第十章 氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)課件

第十章氨基酸生產(chǎn)工藝(p208-214)第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)本章內(nèi)容：第一節(jié)概述第二節(jié)氨基酸發(fā)酵的代謝控制第三節(jié)氨基酸發(fā)酵的工藝控制第四節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)目的要求：熟悉谷氨酸生產(chǎn)的流程了解氨基酸生產(chǎn)代謝控制的方法第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)第一節(jié)概述氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本成分。目前世界上可用發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸有20多種。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)氨基酸氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧基的一類有機(jī)化合物的通稱。是含有一個(gè)堿性氨基和一個(gè)酸性羧基的有機(jī)化合物，氨基一般連在α-碳上。側(cè)鏈不同，氨基酸的性質(zhì)不同。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)氨基酸的用途1.食品工業(yè)強(qiáng)化食品:賴氨酸，蘇氨酸，色氨酸于小麥中。增鮮劑：谷氨酸單鈉和天冬氨酸。苯丙氨酸與天冬氨酸可用于制造低熱量二肽甜味劑(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯)，此產(chǎn)品1981年獲FDA批準(zhǔn),現(xiàn)在每年產(chǎn)量已達(dá)數(shù)萬噸。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)2.飼料工業(yè)甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造動(dòng)物飼料。3.醫(yī)藥工業(yè)多種復(fù)合氨基酸制劑可通過輸液治療營(yíng)養(yǎng)或代謝失調(diào)。苯丙氨酸與氮芥子氣合成的苯丙氨酸氮芥子氣對(duì)骨髓腫瘤治療有效，且副作用低。4.化學(xué)工業(yè)谷氨基鈉作洗滌劑，丙氨酸制造丙氨酸纖維。以及在化妝品中的應(yīng)用。5.農(nóng)業(yè)殺蟲、殺菌、除草劑、農(nóng)藥穩(wěn)定劑、植物促進(jìn)劑、脫葉劑。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)應(yīng)用新領(lǐng)域的擴(kuò)展藥物合成原料氨基酸鹽多聚氨基酸（應(yīng)用于食品包裝、保鮮劑、日用洗滌劑等）氨基酸鰲合劑（應(yīng)用于日用化工、洗滌、照相顯影劑）氨基酸塑料作為超導(dǎo)材料等第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)氨基酸的生產(chǎn)方法目前絕大多數(shù)應(yīng)用發(fā)酵法或酶法生產(chǎn)。極少數(shù)為天然提取或化學(xué)合成法生產(chǎn)。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)發(fā)酵法：直接發(fā)酵法：野生菌株發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)缺陷型突變發(fā)酵抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株發(fā)酵抗氨基酸結(jié)構(gòu)類似物突變株的營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株發(fā)酵營(yíng)養(yǎng)缺陷型回復(fù)突變株發(fā)酵添加前體法第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)主要菌種：谷氨酸棒桿菌黃色短桿菌乳糖發(fā)酵短桿菌短芽孢桿菌粘質(zhì)賽式桿菌還有采用基因工程菌進(jìn)行生產(chǎn)的往往是生物素缺陷型，也有些是氨基酸缺陷型。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)酶法：利用微生物細(xì)胞或微生物產(chǎn)生的酶來制造氨基酸。提取法：蛋白質(zhì)水解，從水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。傳統(tǒng)的提取法、酶法和化學(xué)合成法由于前體物的成本高，工藝復(fù)雜，難以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)的目的。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)國(guó)外生產(chǎn)概況氨基酸的制造始于1820年，蛋白質(zhì)酸水解生產(chǎn)氨基酸。1850年化學(xué)合成氨基酸。1956年分離到谷氨酸棒狀桿菌，日本采用微生物發(fā)酵法工業(yè)化生產(chǎn)谷氨酸成功。1957年生產(chǎn)谷氨酸鈉（味精）商業(yè)化，從此推動(dòng)了氨基酸生產(chǎn)的大發(fā)展。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)生產(chǎn)氨基酸的大國(guó)為日本和德國(guó)。日本的味之素、協(xié)和發(fā)酵及德國(guó)的德固沙是世界氨基酸生產(chǎn)的三巨頭。它們能生產(chǎn)高品質(zhì)的氨基酸，可直接用于輸液制劑的生產(chǎn)。日本在美國(guó)、法國(guó)等建立了合資的氨基酸生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)氨基酸和天冬甜精等衍生物。氨基酸的世界市場(chǎng)中，谷氨酸鈉約占氨基酸總量的75％，其次為賴氨酸，占產(chǎn)量10％，其他約占15％。

