第四章 发酵工艺过程控制第十一节 氨基酸发酵的工艺控制实例氨基酸的制造是从1820 年水解蛋白质开始 1866年德国的立好生博士利用硫酸水解小麦面筋 ，分离出一种酸性氨基酸，依据原料的取材，便将此 氨基酸命名为谷氨酸 随后，日本有一教授在探讨海带汁液的鲜味时， 提取了谷氨酸，并在1908 年开始制造商品味之素—— 味精1910 年日本味之素公司用水解法生产谷氨酸， 与食盐配合出售但是这种方法生产谷氨酸耗粮太多 ，成本太高一、氨基酸生产发展史二次世界大战后不久，美国有人提出用 发酵法生产谷氨酸的报告 日本也相继开始了研究，1956 年日本 协和发酵公司分离出一种新的细菌，它可 以利用100 克葡萄糖转化为40 克以上的谷 氨酸1957 年发酵法味精正式商业性生产 ，这标志着氨基酸发酵工业的诞生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 国内生产氨基酸的厂家主要是天津氨基酸公司,湖 北八峰氨基酸公司,但目前无论生产规模及产品质量还难 于与国外抗衡。
在80年代中后期,我国从日本的味之素、协和发酵 以技贸合作的方式引进输液制剂的制造技术和仿造产品 ,1991年销售量为二千万瓶,1996年达六千万瓶,主要厂家 有无锡华瑞,北京费森尤斯,昆明康普莱特,但生产原料都 依赖进口2000年,世界氨基酸产值达45亿美元,占生物技术市 场的7%,国内的氨基酸产值达40亿元,占全国发酵产业总 产值的12% 自从60年代以来，微生物直接用糖类发酵生产 谷氨酸获得成功并投入工业化生产我国成为世界 上最大的味精生产大国目前世界产谷氨酸钠30万吨/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 味精的产品特性味精,也称味素,因味精起源于小麦,俗称麸酸钠、谷氨酸钠（分子式C5H8NO4Na ） 味精是无色至白色的柱状结晶或白色结晶性粉末,含一分子结晶水，无气味，易溶于水，微溶于乙醇， 无吸湿性，对光稳定，中性条件下水溶液加热也不分 解，一般情况下无毒性有很浓的鲜味,味精被食用后 ,经胃酸作用转化为谷氨酸,被消化吸收构成蛋白质并 参与体内其他代谢过程,有较高的营养价值氨基酸使用的菌株 谷氨酸谷氨酸棒杆菌、乳糖发酵短杆菌或黄色短 菌杆、北京棒杆菌、钝齿棒杆菌缬氨酸北京棒杆菌、乳糖发酵短杆菌丙氨酸 凝结芽孢杆菌脯氨酸链形寇氏杆菌 、黄色短杆菌赖氨酸黄色短杆菌 、乳糖发醇短杆菌 、谷氨酸棒 杆菌苏氨酸大肠杆菌、大肠杆菌鸟氨酸 谷氨酸棒杆菌 、黄色短杆菌亮氨酸黄色短杆菌酪氨酸氨酸棒杆菌表1 部分氨基酸及其生产所用菌株二、氨基酸的制备方法 1.发酵法：发酵法又可分为直接发酵法与添加前体的 发酵法。
添加前体法是以氨基酸的中间产物为原料， 用微生物法转化为相应的氨基酸 2.提取法：将蛋白质原料用酸水解，然后从水解液中 提取氨基酸目前，胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸仍用 提取法生产 3.酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨 基酸 4.合成法：用化学合成法制造的氨基酸有DL-蛋氨酸、 DL-丙氨酸，甘氨酸和苯丙氨酸 氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵以谷氨酸为例，谷氨酸的大量积累不是由于生物合成途径的特异，而是菌体代谢调节控制和细胞膜通透性的特异调节以及发酵条件的适合三、谷氨酸发酵条件控制合成谷氨酸的生化途径葡萄糖丙酮酸草酰乙酸柠檬酸琥珀酸透过细胞膜异柠檬酸α- 酮戊二酸谷氨酸谷氨酸三、谷氨酸发酵条件控制（一）发酵培养基 （二）温度对Glu发酵的影响 （三）pH对Glu发酵的影响 （四）溶氧对Glu发酵的影响 （五）泡沫对Glu发酵的影响 （六）提高Glu发酵产率的途径（一）发酵培养基 1、常用Glu发酵培养基：(%)淀粉水解糖 12.5；液氨 0.3；玉米浆 0.4-0.7 ；甘蔗糖蜜 0.1-0.3；Na2HPO4 0.15-0.17； MgSO4 0.06-0.07；KCl 0.03-0.05。
