氨基酸发酵工艺学天津科技大学huif课件

第三章氨基酸发酵工艺学

学习氨基酸发酵工艺学的目的、研究对象、任务及内容

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。

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。

今后的发展是采用诱变、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。

绪论第一节、氨基酸概论1、氨基酸简介氨基酸是构成蛋白成分α碳原子分别以共价键连接氢原子、羧基和氨基及侧链。侧链不同，氨基酸的性质不同。目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。2、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，添加蛋氨酸、赖氨酸、精氨酸等必须氨基酸可促进动物生长发育、改善肉质、节省蛋白饲料、降低成本等。（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氨基酸注射液由1985年的100万瓶增长到2003的1.5万瓶，每年以15-20%的速度递增，全行业的年产值预计能达到10亿元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（合成高分子化合物）。能保持皮肤湿润的润肤剂——焦谷氨酸钠和质量接近天然皮革的聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料。3、氨基酸的生产方法发酵法：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和营养缺陷型回复突变株发酵。添加前体发酵法：如用邻氨基苯甲酸，生产L-色氨酸；甘氨酸生产L-丝氨酸。酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶来制造氨基酸。延胡索酸和铵盐为原料，经天冬氨酸酶催化生产L-天冬氨酸。提取法：常用毛发、血粉等蛋白质原料水解，从水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸合成法：合成法获得DL-蛋氨酸、不对称合成法获得L-氨基酸。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。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年后,世界氨基酸产值已达45亿美元,占生物技术市场的7%,国内的氨基酸产值可达40亿元,占全国发酵产业总产值的12%。第二节、氨基酸发酵菌株的育种是氨基酸代谢控制发酵的基本策略之一发酵工程要求微生物大量地合成特定的代谢产物，这一目的只有当微生物的部分代谢调控机制遭到破坏时才能达到。用人工诱变的方法有目的地改变微生物固有的调节机制，使合成产物的途径畅通无阻，最大限度地积累特定产物，这种发酵称为代谢控制发酵。从自然界中筛选有产酸能力的菌株,并建立其培养条件.在确立突变技术和阐明氨基酸生物合成系统调节机制的基础上发展为营养缺陷变异株、抗药性菌株的育种。随着重组DNA技术的发展,接合、转导、转染、细胞融合等手段首先用于体内基因重组,是早期用基因重组方法构建生产菌株的尝试。随着载体、受体系统的构建及体外基因重组技术的日益完善,氨基酸生物工程菌的构建有了长足的发展。苏氨酸等的生产菌株被成功地构建并应用于工业化生产。1、用野生株的方法这是从自然界获得的分离菌株进行发酵生产的一种方法。典型的例子就是谷氨酸发酵。改变培养条件的发酵转换法中,有变化铵离子浓度、磷酸浓度。使谷氨酸转向谷氨酰胺和缬氨酸发酵2.用营养缺陷变异株的方法这一方法是诱变出菌体内氨基酸生物合成某步反应阻遏的营养缺陷型变异体，使生物合成在中途停止，不让最终产物起控制作用。这种方法中有用高丝氨酸缺陷株的赖氨酸发酵，有用谷氨酸缺陷株的鸟氨酸发酵，还有用异亮氨酸缺陷株的脯氨酸发酵。谷氨酸棒状杆菌的苏氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸和赖氨酸的合成是与分枝途径相联系的(图4-8)，筛选高丝氨酸营养缺陷型后，限量供给苏氨酸时，就能解除由苏氨酸和赖氨酸的协同反馈抑制作用，而获得赖氨酸的过量生产。这是因为仅有赖氨酸或苏氨酸存在时，天冬氨酸激酶不被抑制，只有两者的协同效应才能造成抑制。在限量供给苏氨酸的情况下，即使赖氨酸过剩，抑制作用也很难发生。3.类似物抗性变异株的方法用一种与自己想获得的氨基酸结构相类似的化合物加入培养基内，使其发生控制作用，从而抑制微生物的生长。这样，就可以得到在这种培养基中能够生长的变异株，而这种变异株正是解除了调控机制的，能够生成过量的氨基酸。利用此方法发酵的有:苏氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、组氨酸和精氨酸。

高丝氨酸脱氢酶例如，在黄色短杆菌的赖氨酸、苏氨酸和异亮氨酸生物合成中（图5-16所示），选育抗苏氨酸结构类似物2-氨基-3-羟基戊酸（AHVr）突变株，得到了具有反馈抑制抗性，高丝氨酸脱氢酶活性提高1300倍，能积累14g/L苏氨酸的突变株。4.体内及体外基因重组的方法基因工程包括细胞内基因重组方法和试管内的体外基因重组方法。体内基因重组在应用上又称为杂交育种，主要方法包括：转化、转染、接合转移、转导和细胞融合等，这都是在细胞内暂时地产生染色体的局部二倍体，在两条DNA链之间引起两次以上的交叉，是遗传性重组现象。细胞内基因重组技术的缺点是，现在只在同种或有近缘关系的微生物之间进行并较难成功。

代谢工程在阐明代谢途径及其调控规律的基础上，应用重组DNA技术可以改变代谢途径分支点上的流量或引入新的代谢步骤与构建新的代谢网络。其主要步骤为:鉴定目标代谢途径涉及的酶(特别是限速酶);取得酶基因，必要时可用蛋白质工程技术，如定点诱变，基因剪接等，使蛋白具有新的特点(增强活性或稳定性、解除反馈抑制等);将一种或多种异源的或改造后的酶基因与调节元件一起克隆进目标生物;使调节元件的作用及培育条件最优化。

5、基因工程菌通过基因工程技术，构建理想的工程菌株5.1载体-受体系统及克隆表达的研究

5.1.1受体的获得目前使用的氨基酸工程菌受体主要是大肠杆菌K-12及棒状杆菌家族，通常是通过诱变选育出的基础产率较高的菌株。大肠杆菌遗传背景研究得清楚，载体系统完善，利于工程菌的构建，但它含有内毒素且不能将蛋白产物分泌至胞外，为应用带来困难。棒状杆菌能克服这两个缺点，但载体受体系统研究较晚且有限制修饰系统的障碍，所以获得利于外源基因导入及表达且能稳定遗传的受体菌是尚待解决的问题。

5.1.2载体的构建

有效的载体需要有在受体菌中可启动的复制起始位点，这可从棒状杆菌家族内源小质粒中获得;载体所需的筛选标记及外源基因插入的多克隆位点，可从常用的克隆载体中获得。5.1.3基因转移手段通常采用的方法有:原生质体转化、转导，电转化，接合转移。原生质体转化的方法是较早采用的方法，由于受到原生质体再生条件的局限，效率不高;电转化方法由于高效，快速被广泛使用，目前它的转化效率可达到原生质体转化法的100-1000倍。接合转移可用于基因在亲缘关系远的物种之间的转移，并且可将外源基因整合于染色体上，易于稳定遗传。

