氨基酸生产工艺-课件

本章主要内容第一节、氨基酸生产工艺第二节、有机酸生产工艺第三节、有机溶剂生产工艺第四节、核苷类物质生产工艺第五节、维生素生产工艺第六节、再生能源第一页第二页，共63页。第一节氨基酸生产工艺一、氨基酸简介二、发酵法生产氨基酸三、谷氨酸发酵机制及工艺第二页第三页，共63页。一、氨基酸简介第三页第四页，共63页。

氨基酸发酵

氨基酸：合成法、抽提法氨基酸工业起源于日本

1909年面筋酸水解生产谷氨酸

1956年由发酵法生产谷氨酸我国氨基酸发酵工业1964年上海投产赖氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸等12种氨基酸第四页第五页，共63页。

一.氨基酸的用途（一）食品工业

甜味剂：甘氨酸、丙氨酸

酸味剂：天门冬氨酸、谷氨酸等

鲜味剂：天门冬氨酸钠、谷氨酸钠等

甘氨酸：可用于清凉饮料

赖氨酸：加强食品、饲料第五页第六页，共63页。

天冬甜肽（Aspartom）：

L-Asp和L-phe合成美国Searle公司30年前低热量营养性甜味剂口感近似蔗糖，甜度为蔗糖的25~30倍，热量仅为蔗糖的1/160，全球总销量已1.5万吨阿丽泰(Alitame)：由天冬氨酸与丙氨酸合成甜味更纯正，耐热性更好，最适用于面包、饼干、蛋糕等焙烤食品第六页第七页，共63页。聚赖氨酸：食品保鲜剂、肉类、家禽、海产、面包饼干和各种谷物食品的防腐保鲜；高级吸水性聚合物：婴儿尿片等产品日本年产已达1千多吨第七页第八页，共63页。

聚谷氨酸：绿色塑料食品包装到一次性餐具和其它各种工业用途它在自然界中可迅速降解不环境污染日本已开发成功并有产品上市第八页第九页，共63页。

（二）医药工业

1.氨基酸混合液：高营养液

2.治疗用：

1）肝脏治疗：精氨酸、鸟氨酸、瓜氨酸、谷氨酸、天冬氨酸用以降低血氨异亮氨酸、亮氨酸等纠正血浆氨基酸失衡蛋氨酸、胱氨酸用于治疗脂肪肝

2）消化道疾病治疗：谷氨酰胺、苏氨酸治疗消化道溃疡,亮氨酸、谷氨酸调节胃液酸度第九页第十页，共63页。

3）脑病治疗：

L-谷氨酸与L-谷氨酰胺改善脑出血后遗症的记忆障碍

-氨基酸治疗癫痫等左旋多巴用于震颤性麻痹等

4）心血管治疗天冬氨酸用于心率失常第十页第十一页，共63页。（三）化妆品

胱氨酸用于护发

丝氨酸用于雪花膏

谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸与脂肪酸形成的表面活性剂有洗净、抗菌作用

谷氨酸碱盐、精氨酸碱盐：化妆品对皮肤无刺激性

第十一页第十二页，共63页。（四）其他

甘氨酸为除草剂成分

聚谷氨酸是合成皮革原料和表面活性剂原料

第十二页第十三页，共63页。四大饲料氨基酸：蛋氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸色氨酸：提高猪的瘦肉率，减少脂肪使猪肉味道更鲜美聚精氨酸：

农用地膜作为洗涤剂、废水处理剂等工业用途第十三页第十四页，共63页。氨基酸的生产方法：1.抽提法半胱氨酸、胱氨酸、酪氨酸的生产由于没有其他适当方法，目前还是用抽提法。2.直接发酵法按照菌株的特性，直接发酵法可分为四类第十四页第十五页，共63页。ⅰ.使用野生型菌株或野生菌株的诱变株直接由糖和铵盐发酵生产氨基酸谷氨酸丙氨酸缬氨酸第十五页第十六页，共63页。ⅱ.使用营养缺陷型突变株直接由糖和铵盐发酵生产氨基酸赖氨酸苏氨酸苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸缬氨酸鸟氨酸瓜氨酸脯氨酸缺失限制E的浓度，解除反馈抑制第十六页第十七页，共63页。营养缺陷型菌株野生菌株经过人工诱变或自然突变失去合成某种营养的能力，只有在基本培养基中补充所缺乏的营养因子才能生长，称为营养缺陷型。第十七页第十八页，共63页。ⅲ.由氨基酸结构类似物抗性突变株直接由糖和铵盐发酵生产氨基酸赖氨酸苏氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸亮氨酸异亮氨酸缬氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸脯氨酸蛋氨酸第十八页第十九页，共63页。ⅳ.使用营养缺陷型兼抗性突变株生产氨基酸赖氨酸苏氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸异亮氨酸亮氨酸鸟氨酸瓜氨酸精氨酸高丝氨酸第十九页第二十页，共63页。3.添加中间产物的发酵

