谷氨酸的生产

代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131谷氨酸的生产

一组

谷氨酸生产现状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30万吨/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。代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131产生菌株特点：革兰氏阳性不形成芽胞没有鞭毛，不能运动需要生物素作为生长因子在通气条件下才能产生谷氨酸谷氨酸生物合成机理：由三羧酸循环中产生的a-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体存在下进行还原性氨化作用而得到。代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131Ⅰ.谷氨酸的生物合成途径主要包括：EMP途径HMP途径TCA循环乙醛酸循环CO2固定反应（一）、谷氨酸发酵机制代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131总反应途径糖经过EMP途径和HMP生成丙酮酸。一方面丙酮酸氧化脱羧生成乙酰-CoA；另一方面，经CO2固定作用生成草酰乙酸；两者合成柠檬酸进入TCA循环，由三羧酸循环的中间产物α-酮戊二酸，在谷氨酸脱氢酶的催化下，还原氨基化合成谷氨酸。代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131CO2代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131总反应式和理论转化率总反应式:C6H12O6+NH3+3/2O2C5H9O4N+CO2+3H2O理论转化率：

（147/180）×100%=81.7%代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131EMP途径和HMP途径生物素充足：HMP途径所占比例为38%生物素亚适量：HMP途径所占比例为26%代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131TCA、DCA循环和CO2固定1.TCA循环丙酮酸丙酮酸丙糖-3-磷酸乙酰CoA草酰乙酸柠檬酸TCA氧化CO2固定乙酰CoA草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸琥珀酸乙醛酸乙酰CoA苹果酸柠檬酸合成酶异柠檬酸裂解酶苹果酸合成酶苹果酸脱氢酶2.DCA循环代谢控制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131DCA循环的生理意义作为TCA循环有缺陷时C4二羧酸的补充，特别是以醋酸和乙醇为原料的谷氨酸发酵，它是C4二羧酸的唯一补充来源作为能量供给来源的末端氧化系代谢谢控控制制发发酵酵文生生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131TCA循循环和DCA循循环以醋酸为为唯一碳碳源的菌菌体实验验表明：：菌体内内有机酸酸浓度低低到需要要DCA循环运运转时，，由异柠柠檬酸裂裂解酶催催化生成成的乙醛醛酸与细细胞内的的草酰乙乙酸共同同抑制异异柠檬酸酸脱氢酶酶；由于于DCA循环运运转，TCA循循环有机机酸过剩剩，异柠柠檬酸裂裂解酶被被抑制，，乙醛酸酸浓度下下降，解解除对异异柠檬酸酸脱氢酶酶的抑制制，TCA循环环运转代谢控制制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131在糖质原原料的谷谷氨酸发发酵中，，在谷氨氨酸生成成期，如如果葡萄萄糖先转转化为醋醋酸，再再由DCA循环环提供C4二羧羧酸合成成谷氨酸酸，谷氨氨酸对糖糖的转化化率就大大为减少少。3C6H12O66丙酮酸6醋酸6醋酸+2NH3+3O22C5H9O4N+2CO2+6H2O转化率：：2×147/（3×180）×100%=54.4%在以葡萄萄糖为原原料的谷谷氨酸发发酵中，，特别是是谷氨酸酸生成期期DCA循环应该该关闭代谢控制制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131丙酮酸

