第五章 谷氨酸的发酵控制课件

第五章谷氨酸的发酵控制

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？

第五章谷氨酸的发酵控制一、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第五章谷氨酸的发酵控制一、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

:5～6μg／L（2）生物素“超亚适量”工艺:8～12μg／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：第五章谷氨酸的发酵控制一、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%第五章谷氨酸的发酵控制一、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

。第五章谷氨酸的发酵控制一、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第五章谷氨酸的发酵控制

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”工艺第五章谷氨酸的发酵控制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”工艺第五章谷氨酸的发酵控制发酵水平的现状：发酵周期为28～32h，产酸水平为90～160g／L，糖酸转化率为55％～63％。

第五章谷氨酸的发酵控制三、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。第五章谷氨酸的发酵控制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）碳氮比第五章谷氨酸的发酵控制（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、糖蜜等第五章谷氨酸的发酵控制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K2HPO4·3H2O、KH2PO4、Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O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。第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制

(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α-酮戊二酸是在Mn2+存在下完成的。一般培养基配用MnSO4·4H2O2mg／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.无机盐第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制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20μg/g干菌体降到0.5μg/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。第五章谷氨酸的发酵控制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%>458170水分%13蛋白质含量%>4016.44.45.5脂肪含量%3.58淀粉含量%9.03还原糖含量%8转化糖含量%5051灰分%<241011.5生物素含量μg/kg180200120053270600～1800120维生素B1含量μg/kg2500120083001300某些有机氮源的主要成分第五章谷氨酸的发酵控制第二节主要发酵参数分段控制原则及其特点一、中初糖流加高浓度糖液的生物素“超亚适量”工艺第五章谷氨酸的发酵控制1.流程图第五章谷氨酸的发酵控制2．谷氨酸发酵记录表第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制3.培养基的配方

（1）二级种子培养基葡萄糖300kg；KH2PO412kg；MgSO4·7H2O6kg；糖蜜100kg；玉米浆200kg；纯生物素150mg；消泡剂1.5kg；定容7000L，实消，121℃保温10min。

（2）发酵基础培养基葡萄糖18800kg；85％的H3PO4120kg；KCl200kg,MgSO4·7H2O140kg；糖蜜200kg；玉米浆600kg；纯生物素300mg；消泡剂10kg；定容102m3，连消温度121～122℃

，维持8～10min。第五章谷氨酸的发酵控制二、发酵过程的控制

1．温度的控制应满足菌体生长所需的最适温度。

（1）发酵前期：若温度偏高，菌生长快易衰老；若温度偏低，菌生长慢发酵周期延长。（2）发酵中期

应将温度提高到最适产酸温度。第五章谷氨酸的发酵控制谷氨酸产生菌产生谷氨酸的最适温度是35～37℃。第五章谷氨酸的发酵控制应根据工艺的要求，总结出一个比较合适的温度控制模式。根据实际工艺所用菌株特性、生物素浓度、发酵周期等情况，形成一个多级温度控制模式。

第五章谷氨酸的发酵控制2.pH的控制二、发酵过程的控制

（1）pH的范围和测定方法发酵前期控制pH在7.3左右。发酵中期控制pH在7.2左右。发酵后期控制pH在7.0左右。将放罐时，为了后续提取，pH6.5～6.8左右。第五章谷氨酸的发酵控制（2）pH对微生物的生长和代谢产物形成的影响①影响酶的活性。②影响微生物细胞膜所带电荷。③影响培养基某些营养物质和中间代谢产物的离解，影响微生物对这些物质的利用。④pH的改变会引起菌体代谢途径的改变，使代谢产物发生变化。第五章谷氨酸的发酵控制（3）发酵过程中pH的控制①添加碳酸钙法当采用酸性铵盐作为碳源时，NH4+被利用，剩下的酸根引起pH下降，此时使用。缺点：用量大，操作时易染菌，对产物提取有影响。第五章谷氨酸的发酵控制②尿素流加法优点：尿素的分解、利用和pH变化具有一定规律性，容易控制。流加量和次数根据pH的变化，菌体生长、耗糖量、发酵阶段来确定。③液氨添加法液氨的作用：作为氮源；调解pH。使用方法：根据pH的变化自动控制流加。(NH2)2CO热2H2O(NH4)2CO32NH3+CO2+H2O热第五章谷氨酸的发酵控制3.发酵过程中供氧的控制（1）临界溶解氧浓度

