氨基酸工艺学(2011)

生命科学系 氨基酸工艺学 课程内容绪论谷氨酸发酵其他氨基酸发酵 参考书氨基酸工艺学陈宁中国轻工业出版社氨基酸发酵工艺学张克旭中国轻工业出版社味精工业手册 第二版 于信令中国轻工业出版社 学习目的以探讨氨基酸发酵工厂的生产技术为主要目的 氨基酸发酵生产以发酵为主 发酵的好坏是整个生产的关键 但后处理提纯操作和提纯设备选用当否 也会大大影响总的得率 氨基酸发酵工艺学研究的对象应该包括从投入原料到最终产品获得的整个过程 其中有微生物生化问题 生化工程问题 也有分析与设备问题 绪论第一节概述氨基酸的种类 自学 氨基酸的性质 自学 氨基酸的生产方法1 水解法2 合成法3 酶转化法4 微生物发酵法 氨基酸发酵的特点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 第二节氨基酸发酵的历史与发展1820年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸 1866年里豪森利用H2SO4从小麦面筋制取Glu 1908年从海带中提取了Glu 并制取了味之素 1910年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精 1923年吴蕴初先生创办了上海天厨味精厂 1936年美国人开始从甜菜废液制取味精 1957年日本发酵法生产味精 氨基酸发酵的现状1 谷氨酸1964年发酵法生产味精才获得成功并在上海工业化生产 2006年我国味精总产量130多万吨 居世界首位 中国味精工业发展沿革 创建期 1939年建立沈阳 天津 青岛味精厂 1929年大连设立味精厂 1925年建立上海天一味精厂 1923年创办天厨味精厂 面筋 豆粕为原料水解法生产 转换期 1970 1980年部分地区采用糖蜜原料生产 1965年沈阳 天津 杭州完成工艺转换 1964年上海采用发酵法生产 1958年研究发酵法生产谷氨酸 淀粉 大米 糖蜜为原料发酵法生产 发展期 1996 至今采用玉米原料生产 新技术应用 生产水平大幅提高 清洁化生产工艺应用 1981 1995年高产菌株应用及双酶法制糖工艺应用 玉米 淀粉 大米 糖蜜为原料发酵法生产 2006年我国味精行业经济技术指标1 味精精制成本 山东齐鲁味精集团公司5223 00元 t2 糖化收率 山东齐鲁味精集团公司99 99 3 平均产酸 河南莲花味精集团15 10 4 发酵转化率 山东齐鲁味精集团公司65 70 5 提取收率 江苏菊花味精集团公司99 90 6 精制收率 山东铃兰味精工业公司99 10 其他氨基酸 2 赖氨酸L 赖氨酸是人体必需氨基酸之一 是世界上仅次于味精的第2大氨基酸品种 3 苏氨酸截至2006年 全球饲料中苏氨酸的需求量每年约为11万t 中国的需求量约为2万t 目前 在苏氨酸领域研究开发处于世界领先水平的是日本味之素公司 它是全球最大的苏氨酸生产公司 总产能每年达到6 6万t 大约占全球市场份额60 我国最大生产企业吉林大成集团 年产近万吨 4 蛋氨酸到2010年 全世界蛋氨酸需求将达到90万t 中国的需求量也将超过10万t 近年中国对蛋氨酸的需求量还将持续增长 但一定时期内依靠大量进口来满足 中国是世界第2大饲料生产国 市场需求的年增长率7 8 蛋氨酸基本依靠进口 5 色氨酸色氨酸是重要的氨基酸之一 L 色氨酸为蛋氨酸 赖氨酸之后的第3饲用氨基酸 目前世界色氨酸年产约3000多t 我国尚不能大规模生产 第三节氨基酸的应用医药 Glu治疗肝昏迷 氨基酸大输液 食品 调味品味精 稀释3000倍 鲜味 阈值0 03 Gly 蔗糖的0 8倍 Asp phe甲酯 阿斯巴甜 蔗糖的200倍 提高食品营养价值 强化食品评价蛋白质营养价值的指标 看食物中蛋白质的量 含量 和质 氨基酸之间的构成比例 农业饲料用Lys 添加0 2 鸡每年生蛋250个 猪120天长只至180斤 鸡56天长3 5斤 