以氨基酸的中间产物为原料，用微生物转化相应的氨基酸，这样可以避免氨基酸生物合成途径中的反馈抑制作用。丝氨酸色氨酸蛋氨酸异亮氨酸第二十页第二十一页，共63页。4.酶法

应用完整菌体或自微生物细胞抽提出酶类制造氨基酸丙氨酸天冬氨酸酪氨酸多巴（二羟基苯丙氨酸）色氨酸5-羟基－色氨酸赖氨酸第二十一页第二十二页，共63页。5.合成法

丙氨酸天冬酰胺甘氨酸蛋氨酸丝氨酸色氨酸苯丙氨酸第二十二页第二十三页，共63页。二、发酵法生产氨基酸第二十三页第二十四页，共63页。由于发酵法生产氨基酸，其原料廉价易得，生产条件温和，并且随着微生物代谢调节理论研究的发展，目前大部分氨基酸都以发酵法进行生产。第二十四页第二十五页，共63页。

典型的代谢控制发酵发酵产物氨基酸：中间代谢产物积累：要求微生物正常代谢的抑制关键：控制机制被解除，打破微生物正常代谢调节氨基酸发酵第二十五页第二十六页，共63页。氨基酸发酵的代谢控制氨基酸发酵工艺控制和选育氨基酸高产菌株的依据有以下几个方面：第二十六页第二十七页，共63页。控制发酵环境条件第二十七页第二十八页，共63页。2.控制细胞渗透性氨基酸发酵必须考虑的重要因素细胞内生物素水平高，谷氨酸不能通过细胞膜表面活性剂增加细胞膜通透性青霉素影响细胞壁合成第二十八页第二十九页，共63页。表面活性剂引起细胞膜的脂肪酸成分的改变，改变其通透性抑制合成第二十九页第三十页，共63页。3.控制旁路代谢第三十页第三十一页，共63页。4.降低反馈作用物浓度目的产物缺失酶第三十一页第三十二页，共63页。5.消除终产物的反馈抑制与阻遏作用目的产物第三十二页第三十三页，共63页。6.促进ATP积累，以利于氨基酸的生成α-酮戊二酸谷氨酸γ-谷氨酰磷酸谷氨酸半缩醛Δ1-吡咯啉-5-羧酸脯氨酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半缩醛高丝氨酸苏氨酸α-酮基丁酸异亮氨酸赖氨酸蛋氨酸ATPADP苏氨酸脱水酶反馈抑制缺失天冬氨酸激酶高丝氨酸激酶黄色短杆菌（异亮氨酸缺陷型）的脯氨酸发酵机制第三十三页第三十四页，共63页。氨基酸发酵的代谢控制控制发酵环境条件2.控制细胞渗透性3.控制旁路代谢4.降低反馈作用物浓度5.消除终产物的反馈抑制与阻遏作用6.促进ATP积累，以利于氨基酸的生成第三十四页第三十五页，共63页。三、谷氨酸发酵第三十五页第三十六页，共63页。（一）、谷氨酸发酵机制Ⅰ.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固定反应第三十六页第三十七页，共63页。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。第三十七页第三十八页，共63页。CO2第三十八页第三十九页，共63页。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%第三十九页第四十页，共63页。EMP途径和HMP途径EMP途径葡萄糖丙酮酸生成不同产物2.HMP途径6-磷酸葡萄糖-磷酸葡萄糖酸5-磷酸戊糖

2C化合物5-磷酸戊糖

3C化合物TCA循环6-磷酸葡萄糖脱氢酶戊糖代谢分解第四十页第四十一页，共63页。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%第四十一页第四十二页，共63页。TCA、DCA循环和CO2固定1.TCA循环丙酮酸乙酰CoA丙糖-3-磷酸草酰乙酸柠檬酸TCA氧化CO2固定第四十二页第四十三页，共63页。CO2氧化α-酮戊二酸脱氢酶第四十三页第四十四页，共63页。

