第五章谷氨酸的发酵控制ppt课件

第五章 谷氨酸的发酵控制 第一节 发酵培养基配比组成及其特点 第二节 主要发酵参数分段控制原则及其特点 第三节 提高发酵产率的主要措施 第四节 糖蜜原料生产谷氨酸的发酵技术 第一节 发酵培养基配比组成及其特点 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 1按碳源原料划分 淀粉糖：玉米、马铃薯、木薯、大米等 糖蜜 甘蔗糖蜜 甜菜糖蜜 碳源原料 因为多采用生物素缺陷型菌株，故两种发酵工艺主 要区别在于发酵过程是否需要添加青霉素、表面活 性剂等， 为什么？ 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 2按产生菌株的类型划分 生物素缺陷型菌株 温度敏感型菌株 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 3按培养基含生物素量划分 （ 1）生物素 “亚适量 ”工艺 :5 6g L （ 2）生物素 “超亚适量 ”工艺 :8 12g L （ 4）生物素 “丰富量 ”工艺 （ 3）生物素 “亚富量 ”工艺 采用淀粉糖原料 采用糖蜜原料或温度敏感型菌株发酵： 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 4按接种量划分 小种量：接种量为 1% 3% 大种量：接种量为 5% 10% 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 5按发酵初糖浓度划分 低初糖工艺： 初糖浓度为 80 120g L 。 中初糖工艺 ：初糖浓度为 140 160g L 。 高初糖工艺 ：初糖浓度为 180 200g L 。 一、国内谷氨酸发酵生产工艺的分类 6按发酵过程补加糖液划分 需要补糖工艺 不需要补糖工艺 高浓度流加糖工艺 低浓度流加糖工艺 中浓度流加糖工艺 二、国内谷氨酸发酵工艺及其发酵水平的现状 采用生物素缺陷型菌株的发酵工艺： 1.淀粉糖原料、小种量、一次高初糖的生物素 “亚适量 ”工艺 2.淀粉糖原料、小种量、中初糖流加低浓度糖液的生物素 “亚 适量 ”工艺 5.糖蜜原料、大种量、中初糖流加中浓度糖液的生物素 “丰富 量 ”工艺 3.淀粉糖原料、大种量、中初糖流加中浓度或高浓度糖液的生 物素 “超亚适量 ”工艺 4.淀粉糖原料、大种量、中初糖流加高浓度糖液的生物素 “亚富 量 ”工艺 采用温度敏感型菌株的发酵工艺： 淀粉糖原料、大种量、中初糖流加高浓度糖液的生物素 “丰富量 ”工艺 发酵水平的现状： 发酵周期为 28 32h，产酸水平为 90 160g L，糖酸 转化率为 55 63。 三、发酵培养基对谷氨酸发酵的影响 1.碳源 谷氨酸产生菌均不能利用淀粉，只能利用葡萄糖、蔗 糖、麦芽糖等；有些菌种能利用醋酸、乙醇、正烷烃 等作碳源。 淀粉水解糖的质量对发酵影响很大。 2.氮源 （ 1）氮源的作用 一般发酵工业碳氮比为 100： (0.2 2.0)，谷氨 酸的碳氮比为 100： (15 30)，当碳氮比在 100 ： 11以上才开始累积谷氨酸。 （ 2）碳氮比 （ 3）常用的氮源 2.氮源 无机氮 ：尿素、液氨 有机氮 ：玉米浆、麸皮水解液、米糠水解液、豆饼 水解液、糖蜜等 3.无机盐 (1)磷酸盐 是某些蛋白质和核酸的 组成成分 ，参与一系列的代谢反应， ADP、 ATP是重要的 能量传递者 。 需要量一般为 0.005 0.01mol L。 工业生产上常用 K2HPO43H2O、 KH2PO4、 Na2 HPO412H2O 、 NaH2PO42H2O等磷酸盐，也可用磷酸。 对谷氨酸发酵的影响： 磷浓度过高时，菌体的代谢转向合成缬氨酸，但磷含量过低 ，菌体生长不好。 3.无机盐 (2)硫酸镁 镁离子 是许多重要的酶 (如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、 羧化酶等 )的激活剂。 发酵培养基配用 0.25 1g/L时， Mg2+浓度 40 60mg L。 