较理想，但存在着下述缺点：2.2.1硫酸及液氨消耗量大，增加了生产成本；2.2.2提取的谷氨酸质量差，硫酸根离子超标，直
接影响到味精的质量；
2.2.3离子交换提取中需大量的酸碱再生树脂洗
脱谷氨酸，树脂的处理中会产生大量污水，对环境造成很大影响。虽然高浓度污水可经浓缩制得复合肥，但低浓度污水的处理难度较大，随着环保工作的要求，该工艺发展前景黯淡。
2.3谷氨酸提取中膜分离技术的应用
目前，国内味精生产厂家通常采用等电沉降
和离子交换相结合的方法。其所产生的COD 、硫酸根、NH3-N(氨氮) 的高浓废水，治理难度大，污染环境严重，为此，国内许多企业和科研机构采取了一些清洁生产方法，如菌体与料液分离，回收菌体蛋白，不仅可以简化后续处理工艺，而且还可以减轻企业污水处理负担。目前分离菌体、残糖杂质的主要方法有离心法、絮凝法、加热法、膜分离法等，综合考虑以膜分离法最为先进。膜分离法效果优劣取决于膜的优选和分离工艺条件的优化。谷氨酸发酵液中的菌体大小为700nm ～1000nm ，比发酵液中同时存在的蛋白质、糖类和胶体分子大得多，可以采用有机或无机膜，利用流体的压力使菌体和溶液分离。
2000年，许赵辉等[14]采用截留分子量为6×104和1×104的卷式超滤膜，去除谷氨酸发酵液中的菌体，同时将发酵液浓缩l0倍，再利用等电法
提取谷氨酸。经超滤后的发酵液等电收率可达到
90.6％。在提高等电收率的同时，菌体的去除还降
低了污水的处理负荷。
2006年，章樟红等[15]采用钛合金膜超滤中试
系统对谷氨酸发酵液进行了除菌体试验研究，结果表明：钛合金膜对菌体的截留率超过99％，谷氨酸损失低于1％；无机钛合金膜除菌体的最佳操作条件为：系统压力为1.0MPa ，pH6.6，表面流速5m ／S ，过滤温度为70℃。膜清洗后通量恢复率
超过98％，可满足生产的需要。
2006年，黄继红等[16]研究了无机钛合金膜除菌体的pH 值、操作压力、膜表面流速、温度等操作条
件对通量的影响；实验表明：钛合金膜对菌体截流率大于99％，膜清洗后通量恢复率始终大于97％。
2.4谷氨酸提取母液的处理技术
我国味精生产基本上以淀粉质和糖质原料通
过发酵法生产，下游提取大都采用冷冻等电或等电离交工艺。冷冻等电工艺谷氨酸提取收率75％
～80％，等电离交工艺可以达到94％以上，但是每生产1t 味精排放10余t 母液，母液中含有2%～5%的湿菌体及蛋白质等固形物，还含有丰富的无机离子及各种有机酸，其SO 42-含量在5％，COD 高达60g ／L ～80g ／L ，属于高浓度有机酸性废水，直接
排放不仅造成资源浪费而且严重污染环境，需对其进行再处理。
2007年，Xiaoyan Zhang 等[17]使用双室阴阳极
膜电渗析(compartmentbipolar membranes electro
dialysis) 和改进的传统电渗析从等电母液中回收谷
氨酸，这两种方法回收谷氨酸均有很高的回收率。等电母液的预处理程度、谷氨酸的起始浓度和操作电压显著影响谷氨酸的平均转化率、平均电流效率和能量消耗。在改进的传统电渗析过程中，能量消耗通过逐步调整操作电流而减小。通过对两种电渗析过程的对比显示，改进的传统电渗析较双室阴阳极膜电渗析更有效，改进的传统电渗析具有较高的谷氨酸回收率和较低的能量消耗。
2008年，卞疆[18]等采用先进的色谱分离技术
处理谷氨酸提取母液。首先制备了一系列大孔丙烯酸甲酯阴离子交换树脂作为分析柱。采用
KNAUER 色谱系统和示差检测器，分离谷氨酸和
葡萄糖。考察了树脂的交换容量、柱温、流速以及发酵液的pH 值对谷氨酸和葡萄糖分离度影响。研究结果表面，控制一定的pH 值及流速，树脂交换容量增大及柱温的升高，母液中谷氨酸的分离度越大。
2011年，古丰等[19]通过实验研究了谷氨酸母
液提取硫酸铵并制备复合肥技术，该技术方案是将谷氨酸母液进行蒸发浓缩；去除菌体后将其中结晶析出的硫酸铵进行重结晶、提纯、分离，制备高纯度的硫酸铵用作化工原料；结晶分离硫酸铵后的废母液，用作加工复合肥原料。开发产品技术含量和附加值大幅度增高，产品质量进一步提高，
—33—
发酵科技通讯
第41卷
实施了清洁生产，实现减排降耗，发展循环经济，达到环境保护和经济增效的双赢目的，是实现味精高浓度废液资源化利用的大势所趋。
