《氨基酸工艺学》PPT课件.ppt

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1、 氨基酸工艺学氨基酸工艺学生命科学系生命科学系课程内容课程内容l绪论绪论l谷氨酸发酵谷氨酸发酵l其他氨基酸发酵其他氨基酸发酵参考书参考书l氨基酸工艺学氨基酸工艺学 陈宁陈宁 中国轻工业出版社中国轻工业出版社l氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学 张克旭张克旭 中国轻工业出版社中国轻工业出版社l味精工业手册（第二版）味精工业手册（第二版）于信令于信令 中国轻工业出版社中国轻工业出版社学习目的学习目的l以探讨氨基酸发酵工厂的生产技术为主以探讨氨基酸发酵工厂的生产技术为主要目的。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

2、发酵工艺学研究的对象应该包括从投入原料到最终从投入原料到最终产品获得的整个过程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。绪论绪论第一节第一节 概述概述l氨基酸的种类（自学）氨基酸的种类（自学）l氨基酸的性质（自学）氨基酸的性质（自学）l氨基酸的生产方法氨基酸的生产方法 1.水解法 2.合成法 3.酶转化法 4.微生物发酵法l氨基酸发酵的特点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

3、。代谢控制发酵（又称新型发酵）代谢控制发酵（又称新型发酵）氨基酸发酵为好气性发酵氨基酸发酵为好气性发酵 菌种：细菌菌种：细菌绪论绪论第二节第二节 氨基酸发酵的历史与发展氨基酸发酵的历史与发展l18201820年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。1866 1866年里豪森利用年里豪森利用H H2 2SOSO4 4从小麦面筋制取从小麦面筋制取GluGlu。1908 1908年从海带中提取了年从海带中提取了GluGlu，并制取了味之素。，并制取了味之素。1910 1910年日本人开始利用小麦面筋工业化制取年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精。味精。1923 年吴蕴初

4、先生创办了上海天厨味精厂。1936 1936年美国人开始从甜菜废液制取味精。年美国人开始从甜菜废液制取味精。1957 1957年日本发酵法生产味精。年日本发酵法生产味精。绪论绪论l氨基酸发酵的现状氨基酸发酵的现状 1.谷氨酸谷氨酸l1964年发酵法生产味精才获得成功并在上海工业化生产。l2006年我国味精总产量130多万吨，居世界首位。绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论绪论2006年我国味精行业经济技术指标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

5、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%绪论绪论l其他氨基酸其他氨基酸绪论绪论2.赖氨酸赖氨酸lL-赖氨酸是人体必需氨基酸之一赖氨酸是人体必需氨基酸之一,是世是世界上仅次于味精的第界上仅次于味精的第2大氨基酸品种。大氨基酸品种。绪论绪论绪论绪论3.苏氨酸苏氨酸l截至截至20062006年年,全球饲料中苏氨酸的需求量每年全球饲料中苏氨酸的需求量每年约为约为1111万万t,t,中国的需求量约为中国的需求量约为2 2万万t t。目前。目前,在在苏氨酸领域研究开发处于世界领先水平的是苏氨酸领域研究开发处于世界领先水

6、平的是日本味之素公司日本味之素公司,它是全球最大的苏氨酸生产它是全球最大的苏氨酸生产公司公司,总产能每年达到总产能每年达到6.66.6万万t,t,大约占全球市大约占全球市场份额场份额60%60%。l我国最大生产企业吉林大成集团，年产近万我国最大生产企业吉林大成集团，年产近万吨。吨。绪论绪论4.蛋氨酸蛋氨酸l到到20102010年年,全世界蛋氨酸需求将达到全世界蛋氨酸需求将达到9090万万t,t,中中国的需求量也将超过国的需求量也将超过1010万万t t。近年中国对蛋氨。近年中国对蛋氨酸的需求量还将持续增长酸的需求量还将持续增长,但一定时期内依靠但一定时期内依靠大量进口来满足。大量进口来满足。l

