第10章氨基酸发酵生产工艺学

第十章氨基酸生产工艺(p208-214)本章内容：第一节概述第二节氨基酸发酵的代谢控制第三节氨基酸发酵的工艺控制第四节谷氨酸生产工艺目的要求：熟悉谷氨酸生产的流程了解氨基酸生产代谢控制的方法第一节概述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20多种。氨基酸氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧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有机化合物，氨基一般连在α-碳上。侧链不同，氨基酸的性质不同。氨基酸的用途1.食品工业强化食品:赖氨酸，苏氨酸，色氨酸于小麦中。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肽甜味剂(α-天冬酰苯丙氨酸甲酯)，此产品1981年获FDA批准,现在每年产量已达数万吨。2.饲料工业甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料。3.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失调。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。4.化学工业谷氨基钠作洗涤剂，丙氨酸制造丙氨酸纤维。以及在化妆品中的应用。5.农业杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、脱叶剂。应用新领域的扩展药物合成原料氨基酸盐多聚氨基酸（应用于食品包装、保鲜剂、日用洗涤剂等）氨基酸鳌合剂（应用于日用化工、洗涤、照相显影剂）氨基酸塑料作为超导材料等氨基酸的生产方法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：直接发酵法：野生菌株发酵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的营养缺陷型菌株发酵营养缺陷型回复突变株发酵添加前体法主要菌种：谷氨酸棒杆菌黄色短杆菌乳糖发酵短杆菌短芽孢杆菌粘质赛式杆菌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。酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸。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合成法：DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸。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，难以达到工业化生产的目的。国外生产概况氨基酸的制造始于1820年，蛋白质酸水解生产氨基酸。1850年化学合成氨基酸。1956年分离到谷氨酸棒状杆菌，日本采用微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，从此推动了氨基酸生产的大发展。生产氨基酸的大国为日本和德国。日本的味之素、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，可直接用于输液制剂的生产。日本在美国、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。氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量的75％，其次为赖氨酸，占产量10％，其他约占15％。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原料的强制发酵工艺，产酸率13～15％，糖酸转化率50～60％；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10％，转化率60％。我国氨基酸生产情况20世纪80年代50种左右，80年代400种，目前1000多种，其中药物类已经达到100多种。目前产量已达上百万t，产值超过百亿美元。菌种改良和新工艺开发，促进了中国氨基酸产业发展，应用于输液的18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16种均已投产，国产化80％以上。氨基酸原料生产企业约20多家，制剂生产企业30多家。甘氨酸3000多吨，赖氨酸及其盐酸盐约1000吨，天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等几百吨。谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。氨基酸发酵氨基酸发酵：就是以糖类和铵盐为主要原料的培养基中培养微生物，积累特定的氨基酸。这些方法成立的一个重要原因是使用选育成的氨基酸生物合成高能力的菌株。第二节氨基酸发酵的代谢控制控制发酵的条件控制细胞渗透性控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度消除终产物的反馈抑制与阻遏作用促进ATP的积累，以利氨基酸的生物合成第三节氨基酸发酵的工艺控制（p209-210）培养基温度pH氧一、培养基1、碳源作用：构成菌体、合成氨基酸的骨架及能量来源。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；作用：合成菌体蛋白、合成氨基酸的来源。同时调整pH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加有机氮源水解液。需生物素和氨基酸，以玉米浆作氮源。尿素灭菌时形成磷酸铵镁盐，须单独灭菌。可分批流加。氨水用pH自动控制连续流加。3、合适C/N氮源用于调整pH合成菌体生成氨基酸因此，比一般微生物发酵的氮源高。4、磷酸盐对发酵有显著影响。不足时糖代谢受抑制。5、镁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-6-磷酸脱氢酶活力。6、钾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。7、钠调节渗透压作用，一般在调节pH值时加入。8、锰是许多酶的激活剂。9、铁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。10、铜离子对氨基酸发酵有明显毒害作用。生长因子：生物素作用：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。过少菌体生长缓慢，发酵周期长。与其它培养条件的关系：氧供给不足，生物素过量时，发酵向其它途径转化。种类：玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜为来源。