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第十章第十章 氨基酸生产工艺氨基酸生产工艺p208-214本章内容本章内容：第一节第一节 概述概述第二节第二节 氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制第三节第三节 氨基酸发酵的工艺控制氨基酸发酵的工艺控制第四节第四节 谷氨酸生产工艺谷氨酸生产工艺目的要求：熟悉谷氨酸生产的流程熟悉谷氨酸生产的流程了解氨基酸生产代谢控制的方法了解氨基酸生产代谢控制的方法第一节第一节 概概 述述氨基酸是构成蛋白质的基本成分。氨基酸是构成蛋白质的基本成分。目前世界上可用发酵法生产氨基酸有目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。多种。氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸amino acidamino acid：含有氨基和羧：含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。基的一类有机化合物的通称。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物，氨基一般连在有机化合物，氨基一般连在-碳上。碳上。侧链不同，氨基酸的性质不同。侧链不同，氨基酸的性质不同。氨基酸的用途氨基酸的用途1.1.食品工业食品工业强化食品强化食品:赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦中。中。增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸。增鲜剂：谷氨酸单钠和天冬氨酸。苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂肽甜味剂-天冬酰苯丙氨酸甲酯，此天冬酰苯丙氨酸甲酯，此产品产品19811981年获年获FDAFDA批准批准,现在每年产量已达现在每年产量已达数万吨。数万吨。2.2.2.2.饲料工业饲料工业饲料工业饲料工业甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料。甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料。甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料。甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料。3.3.3.3.医药工业医药工业医药工业医药工业多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢多种复合氨基酸制剂可通过输液治疗营养或代谢失调失调失调失调 。苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。骨髓肿瘤治疗有效，且副作用低。4.4.4.4.化学工业化学工业化学工业化学工业谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。以谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。以谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。以谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。以及在化装品中的应用。及在化装品中的应用。及在化装品中的应用。及在化装品中的应用。5.5.5.5.农业农业农业农业杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、脱叶剂。脱叶剂。脱叶剂。脱叶剂。应用新领域的扩展药物合成原料药物合成原料氨基酸盐氨基酸盐多聚氨基酸应用于食品包装、保鲜剂、多聚氨基酸应用于食品包装、保鲜剂、日用洗涤剂等日用洗涤剂等氨基酸鳌合剂应用于日用化工、洗涤、氨基酸鳌合剂应用于日用化工、洗涤、照相显影剂照相显影剂氨基酸塑料作为超导材料等氨基酸塑料作为超导材料等氨基酸的生产方法氨基酸的生产方法目前绝大多数应用发酵法或酶法生产。极少数为天然提取或化学合成法生产。发酵法：发酵法：直接发酵法：直接发酵法：野生菌株发酵野生菌株发酵营养缺陷型突变发酵营养缺陷型突变发酵抗氨基酸结构类似物突变株发酵抗氨基酸结构类似物突变株发酵抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型菌株发酵菌株发酵营养缺陷型回复突变株发酵营养缺陷型回复突变株发酵添加前体法添加前体法主要菌种：谷氨酸棒杆菌谷氨酸棒杆菌谷氨酸棒杆菌谷氨酸棒杆菌黄色短杆菌黄色短杆菌黄色短杆菌黄色短杆菌乳糖发酵短杆菌乳糖发酵短杆菌乳糖发酵短杆菌乳糖发酵短杆菌短芽孢杆菌短芽孢杆菌短芽孢杆菌短芽孢杆菌粘质赛式杆菌粘质赛式杆菌粘质赛式杆菌粘质赛式杆菌还有采用基因工程菌进行生产的还有采用基因工程菌进行生产的还有采用基因工程菌进行生产的还有采用基因工程菌进行生产的往往是生物素缺陷型，也有些是氨基酸缺陷型。