硫 存在于细胞的蛋白质中，是含硫氨基酸的组成成分。培养基 中的硫已由硫酸镁供给，不必另加。 3.无机盐 (3)钾 钾是许多酶的激活剂。 对谷氨酸发酵的影响： 谷氨酸发酵产物生成所需要的钾盐比菌体生长需要 量高， 钾盐少利于长菌体，钾盐充足利于产谷氨酸 。菌 体生长需钾约为 1.0 1.5mmol L，谷氨酸生成需钾约 为 2.0 10.0mmol L。 (4)微量元素 锰： 是某些酶的激活剂。 羧化反应必需锰，如谷氨酸生物途径中，草酰琥珀酸脱羧生 成 -酮戊二酸是在 Mn2+存在下完成的。一般培养基配用 MnSO44H2O 2mg L。 铁 ：是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶的成分，又是若干酶的 激活剂。 3.无机盐 4生长因子 生长因子只是对于某些自己 不能合成 这些成分的微生物 才是必不可少的营养物。 从广义来说，凡是微生物生长不可缺少的微量的有机 物质，如氨基酸、嘌呤、嘧啶、维生素等均称为生长因子 。 生物素缺陷型的谷氨酸产生菌以生物素为生长因子。 生物素缺陷型谷氨酸生产菌对生物素的要求： 适时、适量 当菌体内生物素从 20 g/g干菌体降到 0.5 g/g，菌体 就停止生长，继续发酵，在适宜的条件下就大量 积累谷氨 酸。 成分 玉米 浆 麸皮 甘蔗 糖蜜 甜菜 糖蜜 米糠 酵母 豆 饼 水 解液 干物 质 含量 % 45 81 70 水分 % 13 蛋白 质 含量 % 40 16.4 4.4 5.5 脂肪含量 % 3.58 淀粉含量 % 9.03 还 原糖含量 % 8 转 化糖含量 % 50 51 灰分 % PL临界 时，供氧充足，菌体生长速率达最大值。但是再提高供 氧反而对菌体生长起到抑制作用。 发酵前期： 谷氨酸合成期，需要大量的氧。 （ 4）对供氧的控制 即发酵前期逐步提高 通气量 ，发酵中期控制通气量在 最高值并维持 6 10h，发酵后期逐步降低气量。 在整个过程中，提高、维持以及降低通气量根据实际 生产时菌体生长和产物生成的需氧量而定。 多级控制模式： 工厂中一般是根据 OD值的变化和耗氧速率的变化来 控制通气量。 国内有条件的工厂，发酵过程中使用覆膜电极测量发酵液的溶 解氧来指导通气量的控制。 4.泡沫的消除 二、发酵过程的控制 （ 1）泡沫的种类 表面泡沫：正常形成 内部泡沫：染菌时形成，细小，均匀 （ 2）泡沫形成的原因 与发酵过程中的搅拌、通气有关。 与培养基的性质有关。 糖的水解程度 灭菌方法 与染菌有关。 （ 3）消泡的方法 物理方法：如改变温度 机械消泡：如耙式消泡器 优点：节省消泡剂，减少污染。 缺点：不能从根本上消除引起泡沫稳定的因素。 （ 3）消泡的方法 化学消泡： 加入消泡剂 优点：消泡效果好，作用快，用量少。 缺点：可能会影响菌体生长或代谢产物的生成； 增加染菌机会；添加过量会影响氧的传递。 发酵工业上采用机械消泡与化学消泡结合 的方法。 （）常用的消泡剂和使用方法 天然油脂类 高碳醇、脂肪酸和脂类 聚醚类 硅酮类 味精厂普遍采用（聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚）或 （聚氧乙烯聚氧丙烯季戊四醇醚）作为消泡剂。 使用方法 一次加入法 中间流加法 上述两种方法结合 二、发酵过程的控制 5.流加糖的控制 间歇 流加法 一般在发酵残糖浓度为 30 L左右时进行第一次 流加。 控制流加糖的流量，使发酵残糖浓度维持在 10 15 L。 要求：估算流加糖的量。 连续流加法 一般在发酵残糖浓度为 10 15 L时，才开始流加 糖液。 控制流加糖的流量，使发酵残糖浓度维持在 10 15 L。 二、发酵过程的控制 6.发酵指标及其计算 产酸率是单位体积发酵液中含有谷氨酸的量，通常 用 g L或 g mL来表示。 单罐产量可计算如下： 单罐的谷氨酸产量产酸率 放罐体积 （）产酸率 放罐体积是发酵结束以后移交给提取工序的发酵液体积， 通常以 m3或 L来表示。 放罐体积 =培养基配制的体积 +培养基灭菌耗用蒸汽的冷凝 水体积 +种子液体积 +发酵过程所有流加物料的体积发酵过程 从排气带走水分的体积 （ 2）放罐体积 是 产 出的谷氨酸量与投入的葡萄糖 总 量的百分比。 （ 3）糖酸转化率 发 酵周期是指 发 酵开始至 结 束整个 过 程的 时间 。 一个操作周期（）培养基 灭 菌、降温的 时间 +发 酵 罐空消的 时间 +接种的 时间 +发 酵周期 +放罐 时间 +其它 辅 助 时间 (如洗罐、拆 检阀门 等 时间 )。 可 计 算出一个 发 酵罐在一个月或一年内生 产 的 产 量。 例如： （ 4）发酵周期 二、发酵过程的控制 1.温度的控制 2.pH的控制 3.发酵过程中供氧的控制 4.泡沫的消除 5.流加糖的控制 小 结 第三节 提高发酵产率的主要措施 一、选育高产菌种，改良菌种性能 使新菌株生长、耗糖和产酸速率进一步提高，耐高 温、高糖和高酸的性能有所改进。 二、改进发酵工艺 高初糖发酵 优点：操作方便，设备利用率高，谷氨酸浓度高，容易 提取。 缺点：菌体不适应；氧传递阻力大，需强化供氧。 解决办法：筛选耐高渗透压的菌种，并控制好发酵工艺条件。 如，在高初糖谷氨酸发酵中，高玉米浆用量和高生物 素用量可以明显降低高初糖对菌体细胞的抑制作用； 且在接种量，玉米浆用量为，生物 素用量为 ，初糖 的谷氨酸发酵 中，流加的浓糖，的产酸率达到 ，糖酸转化率达到。 高初糖发酵 降低发酵初糖浓度，连续流加糖发酵 优点：降低渗透压，有利于菌体生长和代谢产物的分泌 ，同时提高氧的传递速率，发酵周期短。 适合于细胞壁被破坏的菌种发酵。 如，以为菌种，当发酵初糖浓度 为 ，流加糖浓度控制在时，总糖 达，谷氨酸浓度为，糖酸转化率达 到。 当初糖浓度改 为，流加糖浓度控制在 时，总糖，谷氨酸浓度为， 糖酸转化率达到，提高。 混合碳源发酵 淀粉糖、糖蜜、醋酸、正烷烃 如，采用葡萄糖为基础碳源，以发酵初糖浓度为 160g L 的培养基进行谷氨酸发酵，以 糖蜜与葡萄糖的混合液 为流加碳 源，结果表明当糖蜜中还原糖占混合液总还原糖 30时，发酵 产酸水平和糖酸转化率分别达到 142.2g L和 64 88，与葡 萄糖作为唯一流加碳源的谷氨酸发酵工艺比较，其发酵水平十 分相近。但生产谷氨酸的 碳源成本可降低 5左右 。 改进发酵设备 （）改进搅拌器 改进 10m3种子罐的搅拌器，由六 弯叶 圆盘涡轮 搅拌器改造为 六半圆叶圆盘涡轮搅拌器 后 , 溶氧系数 是改造前的 2.36倍 , 最终湿菌体量达到 25.42%,是改 造前的 2.88倍。 （）改进发酵罐的气液分离系统 提高装液量，增强通气量。 如，改进后，发酵罐的装填系数由提高 到，糖酸转化率由提高到 。 （）应用先进的计量和自控技术实现在线显示及 自控操作 发酵过程中的、温度、溶解氧、消泡、流加物 料等都能够准确的在线显示，实现了自动控制。 第四节 糖蜜原料生产谷氨酸的发酵技术 优点： 省去淀粉糖化工序；降低成本；节约能源 ；节约酸、碱；简化操作；便于采用大种 量、添加青霉素（或表面活性剂）低糖流 加发酵工艺。 糖蜜是国外主要的碳源。 与淀粉糖原料工艺相比，糖蜜原料发酵生产谷氨酸 具有以下特点： 省去 淀粉糖化 工序 ， 简化设备 。 降低 生产 成本 。 便于实施 高浓度糖液的流加工艺，有利于 提高 产酸 。 采用生物素缺陷型菌株发酵谷氨酸时，在发酵 过程中需 适时、适量添加 青霉素或吐温 -60等物质； 需密切跟踪 原料各组分变化 。 工艺控制 复杂。 糖蜜原料发酵生产谷氨酸的特点 广东顺德糖厂的糖蜜按下列要求分三级： 一级糖蜜：含糖分为 50以上； 二级糖蜜：含糖分为 4850 ； 三级糖蜜：含糖分为 48以下。 出厂价大约按季节不同在 700至 900范围。 木薯淀粉： 2850-2950 一级 马铃薯淀粉 5800 元 /吨 特级 玉米淀粉 长春 2550元 糖蜜 预处理 时需 脱除胶体物质 。 发酵前要进行 脱钙 处理。 糖蜜含有 黑褐色素 ，影响成品色泽，在味精 精制 工序需加强脱色操作。 糖蜜原料发酵生产谷氨酸的特点 一、甜菜糖蜜添加吐温发酵工艺 1.工艺： 以甜菜糖蜜为碳源，采用高生物素、大接种 量、添加表面活性剂（吐温 -60）的强制发酵工艺。 2.