【色氨酸的生产工艺综述3900字】

色氨酸的生产工艺综述目录TOC\o"1-1"\h\u25311色氨酸的生产工艺综述 159121.1发酵菌株 1125261.2培养基配方 143161.3无菌空气系统 2138071.4淀粉的液化和糖化 4206271.5培养方法 565881.6发酵参数 638231.7总工艺流程 81.1发酵菌株选用谷氨酸棒杆菌基因工程菌1.2培养基配方（1）斜面培养基表2-1斜面培养基配方斜面培养基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化钠(g/L)5琼脂(g/L)15PH7.0（2）种瓶培养基表2-2种瓶培养基配方种瓶培养基配方蛋白胨(g/L)10酵母粉(g/L)5氯化钠(g/L)5葡萄糖(g/L)10pH7.0（3）种子罐培养基表2-3种子罐培养基配方种子罐培养基配方酵母粉(g/L)1柠檬酸钠(g/L)1.6硫酸铵(g/L)1.2葡萄糖(g/L)1.5七水合硫酸镁(g/L)1.6七水合硫酸亚铁(g/L)0.01维生素B1(mg/L)0.1硫酸锰(g/L)0.01pH7.0-7.2（4）发酵罐培养基表2-4发酵罐培养基配方发酵罐培养基配方酵母粉(g/L)1磷酸二氢钾(g/L)2硫酸铵(g/L)4柠檬酸(g/L)2七水合硫酸镁(g/L)5葡萄糖(g/L)15一水合硫酸锰(g/L)6.3一水合硫酸锌(g/L)7.4六水合硫酸钴(g/L)5.6五水合硫酸铜(g/L)0.01pH7.0-7.21.3无菌空气系统谷氨酸棒杆菌在发酵过程中需要氧气，一般以空气作为氧气的来源。由于现实空气中存在着大量的有害微生物，如果不经过除菌环节微生物会随空气进入培养液，在一定的条件下会大量增殖，与目的菌株相互竞争从而消耗营养物质，并产生各种非目的代谢产物，最终会干扰预定发酵的正常进行，使发酵产品的效能降低，产量下降，甚至造成发酵彻底失败等严重事故[3]。因此为了确保纯种培养，必须将空气中有害微生物除去，并且能够保持好相对湿度和适宜的温度。由于在设计无菌空气系统时要考虑刀介质阻力、发酵静压以及管道阻力等影响因素，所以本设计采用加压后的空气压缩机来进行供给。过滤除菌是当今工业育种中最常用的空气微生物除菌方法。生物处理中获得大量无菌空气最常用的常规方法是:一是介质之间的孔隙大于微生物的直径，所以需要有一定厚度的介质滤层来达到过滤杀菌的目的，这就叫介质过滤或相对过滤。这类过滤介质包括棉、活性炭、玻璃纤维、有机合成纤维和烧结材料；然而，其他介质的孔比细菌的小。当含有细菌和其他微生物的空气通过介质时，微生物被截留在介质上，实现过滤灭菌，有时称为绝对过滤。然而，媒体过滤是常用的。另外，压缩、管道输送和过滤过程中空气压力和温度的变化也会引起空气相对湿度的变化。一旦发生凝结和水分离，过滤介质就会吸收水分，这将大大降低过滤介质的灭菌效率。因此，压缩空气中可能产生沉淀的水应靠近过滤介质前去除。图2-1选用两级冷却、分离、加热的空气除菌流程第一阶段的冷却可以使大部分水和油变成较大的雾状颗粒(通常冷却到30~35℃)；第二级冷却可以使空气沉淀出较小的雾粒(通常冷却到20~25℃)；第一次分离的目的是分离直径较大、浓度较大(直径在0um以上)的雾粒。第二次分离的目的是分离直径较小(直径小于5um)的气溶胶颗粒。这种设备选型的优点是具有相对完善的空气消毒工艺，能够适应各种气候条件，尤其是潮湿地区。