往往是生物素缺陷型，也有些是氨基酸缺陷型。往往是生物素缺陷型，也有些是氨基酸缺陷型。往往是生物素缺陷型，也有些是氨基酸缺陷型。酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸。氨基酸。氨基酸。氨基酸。提取法：蛋白质水解，从水解液中提取。胱氨酸、提取法：蛋白质水解，从水解液中提取。胱氨酸、提取法：蛋白质水解，从水解液中提取。胱氨酸、提取法：蛋白质水解，从水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸半胱氨酸和酪氨酸半胱氨酸和酪氨酸半胱氨酸和酪氨酸合成法：合成法：合成法：合成法：DL-DL-DL-DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。酸。酸。酸。传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本高，工艺复杂，难以到达工业化生产的目的。成本高，工艺复杂，难以到达工业化生产的目的。成本高，工艺复杂，难以到达工业化生产的目的。成本高，工艺复杂，难以到达工业化生产的目的。国外生产概况国外生产概况氨基酸的制造始于氨基酸的制造始于1820年，蛋白质酸水解年，蛋白质酸水解生产氨基酸。生产氨基酸。1850年化学合成氨基酸。年化学合成氨基酸。1956年别离到谷氨酸棒状杆菌，年别离到谷氨酸棒状杆菌，采用微采用微生物发酵法工业化生产谷氨酸成功。生物发酵法工业化生产谷氨酸成功。1957年生产谷氨酸钠味精商业化，从年生产谷氨酸钠味精商业化，从此推动了氨基酸生产的大开展。此推动了氨基酸生产的大开展。生产氨基酸的大国为生产氨基酸的大国为生产氨基酸的大国为生产氨基酸的大国为 和德国。和德国。和德国。和德国。的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸，基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸，基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸，基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸，可直接用于输液制剂的生产。可直接用于输液制剂的生产。可直接用于输液制剂的生产。可直接用于输液制剂的生产。在在在在 、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家，生、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家，生、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家，生、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家，生产氨基酸和天冬甜精等衍生物。产氨基酸和天冬甜精等衍生物。产氨基酸和天冬甜精等衍生物。产氨基酸和天冬甜精等衍生物。氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量的的的的75757575，其次为赖氨酸，占产量，其次为赖氨酸，占产量，其次为赖氨酸，占产量，其次为赖氨酸，占产量10101010，其他约占，其他约占，其他约占，其他约占15151515。发酵生产的原料国外谷氨酸采用甘蔗糖蜜或淀粉水解糖为国外谷氨酸采用甘蔗糖蜜或淀粉水解糖为原料的强制发酵工艺，产酸率原料的强制发酵工艺，产酸率1315，糖酸转化率糖酸转化率5060；国内采用淀粉水解糖或甜菜糖蜜为原料生国内采用淀粉水解糖或甜菜糖蜜为原料生物素亚适量发酵工艺，产酸率物素亚适量发酵工艺，产酸率10，转化，转化率率60。我国氨基酸生产情况我国氨基酸生产情况20202020世纪世纪世纪世纪80808080年代年代年代年代50505050种左右，种左右，种左右，种左右，80808080年代年代年代年代400400400400种，目前种，目前种，目前种，目前1000100010001000多种，其中药物类已经到达多种，其中药物类已经到达多种，其中药物类已经到达多种，其中药物类已经到达100100100100多种。目前产量已多种。目前产量已多种。目前产量已多种。目前产量已达上百万达上百万达上百万达上百万t t t t，产值超过百亿美元。，产值超过百亿美元。，产值超过百亿美元。，产值超过百亿美元。