7、中国是世界第中国是世界第2 2大饲料生产国大饲料生产国,市场需求的年市场需求的年增长率增长率7%8%,7%8%,蛋氨酸基本依靠进口。蛋氨酸基本依靠进口。绪论绪论5.色氨酸色氨酸l色氨酸是重要的氨基酸之一色氨酸是重要的氨基酸之一,L-色氨酸色氨酸为蛋氨酸、赖氨酸之后的第为蛋氨酸、赖氨酸之后的第3饲用氨基饲用氨基酸酸,目前世界色氨酸年产约目前世界色氨酸年产约3000多多t。l我国尚不能大规模生产。我国尚不能大规模生产。绪论绪论第三节第三节 氨基酸的应用氨基酸的应用l医药医药 Glu治疗肝昏迷。治疗肝昏迷。氨基酸大输液。氨基酸大输液。l食品食品 调味品调味品 味精，稀释味精，稀释3000倍，鲜味，阈

8、值倍，鲜味，阈值0.03%。Gly：蔗糖的：蔗糖的0.8倍。倍。Asp-phe甲酯（阿斯巴甜），蔗糖的甲酯（阿斯巴甜），蔗糖的200倍。倍。提高食品营养价值，强化食品提高食品营养价值，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质的量（含量）和质（氨基酸之间的构成比例）。例）。l农业农业 饲料用饲料用Lys，添加，添加0.2%，鸡每年生蛋，鸡每年生蛋250个，个，猪猪120天长只至天长只至180斤，鸡斤，鸡56天长天长3.5斤。斤。l工业工业 聚聚Glu，可降解塑料，环境友好材料。，可降解塑料，环境友好材料。绪论绪

9、论l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;l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;l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？什么是味精？L-谷氨酸一钠一水化合物 HOOCCH2CH2CHCOONaH2O|NH2性状：无色柱状结晶或粉末。纯度：99%或80%味精的安全性l1987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。l中国发酵工业协会曾于1993年组织“味精营养与安全研讨会”

10、，多位专家在研讨会作了精彩的发言，肯定了味精的安全性。l味精厂的主要生产车间味精厂的主要生产车间糖化车间糖化车间发酵车间发酵车间提取车间提取车间精制车间精制车间第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第一节第一节 淀粉的组成及其特性淀粉的组成及其特性一、淀粉的性状及组成一、淀粉的性状及组成l性状性状 白色无定形结晶粉末。白色无定形结晶粉末。形状为：圆形、椭圆形、多角形。形状为：圆形、椭圆形、多角形。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l组成组成l直链淀粉直链淀粉第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l支链淀粉支链淀粉第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l淀粉与

11、碘的颜色反应淀粉与碘的颜色反应 淀粉淀粉蓝糊精蓝糊精红糊精红糊精无色糊精无色糊精葡萄糖葡萄糖蓝色蓝色紫紫 色色红红 色色无无 色色酒精反应酒精反应第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l淀粉的糊化淀粉的糊化 1.1.定义定义 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。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备2.过程过程l第一阶段第一阶段:淀粉缓慢地可逆地吸收水分,淀粉颗粒已有些微膨胀膨胀。l第二阶段第二阶段:当温度升到大约65 时,淀粉颗粒经过不可逆地不可逆地突然很快地吸收大量水分后,膨胀粘度增加很大。l第三阶段第三阶段:当温度继续升高

12、,淀粉颗粒变成无形空囊,可溶性淀粉浸出可溶性淀粉浸出,成为半透明的均质成为半透明的均质胶体胶体。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l不同原料淀粉糊化温度不同原料淀粉糊化温度名称名称开始糊化温度（开始糊化温度（）完全糊化温度（完全糊化温度（）糯米糯米5961粳米粳米5863玉米玉米6472大麦大麦5863小麦小麦6568马铃薯马铃薯5967甘薯甘薯7076荞麦荞麦6971第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备三、淀粉的生产三、淀粉的生产l原理原理 不溶于冷水，相对密度大于不溶于冷水，相对密度大于1 1。l工艺（玉米淀粉）工艺（玉米淀粉）1.1.清理（除杂）清理（除杂）l目的：