工业聚Glu 可降解塑料 环境友好材料 研究方向采用诱变 细胞工程 基因工程的手段选育出从遗传角度解除了反馈调节和遗传性稳定的更理想菌种 提高产酸 采用过程控制 进行最优化控制 连续化 自动化 稳产 高产 探求新工艺 新设备 以提高产率和收得率 研究发酵机制等问题 以便能更好地控制氨基酸这样微生物中间代谢产物的发酵 什么是味精 L 谷氨酸一钠一水化合物HOOC CH2 CH2 CH COONa H2O NH2性状 无色柱状结晶或粉末 纯度 99 或80 味精的安全性1987年联合国粮农组织和世界卫生组织食品添加剂标准委员会就作出 食用安全 无须限量的规定 的科学论断 中国发酵工业协会曾于1993年组织 味精营养与安全研讨会 多位专家在研讨会作了精彩的发言 肯定了味精的安全性 味精厂的主要生产车间糖化车间 水解糖的制备 发酵车间 谷氨酸发酵 提取车间 谷氨酸提取 精制车间 味精制备 第一章淀粉水解糖的制备第一节淀粉的组成及其特性一 淀粉的性状及组成性状白色无定形结晶粉末 形状为 圆形 椭圆形 多角形 组成直链淀粉 支链淀粉 淀粉与碘的颜色反应 淀粉 蓝糊精 红糊精 无色糊精 葡萄糖蓝色 紫色 红色 无色 酒精反应 二 淀粉的糊化1 定义淀粉在热水中能吸收水分而膨胀 最后淀粉粒破裂 淀粉分子溶解于水中形成带有粘性的淀粉糊 2 过程第一阶段 淀粉缓慢地可逆地吸收水分 淀粉颗粒已有些微膨胀 第二阶段 当温度升到大约65 时 淀粉颗粒经过不可逆地突然很快地吸收大量水分后 膨胀粘度增加很大 第三阶段 当温度继续升高 淀粉颗粒变成无形空囊 可溶性淀粉浸出 成为半透明的均质胶体 不同原料淀粉糊化温度 三 淀粉的生产原理不溶于冷水 相对密度大于1 工艺 玉米淀粉 1 清理 除杂 目的 清除杂质 2 浸泡目的 1 软化 2 溶解 3 除杂工艺条件温度 50 55 时间 48h二氧化硫0 15 0 2 3 粗碎目的 粉碎成10块以上的小块4 胚芽分离目的 分离胚芽 5 磨碎目的 破坏细胞组织 释放淀粉 6 纤维分离采用筛选法分离 7 蛋白质分离原理 利用相对密度不同 8 清洗目的 去除可溶性杂质 9 脱水采用离心机 10 干燥带式干燥机11 成品整理粉碎和筛分 第二节淀粉水解糖的制备方法一 意义和要求糖化 工业上将淀粉水解为葡萄糖的过程成为糖化 谷氨酸发酵水解糖的要求1 严格控制原料质量2 正确控制淀粉乳的浓度3 水解完全4 糖液清 色泽浅5 糖液新鲜6 降低糖液蛋白质的含量 7 质量标准 1 色泽 浅黄 杏黄通明液体 2 糊精反应 无 3 还原糖含量 18 左右 4 DE值 90 以上 5 透光率 60 以上 6 pH 4 6 4 8 二 淀粉水解的方法与比较淀粉水解的方法酸解法 无机酸在高温高压下催化完成 酶酸法 酶液化 酸糖化 酸酶法 酸液化 酶糖化 双酶法 酶催化完成糖化过程 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 0 5 过滤 过滤设备通常采用板框式过滤机 它的规格型号的表示方法如下 FBM A Y S 其中 F表示防腐型B表示板框压滤机M A 表示明流 暗流 Y S 表示液压压紧 手动螺旋压紧 表示过滤面积 表示型号 表示框厚 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 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 淀粉酶的用量 10 12u 干淀粉 糖化酶的用量 100 120u 干淀粉 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 1 4糖苷键不能切断 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 1 4糖苷键 缓慢切断 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 