氨基酸工艺学

绪论一，什么是氨基酸发酵工业？答：氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵,由发酵所生成的产物氨基酸,都是微生物的中间代谢产物,它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。在脱氧核糖核酸(DNA)的分子水平上改变、控制微生物的代谢,使有用产物大量生成、积累。氨基酸发酵工业是利用微生物的生长和代谢活动,发酵生产氨基酸的现代工业.第一章，淀粉水解糖的制备二，氨基酸的生产方法1.抽提法2.化学合成法3、生物法：.酶转化法，微生物发酵法三，水解淀粉为葡萄糖的方法。酸解法，酶酸法，酸酶法，双酶法。1.酸解法（1）工艺流程：淀粉、水、盐酸→调浆→进料→水解→冷却、中和→脱色→过滤→糖化液（2.）工艺特点高温、高压糖化时间短副产物多、糖化收率低3）水解工艺条件：a.淀粉乳的浓度控制在18-22%。b.盐酸的用量为干淀粉的0.6-0.7%，通常控制淀粉乳的pH值为1.5左右。c.进料压力0.02-0.03MPa。d.水解压力0.28-0.3MPa。e.水解终点检查采用无水乙醇检查无白色反应为止。4）中和、脱色的工艺条件淀粉水解后，在水解液中尚含有少量蛋白质等胶体物质，除去这些物质的方法：以Na2CO3调整水解液的pH值到这些杂质的等电点，约为4.8-5.0，这个过程称为中和。中和的温度控制在70-80℃。糖液的脱色一般采用粉末活性炭脱色，具体工艺条件如下：用量：为糖液的0.1-0.2%温度：65-80℃时间：30minpH：4.8-5.05）过滤2.酶酸法原料→粉碎→调浆→液化→灭酶→过滤→调酸→糖化→中和→脱色→过滤→糖化液α-淀粉酶的用量：10-12u/干淀粉。3.双酶法原料→粉碎→调浆→液化→灭酶→调整pH→糖化→灭酶→中和→过滤→糖化液α-淀粉酶的用量：10-12u/干淀粉。糖化酶的用量：100-120u/干淀粉。α-淀粉酶（1）生产菌枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌、米曲霉、黑曲霉、拟内孢霉等等。（2）类型常温和高温固态粉末和液体（3）作用方式可以切断α-1，4糖苷键不能切断α-1，6糖苷键4）特性热稳定性60℃以下稳定作用温度60-70℃；90-110℃pH稳定性6.0-7.0稳定，5.0以下失活严重糖化酶（1）生产菌黑曲霉。（2）类型固态粉末和液体（3）作用方式可以从非还原性末端切断α-1，4糖苷键；缓慢切断α-1，6糖苷键4）特性作用温度40-65℃；最佳58-60℃pH稳定性3.0-5.5稳定最适4.0-4.5四，双酶法工艺特点1）副产物少，糖液纯度高；2）生产工艺条件温和；3）淀粉浓度高，可以使用粗原料；4）糖液质量高；5）周期长，设备多。五，双酶法制糖工艺。双酶法生产葡萄糖工艺，是以作用专一的酶制剂作为催化剂，反应条件温和，复合分解反应较少，因此采用双酶法生产葡萄糖，提高了淀粉或大米等原料的转化率及糖浓度，改善了糖液质量，是目前最为理想的制糖方法。六，淀粉的液化淀粉的糊化（参看淀粉的性质）液化的方法（1）间歇液化法85-90℃保温30-60min。碘液检查合格（呈棕红色）。经常使用中温酶2）喷射液化法：喷射器形式：1，高压蒸汽喷射液化法2，低压蒸汽喷射液化法。七，DE值表示淀粉水解程度或糖化程度。也称葡萄糖值。八，DX值糖液中葡萄糖含量占干物质的百分率。第二章谷氨酸发酵机制一，谷氨酸的生物合成途径主要包括EMP、HMP、TCA循环、乙醛酸循环、CO2固定反应。二，生成谷氨酸的主要酶反应谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应转氨酶(AT)催化的转氨反应谷氨酸合成酶(GS)催化的合成反应(还原氨基化为主导性反应)三,谷氨酸生物合成的理想途径计算题会考葡萄糖生物合成谷氨酸：C6H12O6+NH3+1.5O2→C6H9O4N+CO2+3H2O%100)(）糖液相对密度（）干物质浓度（还原糖浓度dDE%100)(）糖液相对密度（）干物质浓度（葡萄糖浓度dDE四，控制谷氨酸合成的重要措施谷氨酸生产菌应具备的生化特点1.