13、清除杂质目的：清除杂质第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备2.浸泡浸泡l目的：目的：（1 1）软化）软化（2 2）溶解）溶解（3 3）除杂）除杂l工艺条件工艺条件 温度：温度：50-55 50-55 时间：时间：48h48h 二氧化硫二氧化硫0.15-0.2%0.15-0.2%第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备3.粗碎粗碎l目的：粉碎成目的：粉碎成10块以上的小块块以上的小块4.胚芽分离胚芽分离l目的：分离胚芽目的：分离胚芽第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备5.磨碎磨碎l目的：破坏细胞组织，释放淀粉。目的：破坏细胞组织，释放淀粉。6.纤维分离纤维分离l采用筛选

14、法分离。采用筛选法分离。7.蛋白质分离蛋白质分离l原理：利用相对密度不同。原理：利用相对密度不同。8.清洗清洗l目的：去除可溶性杂质。目的：去除可溶性杂质。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备9.脱水脱水l采用离心机。采用离心机。10.干燥干燥l带式干燥机带式干燥机11.成品整理成品整理l粉碎和筛分。粉碎和筛分。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第二节第二节 淀粉水解糖的制备方法淀粉水解糖的制备方法一、意义和要求一、意义和要求l糖化：工业上将淀粉水解为葡萄糖的过程成糖化：工业上将淀粉水解为葡萄糖的过程成为糖化。为糖化。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第一章第

15、一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l谷氨酸发酵水解糖的要求谷氨酸发酵水解糖的要求1.1.严格控制原料质量严格控制原料质量2.2.正确控制淀粉乳的浓度正确控制淀粉乳的浓度3.3.水解完全水解完全4.4.糖液清、色泽浅糖液清、色泽浅5.糖液新鲜糖液新鲜6.降低糖液蛋白质的含量降低糖液蛋白质的含量第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备7.7.质量标准质量标准（1 1）色泽：浅黄、杏黄通明液体；）色泽：浅黄、杏黄通明液体；（2 2）糊精反应：无；）糊精反应：无；（3 3）还原糖含量：）还原糖含量：18%18%左右左右（4 4）DEDE值：值：9

16、0%90%以上；以上；（5 5）透光率：）透光率：60%60%以上以上（6 6）pHpH：第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备二、淀粉水解的方法与比较二、淀粉水解的方法与比较l淀粉水解的方法淀粉水解的方法 酸解法酸解法 酶酸法酶酸法 酸酶法酸酶法 双酶法双酶法 第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备1.酸解法酸解法（1 1）工艺流程：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（2.2.）工艺特点工艺特点 高温、高压 糖化时间短 副产物多、糖化收率低第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备（3 3）水解工艺条件：水解工艺条件：a.淀粉乳的浓度控制在18-

17、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。d.水解压力0.28-0.3 MPa。e.水解终点检查采用无水乙醇检查无白色反应为止。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备（4 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：以质等胶体物质，除去这些物质的方法：以Na2CO3Na2CO3调整水解液的调整水解液的pHpH值到这些杂质的等电值到这些杂质的等电点，约为，这个过程称为点，约为，这个过程称为中和中和。中和的温度。中和的温度控制在控制在70-807

18、0-80。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 糖液的脱色一般采用糖液的脱色一般采用粉末活性炭脱色粉末活性炭脱色，具体，具体工艺条件如下：工艺条件如下：用量：为糖液的用量：为糖液的0.1-0.2%0.1-0.2%温度：温度：65-8065-80 时间：时间：30min30min pH pH：第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备（5 5）过滤过滤第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 过滤设备通常采用过滤设备通常采用板框式过滤机。板框式过滤机。它的规格它的规格型号的表示方法如下：型号的表示方法如下：F B M(A)Y(S)/-其中：其中：F表示防腐型表示防腐型 B表示

19、板框压滤机表示板框压滤机 M(A)表示明流（暗流）表示明流（暗流）Y(S)表示液压压紧（手动螺旋压紧）表示液压压紧（手动螺旋压紧）表示过滤面积表示过滤面积 表示型号表示型号 表示框厚表示框厚第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备2.2.酶酸法酶酸法 原料原料粉碎粉碎调浆调浆液化液化灭酶灭酶过滤过滤调调酸酸糖化糖化中和中和脱色脱色过滤过滤糖化液糖化液 -淀粉酶的用量：淀粉酶的用量：10-12u/10-12u/干淀粉。干淀粉。3.双酶法双酶法l 原料原料粉碎粉碎调浆调浆液化液化灭酶灭酶调调整整pH糖