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 第三节双酶法制糖工艺 发酵车间 调浆罐 液化罐 灭酶罐 糖化罐 板框过滤机 换热器 喷射液化器 一 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 调浆 喷射液化 95 105 保温液化 灭酶 120 145 二 淀粉的糖化衡量糖化的经济技术指标1 理论收率 C6H10O5 n nH2O nC6H12O616218180理论收率111 11 2 实际收率3 淀粉转化率 DE值与DX值1 DE值表示淀粉水解程度或糖化程度 也称葡萄糖值 2 DX值糖液中葡萄糖含量占干物质的百分率 糖化工艺条件pH 4 2 0 1温度 60 糖化时间 32 40小时升温灭酶 中和 70 80 保温15min 第二章谷氨酸发酵机制第一节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 一 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 二 谷氨酸生物合成的理想途径 C6H12O6 NH3 1 5O2 C6H9O4N CO2 3H2O 三 谷氨酸发酵的代谢途径 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 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 理论收率为81 7 四碳二羧酸是100 通过CO2固定反应供给 若通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸 则理论收率仅为54 4 实际收率处于中间值 第二节谷氨酸生物合成的调节机制 谷氨酸生产菌的育种思路 第三节谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性的控制 选择性半渗透性膜 控制细胞膜通透性的方法1 控制磷脂合成1 生物素缺陷型生物素 维生素H 辅酶R 作为辅酶参与脂肪酸的合成 进而影响磷脂合成 控制关键 生物素亚适量 5 10 g L 2 添加表面活性剂吐温 60作用机制 对生物素的拮抗作用 控制关键 添加时间与用量3 油酸缺陷型作用机制 阻断油酸合成 4 甘油缺陷型作用机制 丧失了 磷酸甘油脱氢酶 5 温度敏感型2 控制细胞壁的合成添加青霉素的强制发酵工艺 谷氨酸生产菌的具体育种思路1 切断或减弱支路代谢2 解除自身的反馈抑制3 增加前体物的合成4 提高细胞膜的渗透性5 强化能量代谢6 利用基因工程技术构建谷氨酸工程菌株 第三章谷氨酸生产菌的特征 育种及扩大培养第一节谷氨酸生产菌的主要特征与菌学性质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1 棒状杆菌属 Corynebacterium 2 短杆菌属 Brevibacterium 3 小杆菌属 Microbacterium 4 节杆菌属 Arthrobacterium 现有谷氨酸生产菌的主要特征细胞形态短杆形 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 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 第二节国内谷氨酸生产菌及其比较国内谷氨酸生产菌 1 北京棒杆菌 As1 299 突变株 7338 D110 WTH 1 2 天津短杆菌 T613 突变株 TG 961 FM 415 S9114 CMTC6282 3 鈍齿棒杆菌 As1 542 突变株 B9 F 263 第三节谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化1 