第4章发酵

第四章赖氨酸发酵过程优化.......................................................................................................1第一节赖氨酸发酵概述.......................................................................................................1一、研究背景...................................................................................................................1二、发酵法生产赖氨酸技术的发展...............................................................................1三、本章研究的目的和主要内容...................................................................................3第二节赖氨酸生产菌FB42的获得....................................................................................5一、引言...........................................................................................................................5二、出发菌株FB21的遗传特性....................................................................................5三、FB31菌株摇瓶发酵性能的初步研究.....................................................................5四、赖氨酸产生菌FB42的获得....................................................................................8五、环境因子对FB42分泌赖氨酸的影响..................................................................10六、响应面分析法优化FB42菌株发酵培养基..........................................................12第三节连续培养中FB42菌株的动力学特性及其代谢流分析.........错误!未定义书签。一、引言............................................................................................错误!未定义书签。二、连续培养中的操作特性............................................................错误!未定义书签。三、连续培养中赖氨酸发酵的动力学特性....................................错误!未定义书签。四、FB42的真实转化率..................................................................错误!未定义书签。五、赖氨酸发酵的最大理论转化率................................................错误!未定义书签。六、黄色短杆菌FB42的代谢流分析............................................错误!未定义书签。第四节分批发酵过程的控制及分批发酵动力学................................错误!未定义书签。一、引言............................................................................................错误!未定义书签。二、初糖浓度对发酵的影响............................................................错误!未定义书签。三、溶氧对发酵的影响....................................................................错误!未定义书签。四、pH对发酵的影响......................................................................错误!未定义书签。五、发酵过程的溶氧与pH控制.....................................................错误!未定义书签。六、赖氨酸分批发酵动力学............................................................错误!未定义书签。七、分批发酵动力学模型的评价....................................................错误!未定义书签。八、分批发酵的模型分析................................................................错误!未定义书签。