在此溶解氧浓度之下，微生物的呼吸速率随溶解氧浓度降低而迅速下降，此时的溶解氧浓度称为临界溶解氧浓度，以C临界表示，或以临界溶解氧分压PL临界表示。

一般好气性微生物的临界溶解氧浓度均很低，为0.003～0.03mmol/L。谷氨酸产生菌PL临界是0.00326atm。第五章谷氨酸的发酵控制（2）好氧型微生物对氧的需求1mol葡萄糖彻底氧化分解需6mol的氧；当糖用于合成代谢产物时，1mol葡萄糖约需1.9mol的氧。

氧在发酵液中的溶解度：0.22mmol/L。在谷氨酸发酵时，生产菌只要14s就能耗尽。谷氨酸发酵中氧气的利用率为40%～60%。第五章谷氨酸的发酵控制（3）供氧对谷氨酸发酵的影响

供氧要满足菌体生长的要求；当发酵液中PL>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。第五章谷氨酸的发酵控制（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。第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制

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。第五章谷氨酸的发酵控制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，均匀第五章谷氨酸的发酵控制（2）泡沫形成的原因①与发酵过程中的搅拌、通气有关。②与培养基的性质有关。糖的水解程度灭菌方法③与染菌有关。第五章谷氨酸的发酵控制（3）消泡的方法①物理方法：如改变温度②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。第五章谷氨酸的发酵控制（3）消泡的方法③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。④发酵工业上采用机械消泡与化学消泡结合的方法。第五章谷氨酸的发酵控制（４）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ＢＡＰＥ（聚氧乙烯聚氧丙醇胺醚）或ＰＰＥ（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第五章谷氨酸的发酵控制二、发酵过程的控制5.流加糖的控制

①间歇流加法一般在发酵残糖浓度为30ｇ／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～

15ｇ／L。

要求：估算流加糖的量。②连续流加法一般在发酵残糖浓度为10～15ｇ／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～

15ｇ／L。第五章谷氨酸的发酵控制二、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／１００mL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（１）产酸率第五章谷氨酸的发酵控制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）放罐体积第五章谷氨酸的发酵控制是产出的谷氨酸量与投入的葡萄糖总量的百分比。（3）糖酸转化率第五章谷氨酸的发酵控制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（ｈ）＝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）发酵周期第五章谷氨酸的发酵控制二、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

小结第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制二、改进发酵工艺１．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。第五章谷氨酸的发酵控制如，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１０％，玉米浆用量为０．５５％，生物素用量为１０μｇ／Ｌ，初糖１９０ｇ／Ｌ的谷氨酸发酵中，流加５００ｇ／Ｌ的浓糖，３０ｈ的产酸率达到１４５．８ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到６０．３２％。１．高初糖发酵第五章谷氨酸的发酵控制２．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ＡＴＣＣ１３８６９为菌种，当发酵初糖浓度为６０ｇ／Ｌ，流加糖浓度控制在２０～４０ｇ／Ｌ时，总糖达２００ｇ／Ｌ，谷氨酸浓度为９３ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到４６．３％。当初糖浓度改为５ｇ／Ｌ，流加糖浓度控制在２～５ｇ／Ｌ时，总糖１９８ｇ／Ｌ，谷氨酸浓度为１００ｇ／Ｌ，糖酸转化率达到５１％，提高１０％。第五章谷氨酸的发酵控制３．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。

第五章谷氨酸的发酵控制４．改进发酵设备（１）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。

第五章谷氨酸的发酵控制（２）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７５％提高到８５％，糖酸转化率由５９％提高到６１％。第五章谷氨酸的发酵控制（３）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ｐＨ、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。第五章谷氨酸的发酵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。第五章谷氨酸的发酵控制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：①省去淀粉糖化工序，简化设备。降低生产成本。②便于实施高浓度糖液的流加工艺，有利于提高产酸。③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48—50％；

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元第五章谷氨酸的发酵控制④糖蜜预处理时需脱除胶体物质。⑤发酵前要进行脱钙处理。⑥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第五章谷氨酸的发酵控制一、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。第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制（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30μg/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70～100μg/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。第五章谷氨酸的发酵控制一、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的时间与添加量第五章谷氨酸的发酵控制（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%16442～441016839～41添加时间提前1h12h产酸3%412h产酸2%第五章谷氨酸的发酵控制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℃0～1230～3312～2433～3424～3634～35第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制第五章谷氨酸的发酵控制二、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。第五章谷氨酸的发酵控制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。第五章谷氨酸的发酵控制二、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。第五章谷氨酸的发酵控制（3）二级种子培养