种子的菌体形态斜面培养的菌体较细小 一 二级种子比斜面菌体大而粗壮 革兰氏染色深 多为短杆至棒杆状 有的微呈弯曲状 两端钝圆 无分枝 细胞排列呈单个 成对及 V 字形 有栅状或不规则聚块 分裂的细胞大小为0 7 0 9 1 0 3 4 m 由于生物素充足 繁殖的菌体细胞均为谷氨酸非积累型细胞 2 谷氨酸生产菌在发酵过程中形态的变化 1 不同发酵阶段的形态长菌期发酵0 8h 正常状态转移期发酵8 18h 细胞开始伸长 膨大产酸期16 20h以后 伸长 膨大 不规则 缺乏八字排列 2 感染噬菌体后的形态前期感染细胞明显减少 形态不规则 发圆 发胖 缺乏八字排列 有明显细胞碎片 严重时出现拉丝 拉网 中后期感染形态不规则 边缘不整齐 有毛刺 有细胞碎片 第四节谷氨酸发酵的代谢控制育种 1 日常菌种工作定期分纯小剂量诱变刺激高产菌保藏 2 选育耐高渗透压菌种耐高糖 20 30 耐高谷氨酸 15 20 耐高糖 高谷氨酸 20 15 3 选育不分解利用谷氨酸菌株以谷氨酸为唯一碳源菌体不能生长或微弱 4 选育细胞膜渗透性好的菌株选育二氨基庚二酸缺陷型抗VP类衍生物 香豆素 芦丁油酸缺陷型甘油缺陷型温度敏感型 5 选育强化CO2固定反应的菌株以琥珀酸为唯一碳源生长快的菌株 丙酮酸缺陷型 6 强化柠檬酸到 酮戊二酸代谢菌株选育抗氟化钠 氟乙酸菌株 7 选育减弱乙醛酸循环的突变株选育琥珀酸敏感型 不利用乙酸突变株 8 解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节抗谷氨酸结构类似物耐高谷氨酸谷氨酰胺抗性菌株酮基丙二酸抗性菌株 9 强化能量代谢选育呼吸抑制剂抗性菌株 抗丙二酸 氰化钾抗性菌株 选育ADP磷酸化抑制剂抗性菌株 2 4二硝基酚 砷抗性菌株 寡霉素抗性菌株 10 减弱HMP途径后段酶活性的突变株选育抗嘌呤 嘧啶类似物的突变株 第五节应用生物工程新技术选育谷氨酸生产菌应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌应用转化法选育谷氨酸生产菌应用转导法选育谷氨酸生产菌应用重组DNA技术构建谷氨酸工程菌应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸 第五节应用生物工程新技术选育谷氨酸生产菌应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌应用转化法选育谷氨酸生产菌应用转导法选育谷氨酸生产菌应用重组DNA技术构建谷氨酸工程菌应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸 第六节菌种的扩大培养和种子的质量要求菌种的扩大培养斜面菌种 一级种子培养 二级种子培养 发酵罐 1 斜面菌种的培养葡萄糖0 1 蛋白陈1 0 牛肉膏1 0 氯化钠0 5 琼脂2 0 2 5 pH7 0 7 2 传代和保藏斜面不加葡萄糖 2 一级种子培养a 培养基组成葡萄糖2 5 尿素0 5 硫酸镁0 04 磷酸氢二钾0 1 玉米浆2 5 3 5 按质增减 pH7 0 b 培养条件500mL 1000mL 1000L置于冲程7 6cm 频率96次 min的往复式摇床上振荡培养12h 培养温度33 34 一级种子质量要求种龄 12h pH值 6 4 0 1光密度 净增OD值0 5以上残糖 0 5 以下无菌检查 噬菌体检查 双层平板法 划线法 液体培养法 镜检 菌体生长均匀 粗壮 排列整齐革兰氏阳性反应 3 二级种子培养为了获得发酵所需要的足够数量的菌体 在一级种子培养的基础上进而扩大到种子罐的二级种子培养 种子罐容积大小取决于发酵罐大小和种量比例 培养基组成水解糖2 5 尿素0 5 硫酸镁0 04 磷酸氢二钾0 1 玉米浆2 5 3 5 按质增减 消泡剂0 5 1kgpH7 0 种子罐的灭菌空消0 