第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)發(fā)酵生產(chǎn)的原料國(guó)外谷氨酸采用甘蔗糖蜜或淀粉水解糖為原料的強(qiáng)制發(fā)酵工藝，產(chǎn)酸率13～15％，糖酸轉(zhuǎn)化率50～60％；國(guó)內(nèi)采用淀粉水解糖或甜菜糖蜜為原料生物素亞適量發(fā)酵工藝，產(chǎn)酸率10％，轉(zhuǎn)化率60％。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)我國(guó)氨基酸生產(chǎn)情況20世紀(jì)80年代50種左右，80年代400種，目前1000多種，其中藥物類已經(jīng)達(dá)到100多種。目前產(chǎn)量已達(dá)上百萬t，產(chǎn)值超過百億美元。菌種改良和新工藝開發(fā)，促進(jìn)了中國(guó)氨基酸產(chǎn)業(yè)發(fā)展，應(yīng)用于輸液的18種氨基酸原料只有絲氨酸和色氨酸不能工業(yè)化生產(chǎn)仍需進(jìn)口外，其余16種均已投產(chǎn)，國(guó)產(chǎn)化80％以上。氨基酸原料生產(chǎn)企業(yè)約20多家，制劑生產(chǎn)企業(yè)30多家。甘氨酸3000多噸，賴氨酸及其鹽酸鹽約1000噸，天門冬氨酸、纈氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等幾百噸。谷氨酸鈉的生產(chǎn)規(guī)模最大，居世界首位。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)氨基酸發(fā)酵氨基酸發(fā)酵：就是以糖類和銨鹽為主要原料的培養(yǎng)基中培養(yǎng)微生物，積累特定的氨基酸。這些方法成立的一個(gè)重要原因是使用選育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)第二節(jié)氨基酸發(fā)酵的代謝控制控制發(fā)酵的條件控制細(xì)胞滲透性控制旁路代謝降低反饋?zhàn)饔梦锏臐舛认K產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用促進(jìn)ATP的積累，以利氨基酸的生物合成第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)第三節(jié)氨基酸發(fā)酵的工藝控制

（p209-210）培養(yǎng)基溫度pH氧第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)一、培養(yǎng)基1、碳源作用：構(gòu)成菌體、合成氨基酸的骨架及能量來源。種類：淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烴碳源濃度過高時(shí)，對(duì)菌體生長(zhǎng)不利，氨基酸的轉(zhuǎn)化率降低。菌種性質(zhì)、生產(chǎn)氨基酸種類和所采用的發(fā)酵操作決定碳源種類。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)2、氮源種類：銨鹽、尿素、氨水；作用：合成菌體蛋白、合成氨基酸的來源。同時(shí)調(diào)整pH值。因此，所需的氮源比一般發(fā)酵的要多。營(yíng)養(yǎng)缺陷型菌株發(fā)酵：添加適量氨基酸主要以添加有機(jī)氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米漿作氮源。尿素滅菌時(shí)形成磷酸銨鎂鹽，須單獨(dú)滅菌?？煞峙骷?。氨水用pH自動(dòng)控制連續(xù)流加。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)3、合適C/N氮源用于調(diào)整pH合成菌體生成氨基酸因此，比一般微生物發(fā)酵的氮源高。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)4、磷酸鹽對(duì)發(fā)酵有顯著影響。不足時(shí)糖代謝受抑制。5、鎂是已糖磷酸化酶、檸檬酸脫氫酶和羧化酶的激活劑，并促進(jìn)葡萄糖-6-磷酸脫氫酶活力。6、鉀促進(jìn)糖代謝。谷氨酸產(chǎn)酸期鉀多利于產(chǎn)酸，鉀少利于菌體生長(zhǎng)。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)7、鈉調(diào)節(jié)滲透壓作用，一般在調(diào)節(jié)pH值時(shí)加入。8、錳是許多酶的激活劑。9、鐵是細(xì)胞色素、細(xì)胞色素氧化酶和過氧化氫酶的活性基的組成分，可促進(jìn)谷氨酸產(chǎn)生菌的生長(zhǎng)。10、銅離子對(duì)氨基酸發(fā)酵有明顯毒害作用。