20、化糖化灭酶灭酶中和中和过滤过滤糖糖化液化液 -淀粉酶的用量：淀粉酶的用量：10-12u/干淀粉。干淀粉。糖化酶的用量：糖化酶的用量：100-120 u/干淀粉。干淀粉。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备l-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糖苷键第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备（4）特性l热稳定性 60 以下稳定l作用温度 60-70；90-110lpH稳定性 稳定，5.0以 下失活严重l糖化酶糖化酶（1）生产菌 黑曲霉。（2）类型

21、 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l作用温度 40-65；最佳58-60lpH稳定性 稳定 最适l双酶法工艺特点双酶法工艺特点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。第三节第三节 双酶法制糖工艺双酶法制糖工艺发酵车间发酵车间调浆罐调浆罐液化罐液化罐灭酶罐灭酶罐糖化罐糖化罐板框过滤机板框过滤机换热器换热器喷射液化器喷射液化器一、淀粉的液化一、淀粉的液化l淀粉的糊化淀粉的糊化（参看淀粉的性质）（参看淀粉的性质）l液化的方法液化的方法（1 1）间歇液化间歇

22、液化 85-90 85-90 保温保温30-60min30-60min。碘液检查合格（呈。碘液检查合格（呈棕红色）棕红色）。经常使用中温酶经常使用中温酶（2）喷射液化喷射液化调浆调浆喷射液化喷射液化（95-105）保温液化保温液化灭酶灭酶（120-145）二、淀粉的糖化二、淀粉的糖化l衡量糖化的经济技术指标衡量糖化的经济技术指标1.理论收率理论收率 （C6H10O5）n n H2On C6H12O6 162 18 180 理论收率理论收率111.11%2.实际收率实际收率3.淀粉转化率淀粉转化率lDE值与值与DX值值1.DE值值表示淀粉水解程度或糖化程度。也称葡萄糖值。表示淀粉水解程度或糖化程

23、度。也称葡萄糖值。2.DX值值l糖液中葡萄糖含量占干物质的百分率。糖液中葡萄糖含量占干物质的百分率。l糖化工艺条件糖化工艺条件 pH:4.20.1 温度：温度：60 糖化时间：糖化时间：32-40小时小时 升温灭酶、中和：升温灭酶、中和：70-80 保温保温15min第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制第一节第一节 谷氨酸的生物合成途径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一、生成谷氨酸的主要酶反应l谷氨酸脱氢酶(GHD)所催化的还原氨基化反应 l转氨酶(AT)催化的转氨反应l谷氨酸合成酶(GS)催化的合成反应还原

24、氨基化为主导性反应二、谷氨酸生物合成的理想途径二、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三、谷氨酸发酵的代谢途径l控制谷氨酸合成的重要措施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谷氨酸生产菌应具备的生化特点1.1.-酮戊二酸氧化能力微弱酮戊二酸氧化能力微弱2.2.谷氨酸脱氢酶活性强谷氨酸脱氢酶活性强3.3.细胞膜对谷氨酸的通透性强细胞膜对谷氨酸的通透性强l理论收率为81.7%。四碳二羧酸是100%通过CO2固定反应供给。l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

25、第二节 谷氨酸生物合成的调节机制谷氨酸生物合成的调节机制谷氨酸生产菌的育种思路谷氨酸生产菌的育种思路 第三节第三节 谷氨酸发酵过程中细胞膜渗透性的控制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选择性半渗透性膜l控制细胞膜通透性的方法控制细胞膜通透性的方法1.1.控制磷脂合成控制磷脂合成1 1）生物素缺陷型）生物素缺陷型 生物素（维生素生物素（维生素H H、辅酶、辅酶R R）作为辅酶参与脂）作为辅酶参与脂肪酸的合成，进而影响磷脂合成。肪酸的合成，进而影响磷脂合成。控制关键：生物素亚适量（控制关键：生物素亚适量（5-10g/L5-10g/L）2 2）添加表面活性剂）添加表面活性剂吐温吐温-