第三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一、菌种的代谢调控是氨基酸代谢控制发酵的基本策略之二控制发酵环境条件专性需氧菌，控制环境条件可改变代谢途径和产物。控制细胞渗透性生物素、油酸和表面活性剂，引起细胞膜的脂肪酸成分的改变。细胞内生物素水平高，Glu不能通过细胞膜青霉素：抑制细胞壁的合成，由于细胞面内外的渗透压而泄露出来。表面活性剂增加细胞膜通透性氨基酸发酵必须考虑的重要因素控制旁路代谢降低反馈作用物的浓度利用营养缺陷型突变株进行氨基酸发酵必须限制所要求的氨基酸的量。限制瓜氨酸的浓度可解除反馈抑制，实现鸟氨酸的生物合成。消除终产物的反馈抑制与阻遏作用使用抗氨基酸结构类似物突变株的方法或者通过选育营养缺陷型菌株。促进ATP的积累，以利氨基酸的生物合成ATP的积累可促进氨基酸的生物合成二、氨基酸发酵的工艺调控培养基pH温度氧是氨基酸代谢控制发酵的基本策略之三（一）培养基1、碳源：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：铵盐、尿素、氨水；同时调整pH值。营养缺陷型添加适量氨基酸主要以添加有机氮源水解液。需生物素的氨基酸，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C/N高。▲有机氮源——缓慢利用，包括蛋白胨、牛肉膏、花生饼粉、黄豆饼粉、玉米浆、酵母粉、麸皮水解液、尿素玉米浆是一种用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡水浓缩物，含丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，黄豆饼粉：水分11%，总氮11.2%,类脂物0.6%,总糖30%,灰分6.5%麸皮水解液：可以代替玉米浆,蛋白质、氮基酸等营养成分比玉米浆少尿素：菌体必须含脲酶方可使用氨水是一种无机氮源，目前常在生产中使用高浓度液氨，注意：因分解容易带来pH波动的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。11、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）、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、糖耗情况和发酵阶段等因素决定控制：（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。（三）温度对氨基酸发酵的影响及其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。菌体生长温度过高，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，维持最适生长温度，减少风量等，促进菌体生长。（四）氧对氨基酸发酵的影响及其控制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主要原料有淀粉、甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、醋酸、乙醇、正烷烃（液体石蜡）等。国内多数谷氨酸生产厂家是以淀粉为原料生产谷氨酸的，少数厂家是以糖蜜为原料进行谷氨酸生产，这些原料在使用前一般需要进行预处理

第四节、氨基酸的生产原料及其制备

目的：降低生物素的含量，过量的生物素，会影响谷氨酸积累常用的方法活性炭处理法用活性炭吸附前先加次氯酸钠或氯气处理糖蜜，可减少活性炭用量。树脂处量法甜菜糖蜜用非离子化脱色树脂除生物素，可以提高谷氨酸对糖的转化率。处理时先用水和盐酸稀释糖蜜，使其浓度达到10%，pH值达到2.5，然后在120℃下加压灭菌20min，再用氢氧化钠调pH至4.0，通过脱色树脂换柱后，将所得溶液调至PH至7.0，用以配制培养基

一.糖蜜的预处理

二.淀粉的预处理

第五节、谷氨酸生物合成及其发酵生产调控氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵，发酵技术的关键是打破微生物的正常代谢调节，人为控制微生物的代谢。

代谢控制发酵是用遗传学或其他生物化学的方法，人为地在分子水平上改变和控制微生物的代谢，打破微生物正常的代谢调节，使有用产物大量生成和积累。肝昏迷预防；防止癫痫；减轻酮尿症和酮血症；胃酸不足；一种脑营养剂；食品保鲜剂。药物保健品食品L-谷氨酸的用途一.

谷氨酸的生物合成途径异柠檬酸裂解酶α-酮戊二酸脱氢酶1、谷氨酸生物合成中的几个途径（正常途径）（1）糖酵解途径（EMP）（2）磷酸已糖途径（HMP)（3）三羧酸循环(TCA环)（4）乙醛酸循环（DCA环）（5）二氧化碳固定反应

PEP+CO2+GTP草酰乙酸+GDP

丙酮酸+CO2+NADH苹果酸+NAD草酰乙酸CO2NAD+NADH+H+（6）α-KGA的还原氨基化反应

PEP羧化酶苹果酸酶苹果酸脱氢酶C6H12O6+NH3+O2→C5H9O4N+CO2+3H2O在GA产生菌菌体内CO2固定反应有以下两条途径：①苹果酸酶②丙酮酸羧化酶③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶CO2固定反应(丙酮酸羧化支路)2、GA生物合成的内在因素

α-酮戊二酸脱氢酶的活性微弱或缺失TCA环阻断，α-酮戊二酸积累GA产生菌必须具备以下条件琥珀酸辅酶ATCA环正常

GA产生菌体内的NADPH的氧化能力欠缺或丧失积累NADPH，抑制α—KGA的脱羧氧化

GA产生菌体内必须有乙醛酸循环（DCA）的关键酶——异柠檬酸裂解酶通过该酶酶活性调节实现DCA循环的封闭，GA发酵积累

菌体有强烈的L—谷氨酸脱氢酶活性α—KGA+NH4++NADPH==GA+NADP提供NADPH,用于还原α-酮戊二酸生成谷氨酸，形成氧化还原共扼体系氨的导入合成谷氨酸的反应有3种：α-酮戊二酸NH4+NADPH谷氨酸H2ONADP+谷氨酸脱氢酶GHDα-酮戊二酸+天冬氨酸或丙氨酸谷氨酸转氨酶AT谷氨酸α-酮戊二酸+α-酮戊二酸+谷氨酰胺NADPH+2谷氨酸NADP+谷氨酸合成酶GS+++该反应的关键是与异柠檬酸脱羧氧化相偶联

3/2GlucoseEMP丙酮酸+丙酮酸+丙酮酸乙酰辅酶A+乙酰辅酶A+乙酰辅酶A柠檬酸

则有：3/2C6H12O6+NH4+==C5H9O4N+4CO2

产率：147/（180*3/2）==54.4%CO2谷氨酸在前述GA合成所必需的条件的基础上（封闭乙醛酸循环）体系不存在CO2固定反应，则有：3、GA生物合成的理想途径结论通过DCA环提供C4二羧酸时谷氨酸对糖的转化率仅为54.4%在谷氨酸发酵中，DCA环可以作为TCA循环有缺陷时C4二羧酸的补充.在前述GA合成所必需的条件的基础上（封闭乙醛酸循环）存在CO2固定反应，则有：GlucoseEMP丙酮酸+丙酮酸CO2则有：C6H12O6+NH4+==C5H9O4N

+CO2

（来自何方）产率：147/180==81.7%乙酰辅酶A+C4二羧酸CO2 草酰乙酸（草酰乙酸羧化酶）苹果酸（苹果酸激酶）柠檬酸（DCA循环封闭）谷氨酸四碳二羧酸的来源Δ在生产菌中检出CO2固定反应酶活性磷酸烯醇丙酮酸(PEF)羧化酶和苹果酸酶谷氨酸对糖的转化率达到81.7%C6H12O6+NH3+1.5O2──C5H9O4N+CO2+3H2O需要Mn+做催化剂，所以，在GA发酵过程中需要向培养基中补充Mn+实际上，发酵过程中不可能控制柠檬酸合成所需的C4二羧酸完全来自于CO2固定反应，体系也不可能完全不存在CO2固定反应，因此，GA发酵的糖酸转化率应在：54.4%——81.7%。目前，国内的GA生产企业的糖酸转化率通常都在50%以内：