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)生長(zhǎng)因子：生物素作用：影響細(xì)胞膜透性和代謝途徑。濃度：過多促進(jìn)菌體生長(zhǎng)，氨基酸產(chǎn)量低。過少菌體生長(zhǎng)緩慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)。與其它培養(yǎng)條件的關(guān)系：氧供給不足，生物素過量時(shí)，發(fā)酵向其它途徑轉(zhuǎn)化。種類：玉米漿、麩皮水解液、甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜為來源。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)二、溫度對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及控制菌體生長(zhǎng)達(dá)一定程度后再開始產(chǎn)生氨基酸，因此菌體生長(zhǎng)最適溫度和氨基酸合成的最適溫度是不同的。如谷氨酸發(fā)酵適宜溫度為30～32℃，菌體生長(zhǎng)階段溫度過高時(shí)，則菌體易衰老，pH高，糖耗慢，周期長(zhǎng)，酸產(chǎn)量低。采取措施：少量多次流加尿素，促進(jìn)菌體生長(zhǎng)維持最適生長(zhǎng)溫度、適當(dāng)通風(fēng)，利于谷氨酸合成。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)三、pH對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制作用機(jī)理：主要影響酶的活性和菌的代謝?？刂苝H方法：流加尿素和氨水流加方式：根據(jù)菌體生長(zhǎng)、pH變化、耗糖情況和發(fā)酵階段等因素決定。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)pH控制措施：（1）菌體生長(zhǎng)或耗糖慢時(shí)，少量多次流加尿素，避免pH過高。（2）菌體生長(zhǎng)或耗糖過快時(shí)，流加尿素可多些，以抑制菌體生長(zhǎng)。（3）發(fā)酵后期，殘?zhí)巧?，接近放罐時(shí)，少加或不加尿素，以免造成氨基酸提取困難。（4）氨水對(duì)pH影響大，應(yīng)采取連續(xù)流加。一般發(fā)酵前期pH控制在7.5左右，發(fā)酵后期pH控制在7.2左右。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)四、氧對(duì)氨基酸發(fā)酵的影響及其控制不同的氨基酸發(fā)酵需要氧的量不同：要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸發(fā)酵：生物合成與TCA循環(huán)有關(guān)。適宜在缺氧條件下進(jìn)行的亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸發(fā)酵：菌體呼吸受阻時(shí)產(chǎn)量最大。供氧不足時(shí)產(chǎn)酸受輕微影響的天冬氨酸族氨基酸發(fā)酵。因此，在發(fā)酵過程中應(yīng)根據(jù)具體情況對(duì)供氧過程進(jìn)行控制。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)第四節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝

（p210～214）工業(yè)化生產(chǎn)開始于由水解小麥面筋或大豆蛋白質(zhì)而制取。1957年，日本率先采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)，并投入大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，這是被譽(yù)為現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)的重大創(chuàng)舉，使發(fā)酵工業(yè)進(jìn)入調(diào)節(jié)代謝的調(diào)控階段。目前世界產(chǎn)谷氨酸鈉30噸/年，占氨基酸總量的2/3。我國(guó)現(xiàn)已有200余家生產(chǎn)，年產(chǎn)量達(dá)15萬噸，居世界首位。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)產(chǎn)生菌株特點(diǎn)：革蘭氏陽(yáng)性。不形成芽胞。沒有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)。需要生物素作為生長(zhǎng)因子。在通氣條件下才能產(chǎn)生谷氨酸。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)谷氨酸生物合成機(jī)理：由三羧酸循環(huán)中產(chǎn)生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脫氫酶和氫供體（NH4+）存在下進(jìn)行還原性氨化作用而得到。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)谷氨酸的生產(chǎn)：一、淀粉水解糖的制備二、菌種擴(kuò)大培養(yǎng)三、谷氨酸發(fā)酵時(shí)期四、谷氨酸發(fā)酵控制五、谷氨酸的提取六、谷氨酸發(fā)酵研究新進(jìn)展七、非糖質(zhì)原料的谷氨酸發(fā)酵第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)一、淀粉水解糖的制備酸水解:1、調(diào)漿：干淀粉用水調(diào)成10～11Bx的淀粉乳，加鹽酸量約為干淀粉的0.5～0.8％，調(diào)pH1.5。