苹果酸草酰乙酸苹果酸脱氢酶苹果酸酶±CO2

NAD+NADH+H+PEP+CO2+GDP草酰乙酸+GTPPEP羧化酶在谷氨酸酸产生菌菌中已检检出两种种CO2固定酶：：磷酸烯醇醇丙酮酸酸（PEP）羧化酶酶和苹果果酸酶3.CO2固定代谢控制制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131与二磷酸果糖共同激活PEP羧化酶PEP浓度低PEP易进入分解途径乙酰-CoA浓度增加转向CO2固定草酰乙酸乙酰-CoA氧化ATP水平提高抑制丙酮酸激酶所以在谷谷氨酸发发酵中，，糖的分分解代谢谢途径与与CO2固定的适适当比例例是提高高谷氨酸酸对糖收收率的关关键问题题。TCA循环中间产物浓度增加抑制PEP羧化酶防止过剩生物合成成和需能能反应解除抑制制丙酮酸酸激酶ATP浓度降低代谢控制制发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131氨的导入入氨的导入入方式：：糖代谢中中间体αα-酮戊戊二酸还还原氨基基化生成成谷氨酸酸天冬氨酸酸或丙氨氨酸通过过氨基转转移作用用将氨基基转给αα-酮戊戊二酸而而生成谷氨酸合成成酶途径代谢控制发发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131糖代谢中间间体α-酮酮戊二酸还还原氨基化化生成谷氨氨酸异柠檬酸脱脱氢酶：需NADP为辅酶，催催化α-酮戊二酸的的生成（谷谷氨酸的前前体），并并为谷氨酸酸脱氢酶提提供辅酶谷氨酸脱氢氢酶：需NADPH+H+为辅酶活细胞中，，异柠檬酸酸脱氢酶活活性小于谷谷氨酸脱氢氢酶活性，，所以NADP浓度是实际上的限限速因子柠檬酸异柠檬酸α-酮戊二酸谷氨酸NADPH+H+NADPNH4+代谢控制发发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131调节机制黄色短杆菌菌中，谷氨氨酸脱氢酶酶对α-酮戊二酸和和谷氨酸表现现出同促相相互作用，低浓度的的α-酮戊二酸和和谷氨酸对对此酶有显显著的激活活作用。当谷氨酸浓浓度为100mmol/L时，抑制酶酶活65％，浓度为为400mmol/L时抑制90％，这比其其他的反馈馈抑制要明明显的弱，，因而在谷谷氨酸发酵酵中菌体内内游离出来来的谷氨酸酸浓度就要要高，可以以认为这个个调节机制制对谷氨酸酸生产发挥挥着很好的的调节作用用。代谢控制发发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131调节机制谷氨酸发酵酵中，糖代代谢除受到到生物素控控制外，也也受到NH4+的影响。使用生物素素缺乏菌，，在NH4+存在时，葡葡萄糖以很很快的消耗耗速度和高高的收率生生成谷氨酸酸。当NH4+不存在时，，糖的消耗耗速度很慢慢，生成物物是α-酮酮戊二酸、、丙酮酸、、醋酸和琥琥珀酸。代谢控制发发酵文生095-1董晓蒙200990521117耿春霞200990521127陈聪聪200990521131上罐实消培养基的配制32℃,pH7.0,OD=1.032℃℃,pH7.0,18~24h冷却接种种发酵过程参数测定还原糖的测定谷氨酸的测定菌体形态观察菌体浓度测定发酵过程参数的控制OD值pH温度搅拌速度、DO值通气比：：1:(0.08~0.1)[100吨罐]前期(0~12h)33~35℃;中后期(3~5h)36～38℃pH7.0，流加尿尿素调节（0.4～0.6％）测定菌体体密度，，OD值不再上上升时，，菌体分裂裂完成，，约12h发酵酵发酵液液三角瓶培培养固体斜面面培养（二）、、谷氨酸酸生产工工艺流程程1.发酵温度度谷氨酸发发酵前期期(0～12h)是菌体大大量繁殖殖阶段，，在此阶阶段菌体体利用培培养基中中的营养养物质来来合成核核酸、蛋蛋白质等等，供菌菌体繁殖殖用，而而控制这这些合成成反应的的最适温温度均在在30～32℃。在发酵中中、后期期，是谷谷氨酸大大量积累累的阶段段，而催催化谷氨氨酸合成成的谷氨氨酸脱氢氢酶的最最适温度度在32～36℃，故发酵酵中、后后期适当当提高罐罐温对积积累谷氨氨酸有利利。2.pH值pH值对谷氨氨酸积累累的影响响谷氨酸脱脱氢酶是是合成谷谷氨酸的的主要酶酶,它的最适适pH为7.0～7.2，当发酵酵液的pH值偏酸时时(pH5.0-5.8)，谷氨酸酸脱氢酶酶受到抑抑制，代代谢向着着生成谷谷氨酰胺胺和乙酰酰谷氨酰酰胺的方方向进行行。在发酵后后期由于于耗用大大量NH4+，pH值下降，，此时就就要进行行pH值调节，，以保证证发酵的的正常进进行。pH：前期pH（7.5～8.0），中后后期pH（7.0～7.6）。通过过采用流流加尿素素，氨水水或液氨氨等办法法调节pH，补充氮氮源。3.泡沫在发酵过过程中由由于强烈烈的通风风和菌体体代谢产产生的CO2，使培养养液产生生大量的的泡沫，，不仅使使氧在发发酵液中中的扩散散受阻，，影响菌菌体的呼呼吸和代代谢。给给发酵带带来危害害，必须须加以消消泡。消泡方法法有机械械消泡(耙式、离离心式、、刮板式式、蝶式式消泡器器)和化学消消泡(天然油脂脂、聚酯酯类、醇醇类、硅硅酮等化化学消泡泡剂)两种方法法。4.生物素控控制1）菌体生生长阶段段保证生物物素充足足，使菌菌体快速速生长2）产酸阶阶段控制生物物素亚适适量(5-10μg/L)，使谷氨氨酸大量量积累。。5.供氧浓度度（通风风量）在谷氨酸酸发酵过过程中,通风必须须适度。。在谷氨氨酸发酵酵过程中中，发酵酵前期以以低通风风量为宜宜；发酵酵中、后后期以高高通风量量为宜。。实际生产产上，以以气体转转子流量量计来检检查通气气量，即即以每分分钟单位位体积的的通气量量表示通通风强度度。另外外发酵罐罐大小不不同，所所需搅拌拌转速与与通风量量也不同同。6.NH4+浓度（1）影响到到发酵液液的pH值（2）与产物物的形成成有关：：NH4+过量：菌菌体增殖殖阶段会会抑制菌菌体生长长，产酸酸阶段谷谷氨酸会会受谷氨氨酰胺合合成酶作作用转化化为谷氨氨酰胺；；NH4+不足：不不利于α-酮戊二酸酸的还原原氨基化化，α-酮戊二酸酸积累，，引起反反馈调节节7.碳源发酵液中中糖含量量与谷氨氨酸的发发酵有密密切的关关系。在一定范范围内，，谷氨酸酸的产量量随糖含含量的增增加而增增加，但但糖含量量过高，，渗透压压过大，，对菌体体生长不不利，谷谷氨酸对对糖的转转化率低低。发酵液中中还原糖糖的含量量一般应应控制在在10%～13%。8.碳氮比氮源是合合成菌体体细胞蛋蛋白质、、核酸和和谷氨酸酸的氨基基来源，，大约85%的氮源被被用于合合成谷氨氨酸，另另外15%用于合成成菌体。。谷氨酸发发酵需要要的氮源源比一般般发酵工工业多得得多，一一般发酵酵工业碳碳氮比为为100:0.2～2.0，谷氨酸酸发酵的的碳氮比比为100:15～21。在谷氨酸酸发酵过过程中，，应正确确控制碳碳氮比。。一般在在菌体生生长期碳碳氮比应应大一些些(氮低），，在产酸酸期,碳氮比应应小些(氮高）。。在碳源和和氮源的的比为3∶1