提高GA的潜力是很大的，具体表现在：（1）强化CO2固定反应，具体措施：Mn+，生物素？（2）控制溶氧浓度是非常重要的低的溶氧浓度，则丙酮酸向乳酸方向转化……高的溶氧浓度，则NADPH有被氧化的可能，……4、生物素对GA发酵的影响生物素对糖代谢的影响生物素参与糖代谢作用：增加糖代谢的速度(对TCA有促进作用）而丙酮酸氧化脱羧的速度未改变丙酮酸积累乳酸积累碳源利用率降低，而且带来的是发酵液的pH值下降。另一方面，可以通过控制VH的浓度，以实现对于乙醛酸循环的封闭。前述，封闭乙醛酸循环对于GA发酵的重要性，那么，如何封闭乙醛酸循环呢？

研究表明，异柠檬酸裂解酶活性

为醋酸诱导

受琥珀酸的阻遏，抑制当VH缺乏时：（1）丙酮酸的有氧氧化就会减弱？则：乙酰辅酶A的生成量就会少，醋酸浓度降低，它的诱导作用降低；（2）VH对TCA循环的促进作用的降低，使得其中间产物琥珀酸的氧化速度降低，其浓度得到积累，这样它的阻遏和抑制作用加强；两者综合的作用使得，异柠檬酸裂解酶的活性丧失，DCA循环得到封闭。

生物素对糖代谢的影响：主要是影响糖降解速度，而不是影响EMP与HMP途径的比率。在生物素充足的条件下，丙酮酸以后的氧化活性虽然也得到提高，但由于糖降解速度显著提高，打破了糖降解速度与丙酮酸氧化速度之间的平衡，丙酮酸趋于生成乳酸的反应，因而会引起乳酸的溢出。

生物素对CO2固定反应也有影响。研究表明，生物素是丙酮酸羧化酶的辅酶，参与CO2固定反应。据有关资料报道,当生物素过量（100μg/L以上）时，CO2固定反应可提高30%。

乙醛酸循环的关键酶异柠檬酸裂解酶受葡萄糖、琥珀酸的阻遏，为醋酸所诱导。以葡萄糖为原料发酵生成谷氨酸时，通过控制生物素亚适量，几乎看不到异柠檬酸裂解酶的活性。因为丙酮酸氧化能力下降，醋酸的生成速率减慢，所以为醋酸所诱导形成的异柠檬酸裂解酶就很少。另外，该酶受琥珀酸阻遏，生物素亚适量时因琥珀酸氧化能力降低而积累的琥珀酸就会反馈抑制该酶的活性，并阻遏该酶的合成，乙醛酸循环基本上是封闭的，代谢流向异柠檬酸→α-酮戊二酸→谷氨酸的方向高效率地移动。

GOBACK生物素对氮代谢的影响VH丰富时，出现“只长菌，不产酸”的现象GA发酵过程中，前期，菌体的增殖期，一定的量的生物素是菌体增殖所必需的；而在产物合成期，则要限制生物素的浓度，以保证产物的正常合成。结论氨的导入时生物素缺乏，NH4+影响糖代谢速度：提高糖代谢速度高效合成谷氨酸生物素充足时，NH4+不影响糖代谢速度关于氮代谢的调节：众所周知，控制谷氨酸发酵的关键之一就是降低蛋白质的合成能力，使合成的谷氨酸不能转化成其他氨基酸或参与蛋白质合成。在生物素亚适量的情况下，几乎没有异柠檬酸裂解酶，琥珀酸氧化能力弱，苹果酸和草酰乙酸脱羧反应停滞，在铵离子适量存在下，生成积累谷氨酸。生成的谷氨酸也不通过转氨作用生成其他氨基酸和合成蛋白质。在生物素充足的条件下，异柠檬酸裂解酶活性增强，琥珀酸氧化能力增强，丙酮酸氧化力加强，乙醛酸循环的比例增加，草酰乙酸、苹果酸脱羧反应增强，蛋白质合成增强，谷氨酸减少，合成的谷氨酸通过转氨作用生成的其他氨基酸量增加。

VH对菌体细胞膜通透性的影响通常谷氨酸发酵采用的菌种都是VH-，而VH又是菌体细胞膜合成的必须物质，因此，可以通过控制VH的浓度（干扰磷脂中的脂肪酸的生物合成）来实现的来实现对菌体细胞膜通透性的调节。

葡萄糖丙酮酸+丙酮酸乙酰辅酶A乙酰辅酶Ａ乙酰辅酶A羧化酶（辅酶是VH）CO2丙二酰辅酶A丙二酰辅酶AC4C6CO2培养基中生物素限量时，胞内AA92%胞外

培养基中生物素丰富时，胞内AA12%胞外

CO2细胞透性的调节谷氨酸发酵的关键在于发酵培养期间谷氨酸生产菌细胞膜结构与功能发生特异性变化，使细胞膜转变成有利于谷氨酸向膜外渗透的形态，使终产物不断排出细胞外，胞内谷氨酸不能积累到引起反馈调节的浓度，胞内谷氨酸源源不断被优先合成，分泌到发酵培养基中积累。细胞透性的调节，一般通过向培养基中添加化学成分（如生物素、油酸、甘油、表面活性剂、青霉素等，达到抑制磷脂、细胞膜的形成或阻碍细胞壁的正常生物合成，使谷氨酸生产菌处于异常生理状态，解除细胞对谷氨酸向胞外漏出的渗透障碍。生物素：影响磷脂的合成及细胞膜的完整性。油酸：直接影响磷脂的合成及细胞膜甘油：甘油缺陷型菌株丧失α-磷酸甘油脱氢酶，不能合成α-磷酸甘油和磷脂。限量供应，控制了细胞膜中与渗透性直接关系的磷脂含量，使谷氨酸排出胞外而积累。表面活性剂：对生物素有拮抗作用，拮抗不饱和脂肪酸的合成，导致磷脂合成不足，影响细胞膜的完整性，提供细胞膜对谷氨酸的渗透性。青霉素：抑制细菌细胞壁的后期合成，形成不完整的细胞壁，使细胞膜失去保护，使胞内外的渗透压差导致细胞膜的物理损伤，增大谷氨酸向胞外漏出的渗透性、生物素阻断脂肪酸的合成影响细胞膜的合成表面活性剂对生物素有拮抗阻断脂肪酸的合成影响细胞膜的合成在对数生长期添加青霉素抑制细胞壁合成细胞膜损伤甘油缺陷型磷脂的合成受阻影响细胞膜的合成油酸缺陷型阻断不饱和脂肪酸的合成影响细胞膜的合成提高细胞膜的谷氨酸通透性控制磷脂的合成使细胞膜受损（如表面活性剂）青霉素损伤细胞壁，间接影响细胞膜控制磷脂含量通过油酸的合成通过甘油合成直接控制磷脂合成