α-酮戊二酸脱氢酶α-酮戊二酸脱氢酶在谷氨酸生物合成中非常重要谷氨酸高产菌应丧失或仅有微弱的α-酮戊二酸脱氢酶活力α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸α-酮戊二酸脱氢酶若α-酮戊二酸脱氢酶活力很弱，就使糖代谢流进入TCA循环后受阻在α-酮戊二酸处α-酮戊二酸NH4+、谷氨酸脱氢酶谷氨酸第四十四页第四十五页，共63页。2.DCA循环乙酰CoA草酰乙酸柠檬酸异柠檬酸琥珀酸乙醛酸乙酰CoA苹果酸异柠檬酸裂解酶苹果酸合成酶苹果酸脱氢酶柠檬酸合成酶第四十五页第四十六页，共63页。CO2第四十六页第四十七页，共63页。DCA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第四十七页第四十八页，共63页。TCA循环和DCA循环以醋酸为唯一碳源的菌体实验表明：菌体内有机酸浓度低到需要DCA循环运转时，由异柠檬酸裂解酶催化生成的乙醛酸与细胞内的草酰乙酸共同抑制异柠檬酸脱氢酶；由于DCA循环运转，TCA循环有机酸过剩，异柠檬酸裂解酶被抑制，乙醛酸浓度下降，解除对异柠檬酸脱氢酶的抑制，TCA循环运转第四十八页第四十九页，共63页。有机酸浓度低乙醛酸、草酰乙酸异柠檬酸脱氢酶抑制DCA循环运转第四十九页第五十页，共63页。DCA循环运转TCA循环有机酸过剩异柠檬酸裂解酶抑制乙醛酸浓度降低异柠檬酸脱氢酶抑制解除

TCA循环运转第五十页第五十一页，共63页。在糖质原料的谷氨酸发酵中，在谷氨酸生成期，如果葡萄糖先转化为醋酸，再由DCA循环提供C4二羧酸合成谷氨酸，谷氨酸对糖的转化率就大为减少。3C6H12O66丙酮酸6醋酸6醋酸+2NH3+3O22C5H9O4N+2CO2+6H2O转化率：2×147/（3×180）×100%=54.4%在以葡萄糖为原料的谷氨酸发酵中，特别是谷氨酸生成期DCA循环应该关闭第五十一页第五十二页，共63页。3.CO2固定在谷氨酸产生菌中已检出两种CO2固定酶：磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶和苹果酸酶PEP+CO2+GDP草酰乙酸+GTPPEP羧化酶丙酮酸苹果酸草酰乙酸苹果酸脱氢酶苹果酸酶±CO2

NAD+NADH+H+第五十二页第五十三页，共63页。CO2CO2PEP+PEP羧化酶丙酮酸激酶1，6-二磷酸果糖PEP羧化酶对PEP的表现亲和力约是丙酮酸激酶的1/10第五十三页第五十四页，共63页。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TCA循环中间产物浓度增加抑制PEP羧化酶防止过剩乙酰-CoA氧化ATP水平提高抑制丙酮酸激酶所以在谷氨酸发酵中，糖的分解代谢途径与CO2固定的适当比例是提高谷氨酸对糖收率的关键问题。生物合成和需能反应ATP浓度降低解除抑制丙酮酸激酶第五十四页第五十五页，共63页。氨的导入氨的导入方式：糖代谢中间体α-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸天冬氨酸或丙氨酸通过氨基转移作用将氨基转给α-酮戊二酸而生成谷氨酸合成酶途径第五十五页第五十六页，共63页。柠檬酸异柠檬酸α-酮戊二酸谷氨酸NADPH+H+NADPNH4+糖代谢中间体α-酮戊二酸还原氨基化生成谷氨酸

异柠檬酸脱氢酶：需NADP为辅酶，催化α-酮戊二酸的生成（谷氨酸的前体），并为谷氨酸脱氢酶提供辅酶谷氨酸脱氢酶：需NADPH+H+为辅酶活细胞中，异柠檬酸脱氢酶活性小于谷氨酸脱氢酶活性，所以NADP浓度是实际上的限速因子异柠檬酸脱氢酶谷氨酸脱氢酶第五十六页第五十七页，共63页。

黄色短杆菌中，谷氨酸脱氢酶对α-酮戊二酸和谷氨酸表现出同促相互作用，低浓度的α-酮戊二酸和谷氨酸对此酶有显著的激活作用。当谷氨酸浓度为100mmol/L时，抑制酶活65