菌种改进和新工艺开发，促进了中国氨基酸产业开菌种改进和新工艺开发，促进了中国氨基酸产业开菌种改进和新工艺开发，促进了中国氨基酸产业开菌种改进和新工艺开发，促进了中国氨基酸产业开展，应用于输液的展，应用于输液的展，应用于输液的展，应用于输液的18181818种氨基酸原料只有丝氨酸和色种氨基酸原料只有丝氨酸和色种氨基酸原料只有丝氨酸和色种氨基酸原料只有丝氨酸和色氨酸不能工业化生产仍需进口外，其余氨酸不能工业化生产仍需进口外，其余氨酸不能工业化生产仍需进口外，其余氨酸不能工业化生产仍需进口外，其余16161616种均已投种均已投种均已投种均已投产，国产化产，国产化产，国产化产，国产化80808080以上。以上。以上。以上。氨基酸原料生产企业约氨基酸原料生产企业约氨基酸原料生产企业约氨基酸原料生产企业约20202020多家，制剂生产企业多家，制剂生产企业多家，制剂生产企业多家，制剂生产企业30303030多多多多家。甘氨酸家。甘氨酸家。甘氨酸家。甘氨酸3000300030003000多吨，赖氨酸及其盐酸盐约多吨，赖氨酸及其盐酸盐约多吨，赖氨酸及其盐酸盐约多吨，赖氨酸及其盐酸盐约1000100010001000吨，吨，吨，吨，天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等几百吨。几百吨。几百吨。几百吨。谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。氨基酸发酵氨氨基基酸酸发发酵酵：就就是是以以糖糖类类和和铵铵盐盐为为主主要要原原料料的的培培养养基基中中培培养养微微生生物物，积积累累特特定定的的氨氨基酸。基酸。这这些些方方法法成成立立的的一一个个重重要要原原因因是是使使用用选选育育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。成的氨基酸生物合成高能力的菌株。第二节第二节 氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵的代谢控制控制发酵的条件控制发酵的条件控制细胞渗透性控制细胞渗透性控制旁路代谢控制旁路代谢降低反响作用物的浓度降低反响作用物的浓度消除终产物的反响抑制与阻遏作用消除终产物的反响抑制与阻遏作用促进促进ATPATP的积累，以利氨基酸的生物合成的积累，以利氨基酸的生物合成第三节第三节 氨基酸发酵的工艺控制氨基酸发酵的工艺控制p209-210培养基培养基温度温度pH氧氧一、培养基一、培养基1、碳源、碳源作用：构成菌体、合成氨基酸的骨架及能量来作用：构成菌体、合成氨基酸的骨架及能量来源。源。种类：淀粉水解糖、糖蜜种类：淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烃 碳源浓度过高时，对菌体生长不利，氨基酸的转化率降低。菌种性质、生产氨基酸种类和所采用的发酵操作决定碳源种类。2、氮源种类：铵盐、尿素、氨水；种类：铵盐、尿素、氨水；种类：铵盐、尿素、氨水；种类：铵盐、尿素、氨水；作用：合成菌体蛋白、合成氨基酸的来源。同时作用：合成菌体蛋白、合成氨基酸的来源。同时作用：合成菌体蛋白、合成氨基酸的来源。同时作用：合成菌体蛋白、合成氨基酸的来源。同时调整调整调整调整pHpH值。因此，所需的氮源比一般发酵的要多。值。因此，所需的氮源比一般发酵的要多。值。因此，所需的氮源比一般发酵的要多。值。因此，所需的氮源比一般发酵的要多。营养缺陷型菌株发酵：添加适量氨基酸主要以添营养缺陷型菌株发酵：添加适量氨基酸主要以添营养缺陷型菌株发酵：添加适量氨基酸主要以添营养缺陷型菌株发酵：添加适量氨基酸主要以添加有机氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米加有机氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米加有机氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米加有机氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米浆作氮源。浆作氮源。浆作氮源。浆作氮源。尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。可分尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。可分尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。可分尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。可分批流加。批流加。批流加。批流加。氨水用氨水用氨水用氨水用pHpH自动控制连续流加。自动控制连续流加。自动控制连续流加。自动控制连续流加。3、适宜、适宜C/N氮源用于调整氮源用于调整pH合成菌体合成菌体生成氨基酸生成氨基酸因此，比一般微生物发酵的氮源高。