26、60-60l作用机制：对生物素的拮抗作用。作用机制：对生物素的拮抗作用。l控制关键：添加时间与用量控制关键：添加时间与用量3 3）油酸缺陷型）油酸缺陷型作用机制：阻断油酸合成。作用机制：阻断油酸合成。4 4）甘油缺陷型）甘油缺陷型l作用机制：丧失了作用机制：丧失了-磷酸甘油脱氢酶磷酸甘油脱氢酶5）温度敏感型）温度敏感型2.控制细胞壁的合成控制细胞壁的合成 添加青霉素的强制发酵工艺。添加青霉素的强制发酵工艺。l谷氨酸生产菌的具体育种思路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

27、氨酸工程菌株 第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第一节第一节 谷氨酸生产菌的主要特征与菌学谷氨酸生产菌的主要特征与菌学性质性质l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)l现有谷氨酸生产菌的主要特征现有谷氨酸生产菌的主要特征细胞形态短杆形、棒形；细胞形态短杆形、棒形；革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢，革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢，不能运动；不

28、能运动；需氧型微生物；需氧型微生物；生物素缺陷型；生物素缺陷型；脲酶强阳性；脲酶强阳性；不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；等；发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变；渗透性改变；二氧化碳固定反应酶系强；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，乙醛酸循异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱；环弱；-酮戊二酸氧化能力微弱；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、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；谷氨酸脱氢酶活性强；具有向环境泄露谷氨酸的能力

29、；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，产谷不分解利用谷氨酸，并能耐高谷氨酸，产谷氨酸氨酸8%以上；以上；第二节第二节 国内谷氨酸生产菌及其比较国内谷氨酸生产菌及其比较国内谷氨酸生产菌国内谷氨酸生产菌（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第三节第三节 谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化种子的菌体形态种子的菌体形态 l斜面培养的菌体较细小斜面培养的菌体较细小

30、,一、二级种子比斜面一、二级种子比斜面菌体大而粗壮菌体大而粗壮,革兰氏染色深。革兰氏染色深。l多为短杆至棒杆状多为短杆至棒杆状,有的微呈弯曲状有的微呈弯曲状,两端钝两端钝圆圆,无分枝无分枝;细胞排列呈单个、成对及细胞排列呈单个、成对及V字形字形,有栅状或不规则聚块有栅状或不规则聚块;l分裂的细胞大小为分裂的细胞大小为0.70.9*1.03.4m。l由于生物素充足由于生物素充足,繁殖的菌体细胞均为谷氨酸繁殖的菌体细胞均为谷氨酸非积累型细胞。非积累型细胞。谷氨酸生产菌在发酵过程中形态的变化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l长菌期 发酵0-8h，正常状态l转移期 发酵8-1

31、8h，细胞开始伸长、膨大l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l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。l中后期感染 形态不规则，边缘不整齐，有毛刺，有细胞碎片。第四节第四节 谷氨酸发酵的代谢控制育种谷氨酸发酵的代谢控制育种（1）日常菌种工作l定期分纯l小剂量诱变刺激l高产菌保藏（2）选育耐高渗透压菌种）选育耐高渗透压菌种l耐高糖（耐高糖（20-30%）l耐高谷氨酸（耐高谷氨酸（15-20%）l耐高糖、高谷氨酸（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

32、唯一碳源菌体不能生长或微以谷氨酸为唯一碳源菌体不能生长或微弱弱（4）选育细胞膜渗透性好的菌株l选育二氨基庚二酸缺陷型选育二氨基庚二酸缺陷型l抗抗VP类衍生物：香豆素、芦丁类衍生物：香豆素、芦丁l油酸缺陷型油酸缺陷型l甘油缺陷型甘油缺陷型l温度敏感型温度敏感型（5）选育强化CO2固定反应的菌株l以琥珀酸为唯一碳源生长快的菌株。l丙酮酸缺陷型（6）强化柠檬酸到-酮戊二酸代谢菌株l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减弱乙醛酸循环的突变株l选育琥珀酸敏感型、不利用乙酸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l抗谷氨酸结构类似物l耐高谷氨