Glu生产菌大多是生物素缺陷型，发酵时控制生物素亚适量，使细胞变形拉长，改变了细胞膜的通透性引起代谢失调使Glu得以积累。生物素贫乏时，细胞内的Glu含量少而且容易析出，而培养基中积累大量的Glu；生物素丰富时，培养基中几乎不积累Glu，而细胞内却含有大量的Glu，且不易被析出。这说明生物素对细胞膜通透性有重要影响。5、GA发酵的外在因素（1.）供氧浓度

过量：NADPH的再氧化能力会加强，使α—KGA的还原氨基化受到影响，不利于GA的生成。供氧不足：积累大量的乳酸，使发酵液的pH值下降，不利于GA的产生，同时，一部分葡萄糖转成了乳酸，影响了糖酸转化率，降低了产物的提出率。（2.）NH4+浓度（1）影响到发酵液的pH值（2）与产物的形成有关：过低，不利于α—KGA的还原氨基化过高，产生谷氨酰胺NH4+的供给方式：（1）液氨（2）流加尿素（3.）磷酸盐过量：（1）促进EMP途径，打破EMP与TCA之间的平衡，积累丙酮酸，产生乳酸等…… （2）产生并积累Val，Glucose丙酮酸丙酮酸+活性乙醛α—乙酰乳酸ValVal（1）可以抑制葡萄糖丙酮酸，使GA的生物合成受到阻止

（2）消耗了丙酮酸，降低了糖酸转化率

（3）发酵液中的Val存在，严重的影响GA的结晶、提出

研究证明：

谷氨酸生产菌种存在EMP途径的全部酶和HMP途径有关的酶

TCA循环中的柠檬酸、顺乌头酸、异柠檬酸能定量地生成谷氨酸，其相应的酶与谷氨酸合成有关

以醋酸和乙醇为原料进行谷氨酸发酵时，DCA循环是C4

二羧酸的唯一补充来源；但是以葡萄糖为原料时，在谷氨酸生成期此循环应关闭

谷氨酸菌存在CO2固定生成草酰乙酸的PEP羧化酶和苹果酸酶，与谷氨酸得率正相关第六节

谷氨酸生物合成的调节机制谷氨酸的发酵一、谷氨酸生物合成的调节①谷氨酸脱氢酶②-酮戊二酸脱氢酶③磷酸烯醇丙酮酸羧化酶④柠檬酸合成酶⑴优先合成

在微生物的代谢中，Glu比Asp优先合成；合成过量时则抑制谷氨酸脱氢酶，使代谢转向合成Asp；

Asp过量时反馈抑制PEP羧化酶的活力，停止合成草酰乙酸。

⑵谷氨酸脱氢酶(GDH)的调节谷aa脱氢酶谷aa对其反馈抑制和反馈阻遏⑶柠檬酸合成酶的调节柠檬酸合成酶TCA的关键酶，受能荷调节，谷aa反馈阻遏，乌头酸反馈抑制所以，正常代谢不积累Glu

⑷异柠檬酸脱氢酶的调节

细胞内α-酮戊二酸的量与异柠檬酸的量需维持平衡。当α-酮戊二酸过量时,将对异柠檬酸脱氢酶发生反馈抑制作用,停止合成α-酮戊二酸。GOBACK异柠檬酸脱氢酶α-酮戊二酸反馈抑制⑸α-酮戊二酸脱氢酶:谷氨酸产生菌中先天性的丧失或微弱。⑹磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶PEP受天冬aa反馈抑制，受谷aa和天冬aa反馈阻遏丧失或有微弱的-酮戊二酸脱氢酶活力，使-酮戊二酸不能继续氧化；CO2固定能力强，使四碳二羧酸全部由CO2固定反应提供，而不走乙醛酸循环；谷氨酸脱氢酶的活力很强，并丧失谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制和反馈阻遏，同时，NADPH2再氧化能力弱，这会使-酮戊二酸到琥珀酸的过程受阻；有过量的NH4+存在，-酮戊二酸经氧化还原共轭氨基化反应而生成谷氨酸却不形成蛋白质，从而分泌泄漏于菌体外；同时，谷氨酸生产菌应不利用体外的谷氨酸，使谷氨酸成为最终产物。生产菌株还应该具有生物素合成缺陷、油酸合成缺陷和甘油合成缺陷等特点。二.谷氨酸高产菌模型特征（一）、谷氨酸生产菌的育种思路

三、谷氨酸生产的代谢调控第二章

谷氨酸发酵机制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

谷氨酸生产菌的具体育种思路

（谷氨酸代谢控制发酵的基本方法和实现的途径）1.切断或减弱支路代谢

⑴选育减弱α-酮戊二酸进一步氧化能力的突变株

从谷氨酸生物合成的代谢途径可以看出，减弱α-酮戊二酸脱氢酶复合体的活性，可以使代谢流向谷氨酸，从而使谷氨酸得到积累。

⑵选育减弱HMP途径后段酶活性的突变株

在谷氨酸生物合成途径中，从葡萄糖到丙酮酸的反应是由EMP途径和HMP途径组成的。但是，通过HMP途径也可生成核糖、核苷酸、莽草酸、芳香族氨基酸、辅酶Q、维生素K、叶酸等物质。这些物质的生成消耗了葡萄糖，使谷氨酸的产率降低。如果削弱或切断这些物质的合成途径，就会使谷氨酸的产率增加。这可通过选育莽草酸缺陷型或添加芳香族氨基酸能促进生长的突变株以及抗嘌呤、嘧啶类似物或核苷酸类抗生素，如德夸菌素、狭霉素C抗性突变株来实现。

⑶选育不分解利用谷氨酸的突变株

为了积累谷氨酸，就必须使菌种不能分解利用谷氨酸，这可通过选育以谷氨酸为唯一碳源，菌体不长或生长微弱的突变株来实现。

⑷选育减弱乙醛酸循环的突变株

四碳二羧酸是由CO2固定反应和乙醛酸循环所提供的。减弱乙醛酸循环，CO2固定反应所占的比例就会增大，谷氨酸的产率就高。这可通过选育琥珀酸敏感型突变株、不分解利用乙酸突变株、异柠檬酸裂解酶活力降低菌株来实现。

GOBACK⑸阻止谷氨酸进一步代谢由于细胞还可以谷氨酸为前体继续向下合成谷氨酰胺等，就必然会导致谷氨酸的积累量减少，为此，要避免谷氨酸被菌体利用，还需要切断谷氨酸向下的代谢途径。2.解除菌体自身的反馈调节

⑴选育耐高渗透压突变株

要使菌种能高产谷氨酸,首先要使菌种具备在高糖、高谷氨酸的培养基中仍能正常生长、代谢的能力，即在高渗培养基中菌体的生长和谷氨酸的合成不受影响或影响很小。这可通过选育耐高糖、耐高谷氨酸及耐高糖+高谷氨酸突变株来实现。

⑵选育解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节的突变株

当谷氨酸合成达到一定量时，谷氨酸就会反馈抑制和阻遏谷氨酸脱氢酶，使谷氨酸的合成停止，使代谢转向天冬氨酸的合成。若解除了谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈调节，菌体就会不断的合成谷氨酸。这可通过选育酮基丙二酸抗性、谷氨酸结构类似物抗性（如谷氨酸氧肟酸盐）、谷氨酰胺抗性突变株来实现。