因此，比一般微生物发酵的氮源高。4、磷酸盐、磷酸盐对发酵有显著影响。缺乏时糖代谢受抑制。对发酵有显著影响。缺乏时糖代谢受抑制。5、镁、镁是已糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶是已糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶的激活剂，并促进葡萄糖的激活剂，并促进葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活磷酸脱氢酶活力。力。6、钾、钾促进糖代谢。谷氨酸产酸期钾多利于产酸，促进糖代谢。谷氨酸产酸期钾多利于产酸，钾少利于菌体生长。钾少利于菌体生长。7 7、钠、钠、钠、钠调节渗透压作用，一般在调节调节渗透压作用，一般在调节调节渗透压作用，一般在调节调节渗透压作用，一般在调节pHpH值时参加。值时参加。值时参加。值时参加。8 8、锰、锰、锰、锰是许多酶的激活剂。是许多酶的激活剂。是许多酶的激活剂。是许多酶的激活剂。9 9、铁、铁、铁、铁是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活性基的组成分，可促进谷氨酸产生菌的生长。性基的组成分，可促进谷氨酸产生菌的生长。性基的组成分，可促进谷氨酸产生菌的生长。性基的组成分，可促进谷氨酸产生菌的生长。1010、铜离子、铜离子、铜离子、铜离子对氨基酸发酵有明显毒害作用。对氨基酸发酵有明显毒害作用。对氨基酸发酵有明显毒害作用。对氨基酸发酵有明显毒害作用。生长因子：生物素生长因子：生物素生长因子：生物素生长因子：生物素 作用：影响细胞膜透性和代谢途径。作用：影响细胞膜透性和代谢途径。作用：影响细胞膜透性和代谢途径。作用：影响细胞膜透性和代谢途径。浓度：过多促进菌体生长，氨基酸产量低。浓度：过多促进菌体生长，氨基酸产量低。浓度：过多促进菌体生长，氨基酸产量低。浓度：过多促进菌体生长，氨基酸产量低。过少菌体生长缓慢，发酵周期长。过少菌体生长缓慢，发酵周期长。过少菌体生长缓慢，发酵周期长。过少菌体生长缓慢，发酵周期长。与其它培养条件的关系：氧供给缺乏，生物与其它培养条件的关系：氧供给缺乏，生物与其它培养条件的关系：氧供给缺乏，生物与其它培养条件的关系：氧供给缺乏，生物素过量时，发酵向其它途径转化。素过量时，发酵向其它途径转化。素过量时，发酵向其它途径转化。素过量时，发酵向其它途径转化。种类：玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜种类：玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜种类：玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜种类：玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜为来源。菜糖蜜为来源。菜糖蜜为来源。菜糖蜜为来源。二、温度对氨基酸发酵的影响及控制二、温度对氨基酸发酵的影响及控制菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸，因菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸，因菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸，因菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸，因此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度是不同的。是不同的。是不同的。是不同的。如谷氨酸发酵适宜温度为如谷氨酸发酵适宜温度为如谷氨酸发酵适宜温度为如谷氨酸发酵适宜温度为3030303032323232，菌体生长，菌体生长，菌体生长，菌体生长阶段温度过高时，则菌体易衰老，阶段温度过高时，则菌体易衰老，阶段温度过高时，则菌体易衰老，阶段温度过高时，则菌体易衰老，pHpHpHpH高，糖耗高，糖耗高，糖耗高，糖耗慢，周期长，酸产量低。慢，周期长，酸产量低。慢，周期长，酸产量低。慢，周期长，酸产量低。采取措施：少量屡次流加尿素，促进菌体生长采取措施：少量屡次流加尿素，促进菌体生长采取措施：少量屡次流加尿素，促进菌体生长采取措施：少量屡次流加尿素，促进菌体生长维持最适生长温度、适当通风，利于谷氨酸合维持最适生长温度、适当通风，利于谷氨酸合维持最适生长温度、适当通风，利于谷氨酸合维持最适生长温度、适当通风，利于谷氨酸合成。成。成。成。三、三、pH对氨基酸发酵的影响及其控制对氨基酸发酵的影响及其控制作用机理：作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。