氨基酸生产工艺课件

第十章氨基酸生产工艺(p208-214)本章内容：第一节概述第二节氨基酸发酵的代谢控制第三节氨基酸发酵的工艺控制第四节谷氨酸生产工艺目的要求：熟悉谷氨酸生产的流程了解氨基酸生产代谢控制的方法第一节概述氨基酸是构成蛋白质的基本成分。目前世界上可用发酵法生产氨基酸有20多种。氨基酸氨基酸（aminoacid）：含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物，氨基一般连在α-碳上。侧链不同，氨基酸的性质不同。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。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。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。以及在化妆品中的应用。5.农业杀虫、杀菌、除草剂、农药稳定剂、植物促进剂、脱叶剂。应用新领域的扩展药物合成原料氨基酸盐多聚氨基酸（应用于食品包装、保鲜剂、日用洗涤剂等）氨基酸鳌合剂（应用于日用化工、洗涤、照相显影剂）氨基酸塑料作为超导材料等氨基酸的生产方法目前绝大多数应用发酵法或酶法生产。极少数为天然提取或化学合成法生产。发酵法：直接发酵法：：野生菌株发酵酵营养缺陷型突突变发酵抗氨基酸结构构类似物突变变株发酵抗氨基酸结构构类似物突变变株的营养缺缺陷型菌株发发酵营养缺陷型回回复突变株发发酵添加前体法主要菌种：谷氨酸棒杆菌菌黄色短杆菌乳糖发酵短杆杆菌短芽孢杆菌粘质赛式杆菌菌还有采用基因因工程菌进行行生产的往往是生物素素缺陷型，也也有些是氨基基酸缺陷型。。酶法：利用微生物细细胞或微生物物产生的酶来来制造氨基酸酸。提取法：蛋白质水解，，从水解液中中提取。胱氨氨酸、半胱氨氨酸和酪氨酸酸合成法：DL-蛋氨酸酸、丙氨酸、、甘氨酸、苯苯丙氨酸。传统的提取法法、酶法和化化学合成法由由于前体物的的成本高，工工艺复杂，难难以达到工业业化生产的目目的。国外生生产概概况氨基酸酸的制制造始始于1820年年，蛋蛋白质质酸水水解生生产氨氨基酸酸。1850年年化学学合成成氨基基酸。。1956年年分离离到谷谷氨酸酸棒状状杆菌菌，日日本采采用微微生物物发酵酵法工工业化化生产产谷氨氨酸成成功。。1957年年生产产谷氨氨酸钠钠（味味精））商业业化，，从此此推动动了氨氨基酸酸生产产的大大发展展。生产氨氨基酸酸的大大国为为日本本和德德国。。日本的的味之之素、、协和和发酵酵及德德国的的德固固沙是是世界界氨基基酸生生产的的三巨巨头。。它们们能生生产高高品质质的氨氨基酸酸，可可直接接用于于输液液制剂剂的生生产。。日本在在美国国、法法国等等建立立了合合资的的氨基基酸生生产厂厂家，，生产产氨基基酸和和天冬冬甜精精等衍衍生物物。氨基酸酸的世世界市市场中中，谷谷氨酸酸钠约约占氨氨基酸酸总量量的75％％，其其次为为赖氨氨酸，，占产产量10％％，其其他约约占15％％。发酵生生产的的原料料国外谷谷氨酸酸采用用甘蔗蔗糖蜜蜜或淀淀粉水水解糖糖为原原料的的强制制发酵酵工艺艺，产产酸率率13～15％％，糖糖酸转转化率率50～60％％；国内采采用淀淀粉水水解糖糖或甜甜菜糖糖蜜为为原料料生物物素亚亚适量量发酵酵工艺艺，产产酸率率10％，，转化化率60％％。我国氨氨基酸酸生产产情况况20世世纪80年年代50种种左右右，80年年代400种，，目前前1000多种种，其其中药药物类类已经经达到到100多多种。。目前前产量量已达达上百百万t，产产值超超过百百亿美美元。。菌种改改良和和新工工艺开开发，，促进进了中中国氨氨基酸酸产业业发展展，应应用于于输液液的18种种氨基基酸原原料只只有丝丝氨酸酸和色色氨酸酸不能能工业业化生生产仍仍需进进口外外，其其余16种种均已已投产产，国国产化化80％以以上。。氨基酸酸原料料生产产企业业约20多多家，，制剂剂生产产企业业30多家家。甘甘氨酸酸3000多吨吨，赖赖氨酸酸及其其盐酸酸盐约约1000吨，，天门门冬氨氨酸、、缬氨氨酸、、谷氨氨酸、、亮氨氨酸、、丙氨氨酸等等几百百吨。。谷氨酸酸钠的的生产产规模模最大大，居居世界界首位位。氨基酸酸发酵酵氨基酸酸发酵酵：就就是以以糖类类和铵铵盐为为主要要原料料的培培养基基中培培养微微生物物，积积累特特定的的氨基基酸。。