GOBACK3.增加前体物的合成

⑴选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到α-酮戊二酸代谢的突变株

这可通过选育柠檬酸合成酶活力强突变株及抗氟乙酸、氟化钠、重氮丝氨酸、柠檬酸抗性等突变株来实现。

⑵选育强化CO2固定反应的突变株

这可通过选育以琥珀酸或苹果酸为唯一碳源生长良好的突变株、氟丙酮酸敏感突变株以及丙酮酸或天冬氨酸缺陷突变株来实现。

GOBACK4.提高细胞膜的渗透性

⑴选育抗Vp类衍生物突变株

选育抗Vp类衍生物，如香豆素、卢丁等突变株，都能遗传性的改变细胞膜的渗透性。生物素缺陷株（生物素亚适量）

⑵选育溶菌酶敏感突变株。

⑶选育二氨基庚二酸缺陷突变株。

⑷选育温度敏感突变株

谷氨酸温度敏感突变株的突变位置是在决定与谷氨酸分泌有密切关系的细胞膜结构基因上，发生碱基的转换或颠换，一个碱基为另一个碱基所置换，这样为该基因所指导的酶，在高温下失活，导致细胞膜某些结构的改变。当控制培养温度为最适生长温度时，菌体正常生长；当温度提高到一定程度时，菌体便停止生长而大量产酸。（5）油酸缺陷型（油酸亚适量）（6）甘油缺陷型（甘油亚适量）

GOBACK5.强化能量代谢

谷氨酸高产菌的两个显著特点是:α-酮戊二酸继续向下氧化的能力微弱和乙醛酸循环微弱，使能量代谢受阻，TCA循环前一阶段的代谢减慢。强化能量代谢可弥补上述两点不足，使TCA循环前一段代谢加强，谷氨酸合成的速度加快。

⑴选育呼吸链抑制剂抗性突变株

如可选育丙二酸、氧化丙二酸、氰化钾、氰化钠抗性突变株来实现。

⑵选育ADP磷酸化抑制剂抗性突变株

如可选育2,4-二硝基酚、羟胺、砷、胍等抗性突变株来实现。

[3]选育抑制能量代谢的抗生素的抗性突变株

如可选育缬氨霉素、寡霉素等抗性突变株来实现。

GOBACK第七节、谷氨酸的生产工艺谷氨酸生产的概况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。我国与国外谷氨酸生产的现状及存在问题菌种的性能：我国产酸8.6－10％，转化率55％；日本10－12％，转化率55％。工艺和过程控制：我国低糖和中糖发酵，日本高糖发酵并流加、提高罐压，保证溶氧。对温度、压力、空气流量、蛋白质、溶氧采用计算机控制。一、

谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养（一）、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)：谷氨酸棒杆核菌Cornebateiumgho-tamlkns）2.短杆菌属(Brevibacterium)：黄色短杆菌（Bteuibaterunflavum）、乳糖发酵短杆菌（Bra.lactofementum）3.小杆菌属(Microbacterium)：嗜氨小杆菌（Micrbateriumammoniaphilmn）4.节杆菌属(Arthrobacterium)菌种形态G属性呼吸类型碳源基质棒状杆菌属直或微弯，一端膨大。折断分裂呈八字排列或枷状排列，不运动G＋好氧或厌氧葡萄糖发酵产酸，少数利用乳糖产酸短杆菌属短的不分支直杆菌，多数不运动，少数运动有鞭毛。G＋好氧葡萄糖发酵产酸小杆菌属杆状，形态与排列与棒状杆菌相似G＋好氧发酵糖产酸弱，主要产乳酸，不产气节杆菌属培养过程细胞形态易变化，先由球菌变杆菌，随后由杆菌变球菌，不运动G＋变G－，后由G－变G＋好氧发酵糖产酸极少或不产酸。表1谷氨酸发酵微生物特征及菌学比较（二）、谷氨酸生产菌形态与生理的共同特征细胞形态为球形、棒形以至短杆形。革兰氏染色阳性，无芽孢、无鞭毛、不运动都是需氧形微生物，在通气条件下才能产生谷氨酸。都是生物素缺陷型，需要生物素作为生长因子脲酶强阳性不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白及明胶发酵中菌体发生明显形态变化和细胞渗透性的变化CO2固定反应酶系活力强，异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱、乙醛酸循环弱，α-酮戊二酸氧化能力缺失或微弱；柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶以及谷氨酸脱氢酶活力强，还原性辅酶Ⅱ进入呼吸链具有向环境中泄漏谷氨酸的能力不分解利用谷氨酸，能耐受高浓度的谷氨酸，产量在5％以上。（三）、国内谷氨酸生产菌及其比较

1、北京棒杆菌(AS1299)的形态和生理特征2、钝齿棒杆菌(AS1542)的形态和生理特征

3、天津短杆菌(T6-13)的形态和生理特征

4、北京棒杆菌(7338)与钝齿棒杆菌(B9)的比较

5、天津短杆菌(T6-13)与钝齿杆菌(B9)的比较

6、目前味精行业采用的主要菌株S9114华南理工大学FD415上海复旦大学TG961天津科技大学二、

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

斜面和一、二级种子培养在不同培养条件下，细胞形态基本相似。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*1.0～3.4um。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、谷氨酸发酵不同阶段的菌体形态

从谷氨酸发酵中菌体形态的变化来看,大致可以分为长菌型细胞、转移期细胞和产酸型细胞3种不同时期的细胞形态.3、谷氨酸发酵感染噬菌体后的菌体形态

发酵前期感染噬菌体后,菌体细胞明显减少，细胞不规则，发圆、发胖,缺乏“Ｖ”字形排列，有明显的细胞碎片，严重时出现拉丝、拉网，互相堆在一起，几乎找不到完整的菌体细胞，类似蛛网或鱼翅状。

在发酵中、后期感染噬菌体后，菌体细胞形态不规则，边缘不整齐，有的边缘似乎有许多毛刺状的东西，有细胞碎片

。谷氨酸发酵过程中菌体形态变化及代谢特征发酵时间/h细胞类型细胞形态特征代谢特点0－8长菌形细胞菌体形态与种子相似，短杆、棒形、椭圆形，单个、成对，八字形，绝大多数为V形分裂耗糖加快，代谢旺盛，温度上升，产生CO2，菌体不产酸8－16转移期细胞细胞开始伸长、膨大，细胞边缘不完整、边缘褶皱，细胞形态急剧变化，由长菌形细胞转化成产酸形细胞生物素含量由“丰富转向贫乏”通风量达到最大值，OD达到最大值并稳定，放热也达到最大值，菌体开始产酸16－30产酸期细胞细胞形态几乎都伸长、膨大，伸长拉大2－4倍，不规则，缺乏八字形排列大量积累谷氨酸，耗糖、好氨与产酸相适应，风量逐渐下降三、