15 0 2MPa40 60min实消118 5min 实罐灭菌 将培养基置于发酵罐中用蒸汽加热 达到预定灭菌温度后 维持一定时间 再冷却到发酵温度 然后接种发酵 又称分批灭菌 特点 1 无需专门灭菌设备 操作简单 灭菌效果可靠 2 灭菌时间长 降低了发酵罐利用率 3 培养基部分成分遭到一定程度破坏 要保证分批灭菌的成功 必须有 1 内部结构合理 焊缝及轴封装置可靠 蛇管无穿孔现象的发酵罐 2 压力稳定的蒸汽 3 合理的操作方法 培养条件接种量 0 8 1 0 培养温度 32 34 培养时间 7 8h 通风量 通风比 单位体积发酵液单位时间通过的空气量 v v min 50L种子罐1 0 5 搅拌转速340r min 250L种子罐1 0 3 搅拌转速300r min500L种子罐1 0 25 搅拌转速230r min 二级种子的质量要求种龄 7 8hpH 7 2左右OD值净增0 5左右无菌检查 噬菌体检查 影响种子质量的主要因素培养基 氮源丰富 生物素充足 碳源较少 温度 避免温度过高和波动较大pH 0时不宜过高 培养结束不易过低溶解氧 溶氧水平不易过高 接种量 1 2 培养时间 7 8小时 作业1 叙述双酶法制糖工艺的优缺点 2 叙述谷氨酸生物合成的理想途径 3 谷氨酸生产菌的特点的主要特征 4 一级种子的质量标准是什么 第四章谷氨酸发酵控制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 第一节发酵培养基对谷氨酸发酵的影响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 氮源1 合理的碳氮比 100 15 30 2 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 无机盐1 磷酸盐磷酸氢二钾 0 1 0 15 过高 代谢转向合成缬氨酸 过低 菌体生长缓慢 2 硫酸镁0 04 0 06 酶的激活剂 3 钾盐酶的激活剂钾含量低涨菌体 多产谷氨酸 4 微量元素生长因子 1 生物素 2 维生素B1 培养基的灭菌1 培养基连续灭菌流程及其特点 1 提高产量 设备利用率高 2 与分批灭菌比较 培养液受热时间短 培养基中营养成分破坏较少 3 产品质量较容易控制 蒸汽负荷均衡 操作方便 4 降低了劳动强度 适用于自动控制 连消 喷淋冷却流程 喷射加热 真空冷却流程 板式换热器灭菌流程 第二节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 1 酶的活性 2 细胞膜所带电荷 3 物质的离解 4 代谢途径 2 发酵过程pH值的变化及控制pH的变化反应谷氨酸发酵的重要指标控制 流加尿素 液氨 氨水 供氧对谷氨酸发酵的影响1 溶解氧与谷氨酸产生菌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碳控制在13 2 提前发现噬菌体感染3 帮助发现杂菌感染 第三节泡沫的消除泡沫对发酵的影响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1 消泡的方法 1 机械消泡 2 化学消泡添加消泡剂 BAPE PPE 第四节发酵工艺 一次高糖发酵工艺1 培养基水解糖15 18 玉米浆0 4 0 5 磷酸氢二钾0 1 0 15 硫酸镁0 04 0 06 消泡剂0 03 尿素0 5 pH7 0 7 2 2 工艺控制工艺参数1 前期温度33 34pH7 2 7 5通风比1 0 1 0 152 中期温度35 36pH7 2 7 5通风比1 0 2 0 253 后期温度36 37pH7 0 7 2通风比1 0 1 0 2 控制要点1 保证种子质量2 适当增加生物素用量3 控制OD值净增在0 8 0 854 控制pH 常见的异常发酵现象及其处理方法 第五节糖蜜原料强制发酵工艺添加表面活性剂的吐温 