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，因此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度是不同的。如谷氨酸发酵适宜温度为30～32℃，菌体生长阶段温度过高时，则菌体易衰老，pH高，糖耗慢，周期长，酸产量低。采取措施：少量多次流加尿素，促进菌体生长维持最适生长温度、适当通风，利于谷氨酸合成。三、pH对氨基酸发酵的影响及其控制作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。控制pH方法：流加尿素和氨水流加方式：根据菌体生长、pH变化、耗糖情况和发酵阶段等因素决定。pH控制措施：（1）菌体生长或耗糖慢时，少量多次流加尿素，避免pH过高。（2）菌体生长或耗糖过快时，流加尿素可多些，以抑制菌体生长。（3）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。（4）氨水对pH影响大，应采取连续流加。一般发酵前期pH控制在7.5左右，发酵后期pH控制在7.2左右。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：要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵：生物合成与TCA循环有关。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。供氧不足时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸发酵。因此，在发酵过程中应根据具体情况对供氧过程进行控制。第四节谷氨酸生产工艺（p210～214）工业化生产开始于由水解小麦面筋或大豆蛋白质而制取。1957年，日本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业的重大创举，使发酵工业进入调节代谢的调控阶段。目前世界产谷氨酸钠30吨/年，占氨基酸总量的2/3。我国现已有200余家生产，年产量达15万吨，居世界首位。产生菌株特点：革兰氏阳性。不形成芽胞。没有鞭毛，不能运动。需要生物素作为生长因子。在通气条件下才能产生谷氨酸。谷氨酸生物合成机理：由三羧酸循环中产生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体（NH4+）存在下进行还原性氨化作用而得到。谷氨酸的生产：一、淀粉水解糖的制备二、菌种扩大培养三、谷氨酸发酵时期四、谷氨酸发酵控制五、谷氨酸的提取六、谷氨酸发酵研究新进展七、非糖质原料的谷氨酸发酵一、淀粉水解糖的制备酸水解:1、调浆：干淀粉用水调成10～11Bx的淀粉乳，加盐酸量约为干淀粉的0.5～0.8％，调pH1.5。2、糖化：蒸汽加热，加压糖化25min。冷却至80℃下中和。3、中和：烧碱中和，至pH4.0～5.0。4、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为0.6～0.8％，在70℃及酸性条件下搅拌后过滤。酶法糖化：以大米或碎米为原料时采用。大米进行浸泡磨浆，再调成15Bx，调pH6.0，加细菌a-淀粉酶进行液化，85℃30min，加糖化酶60℃糖化24h，过滤后可供配制培养基。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酸法吸附或破坏生物素。也可以在发酵液中加入表面活性剂吐温60或添加青霉素。1、斜面培养主要产生菌:棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属、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，以生物素为生长因子。斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的pH7.0～7.2琼脂培养基，32℃培养18～24h。二、菌种扩大培养2、一级种子培养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。pH6.5～6.8。1000mL装200～250mL振荡，32℃培养12h。3、二级种子培养用种子罐培养，料液量为发酵罐投料体积的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃进行通气搅拌7～10h。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，呈单个或八字排列。活菌数为108～109/mL。三、谷氨酸发酵的几个时期1、适应期尿素分解出氨使pH上升，糖不利用，2～4h。措施：接种量和发酵条件控制使其缩短。2、对数生长期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的八字形，不产酸，12h。措施：及时供给菌体生长必须的氮源及调节pH，在pH7.5～8.0时流加尿素；维持温度30～32℃3、菌体生长停止期：谷氨酸合成。措施：提供必须的氨及pH维持在7.2～7.4。大量通气，控制温度34～37℃。4、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，及时放罐。发酵周期一般为30h。四、谷氨酸发酵控制（1）生物素作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗出，积累于发酵液中。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。一般生物素要控制在亚适量，才能得到高产的谷氨酸。（2）种龄和种量的控制一级种子控制在11～12h，二级控制在7～8h。种量为1％。过多，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸量不高。（3）pH发酵前期，幼龄细胞对pH较敏感，pH过低，菌体生长旺盛，营养成分消耗大，转入正常发酵慢，长菌不长酸。谷氨酸脱氢酶最适pH为7.0～7.2，转氨酶最适pH7.2～7.4。在发酵中后期，保持pH不变。过高转为谷氨酰胺，过低氨离子不足。（4）通风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。在菌体生长阶段，通风量过大，生物素缺乏，抑制菌体生长。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，则大量积累a-酮戊二酸。防止噬菌体和杂菌的污染从空气过滤、培养基、设备、环境等环节严格把关。五、谷氨酸的提取1、等电点法操作简单，收率60％。周期长，占地面积大。2、离子交换法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，收集相应流分，再加盐酸结晶。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，或可在富含生物素的培养基中保持较高