α-酮戊二酸氧化能力微弱2.谷氨酸脱氢酶活性强3.细胞膜对谷氨酸的通透性强第三章谷氨酸生产菌的特征，育种以及扩大培养一，现有谷氨酸生产菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属中的细菌。其中常用黄色短杆菌，棒状杆菌，。二，谷氨酸棒状杆菌为生物素营养缺陷型：没有生物素合成酶。现有谷氨酸生产菌的主要特征：细胞形态球形，短杆形、棒形；革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢，不能运动；需氧型微生物；生物素缺陷型；脲酶强阳性；不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变；二氧化碳固定反应酶系强；异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱；α-酮戊二酸氧化能力微弱；柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活性强；具有向环境泄露谷氨酸的能力；不分解利用谷氨酸，并能耐高谷氨酸，产谷氨酸8%以上；能利用醋酸，不能利用石蜡。还原型辅酶2（nadph2）进入呼吸链能力弱。三，谷氨酸发酵的代谢控制育种1）日常菌种工作2）选育耐高渗透压菌种3）选育不分解利用谷氨酸菌株4）选育细胞膜渗透性好的菌株5）选育强化CO2固定反应的菌株6）强化柠檬酸到α-酮戊二酸代谢菌株7）选育减弱乙醛酸循环的突变株8）解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节9）强化能量代谢10）减弱HMP途径后段酶活性的突变株第四章谷氨酸发酵过程控制一，谷氨酸生产的影响内因：具有一定生理特性的菌种。外因：环境因素。二，发酵培养基：1,、碳源：目前所发现的谷氨酸产生菌均不能利用淀粉,只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等,有些菌种能够利用醋酸、乙醇、正烷烃等作碳源。我国主要使用：玉米、大米、淀粉、糖蜜。2、氮源：合理的碳氮比：100（15-30）。氮源的来源：无机氮源:(1)尿素(2)液氨(3)氨水有机氮源:主要是蛋白质、胨、氨基酸等。谷氨酸发酵的有机氮源常用玉米浆、麸皮水解液、豆饼水解液和糖蜜等。3、无机盐：磷酸盐，硫酸镁，钾盐，微量元素4、生长因子：1)生物素(2)维生素B1三，培养条件对谷氨酸发酵的影响+温度对谷氨酸发酵的影响：1.温度影响细胞中酶的活性,而影响代谢速度、途径方向2.酶是蛋白质，受热容易失活，温度愈高失活愈快,菌体易衰老,影响发酵液的性质来间接影响发酵。3.影响基质和氧的溶解从而影响发酵4.微生物最适的生长温度范围+pH值对谷氨酸发酵的影响：1.pH值对谷氨酸发酵的影响2.发酵过程pH值的变化及控制##*+供氧对谷氨酸发酵的影响：1.溶解氧与谷氨酸的需氧量葡萄糖氧化的需氧量：彻底氧化1：6合成代谢产物：1：1.9必须连续向发酵液通入氧。2.供氧对谷氨酸发酵的影响菌体生长期：满足菌体合成的需要，过低，副产物增加，影响菌体收率。过高抑制生长。产酸期：最大满足呼吸需氧量。3.供氧与其他发酵工艺条件的关系4.氧对发酵影响的微生物生理学考察+二氧化碳对谷氨酸发酵的影响：1.间接控制通风量排风中二氧化塘控制在13%2.提前发现噬菌体感染3.帮助发现杂菌感染4.氧对发酵影响的微生物生理学考察四，泡沫对发酵的影响1.发酵液逃逸2.感染3.降低装填系数，设备利用率降低4.影响氧传递泡沫的消除方法1）机械消泡2）化学消泡添加消泡剂：BAPE、PPE3）物理消泡5，发酵过程分为四个阶段：适应期，对数生长期，转化期，产酸期6，糖蜜原料强制发酵工艺（蜜糖，淀粉原料生产谷氨酸）。