在其他地区，可以根据当地情况适当增加或减少工艺中的设备。能充分分离油和水，使空气达到较低的相对湿度进入过滤器，提高过滤效率。此外，其特点包括两次冷却、两次分离和适当加热。二次冷却可以减少油膜污染对传热的影响，提高传热系数，节约冷却水；油、水和雾可以通过两次分离完全分离。适当的加热可以将除水后空气的相对湿度从100%降低到50%~60%[4]。具体流程是对进入空压机的空气进行过滤。过滤掉粉尘等固体颗粒，对空压机的正常运行和介质的灭菌有很大的帮助。为了防止往复式压缩机产生脉动，需要在过程中设置一个或几个气罐。最后进行无菌过滤。空气灭菌系统一般采用二级过滤装置，由两个总过滤器(交叉使用)和子过滤器(每个发酵罐)组成，以确保空气的无菌性。1.4淀粉的液化和糖化葡萄糖作为原料用于色氨酸发酵，但所使用的发酵菌株没有分解淀粉的功能，所以在发酵前要将淀粉水解为葡萄糖。工业上生产葡萄糖的方法主要有喷雾液化法和双酶法。工艺流程包括浆液混合、液化、糖化和过滤。1.4.1调浆:搅拌速度保持在10-20r/min，加入无菌水和淀粉原料使淀粉浓度的配比达到25%，然后升温到50-55℃，pH保持在6.0-6.5之间，加入耐高温淀粉α-淀粉酶用量为10u（g淀粉）。1.4.2液化当蒸汽进入喷射器和维持柱后，通过预热温度可以达到90-95℃，随后淀粉乳被泵入喷射器，然后在喷射器下排出，并引入维持罐当中。保持过程温度始终在95-98℃之间并持续至少30分钟，此时可以观察到淀粉乳的碘反应呈棕红色，扩散迅速。1.4.3糖化糖化后，淀粉乳冷却至60-65℃再通过螺旋换热器，最终到达糖化罐。一般使用10%硫酸调节pH至4.2-4.5，待pH稳定后加入糖化酶。用量为100U。糖化时间控制再24～48h，DE值在终点前达到最高值。提前15min将温度升高到85℃从而灭活酶。1.4.4过滤由于糖化过程条件温和，脂肪和蛋白质的基本性质不变，因此可用板框压滤机过滤。1.5培养方法本次设计使用纯度为65%的液态糖作为碳源，16%的氨水作为氮源，通过液态发酵生产色氨酸。整个工艺流程大致如下：将接种后的培养基进行三级发酵，得到发酵液；发酵液经树脂柱吸附分析，得到分析溶液；对分析溶液进行一次浓缩、酸化、脱色和过滤，得到脱色溶液；脱色后的溶液经过二次浓缩、结晶、离心分离、干燥、全混合、过筛、包装得到色氨酸成品[5]。反应总方程式为：4C6H12O6+4NH3+O2→2C11H12O2N2+2CO2+18H2OL-色氨酸发酵工艺包括菌种筛选、种子制备、培养基选择、种子罐培养、发酵装置、无菌空气制备、产品分离纯化、检测、包装和销售。采用间歇式糖发酵工艺，以氨水为氮源，自动控制并记录发酵温度、溶解氧、罐压、风量、pH值等参数，提高产酸率和转化率。采用国产优良菌株发酵，采用高效膜过滤空气净化装置，保证发酵生产的稳定性。发酵所需的主要设备有:一级种子罐、二级种子罐、发酵罐、连消系统和空气系统。输入材料为葡萄糖溶液、无机盐和固体培养基(酵母抽提物和柠檬酸三钠)，出料为色氨酸发酵液。输入的物料按照一定的配方进行消毒，待消毒结束后进入一级种子罐、二级种子罐和发酵罐[4]。1.5.1菌种活化将从冰箱中冷冻保藏的菌株放置在37℃水浴锅内活化2小时后，使用接种环挑取少量菌种，分区划线接种到新斜面上，然后在37℃培养箱中培养24h。