这些方方法成成立的的一个个重要要原因因是使使用选选育成成的氨基酸酸生物物合成成高能能力的的菌株株。第二节节氨氨基基酸发发酵的的代谢谢控制制控制发发酵的的条件件控制细细胞渗渗透性性控制旁旁路代代谢降低反反馈作作用物物的浓浓度消除终终产物物的反反馈抑抑制与与阻遏遏作用用促进ATP的积积累，，以利利氨基基酸的的生物物合成成第三节节氨氨基基酸发发酵的的工艺艺控制制（p209-210）培养基基温度pH氧一、培培养基基1、碳碳源作用：：构成菌菌体、、合成成氨基基酸的的骨架架及能能量来来源。。种类：：淀粉水水解糖糖、糖糖蜜、醋酸酸、乙乙醇、、烷烃烃碳源浓浓度过过高时时，对对菌体体生长长不利利，氨氨基酸酸的转转化率率降低低。菌种性性质、、生产产氨基基酸种种类和和所采采用的的发酵酵操作作决定定碳源源种类类。2、氮源种类：铵盐、尿素素、氨水；；作用：合成菌体蛋蛋白、合成成氨基酸的的来源。同同时调整pH值。因因此，所需需的氮源比比一般发酵酵的要多。。营养缺陷型型菌株发酵酵：添加适量氨氨基酸主要要以添加有有机氮源水水解液。需需生物素和和氨基酸，，以玉米浆浆作氮源。。尿素灭菌时时形成磷酸酸铵镁盐，，须单独灭灭菌。可分分批流加。。氨水用pH自动控制制连续流加加。3、合适C/N氮源用于调调整pH合成菌体生成氨基酸酸因此，比一一般微生物物发酵的氮氮源高。4、磷酸盐盐对发酵有显显著影响。。不足时糖糖代谢受抑抑制。5、镁是已糖磷酸酸化酶、柠柠檬酸脱氢氢酶和羧化化酶的激活活剂，并促促进葡萄糖糖-6-磷磷酸脱氢酶酶活力。6、钾促进糖代谢谢。谷氨酸酸产酸期钾钾多利于产产酸，钾少少利于菌体体生长。7、钠调节渗透压压作用，一一般在调节节pH值时时加入。8、锰是许多酶的的激活剂。。9、铁是细胞色素素、细胞色色素氧化酶酶和过氧化化氢酶的活活性基的组组成分，可可促进谷氨氨酸产生菌菌的生长。。10、铜离离子对氨基酸发发酵有明显显毒害作用用。生长因子：：生物素作用：影响响细胞膜透透性和代谢谢途径。浓度：过多多促进菌体体生长，氨氨基酸产量量低。过少少菌体生长长缓慢，发发酵周期长长。与其它培养养条件的关关系：氧供供给不足，，生物素过过量时，发发酵向其它它途径转化化。种类：玉米米浆、麸皮皮水解液、、甘蔗糖蜜蜜和甜菜糖糖蜜为来源源。二、温度对对氨基酸发发酵的影响响及控制菌体生长达达一定程度度后再开始始产生氨基基酸，因此此菌体生长最适温度和和氨基酸合成的最适温度度是不同的。。如谷氨酸发发酵适宜温温度为30～32℃℃，菌体生生长阶段温温度过高时时，则菌体体易衰老，，pH高，，糖耗慢，，周期长，，酸产量低低。采取措施：：少量多次流流加尿素，，促进菌体体生长维持持最适生长长温度、适适当通风，，利于谷氨氨酸合成。。三、pH对对氨基酸发发酵的影响响及其控制制作用机理：：主要影响酶酶的活性和和菌的代谢谢。控制pH方方法：流加尿素和和氨水流加方式：：根据菌体生生长、pH变化、耗耗糖情况和和发酵阶段段等因素决决定。pH控制措措施：（1）菌体体生长或耗耗糖慢时，，少量多次次流加尿素素，避免pH过高。。（2）菌体体生长或耗耗糖过快时时，流加尿尿素可多些些，以抑制制菌体生长长。（3）发酵酵后期，残残糖少，接接近放罐时时，少加或或不加尿素素，以免造造成氨基酸酸提取困难难。（4）氨水水对pH影影响大，应应采取连续续流加。一般发酵前前期pH控控制在7.5左右，，发酵后期期pH控制制在7.2左右。四、氧对氨氨基酸发酵酵的影响及及其控制不同的氨基基酸发酵需需要氧的量量不同：要求供氧充足的的谷氨酸族氨氨基酸发酵酵：生物合合成与TCA循环有有关。适宜在缺氧条件下下进行的亮氨氨酸、苯丙丙氨酸和缬缬氨酸发酵酵：菌体呼呼吸受阻时时产量最大大。供氧不足时时产酸受轻微影响响的天冬氨酸族族氨基酸发发酵。因此，在发发酵过程中中应根据具具体情况对对供氧过程程进行控制制。第四节谷谷氨酸生生产工艺（p210～214）工业化生产产开始于由由水解小麦麦面筋或大大豆蛋白质质而制取。。1957年年，日本率率先采用微微生物发酵酵法生产，，并投入大大规模工业业化生产，，这是被誉誉为现代发发酵工业的的重大创举举，使发酵酵工业进入入调节代谢谢的调控阶阶段。目前世界产产谷氨酸钠钠30吨/年，占氨氨基酸总量量的2/3。