菌种的扩大培养和种子的质量要求

斜面菌种一级种子培养二级种子培养

发酵罐

1.种子培养过程菌种：我国常用的菌种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。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三角瓶装量200－250ml，震荡，32℃，培养12h。二级种子培养：用种子罐培养，料液量为发酵灌投料体积的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃进行通气搅拌7－10h。2、种子质量要求一级种子质量标准：一级种子为摇瓶种子。质量要求：显微镜检查，无杂菌，菌体粗壮、均匀、排列整齐涂平板检查无杂菌、无噬菌斑OD值净增0.6左右。种子营养液pH在6.7左右种子营养液残糖在0.5%以下。二级种子质量标准：二级种子为生产车间的种子罐中培养的。对其质量要求平板检查无杂菌、无噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八字排列。活菌数108－109/ml。pH在7.2左右，残糖含量在1.5左右。其它各项指标与一级种子相同。四、谷氨酸的生产工艺磷酸盐、玉米浆、镁盐等分过滤器发酵灌调和配料预处理（水解）发酵培养基调pH连消菌种罐等电沉淀粗谷氨酸中和摇瓶菌种原料种子培养基空气斜面尿素贮罐空气净化系统脱色结晶浓缩成品味精（一）、

谷氨酸发酵工艺流程淀粉葡萄糖糖蜜稀释蜜配料种子罐玉米浆糖蜜磷酸二氢钾硫酸镁无菌空气Fe2+、Mn2+NH3菌种发酵罐等电提取中和除铁脱色浓缩、结晶离心干燥味精发酵罐Na2CO3（二）、原料的预处理1.淀粉水解糖的制备：酸水解或酶水解酸水解法调浆：干淀粉用水调成10-110Bx的淀粉乳，加盐酸0.5-0.8％至pH1.5。糖化：蒸汽加热，加压糖化25min。冷却至80℃下中和。中和：烧碱中和，至pH4.0-5.0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：以大米或碎米为原料时采用调浆配料：大米进行浸泡磨浆，将淀粉乳调成15－20°Bè，用Na2CO3调pH6.4-6.5，用CaCl2调节浆中的Ca2+至50mg/L。加细菌a-淀粉酶（10－12u/g，干淀粉计算)。喷射液化：一次喷射温度100－105℃，层流罐维持95－100℃，液化时间1h。典色反应棕红色。液化液经二次喷射，维持温度130－140℃，灭酶5－10min，再经板式换热器冷却至70℃以下，进入糖化罐。糖化：糖化温度60±1℃，pH4.0-4.4；糖化酶（100－120u/g，干淀粉计算)糖化过滤：糖液先用Na2CO3水溶液调pH4.8-5.0，过滤。糖化液的质量要求色泽淡黄色透明液糊精反应无还原糖含量25－28％DE值95－98％透光率60％pH4.6-5.0淀粉转化率95－98％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。(三)、谷氨酸发酵控制发酵培养基1、碳源：葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖作用：菌体生长繁殖；新陈代谢的能源；产生a-硐戊二酸转化为谷氨酸低中糖发酵：初始糖浓度12.5-13%.中高糖发酵：初始糖浓度14-16%。补糖发酵：初始糖浓度12-13%，中后期补糖2－4％。目前，较多采用低糖浓度流加发酵控制。

2、氮源：

无机氮源:(1)尿素

(2)液氨

(3)碳酸氢铵；有机氮源:玉米浆、麸皮水解液、豆饼水解液和糖蜜等。作用：是合成菌体、蛋白质、核酸等含氮物质和合成氨基酸来源氮源；调节pH

目前，工业生产采用尿素为氮源，流加控制。

C:N，谷氨酸发酵所需比为100：15～21

3、无机盐：

磷酸盐、硫酸镁、钾盐、微量元素作用：构成细胞的成分；作为酶的组成部分；激活或抑制酶活性；调节培养基的渗透压；调节培养基的PH；调节培养基的氧化还原电位。磷酸盐：控制在0.005-0.01mol/L硫酸镁：G＋要求镁离子浓度最低25ug/L；G-要求4－6ug/L钾盐：钾盐多，有利于产酸；钾盐少，有利于菌体生长微量元素：主要是锰、铁，10-6－10-4mol/L。严格控制铜、汞含量，以免对发酵产生毒害作用。4、生长因子：主要参与细胞膜的代谢，进而影响膜的透性。

(1)生物素（2－5ug/ml）(2)维生素B1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在，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，你谢产物中乳酸和琥珀酸明显增多。当生物素缺乏时，菌种生长缓慢。因此，一般将生物素控制在亚适量条件下，才能得到高产量的谷氨酸。5、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。成分菌种AS-1.299AS-1.542B9D110糖12.512.51015玉米浆0.5～0.70.5～0.70.3磷酸氢二钠0.170.170.160.35硫酸镁0.06～0.070.070.06Fe2＋、Mn2＋初尿1.8～2.01.01.03.4流加尿1～1.21.8～2.21.8～2.2pH7.07.06.86.7表4—1不同生产菌谷氨酸发酵培养基配方（四）

谷氨酸发酵工艺控制1、

温度对谷氨酸发酵的影响

各种微生物在一定条件下,都有一个最适的生长温度范围。谷氨酸产生菌的最适生长温度为30～32℃,产生谷氨酸的最适为34～37℃。若菌体生长期温度过高,易造成菌体衰老。生产上表现为OD值增长慢,pH值高,耗糖慢,发酵周期长,谷氨酸生成少。在发酵中、后期，菌体生长基本停止，适当提高温度可促进产生谷氨酸。因此根据菌种特点，温度采用二级或三级管理。即发酵前期控制在30－32℃；中、后期34－37℃。菌种AS-1.299617AS-1.542T6-13生长温度30－32℃30－34℃32－34℃32－36℃发酵温度34℃34～36℃34～36℃36～38℃表4—2菌谷氨酸产生菌的培养温度2、pH值对谷氨酸发酵的影响

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，长菌不产酸。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。发酵阶段发酵前期发酵中、后期pH控制7.57.2－7.4发酵生产中，pH的控制通常采用流加尿素、氨水或液氨，补充了氮源，也起到调节pH的作用3、

供氧对谷氨酸发酵的影响

溶解氧的控制：大小是由通风与搅拌两方面决定的，与搅拌器的型式、直径大小、搅拌转速、搅拌器在发酵罐内的相对位置因素等有关。一般搅拌器直径大，转速快，溶氧系数大。所以，增大搅拌转速比增加通风量对溶氧系数提高更为显著。具体操作：

发酵前期，以低通风量为宜；发酵中、后期，以高通风量为好。当培养基浓度高、营养丰富、生物素用量大时，应采用高通风量。当菌体生长缓慢、pH偏高时，应减少通风量，或停止搅拌，以利于长菌。当菌体生长快、耗糖快时，应提高通风量，以抑制生长和满足合成谷氨酸所必须的足够能量。

项目发酵罐容积10m320m350m3搅拌转速（r/min）160140110通风比（m3/m3·min）1:0.16～0.171:0.151:0.12具体风量：前期1:0.12（V/V)；中期1:0.22-0.26；后期1:0.15-0.18发酵通风量的控制4、