60强制发酵工艺工艺特点 大接种量 5 10 高生物素 100 g L 高通风量 1 0 3 1 作用机制 对生物素的拮抗作用 2 菌株 WTH 1 D1103 种子培养基 甜菜糖蜜3 5 尿素0 5 硫酸镁0 04 磷酸氢二钾0 15 玉米浆2 5 3 5 按质增减 消泡剂0 03 生物素30 g LpH6 7 7 0 4 发酵培养基甜菜糖蜜15 18 玉米浆0 3 磷酸氢二钾0 15 硫酸镁0 04 消泡剂0 03 尿素2 生物素70 100 g LpH6 7 7 05 发酵控制剂发酵4 5h 对数生长期的前期添加0 2 吐温 60 6 工艺控制前期 0 8h 温度30 33pH6 7 7 0通风比1 0 2中期 8 18h 温度33 34pH6 5 7 0通风比1 0 4后期 18 30h 温度34 35pH6 5 7 0通风比1 0 3 添加青霉素的低糖流加发酵工艺1 作用机制影响肽聚糖的合成 从而形成不完整的细胞壁 2 菌株 s9114 FM415 3 种子培养基 甘蔗糖蜜3 5 尿素0 5 硫酸镁0 04 磷酸氢二钾0 15 消泡剂0 03 pH6 7 7 0 4 发酵培养基甘蔗糖蜜8 磷酸氢二钾0 15 硫酸镁0 04 消泡剂0 03 尿素0 5 pH6 7 7 05 发酵控制剂发酵3 5 5h 对数生长期的前期添加青霉素3 5单位 mL发酵液 第六节低糖流加工艺工艺特点初糖浓度低 总投糖量多 产酸高 糖流加方式连续流加分段加入 第七节采用温度敏感型突变株发酵生产谷氨酸1 作用机制通过物理方式 温度改变 完成生长型细胞向产酸型细胞的转变 2 菌株 1021 3 种子培养基水解糖2 5 尿素0 5 硫酸镁0 1 磷酸氢二钾0 3 玉米浆2 维生素B1200 g L生物素100 g L消泡剂0 03 pH7 1 7 2 4 发酵培养基淀粉水解糖6 磷酸氢二钾0 45 硫酸镁0 15 维生素B1200 g L生物素300 g L甜菜糖蜜 2 5 玉米浆1 5 消泡剂0 03 pH7 2 7 35 发酵控制OD净增0 35 0 4时温度从33提高到37 完成细胞转型 第七节提高发酵产率的主要措施一 选育优良菌株二 改进发酵工艺1 一次高浓度糖发酵2 降低发酵初糖浓度 连续流加糖发酵3 混合碳源发酵4 应用电子计算机控制和管理发酵 使发酵工艺最佳化5 固定化活细胞连续发酵生产谷氨酸 第五章噬菌体与杂菌的防治噬菌体对谷氨酸发酵的危害 轻则减产 重则会引起发酵液全部倒弃 造成严重埙失 谷氨酸生产菌的噬菌体 一般在25 35 pH5 9时较为稳定 易受热变性 60 70 10 15min 对氧化物敏感 可被酸碱致死 凡能引起蛋白质变性的化学药品都可以使噬菌体失活 噬菌体检查方法1 双层平板法2 划线法3 液体培养法 一 噬菌体污染污染现象 出现 二高三低 现象1 发酵液OD值不上升或者回降2 产酸低3 发酵温度低4 pH升高 可到8 0以上5 残糖高 噬菌体污染的防止措施以环境净化为中心的综合治理1 定期检查噬菌体2 严禁活菌体排放3 杀灭环境中的噬菌体4 杀灭压缩空气中的噬菌体5 严格无菌操作6 避免噬菌体侵入设备 污染噬菌体后的挽救措施1 并罐法 噬菌体不能侵染产酸期细胞 2 菌种轮换 不交叉感染 3 放罐重消法 高温灭菌 4 低温灭菌法 二 杂菌的污染与防治染菌原因分析1 从染菌时间分析早期 培养基灭菌不彻底中后期 设备渗漏 空气系统 2 从染菌类型分析芽孢杆菌 灭菌不彻底球菌 酵母等 设备渗漏3 从染菌幅度分析个别罐 参照上面大面积罐 空气系统 种子 预防措施1 空气净化完善空气净化系统 提高过滤效率 2 培养基和设备灭菌严格规范灭菌操作 3 设备安装符合发酵工厂要求 4 接种操作严格执行无菌操作 补救措施1 补加种子适用于前期污染杂菌轻度污染 直接补加 确立生产菌的生长优势 污染严重 灭菌重新接种发酵 2 补加糖 适用于中期污染3 直接放罐 适用于后期污染 