我国现已有有200余余家生产，，年产量达达15万吨吨，居世界界首位。产生菌株特特点：革兰氏阳性性。不形成芽胞胞。没有鞭毛，，不能运动动。需要生物素素作为生长长因子。在通气条件件下才能产产生谷氨酸酸。谷氨酸生物物合成机理理：由三羧酸循循环中产生生的a-酮戊戊二酸，在在谷氨酸脱氢酶酶和氢供体体（NH4+）存在下进进行还原性氨化化作用而得得到。谷氨酸的生生产：一、淀粉水水解糖的制制备二、菌种扩扩大培养三、谷氨酸酸发酵时期期四、谷氨酸酸发酵控制制五、谷氨酸酸的提取六、谷氨酸酸发酵研究究新进展七、非糖质质原料的谷谷氨酸发酵酵一、淀粉水水解糖的制制备酸水解:1、调浆：：干淀粉用水水调成10～11Bx的淀粉粉乳，加盐盐酸量约为为干淀粉的的0.5～～0.8％，调pH1.5。2、糖化：：蒸汽加热，，加压糖化化25min。冷却却至80℃℃下中和。。3、中和：：烧碱中和，，至pH4.0～～5.0。。4、脱色：：活性炭脱色色和脱色树树脂。活性性炭用量为为0.6～～0.8％％，在70℃及酸性条件件下搅拌后后过滤。酶法糖化：：以大米或碎碎米为原料料时采用。。大米进行浸浸泡磨浆，，再调成15Bx，，调pH6.0，加加细菌a-淀粉酶进进行液化，，85℃℃30min，加糖糖化酶60℃糖化化24h，，过滤后可可供配制培培养基。糖蜜原料：：不宜直接用用来作为谷谷氨酸发酵酵的碳源，，因含丰富富的生物素素。预处理方法法：活性碳或树树脂吸附法法和亚硝酸酸法吸附或或破坏生物物素。也可可以在发酵酵液中加入入表面活性性剂吐温60或添加加青霉素。。1、斜面培培养主要产生菌菌:棒状杆菌属属、短杆菌菌属、小杆杆菌属、节节杆菌属。。我国各工厂厂目前使用用的菌株主主要是钝齿齿棒杆菌和和北京棒杆杆菌及各种种诱变株。。生长特点：：适用于糖质质原料，需需氧，以生生物素为生生长因子。。斜面培养基基：蛋白胨、牛牛肉膏、氯氯化钠组成成的pH7.0～7.2琼脂脂培养基，，32℃培培养18～～24h。。二、菌种扩扩大培养2、一级种种子培养由葡萄糖、、玉米浆、、尿素、磷磷酸氢二钾钾、硫酸镁镁、硫酸铁铁及硫酸锰锰组成。pH6.5～6.8。1000mL装装200～～250mL振荡，，32℃培培养12h。3、二级种种子培养用种子罐培培养，料液液量为发酵酵罐投料体体积的1％％，用水解解糖代替葡葡萄糖，于于32℃进进行通气气搅拌7～～10h。。种子质量要要求：二级级种子培养养结束时，，无杂菌或或噬菌体污污染，菌体体大小均一一，呈单个个或八字排排列。活菌菌数为108～109/mL。三、谷氨酸酸发酵的几几个时期1、适应期期尿素分解出出氨使pH上升，糖糖不利用，，2～4h。措施：接种量和发发酵条件控控制使其缩缩短。2、对数生生长期糖耗快，尿尿素大量分分解使pH上升，氨氨被利用pH又迅速速下降。溶溶氧急剧下下降后维持持在一定水水平。菌体体浓度迅速速增大，菌菌体形态为为排列整齐齐的八字形形，不产酸酸，12h。措施：及时供给菌菌体生长必必须的氮源源及调节pH，在pH7.5～8.0时流加尿尿素；维持持温度30～32℃3、菌体生生长停止期期：谷氨酸合成成。措施：提供供必须的氨氨及pH维维持在7.2～7.4。大量量通气，控控制温度34～37℃。4、发酵后后期：菌体衰老，，糖耗慢，，残糖低。。措施：营养养物耗尽酸酸浓度不增增加时，及及时放罐。。发酵周期一一般为30h。四、谷氨酸酸发酵控制制（1）生物物素作为催化脂脂肪酸生物物合成最初初反应的关关键酶乙酰酰CoA的的辅酶，参参与脂肪酸酸的生物合合成，进而而影响磷酯酯的合成。。当磷酯含量量减少到正正常时的一一半左右时时，细胞发发生变形，，谷氨酸能能够从胞内内渗出，积积累于发酵酵液中。生物素过量量，则发酵酵过程菌体体大量繁殖殖，不产或或少产谷氨氨酸，代谢谢产物中乳乳酸和琥珀珀酸明显增增多。一般生物素素要控制在在亚适量，，才能得到到高产的谷谷氨酸。（2）种龄龄和种量的的控制一级种子控控制在11～12h，二级控控制在7～～8h。种量为1％％。过多，，菌体娇嫩嫩，不强壮壮，提前衰衰老自溶，，后期产酸酸量不高。。（3）pH发酵前期，，幼龄细胞胞对pH较较敏感，pH过低，，菌体生长长旺盛，营营养成分消消耗大，转转入正常发发酵慢，长长菌不长酸酸。谷氨酸脱氢氢酶最适pH为7.0～7.2，转氨氨酶最适pH7.2～7.4。在发发酵中后期期，保持pH不变。。