添加表面活性剂的基本原理 （ 1）作用机制 对生物素有 拮抗 作用，拮抗脂肪酸的生物 合成，导致 磷脂合成不足 ；形成 不完全的细胞 膜 ， 提高 了谷氨酸向膜外漏出的 渗透性 。 2.添加表面活性剂的基本原理 （ 2）影响产酸的关键 控制添加的时间与浓度 。 要达到的效果： 添加药剂之后，细胞 再次进行 分裂增殖 ，使细胞完成从长菌型细胞向产酸型细胞 的 转变 。 添加时间： 一般在发酵对数生长期的 早期（ 4 5h）， 添加 药剂之后 OD值与菌体重量约 净增一倍 。 3.WTH-1菌株的形态、培养与生理特征 WTH-1是一株适合甜菜糖蜜发酵生产谷氨酸的 高产菌株。 4.工艺条件 一、甜菜糖蜜添加吐温发酵工艺 （ 1）菌株 WTH-1菌株或 D110菌株。 （ 2）一级种子培养基 葡萄糖 2.5% 3.5%，磷酸二氢钾 0.15% 0.2%，玉米浆 2.5% 3.0%，硫酸镁 0.04% 0.05%，尿素 0.5% ，锰离子、铁离子个 2mg/L， pH6.7 7.0。 （ 3）二级种子培养基 甜菜糖蜜 3.5%，磷酸二氢钾 0.15%，玉米浆 3.0%，纯生物素 30g/L， 硫酸镁 0.04%，尿素 0.5% ， pH6.7 7.0，灭菌 115 保温 8min，接 种量 0.5%。 （ 4）发酵培养基 甜菜糖蜜 15% 17%，玉米浆 0.3%，纯生物 素 70 100g/L，磷酸 0.075% 0.09%，氢氧 化钾 0.075% 0.09，硫酸镁 0.04%，初尿素 2.0% （分消），消泡剂 0.03%， pH7.5 7.7，灭菌 110 115 保温 6min，接种量 4% 5%。 （ 5）发酵控制剂 发酵 4 5h，添加 0.2%吐温 -60。 一、甜菜糖蜜添加吐温发酵工艺 5.发酵工艺控制要点 （ 1）添加吐温 -60的时间与添加量 （ 2）接种量的影响 5.发酵工艺控制要点 初糖 % 接种量 % 发 酵周期 h 吐温 -60 产 酸 % 16 4 42 44 10 16 8 39 41 添加 时间 提前 1h 12h产 酸 3% 4 12h产 酸 2% 5.发酵工艺控制要点 （ 3） pH的控制 pH不宜低于 6.4，应控制在 6.5以上 ； 后期，若 高于 7.0， OD值下降，菌体发生 自溶 。 （ 4）温度的控制 发 酵 时间 h 温度 0 12 30 33 12 24 33 34 24 36 34 35 5.发酵工艺控制要点 （ 5）风量控制 根据生产菌在发酵过程中的代谢变化，由 排 出 CO2的含量 ， 反馈控制通气 强度，以实现排气 CO2量的恒定。 （ 6）放罐处理 在残糖降到 1.3% 1.4%时，如 放罐前 1 2h 时，采用低通风、 适当温度 等工艺处理，可取得 较好的效果。 二、甘蔗糖蜜添加青霉素流加糖发酵工艺 以 甘蔗糖蜜 为原料，采用 大接种量， 在发酵对 数生长早期添加 青霉素 ，之后 连续流加糖 的发酵 工艺，是国外谷氨酸发酵普遍采用的方法。 1.添加青霉素的基本原理 抑制糖肽转移酶 ，影响细胞壁肽聚糖的生物 合成，进而 抑制菌体细胞壁合成 ，达到使菌体形成 不完整细胞壁 的目的。 青霉素添加时间的选择（关键） 在菌体进入对数生长期的 早期 （ 3 5h）添加，添加青霉素的 时 间与浓度 ，因 菌种、接种量、培养 基的组成 及 发酵条件 而异。 是否补加？ 因发酵过程中的菌体形态、产酸、 OD值、耗 糖等变化情况而定。 菌体形态变化： 多呈现伸长、膨润的菌型，即向 谷氨酸积累型细 胞 转变。 二、甘蔗糖蜜添加青霉素流加糖发酵工艺 2.工艺条件 （ 1）菌株 S9114、 F415菌株或其他菌株。 （ 2）一级种子培养基 葡萄糖 2.5% 3.5%，磷酸 氢二钾 0.15% 0.2%，玉米浆 2.5%，酵母膏 0.5% ，硫酸镁 0.04% 0.05%，尿素 0.5% ，锰离子、铁 离子个 2mg/L， pH6.7 7.0。 （ 3）二级种子培养基 甘蔗糖蜜 3% 4%，磷酸 氢二钾 0.15%，硫酸镁 0.04%，尿素 0.5%， pH6.7 7.0， 115 灭菌保温 8min，接种量 5% 10%。 （ 4）发酵培养基 甘蔗糖