主要影响酶的活性和菌的代谢。控制控制pH方法：方法：流加尿素和氨水流加尿素和氨水流加方式：流加方式：根据菌体生长、根据菌体生长、pH变化、耗糖情变化、耗糖情况和发酵阶段等因素决定。况和发酵阶段等因素决定。pH控制措施：控制措施：1 1菌体生长或耗糖慢时，少量屡次流加尿素，菌体生长或耗糖慢时，少量屡次流加尿素，菌体生长或耗糖慢时，少量屡次流加尿素，菌体生长或耗糖慢时，少量屡次流加尿素，防止防止防止防止pHpH过高。过高。过高。过高。2 2菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，以抑制菌体生长。以抑制菌体生长。以抑制菌体生长。以抑制菌体生长。3 3发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或发酵后期，残糖少，接近放罐时，少加或不加尿素，以免造成氨基酸提取困难。不加尿素，以免造成氨基酸提取困难。不加尿素，以免造成氨基酸提取困难。不加尿素，以免造成氨基酸提取困难。4 4氨水对氨水对氨水对氨水对pHpH影响大，应采取连续流加。影响大，应采取连续流加。影响大，应采取连续流加。影响大，应采取连续流加。一般发酵前期一般发酵前期一般发酵前期一般发酵前期pHpHpHpH控制在控制在控制在控制在7.57.57.57.5左右，发酵后期左右，发酵后期左右，发酵后期左右，发酵后期pHpHpHpH控制控制控制控制在在在在7.27.27.27.2左右。左右。左右。左右。四、氧对氨基酸发酵的影响及其控制四、氧对氨基酸发酵的影响及其控制不同的氨基酸发酵需要氧的量不同：不同的氨基酸发酵需要氧的量不同：不同的氨基酸发酵需要氧的量不同：不同的氨基酸发酵需要氧的量不同：要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵：生物合成要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵：生物合成要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵：生物合成要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵：生物合成与与与与TCATCATCATCA循环有关。循环有关。循环有关。循环有关。适宜在缺氧条件下进行的亮氨酸、苯丙氨酸和缬适宜在缺氧条件下进行的亮氨酸、苯丙氨酸和缬适宜在缺氧条件下进行的亮氨酸、苯丙氨酸和缬适宜在缺氧条件下进行的亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸发酵：菌体呼吸受阻时产量最大。氨酸发酵：菌体呼吸受阻时产量最大。氨酸发酵：菌体呼吸受阻时产量最大。氨酸发酵：菌体呼吸受阻时产量最大。供氧缺乏时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸供氧缺乏时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸供氧缺乏时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸供氧缺乏时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸发酵。发酵。发酵。发酵。因此，在发酵过程中应根据具体情况对供氧过程因此，在发酵过程中应根据具体情况对供氧过程因此，在发酵过程中应根据具体情况对供氧过程因此，在发酵过程中应根据具体情况对供氧过程进行控制。进行控制。进行控制。进行控制。第四节第四节 谷氨酸生产工艺谷氨酸生产工艺p210214工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白质而制取。质而制取。质而制取。质而制取。19571957年，年，年，年，率先采用微生物发酵法生产，并投率先采用微生物发酵法生产，并投率先采用微生物发酵法生产，并投率先采用微生物发酵法生产，并投入大规模工业化生产，这是被誉为现代发酵工入大规模工业化生产，这是被誉为现代发酵工入大规模工业化生产，这是被誉为现代发酵工入大规模工业化生产，这是被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调控阶段。控阶段。控阶段。控阶段。目前世界产谷氨酸钠目前世界产谷氨酸钠目前世界产谷氨酸钠目前世界产谷氨酸钠3030吨吨吨吨/年，占氨基酸总量的年，占氨基酸总量的年，占氨基酸总量的年，占氨基酸总量的2/32/3。我国现已有我国现已有我国现已有我国现已有200200余家生产，年产量达余家生产，年产量达余家生产，年产量达余家生产，年产量达1515万吨，万吨，万吨，万吨，居世界首位。居世界首位。居世界首位。居世界首位。产生菌株特点：产生菌株特点：革兰氏阳性。革兰氏阳性。不形成芽胞。不形成芽胞。没有鞭毛，不能运动。没有鞭毛，不能运动。