3浓缩连续等电提取工艺
随着人们环保意识的加强以及国家“节能减
排”等相关政策的推行，谷氨酸提取工艺也应摆脱高能耗、高污染的阴霾，寻找出一条既能减少排放又能提高收率的提取工艺路线。此外，随着谷氨酸发酵工艺的改进以及优良菌种的选育，使得谷氨酸发酵产酸率不断提高，目前国内外厂家采用的温度敏感菌株已使产酸达到18%以上，现行的等电加离交工艺无法处理高含酸发酵液，也使得发酵工艺受到一定限制。因此，采用能耗低、污染小且可同时处理高浓度和低浓度含酸发酵液的连续等电工艺将是谷氨酸生产厂家今后的发展趋势。此工艺具体工艺路线为：
发酵液
蒸发浓缩
水解母液连续等电
拉冷
一级卧螺分离母液去菌体和肥料
二级卧螺分离
转晶
降温
带式分离
一次母液
水解
湿谷氨酸
该工艺的主要控制点为发酵液经浓缩处理使含酸达到30%左右，然后以一定的流速流加至配置好的底料料罐中，并同时流加硫酸和水解母液，使得底料罐中的pH 值始终保持在3.0～3.2。待流加至底料罐的80%左右时开始溢流，溢流液进入拉冷罐降温。拉冷降温可采用梯度降温和连—34—
续降温，使最终温度降到8℃。拉冷结束后，采用卧螺离心机将固液分离开，得到谷氨酸α型晶体。将此晶体按固形物的一定比例进行转晶处理，然后经带式分离得到最终适合精制生产需要的β型晶体。该工艺的重点和难点是底料罐的配置及连续流加速度的控制，底料罐应选用含酸较低的料液按间歇等电的方式制取，如浓度过高会导致糊罐；流加速度应保持与罐中谷氨酸结晶速度一致，流加过慢或过快都会影响结晶效果和提取收率。
浓缩连续等电工艺与等电离交比较存在以下优点：
3.1低消耗、低污染。取消离交工艺使等电没有
液氨消耗，硫酸消耗也相应降低，同时高浓度废水减少60%以上，减轻了环保压力。
3.2降低料液粘度不易糊罐，利于谷氨酸结晶。3.3
提高谷氨酸纯度，从而为提高味精质量和精
制收率奠定基础。由于采用三级分离，经过水洗，有效除去杂质，谷氨酸纯度达到98%以上。通过引进转晶工艺和使用全转晶中和液，使得精制收率得以提高，同时保证了味精质量。
3.4有效提高设备利用率并降低精制成本。浓缩连续等电工艺采用连续化操作，提取设
备只有离交工艺的1/3，精制使用转晶中和液，易脱色、好过滤，同时缩短了结晶周期，使精制各项消耗大幅度降低。此外，对于温敏菌株发酵而言，由于高菌体量、高生物素、高风量等措施，发酵产酸迅速提高的同时，发酵液中的副产物、培养基残留也迅速升高，尤其是浓缩糖中不可发酵的糖类急剧增加，这些因素导致谷氨酸的溶解度明显升高，介稳区明显变窄，给调酸结晶带来了新的困难，提取表现为收率降低且极易出现β型晶体甚至糊罐。连续等电工艺避开了蛋白质的等电点，介
稳区最宽，而且有大量的α型晶种，因此是解决此难题的理想办法。
4小结
近年来，随着国民经济的发展，我国味精工
业发展很快。据统计，截至2010年中国味精产量已达216×104t 左右，工业总产值达486亿元，高居世界首位。但生产技术水平和国外相比还有很大差距，主要表现在产酸率、转化率、提取收率上。在提取工艺上，国外普遍采用一次用带菌体
第41卷第2期2012年4月
发酵科技通讯
(2)：51～53
[6]王宏龄，富春江．中国氨基酸工业现状及发展趋势，生物技术产业，2007，(2)：1
或除菌体浓缩等电点工艺，提取收率为88%～
92%。现日本某些工厂发酵采用温度敏感株生产，产酸18g/dl～22g/dl，转化率68%～72%，后提取工艺应用浓缩连续等电工艺，收率达到94%，其
生产成本远低于国内的各生产厂家，形成较强的竞争优势。而国内大多数厂家采用冷冻等电点加离交提取工艺，虽然提取收率略高，达95%～96%，但其所产生的COD 、硫酸根、氨氮的高浓废水，污染环境严重，治理难度大且费用较高，在很大程度上增加了味精生产成本，制约了我国味精行业和谷氨酸生产进入良性的可持续发展轨道。此外，随着发酵技术的改进以及谷氨酸高产菌株的培育，使得发酵产酸不断提高。因此，作为可处理高产酸发酵液、可实现连续化操作并适应国家“节能减排”政策的浓缩连续等电点工艺优势已越来越明显，必将得到国内众多味精生产厂家的青睐。参考文献：