第六章谷氨酸的提取第一节概述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叫提炼 分为 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 主要提取方法简介 1 等电点法 2 离子交换法 3 等电 离交法 4 连续等电点法 5 金属盐法 6 盐酸水解 等电点法 7 离子交换膜电渗析法提取谷氨酸 第三节等电点法提取谷氨酸等电点法提取谷氨酸的原理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 常温等电点法发酵液 调节pH4 0 4 5 育晶2 4h 调节pH3 5 3 8 育晶2 4h 缓慢调至pH3 0 3 2 育晶2h 冷却降温搅拌16h 静止沉淀2 4h 离心分离 湿谷氨酸 控制要点1 pH4 5以前加酸速度快2 pH达到4 5时 放慢加酸速度 观察晶核的形成3 准确调整pH至3 0 3 2 降温 4 搅拌16h5 离心甩干 水洗谷氨酸 离心机离心分离因数 离心强度 评价离心力大小的是离心分离因素 其定义是对象所离心力与重力的比值或在离心力场中的离心加速度与重力加速度的比值 以f表示 F 3000 常速离心机F在3000 50000 中速离心机F 50000 高速离心机F在200000 6000000 超速离心机 管式离心机 15000 65000 碟片式离心机 3000 10000 卧螺式离心机 6000 三足式离心机 3000以下 低温等电点法提取谷氨酸与常温等电点操作基本相同 差别在于最后终点温度为0 5 除菌体常温等电点法浓缩 水解等电点法低温浓缩等电点法谷氨酸发酵液连续等电工艺 谷氨酸的结晶1 谷氨酸的晶型和性质 型谷氨酸斜方六面晶体 纯度高 颗粒大 质量重 易分离 型谷氨酸粉状或针状 纯度低 晶粒微细 难分离 2 影响谷氨酸结晶的主要因素菌体 菌体难以和谷氨酸分离 谷氨酸浓度 晶型的影响 温度 溶解度与晶型的影响 加酸速度 晶型和纯度的影响 起晶方式残糖 晶型和溶解度 第四节离子交换法提取谷氨酸 概念 利用离子交换树脂作为吸附剂 将溶液中的待分离组分 依据其电荷差异 依靠库仑力吸附在树脂上 然后利用合适的洗脱剂将吸附质从树脂上洗脱下来 达到分离的目的 离子交换树脂的结构具有三维空间立体结构的网络骨架 联接在骨架上的活性基团 活性基团带相反电荷的活性离子 可交换离子 离子交换树脂的分类按树脂骨架的主要成分分为聚苯乙烯型树脂 聚丙烯酸型树脂 酚 醛型树脂等 按聚合的化学反应分为共聚型树脂和缩聚型树脂 按树脂的酸碱性分为强酸性 弱酸性阳离子交换树脂和强碱性 弱碱性阴离子交换树脂 按树脂骨架的物理结构分为凝胶型树脂 微孔树脂 大网络树脂 大孔树脂 及均孔树脂 离子交换树脂的理化性能颗粒度 大多数为球形 直径0 2 1 2mm 16 60目 90 交换容量 表示方法有质量交换容量 mmol g树脂 和体积交换容量 mmol mL树脂 此外还有工作交换容量和再生交换容量 含水量及密度 含水量一般是 0 3 0 7g g干树脂 湿堆积密度和湿真密度一般为600 850kg m3和1100 1400kg m3 离子交换机理及选择性 B A 离子交换过程包括5步 1 A 自溶液扩散到树脂表面 2 A 从树脂表面扩散到树脂内部的活性中心 3 A 在活性中心发生交换反应 4 解吸离子B 自树脂内部的活性中心扩散到树脂表面 5 B 从树脂表面扩散到溶液 离子交换装置 离子交换法提取谷氨酸的原理当pH 3 2时 谷氨酸以GA 存在当pH 3 2时 谷氨酸以GA 存在可以用阳离子树脂提取谷氨酸阳离子树脂吸附顺序 Ca2 Mg2 K NH4 Na 丙氨酸 亮氨酸 谷氨酸 天冬氨酸 吸附 目的物的分离 清洗 清除杂质 洗脱 目的物的收集 再生 树脂的再生 水洗 pH接近中性 树脂预处理1 物理处理 水洗 过筛 去杂 以获得粒度均匀的树脂颗粒 2 化学处理 