泡沫的消除

（1）泡沫的形成和性质搅拌与通风发酵液中含有蛋白胨、玉米浆、黄豆粉是主要的发泡剂。发酵液感染杂菌和噬菌体（2）泡沫对发酵的影响发酵灌的装料系数减少氧传递系数减少发酵液逃液，增加染菌机会（3）发酵过程泡沫形成的规律（五种）整个发酵过程，泡沫保持恒定的水平发酵早期，起泡后稳定的下降，以后保持恒定发酵前期，泡沫稍微降低后又开始回升发酵开始起泡能力低，以后回升以上类型的综合方式（4）泡沫的消除（控制）调整培养基的成分（少加或缓加宜起泡的原材料）；改变某些物理化学参数（pH、温度、通气和搅拌；改变发酵工艺采用机械消泡或消泡剂消泡机械消泡：利用机械振动或压力变化使泡沫破裂消泡剂：属表面活性剂，天然油脂（豆油、玉米油）；脂肪酸和酯类；聚醚类（氧化丙烯和氧化乙烯与甘油的聚合物）；硅酮类5、发酵过程主要变化及中间代谢控制

1.适应期2.对数生长期3.转化期4.产酸期谷氨酸的发酵过程曲线（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适应期缩短。（2）对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利用后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，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。6、

异常发酵现象及其处理

常见的异常发酵现象及其处理方法

序异常现象原因分析

处理方法

10时pH值高(1)初尿过多(2)尿素灭菌温度过高、时间过长停搅拌,小通风,待菌体生长,pH下降后再按正常发酵进行

2发酵前期pH值过高(1)初尿过多(2)菌种被烧死(3)种子感染噬菌体(4)培养基缺乏或抑制菌体生长

(1)按第1项方法处理(2)补种(3)按感染噬菌体处理(4)根据情况补料,补种(5)均先停搅拌、小通风3菌体生长缓慢或不长

(1)感染噬菌体

(2)培养基贫乏(3)菌种老化

(4)前期风量过大,或初尿过多抑制生长(1)按感染噬菌体处理(2)补料,并停搅拌(3)换种、补种(4)停搅拌、小通风4中后期耗糖慢、产酸低(1)菌种老化

(2)前期风量过大后期无力

(3)种子或发酵前期温度过高

(4)生物素不足(1)

略减风量,如残糖高可补种,或并罐发酵(2)

略减风量,如残糖高可补种,或并罐发酵(3)

略减风量,如残糖高可补种,或并罐发酵(4)

补料

514h后OD值继上升

(1)生物素过量(2)染菌

(1)提高风量,提高温度(2)按染菌处理6耗糖快，pH偏低,产酸低

(1)

培养基丰富,生物素过量

(2)

pH低,流尿不及时(3)

通风不足,空气短路,搅拌转速低(4)

感染杂菌(1)提高风量,提高pH(2)及时流尿,提高pH(3)提高风量,提高pH(4)按染菌处理

7发酵液变红色

生物素充足,风量不足提高风量8谷氨酸生成后又下跌(1)pH偏低,NH4+过量,谷氨酸转变为谷酰胺(2)大量下跌,可能染菌(1)及时流尿,提高pH(2)按染菌处理

9泡沫太多(1)水解糖质量不好(2)染菌(1)改进水解糖质量(2)按染菌处理

7、发展方向改进发酵工艺

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

（三）

谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治

1、谷氨酸发酵中噬菌体的污染与防治噬菌体对发酵的危害在谷氨酸发酵过程中，若菌体受到噬菌体的侵染，一般会发生溶菌、发酵迟缓或停止等现象，结果造成不再积累谷氨酸，严重的会引起倒罐，甚至连续倒罐。为防止噬菌体的侵染，首先要了解谷氨酸噬菌体的特性，从而加以防治，确保谷氨酸发酵顺利进行。2.谷氨酸噬菌体的主要特征具有非常专一的寄生性。不耐热性(在70C，5min均死亡)。pH的稳定性。pH7～9时，稳定；低于6或高于10时，失活；小于4时完全失活。嗜氧性。在低溶氧情况下，抑制生长。对干燥的稳定性。环境越干燥，噬菌体越不易死。在潮湿情况下，易死亡。不耐药性。在甲醛0．5％、苯酚0．5％、漂白粉1．5％、石灰水1％下均可杀死噬菌体。3.谷氨酸发酵污染噬菌体后的异常现象发酵液光密度在初期开始上升，而后又下降或不上升。发酵液pH逐渐上升，4～8h内可达8．0以上，且不下降，不耗糖或耗糖缓慢。泡沫大、黏度大、有时呈胶状；可拔丝。发酵周期长，产酸低或不产酸。镜检时，菌体减少，缺少八字排列，菌体变胖，革兰氏染色呈红色片状。严重时呈网状或鱼翅状，几乎看不到完整的细胞发酵中后期，周期稍有延长，温度缓慢上升，谷氨酸产量有所提高(菌体破裂释放出谷氨酸)。平板检查时，有噬菌斑。摇瓶发酵，发酵液稀而清。发酵液残糖高、颜色浑、发灰、发红、有刺激性臭味，黏度大，泡沫多，难中和，过滤困难。4.防治噬菌体污染的主要措施（1）.严格控制活菌体的排放摇瓶液、取样液、废弃菌液或发酵液均应先灭菌，后排放。已经污染了噬菌体的发酵液或种子液应先灭菌(80C，5min)，再进行提取或排放。提取的母液不能乱扔，应经密闭阴沟或远离空压机房和发酵车间，才可排放。必须建立工厂环境清洁卫生制度，要定期使用药剂冲刷地面。（2）.严防噬菌体进入种子罐或发酵罐种子室要远离发酵车间，严防种子带人噬菌体，制定检查噬菌体的制度。各级种子的制备要严格灭菌。轮换使用菌种或使用抗噬菌体的菌株均可防止噬菌体污染。还可进行药物防治或选育抗链霉素突变株。进行药物防治可添加金属螯合剂(抑制噬菌体的吸附或DNA的注入)、表面活性剂(作用于细菌表面，抑制噬菌体的吸附)、抗生素(抑制噬菌体蛋白质合成)等。