需要生物素作为生长因子。需要生物素作为生长因子。在通气条件下才能产生谷氨酸。在通气条件下才能产生谷氨酸。谷氨酸生物合成机理：谷氨酸生物合成机理：由三羧酸循环中产生由三羧酸循环中产生 的的a-酮戊二酸，在谷酮戊二酸，在谷 氨酸脱氢酶和氢供体氨酸脱氢酶和氢供体 NH4+存在下进行存在下进行 复原性氨化作用而得到。复原性氨化作用而得到。谷氨酸的生产：一、淀粉水解糖的制备一、淀粉水解糖的制备二、菌种扩大培养二、菌种扩大培养三、谷氨酸发酵时期三、谷氨酸发酵时期四、谷氨酸发酵控制四、谷氨酸发酵控制五、谷氨酸的提取五、谷氨酸的提取六、谷氨酸发酵研究新进展六、谷氨酸发酵研究新进展七、非糖质原料的谷氨酸发酵七、非糖质原料的谷氨酸发酵一、淀粉水解糖的制备一、淀粉水解糖的制备酸水解酸水解酸水解酸水解:1 1、调浆：干淀粉用水调成、调浆：干淀粉用水调成、调浆：干淀粉用水调成、调浆：干淀粉用水调成101011Bx11Bx的淀粉乳，的淀粉乳，的淀粉乳，的淀粉乳，加盐酸量约为干淀粉的加盐酸量约为干淀粉的加盐酸量约为干淀粉的加盐酸量约为干淀粉的0.50.5 0.8 0.8，调，调，调，调pH1.5pH1.5。2 2、糖化：蒸汽加热，加压糖化、糖化：蒸汽加热，加压糖化、糖化：蒸汽加热，加压糖化、糖化：蒸汽加热，加压糖化25min25min。冷却至。冷却至。冷却至。冷却至8080下中和。下中和。下中和。下中和。3 3、中和：烧碱中和，至、中和：烧碱中和，至、中和：烧碱中和，至、中和：烧碱中和，至pH4.0 pH4.0 5.05.0。4 4、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为0.60.60.80.8，在，在，在，在7070及酸性条件下搅拌后过滤。及酸性条件下搅拌后过滤。及酸性条件下搅拌后过滤。及酸性条件下搅拌后过滤。酶法糖化：酶法糖化：以大米或碎米为原料时采用。以大米或碎米为原料时采用。大米进行浸泡磨浆，再调成大米进行浸泡磨浆，再调成15Bx，调，调pH6.0，加细菌，加细菌a-淀粉酶进行液化，淀粉酶进行液化，85 30min，加糖化酶，加糖化酶60 糖化糖化24h，过滤，过滤后可供配制培养基。后可供配制培养基。糖蜜原料：不宜直接用来作为谷氨酸发酵糖蜜原料：不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源，因含丰富的生物素。的碳源，因含丰富的生物素。预处理方法：活性碳或树脂吸附法和亚硝预处理方法：活性碳或树脂吸附法和亚硝酸法吸附或破坏生物素。也可以在发酵液酸法吸附或破坏生物素。也可以在发酵液中参加外表活性剂吐温中参加外表活性剂吐温60或添加青霉素。或添加青霉素。1 1、斜面培养、斜面培养、斜面培养、斜面培养主要产生菌主要产生菌主要产生菌主要产生菌:棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属、棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属、棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属、棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属、节杆菌属。节杆菌属。节杆菌属。节杆菌属。我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆菌我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆菌我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆菌我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆菌和北京棒杆菌及各种诱变株。和北京棒杆菌及各种诱变株。和北京棒杆菌及各种诱变株。和北京棒杆菌及各种诱变株。生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物素生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物素生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物素生长特点：适用于糖质原料，需氧，以生物素为生长因子。为生长因子。为生长因子。为生长因子。斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的pH7.0pH7.07.27.2琼脂培养基，琼脂培养基，琼脂培养基，琼脂培养基，3232培养培养培养培养181824h24h。二、菌种扩大培养二、菌种扩大培养2 2、一级种子培养、一级种子培养、一级种子培养、一级种子培养由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成。