33、酸l谷氨酰胺抗性菌株l酮基丙二酸抗性菌株（9 9）强化能量代谢强化能量代谢l选育呼吸抑制剂抗性菌株，抗丙二酸、氰化选育呼吸抑制剂抗性菌株，抗丙二酸、氰化钾抗性菌株。钾抗性菌株。l选育选育ADPADP磷酸化抑制剂抗性菌株，磷酸化抑制剂抗性菌株，2 2，4 4二硝基二硝基酚、砷抗性菌株。酚、砷抗性菌株。l寡霉素抗性菌株。寡霉素抗性菌株。（1010）减弱）减弱HMPHMP途径后段酶活性的突变株途径后段酶活性的突变株 l选育抗嘌呤、嘧啶类似物的突变株。选育抗嘌呤、嘧啶类似物的突变株。第五节第五节 应用生物工程新技术选育谷氨酸应用生物工程新技术选育谷氨酸生产菌生产菌l应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产

34、菌应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌l应用转化法选育谷氨酸生产菌应用转化法选育谷氨酸生产菌l应用转导法选育谷氨酸生产菌应用转导法选育谷氨酸生产菌l应用重组应用重组DNADNA技术构建谷氨酸工程菌技术构建谷氨酸工程菌l应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸第六节第六节 菌种的扩大培养和种子的质量要求菌种的扩大培养和种子的质量要求菌种的扩大培养菌种的扩大培养 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 2.02.5%，pH 7.07.2（传代和保藏斜面不加葡萄糖）。典型的分批

35、发酵工艺流程图成品（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 2.53.5%(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3334。一级种子质量要求种龄：12h，pH值：6.40.1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

36、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。l 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 2.53.5%(按质增减)，消泡剂0.5-1kg pH7.0。l种子罐的灭菌种子罐的灭菌l空消空消0.15-0.2MPa 40-60minl实消实消118 5minl培养条件 接种量：0.81.0 培养温度：3234 培养时间：78hl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340rmin；250L种子罐1:0.3、搅拌转速300r min500L种子罐1

37、:0.25、搅拌转速230r min二级种子的质量要求 种龄：78h pH：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影响种子质量的主要因素l培养基 氮源丰富、生物素充足、碳源较少。l温度 避免温度过高和波动较大lpH 0时不宜过高，培养结束不易过低l溶解氧 溶氧水平不易过高。l接种量 1%-2%l培养时间 7-8小时l作业作业1.叙述双酶法制糖工艺的优缺点。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。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。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？一级种子

38、的质量标准是什么？第四章第四章 谷氨酸发酵控制谷氨酸发酵控制l谷氨酸生产的影响谷氨酸生产的影响 内因：具有一定生理特性的菌种。内因：具有一定生理特性的菌种。外因：环境因素。外因：环境因素。第一节第一节 发酵培养基对谷氨酸发酵的影响发酵培养基对谷氨酸发酵的影响l碳源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。l氮源氮源1.合理的碳氮比：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

39、的有机氮源常用玉米浆、麸皮水解液、豆饼水解液和糖蜜等。l无机盐无机盐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l生长因子生长因子(1)生物素 (2)维生素B1第二节第二节 培养条件对谷氨酸发酵的影响培养条件对谷氨酸发酵的影响 l温度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

40、4.微生物最适的生长温度范围lpH值对谷氨酸发酵的影响值对谷氨酸发酵的影响1.pH值对谷氨酸发酵的影响值对谷氨酸发酵的影响（1）酶的活性）酶的活性（2）细胞膜所带电荷）细胞膜所带电荷（3）物质的离解）物质的离解（4）代谢途径）代谢途径2.发酵过程发酵过程pH 值的变化及控制值的变化及控制 pH的变化反应谷氨酸发酵的重要指标的变化反应谷氨酸发酵的重要指标 控制：控制：流加尿素、液氨、氨水。流加尿素、液氨、氨水。l供氧对谷氨酸发酵的影响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