2、发酵培养基与发酵的关系淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃淀粉水解糖的制备、糖蜜原料 （1）碳源 ①合成菌体 ②构成产物碳架 ③能量来源氮源：铵盐、尿素、氨水C/N＝100：1521，实际高达100：28（2）氮源①构成菌体蛋白②构成产物氨基③调节pH3）无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其 中磷酸盐对发酵有显著影响不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足过多：①细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出②促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩 合生成缬氨酸的前体物——-乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积4） 生长因子:生物素作用：影响细胞膜通透性和代谢途径①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②浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低因为：a.乙醛酸循环活跃，-酮戊二酸生成量减少b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸谷氨酸发酵前期(0~12h)是菌体大量繁殖阶段，在此 阶段菌体利用培养基中的营养物质来合成核酸、蛋白质等 ，供菌体繁殖用，而控制这些合成反应的最适温度均在 30~32℃在发酵中、后期，是谷氨酸大量积累的阶段，而催化 谷氨酸合成的谷氨酸脱氢酶的最适温度在32~36℃，故发 酵中、后期适当提高罐温对积累谷氨酸有利。
1、温度对Glu发酵的影响（二）温度的影响及其控制生产上采用二、三级控制 冷却方式：种子罐：夹套、蛇管发酵罐：蛇管、列管、冷带、表皮淋水2、温度的控制（三） pH的影响及其控制 1、pH对Glu发酵的影响不同的微生物对pH值要求不同，细菌中性偏碱发酵液的pH影响微生物的生长和代谢途径1） pH值对谷氨酸产生菌生长的影响谷氨酸产生菌象其它微生物一样, 有最适生长pH值范围, 当高 于或低于这个值时: ①pH影响酶的活性；②pH影响细胞膜电荷、营养物质、中间代谢产物的解离状态；③pH影响生物代谢途径的方向，使代谢产物的质量和比例发生 改变2） pH值对谷氨酸积累的影响谷氨酸脱氢酶是合成谷氨酸的主要酶,它的最 适pH为7.0～7.2 ,当发酵液的pH值偏酸时(pH 5.0- 5.8) ,谷氨酸脱氢酶受到抑制,代谢向着生成谷氨酰 胺和乙酰谷氨酰胺的方向进行在发酵后期由于耗用大量NH4+ ,pH值下降, 此 时就要进行pH值调节,以保证发酵的正常进行pH发生变化的主要原因是培养基中营养成分的利用和代谢产物的积累如当谷氨酸棒状杆菌利用糖类物质不断生成谷氨酸时，培养液的pH就会下降而酸性物质的消耗和氨的生成等则会导致培 养液的pH上升。
pH：前期pH7.5~8.0，中后期pH7.0~7.6通过采用流加尿素，氨水或液氨等办法调节 pH，补充氮源 （四）溶氧对Glu发酵的影响1、氧在Glu发酵中的意义（1）菌体生长（2）合成产物 2、影响Glu发酵中溶氧的因素 氧分压、罐大小、搅拌转速、罐的D/H在谷氨酸发酵过程中，发酵前期以低通风量为宜；发酵中 、后期以高通风量为宜不足：发酵液pH值偏低，生成乳酸和琥珀酸，谷氨酸少过大：NADPH2通过呼吸链被氧化，影响α-酮戊二酸还原 氨基化，使α-酮戊二酸蓄积大小由通风量和搅拌转速决定实际生产上，以气体转子流量计来检查通气量，即以每分 钟单位体积的通气量表示通风强度3、溶解氧的控制（五）泡沫对Glu发酵的影响1、 泡沫对Glu发酵的的危害 因通风，菌体代谢产生CO2，培养基营养丰富，产 生泡沫 ①影响CO2 的排出 ②降低设备利用率 ③造成逃液 ④影响灭菌效果2、泡沫的形成泡沫形成必要条件：①气液两相共存②有表面张力大的物质存在发酵液中的泡沫：分散相：无菌空气、 CO2连续相：发酵液3、泡沫的消除 （1）消泡机理机械消泡和化学消泡（2）消泡剂的选用原则①表面活性剂②有一定的亲水性③水中溶解度小。
④无毒，对菌体生长代谢无影响，不影响产物提 取和质量⑤不干扰溶氧⑥价格便宜3）常用消泡剂 ①天然油脂类 ②聚醚类：GPE10（泡敌） ③醇类：十八醇类 ④硅酮类：聚二甲基硅氧烷（六）提高Glu发酵产率的途径1、选育高产菌株耐高渗；诱变育种；定向育种选育温度敏感 型 2、根据菌种特性生产控制最佳化假设人们想利用葡萄糖、谷氨酸棒状杆菌生产α-酮戊二酸， 请你利用现有知识，设计一个大量积累α-酮戊二酸的方案? 菌种：对谷氨酸捧状杆菌进行诱变处理，选育不能合成谷氨 酸脱氢酶的菌种条件：氧（通风）、NH4+、C/N；pH、磷酸盐、温度、生物 素、 Mn2+思考题。