转型 氢型或钠型 阳离子树脂酸 碱 酸阴离子树脂碱 酸 碱最后以去离子水或缓冲液平衡 离交操作方式1 静态 操作简单 但是分批操作 交换不完全2 动态 离子交换柱 操作连续 交换完全 适宜多组份分离 洗脱方式离子交换完成后 将树脂吸附的物质重新转入溶液的方法洗脱方法 1 改变溶液pH值 2 改变溶液离子强度 再生方式 交换 离子交换工艺流程1 单柱法等点母液 强酸型阳离子树脂 交换 洗脱 高流分 调酸做酸使用 等点提取 2 双柱法等点母液 弱酸型阳离子树脂 除去杂离子 强酸型阳离子树脂 吸附 洗脱 高流分 调酸做酸使用 等点提取 等电点 离子交换法提取谷氨酸 发酵液 加盐酸 或高流分母液pH1 5 育晶2h pH4 5 育晶2h pH3 5 3 8 加盐酸 或高流分母液pH1 5 育晶2h pH3 0 3 2 加盐酸 或高流分母液pH1 5 搅拌育晶20 16h 沉淀4h 细谷氨酸 母液 谷氨酸 上离子交换柱 洗脱 后流分 高流分 初流分 第七章谷氨酸制味精谷氨酸制味精的工艺流程谷氨酸 中和 脱色 浓缩结晶 干燥 过筛 包装 成品 谷氨酸 中和 沉淀 脱色 过滤 脱色 过滤 浓缩结晶 离心分离 小结晶 母液 结晶味精 干燥 拌盐粉碎 粉状味精 水 或渣水 碳酸钠 活性炭 硫化碱 谷氨酸回调pH 活性炭脱色 活性炭二次脱色 硫化碱 晶种 流加母液 蒸馏水 GH15颗粒活性炭脱色 干燥 过筛 粉状味精 活性炭 硫化碱 1 谷氨酸的中和2C5H9NO4 Na2CO3 2C5H8NO4Na CO2 H2O100kg谷氨酸需要36 1kgNa2CO3C5H9NO4 NaOH C5H8NO4Na H2O100kg谷氨酸需要40kgNaOH 中和工艺条件中和液浓度 21 23Be 温度 60 70 lgs 0 5331 0 01613t s g kg水 pH 6 7 7 0 2 中和液的除铁硫化钠法离子交换法3 中和液的脱色粉末活性炭温度 55 60pH 6 5 7 0用量 0 2 0 5 时间 30min GH 15碳柱脱色预处理 脱色 水洗 再生 4 浓缩结晶结晶过程具有成本低 设备简单 操作方便 广泛应用于氨基酸 有机酸 抗生素 维生素 核酸等产品的精制 饱和溶液 当溶液中溶质浓度等于该溶质在同等条件下的饱和溶解度时 该溶液称为饱和溶液 过饱和溶液 溶质浓度超过饱和溶解度时 该溶液称之为过饱和溶液 溶质只有在过饱和溶液中才能析出 结晶的步骤过饱和溶液的形成晶核的形成晶体生长 其中 溶液达到过饱和状态是结晶的前提 过饱和度是结晶的推动力 结晶操作的特点只有同类分子或离子才能排列成晶体 因此结晶过程有良好的选择性 通过结晶 溶液中大部分的杂质会留在母液中 再通过过滤 洗涤 可以得到纯度较高的晶体 过饱和溶液的形成热饱和溶液冷却 等溶剂结晶 适用于溶解度随温度升高而增加的体系 同时 溶解度随温度变化的幅度要适中 自然冷却 间壁冷却 冷却剂与溶液隔开 直接接触冷却 在溶液中通入冷却剂 部分溶剂蒸发法 等温结晶法 适用于溶解度随温度降低变化不大的体系 或随温度升高溶解度降低的体系 加压 减压或常压蒸馏 真空蒸发冷却法使溶剂在真空下迅速蒸发 并结合绝热冷却 是结合冷却和部分溶剂蒸发两种方法的一种结晶方法 设备简单 操作稳定 化学反应结晶加入反应剂产生新物质 当该新物质的溶解度超过饱和溶解度时 即有晶体析出 其方法的实质是利用化学反应 对待结晶的物质进行修饰 一方面可以调节其溶解特性 同时也可以进行适当的保护 常用的工业起晶方法自然起晶法 溶剂蒸发进入不稳定区形成晶核 当产生一定量的晶种后 加入稀溶液使溶液浓度降至亚稳定区 新的晶种不再产生 溶质在晶种表面生长 刺激起晶法 将溶液蒸发至亚稳定区后 冷却 进入不稳定区 形成一定量的晶核 此时溶液的浓度会有所降低 进入并稳定在亚稳定的养晶区使晶体生长 晶种起晶法 将溶液蒸发后冷却至亚稳定区的较低浓度 加入一定量和一定大小的晶种 使溶质在晶种表面生长 该方法容易控制