41、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l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.帮助发现杂菌感染第三节第三节 泡沫的消除泡沫的消除l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l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第四节第四节 发酵工艺发酵工艺l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

42、.1-0.15%硫酸镁0.04-0.06%消泡剂0.03%尿素0.5%2.工艺控制l前期 温度33-34 pH7.2-7.5 通风比1：l中期 温度35-36 pH7.2-7.5 通风比1：l后期 温度36-37 pH7.0-7.2 通风比1：l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,

43、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,

44、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 第五节第五节 糖蜜原料强制发酵工艺糖蜜原料强制发酵工艺l表面活性剂的添加 0.2%吐温-60l青霉素的添加 3-5单位/mL发酵液l工艺特点：大接种量（5-10%）l

45、高生物素（100g/L）高通风量（1：0.3）低糖流加工艺l工艺特点 初糖浓度低、总投糖量多、产酸高。l糖流加方式 连续流加 分段加入l提高发酵产率的主要措施提高发酵产率的主要措施一、选育优良菌株一、选育优良菌株二、二、改进发酵工艺改进发酵工艺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与杂菌的防治l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。l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（6

46、0-70,10-15min),对氧化物敏感,可被酸碱致死。l 凡能引起蛋白质变性的化学药品都可以使噬菌体失活。l噬菌体检查方法噬菌体检查方法l双层平板法l划线法l液体培养法1.噬菌体污染 出现“二高三低”现象l发酵液OD值不上升或者回降l产酸低l发酵温度低lpH升高，可到8.0以上l残糖高（1）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（2）污染噬菌体后的挽救措施l并罐法（噬菌体不能侵染产酸期细胞）l菌种轮换（不交叉感染）l放罐重消法（高温灭菌）l低温灭菌法2.杂菌的污染与防治（1）染菌原因

47、分析l从染菌时间分析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l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l从染菌幅度分析个别罐：参照上面大面积罐：空气系统、种子（2）预防措施l空气净化l培养基和设备灭菌l设备安装l接种操作（3）补救措施）补救措施l补加种子补加种子l补加糖补加糖l直接放罐直接放罐第六章第六章 谷氨酸的提取谷氨酸的提取第一节第一节 概概 述述l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。l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

48、存在菌体、残糖、色素、胶体物质以及其他发酵副产物。l 提取工艺的选择原则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。l主要提取方法简介主要提取方法简介 (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第三节等电点法提取谷氨酸l等电点法提取谷氨酸的原理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等电点法是谷氨酸提取方法中最简单的一种方法一种方法,由于设备简单、操作简便、投资少由于设

49、备简单、操作简便、投资少等优点等优点,谷氨酸发酵液不经除菌或除菌、不经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浓缩或浓缩处理、在常温或低温下加盐酸调至谷氨酸的至谷氨酸的等电点等电点pH3.22pH3.22,使谷氨酸呈过饱和使谷氨酸呈过饱和状态结晶析出。状态结晶析出。（1）常温等电点法 发酵液调节pH4.0-4.5 育晶2-4h 调节pH4.0-4.5 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（2）低温等电点法提取谷氨酸）低温等电点法提取谷氨酸l与常温等电点操作基本相同，差别在于与常温等电点操作基本相

50、同，差别在于最后终点温度为最后终点温度为0-5（3）除菌体常温等电点法）除菌体常温等电点法（4）浓缩、水解等电点法）浓缩、水解等电点法（5）低温浓缩等电点法）低温浓缩等电点法（6）谷氨酸发酵液连续等电工艺）谷氨酸发酵液连续等电工艺l谷氨酸的结晶谷氨酸的结晶1）谷氨酸的晶型和性质）谷氨酸的晶型和性质-型谷氨酸型谷氨酸 斜方六面晶体、纯度高、颗粒大、质量斜方六面晶体、纯度高、颗粒大、质量重，易分离。重，易分离。-型谷氨酸型谷氨酸 粉状或针状，纯度低、晶粒微细、难分粉状或针状，纯度低、晶粒微细、难分离。离。2）影响谷氨酸结晶的主要因素）影响谷氨酸结晶的主要因素菌体菌体谷氨酸浓度谷氨酸浓度温度温度加酸