第五节赖氨酸流加发酵的最优控制....................................................错误!未定义书签。一、引言............................................................................................错误!未定义书签。二、最小值原理简介........................................................................错误!未定义书签。三、连续系统的最小值原理............................................................错误!未定义书签。四、流加发酵系统的最优化问题....................................................错误!未定义书签。五、流加发酵最优控制的算法........................................................错误!未定义书签。六、赖氨酸流加发酵的优化控制....................................................错误!未定义书签。1第四章赖氨酸发酵过程优化第一节赖氨酸发酵概述一、研究背景1889年Drechsel用酸水解干酪素，经分离谷氨酸后在不含氯化物的水解液中加入硝酸银得到一种碱性物质，其组成为(C6H13N2O2AgNO3HNO3)，后来被证实为赖氨酸和精氨酸的混合物。1891年Fisher和Drechsel分别从干酪素的水解液中得到纯的赖氨酸(C6H13N2O2OHPtC15)。此后，Fisher于1902年确证了赖氨酸的化学组成。赖氨酸的分子结构中含两个氨基和一个羧基，是一种碱性氨基酸。赖氨酸名列八种必需氨基酸之首，被认为是谷物蛋白的第一限制性氨基酸，在谷物食料中添加适量的赖氨酸，其蛋白质的功效大大提高。如玉米中添加0.4%的赖氨酸，玉米蛋白的功效提高2.1倍；大米中添加0.2%的赖氨酸，大米蛋白的功效提高1.7倍等。赖氨酸的应用范围很广：作为食品强化剂，对儿童的发育、智力，妇女妊娠期的保健、病人的治疗及病后的恢复都有明显的效果；作为药物可用作肝细胞再生剂，对改善肝功能，治疗肝硬化、高氨症，增进食欲、改善营养状况有明显的疗效；作为饲料添加剂，在畜、禽类的饲料中添加少许的赖氨酸，对家禽、家畜的日增重、料肉比、家禽的产卵量等方面效果尤为显著。赖氨酸是仅次于谷氨酸的第二大氨基酸产品。按配合饲料中0.1%的平均添加量计，仅饲料用赖氨酸，国内需求量2000年和2010年将分别达到8万吨和10万吨。但我国赖氨酸工业发展缓慢。1992年年产饲料用赖氨酸4959吨，到1994年约6000吨，1997年接近2万吨，但仍远不能满足市场需求，需要大量进口。所以，从供需情况来看，我国赖氨酸市场前景看好。也正如此，近年来，赖氨酸工业化生产成了国内一些投资者的兴趣之一。国内需求增加而供应不足是导致赖氨酸市场大起大落的内因，国际市场的冲击则是外因。在我国赖氨酸工业薄弱的情况下，国内赖氨酸市场乃至整个赖氨酸工业易受国外大集团的控制。因此，迅速提高我国的赖氨酸生产水平，发展赖氨酸生产能力意义重大。二、发酵法生产赖氨酸技术的发展(一)赖氨酸的生产方法概述赖氨酸的生产方法有：水解法、合成法、酶法和直接发酵法。赖氨酸最早由蛋白质的水解而制成，目前在赖氨酸的工业化生产中水解法已经淘汰。以己内酰胺、二氢吡喃、环己酮、呱啶为原料合成L-赖氨酸已有报道。但因合成法制成的中间体为D，L-赖氨酸，进一步的分离工艺很复杂，美国Allied和联邦德国Deguess公司多年来从事L-赖氨酸合成法的研究，至今未见大规模的生产报道。见诸报道的酶法生产赖氨酸工艺有∶(1)合成-苯甲酰--乙酰-DL-赖氨酸，采用消旋酶处理制成-苯甲酰-L-赖氨酸，经酸水解得产品；合成DL-4-氨基丁基乙内酰脲，采用微生物酶使其转变为L-赖氨酸；由环乙烯合成DL-氨基己内酰胺采用水解酶和消旋酶共同作用使其变成L-赖氨酸。其中，第三种工艺已用于赖氨酸的工业化生产。该法的发明者富村隆最初找到了可水解L-氨基己内酰胺的罗伦隐球酵母(CryptococcusLaurenti)，然后又发现具有DL-氨基己内酰胺消旋酶活性的新细菌──无色杆菌(Achomobaterobeaa)，通过这两细菌的共同作用，DL-氨基己内酰胺可被转化为L-赖氨酸，该法得率高，适于大规模生产。富村隆研究的酶法生产赖氨酸工艺，在学术和工业上都得到了较高的评价，1980年曾获日本科学技术奖。日本东丽株式会社1976年使用上述合成酶法生产工艺制造赖氨酸，至今已形成年产8000吨规模。但总的来说，酶法对原料成本的依赖性很大。发酵法生产赖氨酸原料来源广泛，且生产的赖氨酸均为L-型，因此在赖氨酸的生产中发酵法占据主导地位。目前世界2上赖氨酸的年产量已突破20万吨，主要厂家列于表4-1-1，其中90%以上的企业采用发酵法。表4-1-1世界主要赖氨酸生产厂家公司厂址规模(万吨/年)制法味之素日本，九州佐贺县2.0发酵法协和发酵日本，山口县防府1.5发酵法哈特兰德赖氨酸公司美国，依阿华州2.0发酵法生物协和发酵美国，蜜苏里州开普吉拉多1.36发酵法ADM公司美国，依利诺斯州迪凯特4.7发酵法亚吉诺莫托公司美国，北卡罗来纳州罗利不详发酵法欧洲赖氨酸公司法国，亚眠2.0发酵法日本味之素泰国公司泰国，曼谷0.2发酵法东丽公司日本，名古屋0.8酶法费埃尔麦克斯墨西哥0.6发酵法协和与匈联营公司匈牙利，布达佩斯东0.5发酵法塔拉戈纳化工公司西班牙，巴伦西亚得塘湖安0.6发酵法台湾糖业公司台南市0.4发酵法南斯拉夫，伏伊伏丁那日蒂什泰2.6发酵法拉托维亚，利瓦尔1.32发酵法合计21.58(二)发酵法生产赖氨酸微生物的赖氨酸合成途径19