表面活性剂的添加0.2%吐温-60，青霉素的添加，3-5单位/mL发酵液工艺特点：大接种量（10%左右），高生物素（100μg/L），高通风量（1：0.3）7，提高发酵产率的主要措施。选育优良高产菌种、适宜的环境条件、原料质量好、合理的发酵设备、有效的管理措施。第五章噬菌体与杂菌的防治一，噬菌体是浸染细菌，放线菌等微生物并使其细胞裂解死亡的一类病毒。二，噬菌体污染出现“二高三低”现象发酵液OD值低产谷氨酸量低发酵温度低pH升高，可到8.0以上残糖高三，噬菌体污染的防止措施以环境净化为中心的综合治理（定期检查噬菌体，严禁活菌体排放，杀灭环境中的噬菌体，杀灭压缩空气中的噬菌体，严格无菌操作，避免噬菌体侵入设备）、污染噬菌体后的挽救措施（并罐法（噬菌体不能侵染产酸期细胞），菌种轮换（不交叉感染），放罐重消法（高温灭菌），低温灭菌法）、合理使用抗性菌株、利用药物防治噬菌体。第六章谷氨酸的提取一，将谷氨酸生产菌在发酵液中积累的L-谷氨酸提取出来,再进一步中和、除铁、脱色、加工精制成谷氨酸单钠盐（俗称味精）叫提炼。分为两个阶段：提取和精制在提取车间和精制车间完成。谷氨酸是发酵的目的物,它溶解在发酵液中,而在发酵液中还存在菌体、残糖、色素、胶体物质以及其他发酵副产物。提取工艺的选择原则:工艺简单,操作方便,提取收率高,产品纯度高,劳动强度小,设备简单,造价低,使用的原材料、药品价廉,来源容易。二，谷氨酸提取方法1)等电点法:是谷氨酸提取方法中最简单的一种方法,由于设备简单、操作简便、投资少等优点,谷氨酸发酵液不经除菌或除菌、不经浓缩或浓缩处理、在常温或低温下加盐酸调至谷氨酸的等电点pH3.22,使谷氨酸呈过饱和状态结晶析出。(2)离子交换法;3)金属盐法4)离子交换膜电渗析法提取谷氨酸三,谷氨酸的晶型及其性质。a-型结晶（斜方六面晶体，纯度高，颗粒大，质量重，实测其视相对密度0.85，晶体有光泽，易沉降，与母液分离容易），B-型结晶（粉状、针状、鳞片状，晶粒细微，纯度低，无光泽，质量轻，实测其视相对密度0.45，难沉降，不易分离）四，三种不同起晶方法。,结晶的过程通常包括晶核的形成和晶体的长大两个阶段。首先在溶液中产生细小的晶核,随后以这些晶核为中心,继续在晶核表面吸附周围溶质分子,使晶粒不断长大。工业生产上结晶有三种不同起晶方法:(1)自然起晶法(2)刺激起晶法(3)晶种起晶法晶种起晶法是一个普遍被采用的方法。五，离子交换树脂的结构（考选择）多孔网状结构的高分子化合物，化学稳定性良好，不溶与水、酸、碱和有机物。六，谷氨酸发酵液的综合利用1、清洁生产2、发酵废母液提取菌体蛋白3、谷氨酸发酵废母液生产饲料酵母4、谷氨酸废母液回收核糖核酸（RNA）5、废母液生产有机复合肥。第七章谷氨酸制味精一，味精的物理性质谷氨酸的钠盐（C5H8NO4Na·H2o），无色至百色柱状结晶。相对分子量187.13。结晶系晶体形状是斜方晶系。密度1.635，视相对度0.80~0.83.旋光性及比旋光度：L-型,D型。二，谷氨酸制味精的工艺流程谷氨酸加水溶解→碳酸钠或者氢氧化钠中和→脱色→除铁，钙，镁等离子----蒸发、浓缩结晶→分离、干燥→过筛→包装→成品三，谷氨酸的前提物谷氨酸生产菌的生化特征有：1、有催化固定CO2的二羧酸合成酶；2、a—酮戊二酸脱氢酶的活性很弱，这样有利于a—酮戊二酸的蓄积；3、异柠檬酸脱氢酶活力很强，而异柠檬酸裂解酶的活性不能太强，这样有利于谷氨酸前提物a—酮戊二酸的合成，满足合成谷氨酸的需要；4、谷氨酸脱氢酶的活力高，这样有利于谷氨酸的合成；5、谷氨酸生产菌经呼吸链氧化HNADPH的能力要求弱；6、菌体本身进一步分解转化和利用谷氨酸的能力低下，利于谷氨酸的蓄积。四，谷氨酸的中和1、中和原理：2C5H9NO4+Na2CO3→2C5H8NO4Na+CO2↑+H2O100kg谷氨酸需要36.1kgNa2CO3C5H9NO4+NaOH→C5H8NO4Na+H2O100kg谷氨酸需要40kgNaOH2、中和工艺条件1）中和液浓度：21-23Be‘温度：60-70℃lgs=0.5331+0.01613t（s：g/kg水）pH：6.7-702）中和液的除铁硫化钠法离子交换法3）中和液的脱色4）