5．发酵罐中污染噬菌体后的抢救谷氨酸发酵前期感染了噬菌体后，可以采用一系列抢救措施，以减少损失。(1)抗性菌法。发现噬菌体后，应停止搅拌，小通风，降低pH，立即培养抗性种子，然后接人发酵液中；并补加1／3的不调pH的玉米浆。(2)轮换菌种法。发现噬菌体后，停止搅拌，小通风，降低pH，轮换使用菌种，如672换Asl.299、Asl.299换Asl.542、Asl.542换Asl.299。不加初尿，并补充30％～40％的玉米浆(不调pH)，适当加磷、镁(为正常量的1／3)。若pH仍偏高，可停止搅拌，适当通风，至pH正常，OD值增长后再开始搅拌。(3)灭噬菌体法。发现污染噬菌体后，停搅拌，小通风，降低pH，在罐内用夹层(或冷却管)加热至70～80℃，并自顶盖通入蒸汽自排汽口排出，冷却后，若pH过高，停止搅拌，小通风，降低pH，接入二倍量的原菌种，至pH正常后开始搅拌。(4)放罐重消毒。发现噬菌体后，放罐，调pH，补加1／2的玉米浆和1／3的水解糖，重新灭菌，适当降低温度，不加初料，然后接入2%的种子，继续发酵。5、谷氨酸发酵中杂菌的污染与防治谷氨酸发酵要求纯种培养，若遭受了杂菌的污染，轻者影响产量或质量，重者可能导致倒罐，甚至停产。因此，在谷氨酸发酵中，杂菌污染的检查与防治是十分重要的。（1）检查杂菌的方法所谓染菌，是指在发酵培养基中侵入了阻碍生产的其他微生物。检查杂菌的方法要求准确、快速、尽早发现、及时采取措施。

a.显微镜检查用革兰氏染色法染色、镜检。若发现有芽孢菌、革兰氏阴性菌、长杆菌、球菌、菌体碎片等情况，说明发酵液已经染菌，应及时采取措施。b.培养皿画线检查平板检查时，先将灭菌后的培养基倒人培养皿内，冷却，接种，于37C下培养24h，镜检。c.肉汤培养检查法此法主要用于检查空气系统及培养基是否带菌。具体做法是将培养液装在吸气瓶中，灭菌30min，在37C下培养24h，如无混浊，说明无杂菌污染；如呈现混浊，说明染菌。

6.杂菌污染的防治要防止杂菌污染，先要弄清楚造成染菌的原因，然后进行防治。（1）．杂菌污染的主要原因分析①种子带菌。若发酵前期染菌，可能是种子带菌所致或发酵罐本身染菌所致。为了避免种子染菌，在斜面种子、摇瓶种子制备过程中都必须严格操作，确保无杂菌污染。②罐体与管件渗漏所引起的染菌。若罐体或管件有极其微小的漏孔时，易引起染菌。有时漏孔用肉眼直接察觉不到，需要通过一定的试漏方法才能发现。③死角。罐或管路连接处的死角，在灭菌时其中的杂菌不易被杀死，易造成连续染菌，影响生产。

④空气系统染菌。好气性发酵需连续不断地通人大量无菌空气。空气系统所有的设备要定时打开排液阀排液，避免设备内积液太多，带入空气中去，造成染菌。⑤环境污秽造成染菌。车间、环境卫生差，易引起染菌。为堵绝杂菌的来源和繁殖机会，必须加强车间和环境的清洁卫生工作。7．杂菌污染的防治与挽救污染了杂菌后，要根据具体情况，及时采取措施加以挽救。具体措施为：(1)一级种子经平板检查确认无菌后，方可接入二级种子中。(2)二级种子冷却，小于10℃保压12～16h，平板检验确认无杂菌后，再接入发酵罐。(3)发酵0~6h后，大幅度染菌，镜检发现球菌，应放罐重消毒，消毒温度适当降低。

(4)发酵12h后，发现污染有少量芽孢或杆菌，但光密度尚正常，pH仍有升降，耗糖一般，谷氨酸产量在0.2％以上，则可加大通风量，按常规发酵到底。(5)发酵后期确认染球菌，则可加热至70—80C放罐。(6)发现染菌的罐，下次空罐消毒加入甲醛后，再用蒸汽熏蒸0.12~0.17L／m3。(7)加强车间卫生管理，防止活菌体飞扬。(8)选用抗药性菌种。

第八节

谷氨酸的提取

一、

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。

谷氨酸是发酵的目的物，它溶解在发酵液中，发酵液的特点：温度34－36℃；pH6.5-7.5；外观浅黄色浆状，表面浮有少许泡沫。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：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。(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二、等电点法提取谷氨酸

1.等电点法提取谷氨酸的原理

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、等电点工艺的类型

（1）直接常温等电点法（2）带菌体冷冻低温一次等电法（3）除菌体常温等电点法（4）浓缩、水解等电点法（5）低温浓缩等电点法（6）谷氨酸发酵液连续等电工艺3.pH值对谷氨酸溶解度的影响pH为3.22时,大部分谷氨酸以[GA±]形式存在,此时谷氨酸的氨基和羧基的离解程度相等,总静电荷为零。谷氨酸的溶解度随pH值的改变而改变,pH3.22和在30%以上的高浓度盐酸下,溶解度便显著减少到最低点。4.温度对谷氨酸溶解度的影响温度对谷氨酸溶解度的影响谷氨酸溶解度受温度的影响较大,温度越低,溶解度越小。5、谷氨酸的结晶（1）谷氨酸的晶型及其性质：α型（颗粒大）、β型（细小，针状）（2）影响谷氨酸结晶的主要因素Glu含量要求：＞4％温度：低于30℃。＞30℃，β型结晶增加。残糖浓度：低有利于α型结晶增加中和时加酸的速度：缓慢使谷氨酸溶解度逐渐降低，可控制一定数量的晶核，使晶核形成少，经养晶育晶后成长壮大。因而，析出的结晶颗粒大，易于沉淀分离。加晶种与否：Glu含量5％左右，在pH4.0-4.5投晶种；Glu含量3.5-4.0％左右，在pH3.5-4.0投晶种；搅拌：自然起晶，结晶大小不匀；缓慢冷却，适当搅拌，有利于晶体长大，大小均匀一致。成品干燥盐酸育晶（2h）起晶中和点（pH4-4.5)静置沉降4-6h离心分离发酵液等电点搅拌Ph3-3.22母液湿谷氨酸晶体菌体及细小的谷氨酸晶体三等电点法提取谷氨酸工艺流程直接常温等电点法等电点高流分盐酸停酸搅拌（2h）起晶中和点（pH4-4.5)缓慢调酸4h离心分离发酵液等电点Ph3.0-3.2母液湿谷氨酸晶体处理后排放去菌体低温等电点法提取谷氨酸工艺流程菌体分离清液离子交换母液初流分后流分搅拌6-8h（0-4℃）菌体饲料(二)等电点提取工艺的操作要点1.加酸调等电点将发酵液排入等电桶后，测量温度、pH和谷氨酸含量，然后搅拌冷却，待液温降至30C时，加盐酸调pH。前期加酸稍快，1h左右将发酵液的pH调至5.0。中期加酸要缓慢，约经2h，发酵液的pH接近4.0-4.5时，观察晶核形成情况。当能目视发现晶核时，要停止加酸，育晶1～2h，使晶核壮大。此后加酸速度要慢，直到pH为3.0-3.2时，停止加酸，继续搅拌20h结束。整个中和温度要缓慢下降，不能回升。最终温度越低越好。2.沉降分离将中和好的发酵液静置沉淀4～6h，放出上清液，然后将谷氨酸结晶沉淀层表面的少量菌体细麸酸清除，放另一缸中回收利用，底部的谷氨酸结晶取出后，离心分离。四、等电点－离子交换法提取谷氨酸

1、工艺流程发酵液加盐酸（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

六、

废液的处理与环保

高浓度废水（7波美）-----通液氨调节pH至4.6----四效蒸发器浓缩（26波美）-----喷浆造粒-----复合肥

低浓度废水----厌氧处理----好氧处理-----排放

第九节

谷氨酸制味精

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