镁、硫酸铁及硫酸锰组成。镁、硫酸铁及硫酸锰组成。镁、硫酸铁及硫酸锰组成。pH6.5pH6.56.86.8。1000mL1000mL装装装装200200250mL250mL振荡，振荡，振荡，振荡，3232 培养培养培养培养12h12h。3 3、二级种子培养、二级种子培养、二级种子培养、二级种子培养用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的1 1，用水解糖代替葡萄糖，于用水解糖代替葡萄糖，于用水解糖代替葡萄糖，于用水解糖代替葡萄糖，于3232 进行通气搅拌进行通气搅拌进行通气搅拌进行通气搅拌7 710h10h。种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌种子质量要求：二级种子培养结束时，无杂菌或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列。活菌数为排列。活菌数为排列。活菌数为排列。活菌数为10108 8 10 109 9/mL/mL。三、谷氨酸发酵的几个时期三、谷氨酸发酵的几个时期1 1、适应期、适应期、适应期、适应期尿素分解出氨使尿素分解出氨使尿素分解出氨使尿素分解出氨使pHpH上升，糖不利用，上升，糖不利用，上升，糖不利用，上升，糖不利用，2 24h4h。措施：接种量和发酵条件控制使其缩短。措施：接种量和发酵条件控制使其缩短。措施：接种量和发酵条件控制使其缩短。措施：接种量和发酵条件控制使其缩短。2 2、对数生长期、对数生长期、对数生长期、对数生长期糖耗快，尿素大量分解使糖耗快，尿素大量分解使糖耗快，尿素大量分解使糖耗快，尿素大量分解使pHpH上升，氨被利用上升，氨被利用上升，氨被利用上升，氨被利用pHpH又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水又迅速下降。溶氧急剧下降后维持在一定水平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐平。菌体浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形，不产酸，的八字形，不产酸，的八字形，不产酸，的八字形，不产酸，12h12h。措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pHpH，在，在，在，在pH7.5pH7.58.08.0时流加尿素；维持温度时流加尿素；维持温度时流加尿素；维持温度时流加尿素；维持温度3030 32323、菌体生长停止期：谷氨酸合成。、菌体生长停止期：谷氨酸合成。措施：提供必须的氨及措施：提供必须的氨及pH维持在维持在7.27.4。大量通气，控制温度大量通气，控制温度3437。4、发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。、发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低。措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时措施：营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。放罐。发酵周期一般为发酵周期一般为30h。四、谷氨酸发酵控制四、谷氨酸发酵控制1 1生物素生物素生物素生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反响的关键酶乙酰作为催化脂肪酸生物合成最初反响的关键酶乙酰作为催化脂肪酸生物合成最初反响的关键酶乙酰作为催化脂肪酸生物合成最初反响的关键酶乙酰CoACoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。磷酯的合成。磷酯的合成。磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液中。中。中。中。生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或生物素过量，则发酵过程菌体大量繁殖，不产或少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。少产谷氨酸，代谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。一般生物素要控制在亚适量，才能得到高产的谷一般生物素要控制在亚适量，才能得到高产的谷一般生物素要控制在亚适量，才能得到高产的谷一般生物素要控制在亚适量，才能得到高产的谷氨酸。氨酸。氨酸。氨酸。2 2种龄和种量的控制种龄和种量的控制种龄和种量的控制种龄和种量的控制一级种子控制在一级种子控制在一级种子控制在一级种子控制在111112h12h，二级控制在，二级控制在，二级控制在，二级控制在7 78h8h。