[1]Kinoshita，S ．，Udaka ，S ．，Shimon0，M ．Studies on the amino acid fermentation ．I ．Product ion of L ．glutamic acid by variOHS microor -ganisms ，J ．Gen ．Appl Microbi 01．3(1957)193～205[2]Udaka，S ．Screening method Bacteri01．79(1960)754～75
[3]袁平坦．谷氨酸菌种选育的进展及其回顾，发酵科技通讯，2001，29(1)：15～20
[4]冯容保，谷氨酸发酵40周年纪念带动国内氨基酸的开发，发酵科技通讯，2006，35：27～28
[7]林瑾琳．谷氨酸β-型结晶的研究，发酵科技通讯，1989，18(4)：27～29
[8]晏承富．反调pH 值提取谷氨酸探讨，发酵科技通讯，2003，32(4)：1～2
[9]张克旭．等电法提取谷氨酸，发酵科技通讯，l981：22～31[10]张克旭．锌盐法提取谷氨酸，发酵科技通讯，l981：14～18[11]JochenScholl ，Lars Vicum ，Mart in Muller ，Marco Mazzotti ．Precipitation of L ～Glutamic Acid ：Determination of Nucleation Kinetics ，Chem ．Eng ．Yechn01．29(2006)257～264
[12]伍浩珉，宋金凤，冯颖韬，刘世锋，邹长军. 超声波对谷氨酸结晶过程影响的研究，氨基酸和生物资源，2007．15(7)：104～106
[13]陈爱强，张建华，张宏建，毛忠贵．晶浆黏度对谷氨酸结晶晶习及粒度分布的影响，食品与发酵
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com 工业，2010，36(10)：1～5
[14]许赵辉，王焕章，赵亮，李红兵，刘忠洲．超滤膜除谷氨酸发酵液中菌体对等电提取收率的影响，膜科学与技术，2000，20(3)：
62～64
[15]章樟红，刘小红，叶微微，樊明涛，严龙飞．谷氨酸生产中膜分离技术的应用研究．中国酿造．2006．158(5)：52～55
[16]黄继红，张鹰，章勤，杨公明，王岁楼．无机膜分离谷氨酸菌体应用技术研究，发酵科技通讯，2006，35(3)：9～12
for microorganisms accumulating
metabolites arits use in the isolation of Micrococcus glutamic ，J ．
[17]XiaoyanZhang ，Wenhua Lu ，Hongyan Ren ，Wei Cong ．Recov -
ery of glutamic acid from iso electric supernatant using electro dialysis ，Separation and Purification Technology 55(2007)274～280[18]卞疆，彭奇均．色谱法分离谷氨酸和葡萄糖，光谱实验室，2008，25(6)：1163～1165
[19]古丰，刘云燕．谷氨酸母液提取硫酸铵并制备复合肥技术研究，发酵科技通讯，2011，40(2)：16～18
[5]郑芸岭．世界味精市场及安全性综述，发酵科技通讯，2006，35
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! "
通
下列专家为本刊第四届编辑委员会委员：
知
为提高本刊水平，争创国际一流期刊需要，经研究，决定分期分批调整部分编委成员，增补吴松刚：福建麦丹生物集团福州研究中心首席科学家宋金虎：甘肃蓝科石化高新装备股份公司教授级高工斯
波：成都乐客食品技术开发公司技术顾问
并欢迎各单位积极推荐有真才实学、通晓行业技术、富有文字功底，能积极写稿，热心组稿的专家加入本刊编委会行列。同时由于近年各单位人事调整等因素，有的编委已调离原工作岗位或已离开发酵行业，希望有关单位领导主动来电、来函提出调整名单。
《发酵科技通讯》编辑部
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! "
—35—