过高转为为谷氨酰胺胺，过低氨氨离子不足足。（4）通风风不同种龄、、种量，培培养基成分分，发酵阶阶段及发酵酵罐大小要要求通风量量不同。在菌体生长长阶段，通通风量过大大，生物素素缺乏，抑抑制菌体生生长。在发酵产酸酸阶段，需需要大量通通风供氧，，以防过量量生成乳酸酸和琥珀酸酸，但过大大通风，则则大量积累累a-酮戊戊二酸。防止噬菌体和和杂菌的污染染从空气过滤、、培养基、设设备、环境等等环节严格把把关。五、谷氨酸的的提取1、等电点法法操作简单，收收率60％。。周期长，占占地面积大。。2、离子交换换法用阳离子交换换树脂提取吸吸附谷氨酸形形成的阳离子子，再用热碱碱洗脱，收集集相应流分，，再加盐酸结结晶。六、谷氨酸发发酵研究新进进展继续选育各种种生化突变菌菌株：转化率提高，，或可在富含含生物素的培培养基中保持持较高产酸水水平。提高原原料利用率，，拓宽原料来来源或简化操操作工艺。生物工程新技技术的应用：：体外DNA重重组的基因工工程和原生质质体融合技术术和固定化细细胞技术使产产量提高近1倍。改进发酵工艺艺：开拓原料，改改进流加工艺艺，通过电子子计算机控制制发酵条件。。七、非糖质原原料的谷氨酸酸发酵醋酸发酵谷氨氨酸机理：醋酸形形成乙酰CoA，再进入入TCA，因因此凡能利用用葡萄糖原料料的菌种也可可作为醋酸发发酵谷氨酸的的菌株。以醋酸钠或醋醋酸铵与醋酸酸的混合液为为原料，且浓浓度不超过4％。发酵过过程中也需流流加以保持pH。谢谢！9、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶树树，灯下白头头人。。14:53:0314:53:0314:5312/29/20222:53:03PM11、以我独独沈久，，愧君相相见频。。。12月-2214:53:0314:53Dec-2229-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。14:53:0314:53:0314:53Thursday,December29,202213、乍见翻翻疑梦，，相悲各各问年。。。12月-2212月-2214:53:0314:53:03December29,202214、他乡生白发发，旧国见青青山。。29十二月月20222:53:03下午14:53:0312月-2215、比不了了得就不不比，得得不到的的就不要要。。。十二月222:53下午午12月-2214:53December29,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2914:53:0314:53:0329December202217、做前，，能够环环视四周周；做时时，你只只能或者者最好沿沿着以脚脚为起点点的射线线向前。。。2:53:03下午午2:53下午午14:53:0312月-229、没有有失败败，只只有暂暂时停停止成成功！！。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、很很多多事事情情努努力力了了未未必必有有结结果果，，但但是是不不努努力力却却什什么么改改变变也也没没有有。。。。14:53:0314:53:0314:5312/29/20222:53:03PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2214:53:0314:53Dec-2229-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。14:53:0314:53:0314:53Thursday,December29,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2214:53:0314:53:03December29,202214、意志坚强的的人能把世界界放在手中像像泥块一样任任意揉捏。29十二月月20222:53:03下午14:53:0312月-2215、楚塞三三湘接，，荆门九九派通。。。。十二月222:53下午午12月-2214:53December29,202216、少年十十五二十十时，步步行夺得得胡马骑骑。。2022/12/2914:5