种量为种量为种量为种量为1 1。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸量不高。老自溶，后期产酸量不高。老自溶，后期产酸量不高。老自溶，后期产酸量不高。3 3pHpH发酵前期，幼龄细胞对发酵前期，幼龄细胞对发酵前期，幼龄细胞对发酵前期，幼龄细胞对pHpH较敏感，较敏感，较敏感，较敏感，pHpH过低，菌过低，菌过低，菌过低，菌体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，长菌不长酸。长菌不长酸。长菌不长酸。长菌不长酸。谷氨酸脱氢酶最适谷氨酸脱氢酶最适谷氨酸脱氢酶最适谷氨酸脱氢酶最适pHpH为为为为7.07.07.27.2，转氨酶最适，转氨酶最适，转氨酶最适，转氨酶最适pH pH 7.27.27.47.4。在发酵中后期，保持。在发酵中后期，保持。在发酵中后期，保持。在发酵中后期，保持pHpH不变。过高转不变。过高转不变。过高转不变。过高转为谷氨酰胺，过低氨离子缺乏。为谷氨酰胺，过低氨离子缺乏。为谷氨酰胺，过低氨离子缺乏。为谷氨酰胺，过低氨离子缺乏。4通风通风不同种龄、种量，培养基成分，发酵阶段不同种龄、种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐大小要求通风量不同。及发酵罐大小要求通风量不同。在菌体生长阶段，通风量过大，生物素缺在菌体生长阶段，通风量过大，生物素缺乏，抑制菌体生长。乏，抑制菌体生长。在发酵产酸阶段，需要大量通风供氧，以在发酵产酸阶段，需要大量通风供氧，以防过量生成乳酸和琥珀酸，但过大通风，防过量生成乳酸和琥珀酸，但过大通风，则大量积累则大量积累a-酮戊二酸。酮戊二酸。防止噬菌体和杂菌的污染防止噬菌体和杂菌的污染从空气过滤、培养基、设备、环境等环节从空气过滤、培养基、设备、环境等环节严格把关。严格把关。五、谷氨酸的提取五、谷氨酸的提取1、等电点法、等电点法 操作简单，收率操作简单，收率60。周期长，占地。周期长，占地面积大。面积大。2、离子交换法、离子交换法用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形用阳离子交换树脂提取吸附谷氨酸形成的阳离子，再用热碱洗脱，收集相成的阳离子，再用热碱洗脱，收集相应流分，再加盐酸结晶。应流分，再加盐酸结晶。六、谷氨酸发酵研究新进展六、谷氨酸发酵研究新进展继续选育各种生化突变菌株：转化率提高，继续选育各种生化突变菌株：转化率提高，或可在富含生物素的培养基中保持较高产或可在富含生物素的培养基中保持较高产酸水平。提高原料利用率，拓宽原料来源酸水平。提高原料利用率，拓宽原料来源或简化操作工艺。或简化操作工艺。生物工程新技术的应用：体外生物工程新技术的应用：体外DNA重组的重组的基因工程和原生质体融合技术和固定化细基因工程和原生质体融合技术和固定化细胞技术使产量提高近胞技术使产量提高近1倍。倍。改进发酵工艺：开拓原料，改进流加工艺，改进发酵工艺：开拓原料，改进流加工艺，通过电子计算机控制发酵条件。通过电子计算机控制发酵条件。七、非糖质原料的谷氨酸发酵七、非糖质原料的谷氨酸发酵醋酸发酵谷氨酸醋酸发酵谷氨酸机理：醋酸形成乙酰机理：醋酸形成乙酰CoA，再进入，再进入TCA，因此凡能利用葡萄糖原料的菌种也可作为因此凡能利用葡萄糖原料的菌种也可作为醋酸发酵谷氨酸的菌株。醋酸发酵谷氨酸的菌株。以醋酸钠或醋酸铵与醋酸的混合液为原料，以醋酸钠或醋酸铵与醋酸的混合液为原料，且浓度不超过且浓度不超过4。发酵过程中也需流加以。发酵过程中也需流加以保持保持pH。9 9、静夜四无邻，荒居旧业贫。、静夜四无邻，荒居旧业贫。5 5月月-23-235 5月月-23-23Saturday,May 13,2023Saturday,May 13,20231010、雨中黄叶树，灯下白头人。、雨中黄叶树，灯下白头人。17:22:5217:22:5217:22:5217:22:5217:2217:225/13/2023 5:22:52 PM5/13/2023 5:22:52 PM1111、以我独沈久，愧君相见频。、以我独沈久，愧君相见频。5 5月月-23-2317:22:5217:22:5217:2217:22May-23May-2313-May-2313-May-231212、故人江海别，几度隔山川。、故人江海别，几度隔山川。17:22:5217:22:5217:22:5217:22:5217:2217:22Saturday,May 13,2023Saturday,May 13,20231313、乍见翻疑梦，相悲各问年。、乍见翻疑梦，相悲各问年。5 5月月-23-235 5月月-23-2317:22:5217:22:5217:22:5217:22:52May 13,2023May 13,20231414、他乡生白发，旧国见青山。、他乡生白发，旧国见青山。13 13 五月五月 2023 20235:22