2、糖化：蒸汽加熱，加壓糖化25min。冷卻至80℃下中和。3、中和：燒堿中和，至pH4.0～5.0。4、脫色：活性炭脫色和脫色樹脂。活性炭用量為0.6～0.8％，在70℃及酸性條件下攪拌后過濾。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)酶法糖化：以大米或碎米為原料時(shí)采用。大米進(jìn)行浸泡磨漿，再調(diào)成15Bx，調(diào)pH6.0，加細(xì)菌a-淀粉酶進(jìn)行液化，85℃30min，加糖化酶60℃糖化24h，過濾后可供配制培養(yǎng)基。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)糖蜜原料：不宜直接用來作為谷氨酸發(fā)酵的碳源，因含豐富的生物素。預(yù)處理方法：活性碳或樹脂吸附法和亞硝酸法吸附或破壞生物素。也可以在發(fā)酵液中加入表面活性劑吐溫60或添加青霉素。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)1、斜面培養(yǎng)主要產(chǎn)生菌:棒狀桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬、節(jié)桿菌屬。我國(guó)各工廠目前使用的菌株主要是鈍齒棒桿菌和北京棒桿菌及各種誘變株。生長(zhǎng)特點(diǎn)：適用于糖質(zhì)原料，需氧，以生物素為生長(zhǎng)因子。斜面培養(yǎng)基：蛋白胨、牛肉膏、氯化鈉組成的pH7.0～7.2瓊脂培養(yǎng)基，32℃培養(yǎng)18～24h。二、菌種擴(kuò)大培養(yǎng)第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)2、一級(jí)種子培養(yǎng)由葡萄糖、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸鐵及硫酸錳組成。pH6.5～6.8。1000mL裝200～250mL振蕩，32℃培養(yǎng)12h。3、二級(jí)種子培養(yǎng)用種子罐培養(yǎng)，料液量為發(fā)酵罐投料體積的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃進(jìn)行通氣攪拌7～10h。種子質(zhì)量要求：二級(jí)種子培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，無雜菌或噬菌體污染，菌體大小均一，呈單個(gè)或八字排列?；罹鷶?shù)為108～109/mL。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)三、谷氨酸發(fā)酵的幾個(gè)時(shí)期1、適應(yīng)期尿素分解出氨使pH上升，糖不利用，2～4h。措施：接種量和發(fā)酵條件控制使其縮短。2、對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用pH又迅速下降。溶氧急劇下降后維持在一定水平。菌體濃度迅速增大，菌體形態(tài)為排列整齊的八字形，不產(chǎn)酸，12h。措施：及時(shí)供給菌體生長(zhǎng)必須的氮源及調(diào)節(jié)pH，在pH7.5～8.0時(shí)流加尿素；維持溫度30～32℃第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)3、菌體生長(zhǎng)停止期：谷氨酸合成。措施：提供必須的氨及pH維持在7.2～7.4。大量通氣，控制溫度34～37℃。4、發(fā)酵后期：菌體衰老，糖耗慢，殘?zhí)堑?。措施：營(yíng)養(yǎng)物耗盡酸濃度不增加時(shí)，及時(shí)放罐。發(fā)酵周期一般為30h。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)四、谷氨酸發(fā)酵控制（1）生物素作為催化脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進(jìn)而影響磷酯的合成。當(dāng)磷酯含量減少到正常時(shí)的一半左右時(shí)，細(xì)胞發(fā)生變形，谷氨酸能夠從胞內(nèi)滲出，積累于發(fā)酵液中。生物素過量，則發(fā)酵過程菌體大量繁殖，不產(chǎn)或少產(chǎn)谷氨酸，代謝產(chǎn)物中乳酸和琥珀酸明顯增多。一般生物素要控制在亞適量，才能得到高產(chǎn)的谷氨酸。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)（2）種齡和種量的控制一級(jí)種子控制在11～12h，二級(jí)控制在7～8h。種量為1％。過多，菌體嬌嫩，不強(qiáng)壯，提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸量不高。（3）pH發(fā)酵前期，幼齡細(xì)胞對(duì)pH較敏感，pH過低，菌體生長(zhǎng)旺盛，營(yíng)養(yǎng)成分消耗大，轉(zhuǎn)入正常發(fā)酵慢，長(zhǎng)菌不長(zhǎng)酸。谷氨酸脫氫酶最適pH為7.0～7.2，轉(zhuǎn)氨酶最適pH7.2～7.4。在發(fā)酵中后期，保持pH不變。過高轉(zhuǎn)為谷氨酰胺，過低氨離子不足。第十章_氨基酸發(fā)酵生產(chǎn)工藝學(xué)（4）通風(fēng)不同