1.5.2种子培养使用移液枪吸取一定量的无菌H2O，加入到刚刚活化过的斜面中，进而收集试管的悬液，在1000毫升三角瓶中，加入40克麸皮和40毫升水，混合均匀，在121℃灭菌30分钟。然后接种，再放入30℃的培养室中培养3-4天，前2天每天混合两次，这样孢子完全成熟后就不用再混合了。使用前，用无菌水冲洗麸曲中的孢子，然后用移液管将摇瓶中的培养液按2%的接种量注入种子罐中，控制温度在37℃左右，然后用NH3·H2O调pH，范围在7.0~7.2，另外搅拌速度控制在200r/min，风量为0.3m3/(m3·min)，罐压保持在0.03Mpa。1.5.3发酵培养在种子培养后，用移液枪按10％接种量接种至发酵罐当中。在一开始接种后，保持搅拌速度在120r/min，温度保持在31℃左右，氨水调pH在7.0~7.2，恒速流加15g/L的葡萄糖进行补料，从而使罐中糖含量保持在较高的水平。另外，在发酵过程中，如果葡萄糖的浓度降低，则可以适当提高流速将葡萄糖流加入发酵罐中。发酵过程中使用消泡剂泡敌，每隔5-6小时就要对发酵液进行镜检，同时按照标准操作流程，保持环境洁净，防止染菌[5]。1.6发酵参数1.6.1温度谷氨酸棒杆菌最适宜的生长温度为37℃。谷氨酸棒杆菌生长一共分为四个时期：延滞期、指数期、平稳期、衰亡期，温度对于谷氨酸棒杆菌的生长一般呈“种罩型”曲线。发酵初期，发酵产物随着细胞浓度增加而增加；到发酵中期时，发酵产物的生成不仅与细胞浓度有关，也与质粒稳定性有关。当温度达到36℃时，细胞浓度最高，但质粒稳定性被破坏；温度28℃时，质粒稳定，但细菌生长缓慢，产量下降，因此最适温度在28-36℃之间。调控方法：色氨酸发酵过程的温度控制策略为:发酵温度为30℃，发酵0~16h,16h后缓慢升温至36℃，加热方式为0.5℃/h。采用发酵罐温度顺序控制方式进行自动控制[6]。1.6.2pHpH对菌体的生长、菌体的酶活性、细胞膜的通透性、培养基中组分的解离等都会产生一定影响，从而影响发酵产物的产量。调控方法：监控发酵液的pH,当pH不稳定时，加入铵盐或葡萄糖；主要通过加入氨水来调节。1.6.3溶氧浓度谷氨酸棒杆菌为兼性厌氧菌，发酵前期对氧气要求较高，后期则几乎不需要氧气。调控方法：前期通过提高搅拌速度，或者加大通气量来提高溶氧浓度；与之相反，后期通过降低搅拌速度，减少通气量来降低溶氧浓度。1.6.4菌体浓度在一定浓度范围内，菌体浓度与发酵产量成正相关。即菌体浓度愈大，发酵产量愈大。当菌体浓度达到一定时，此时发酵液过于粘稠，发酵液中氧气过少，不易于产物的合成。

调控方法：定时检测菌体的浓度，避免菌体过浓，影响发酵产物的合成。1.6.5发酵罐压力在发酵过程中，发酵罐应保持一定的正压，以防止外界空气中的外来细菌入侵而污染发酵液。同时,罐内压力也与培养基中氧气和二氧化碳的溶解度有关，间接影响代谢。罐内压力一般维持在2×104～5×104Pa。1.6.6基质浓度葡萄糖浓度过高时，会造成发酵液的pH降低，菌体生长缓慢；当葡萄糖浓度过低时，菌体易衰老。若酵母粉浓度过高，菌体快速生长，pH上升，抑制目标产物的生成；酵母粉浓度过低时，不利于菌体繁殖。调控：定时检测培养基中葡萄糖、酵母粉的浓度。1.6.7泡沫发酵过程中因通气搅拌和代谢产生的气体是产生泡沫的原因。产生少量泡沫是正常的，但是当泡沫产生过多时，会造成大量液体逸出，发酵液会从排气管或密封处逸出，增加细菌污染的机会。严重时还会影响正常的通气和搅拌，从而影响细菌的呼吸。调控方法：使用消泡剂同时采用机械震动使其均匀