第八章氨基酸生產(chǎn)工藝第一節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝一、 概述：1866年德國(guó)（）博士利用H2SO4水解小麥面筋，分離一種酸性氨基酸命名谷氨酸。1910年日本味之素公司首先以面筋水解方法生產(chǎn)谷氨酸。1956年日本協(xié)和發(fā)酵公司分離選育一種新的細(xì)菌——谷氨酸棒狀桿菌，進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)研究。1957年發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸正式商業(yè)生產(chǎn)。隨后其產(chǎn)量連年遞增，為各種氨基酸產(chǎn)量的首位。我國(guó)味精生產(chǎn)開(kāi)始于1923年，上海天廚味精廠最先用水解法生產(chǎn)。1958年開(kāi)始篩選生產(chǎn)谷氨酸的菌種。1969年我國(guó)分離選育出北京棒狀桿菌AS.1.299和鈍齒棒桿菌AS.1.542兩株生產(chǎn)菌，同年在上海建廠，隨后全國(guó)各地紛紛投產(chǎn)。隨著幾十年的發(fā)展建設(shè)，目前味精產(chǎn)量世界第一。年產(chǎn)量65萬(wàn)噸當(dāng)前我國(guó)谷氨酸產(chǎn)業(yè)總體發(fā)展態(tài)勢(shì)是：產(chǎn)量穩(wěn)步增長(zhǎng)，年平均增長(zhǎng)率6.9%，生產(chǎn)技術(shù)水平不斷提高，綜合單耗較10年前降低22.6%，技術(shù)水平接近國(guó)際先進(jìn)水平。2001年，蓮花集團(tuán)實(shí)施大規(guī)模技術(shù)改造后，谷氨酸鈉生產(chǎn)能力由年產(chǎn)率14萬(wàn)噸擴(kuò)大到30萬(wàn)噸，超過(guò)日本味之素成為世界最大生產(chǎn)企業(yè)。同時(shí)行業(yè)也在諸多問(wèn)題，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，自動(dòng)化水平底，在發(fā)酵產(chǎn)酸以及轉(zhuǎn)化率，菌種選育方面差距較大；企業(yè)人員多，消耗大：成本低，技術(shù)開(kāi)發(fā)力量缺乏，品種單一，多數(shù)味精廠家經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)不斷加大，市場(chǎng)價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)平均成本約12000元/噸，有些廠家已經(jīng)處于微力或虧損狀態(tài)。第一節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝二、谷氨酸發(fā)酵生產(chǎn)（淀粉質(zhì)原料）1、工藝流程2、淀粉質(zhì)水解糖制備發(fā)酵生產(chǎn)中谷氨酸生產(chǎn)菌不能直接利用淀粉糊精，發(fā)酵前須要將原料水解為葡萄糖，才能供發(fā)酵用，工業(yè)上將這一過(guò)程為糖化。第一節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝①酸解法：以酸為催化劑，高溫下將淀粉水解，轉(zhuǎn)化為葡萄糖。優(yōu)點(diǎn)：水解時(shí)間短，生產(chǎn)能力大，但要求設(shè)備耐酸腐蝕，耐高溫高壓。淀粉乳濃度不宜過(guò)高，否則淀粉轉(zhuǎn)化率低，淀粉水解副產(chǎn)物多。工藝流程②雙酶法采用專一性很強(qiáng)的淀粉酶以及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖優(yōu)點(diǎn)：水解條件溫和，不需要耐酸、高壓高溫設(shè)備。酶以及作用專一性強(qiáng)，副產(chǎn)物少。淀粉轉(zhuǎn)化率高。缺點(diǎn)：要求設(shè)備多，酶解時(shí)間長(zhǎng)，糖液過(guò)濾困難。工藝流程：③先將淀粉先用淀粉乳濃度較酸法提高，而且容易控制生產(chǎn)。水解時(shí)間短。酸水解PH可以稍高，從而減少副產(chǎn)物生成。若PH過(guò)低。盡管水解時(shí)間短，但糖液色澤加深工藝流程:三、谷氨酸發(fā)酵機(jī)理谷氨酸生物化學(xué)合成途徑（1）糖代謝途徑，微生物在發(fā)酵過(guò)程中代謝生成谷氨酸，首先要形成谷氨酸碳架，糖作為主要碳源生成碳架代謝，主要是通過(guò)兩個(gè)途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)即糖發(fā)酵途徑5mp和單磷酸己糖支HMP。（2）氨的導(dǎo)入和還原性氨基化：在發(fā)酵過(guò)程中在谷氨酸脫氫酶參與下將氮即銨離子還原性氨基化，與糖代謝生成α-酮戊二酸生成谷氨酸。四、谷氨酸發(fā)酵菌及其擴(kuò)大培養(yǎng)1、生產(chǎn)菌種：北京棒桿菌AS.1.299，鈍齒棒狀桿菌AS.1.542天津棒桿菌T6-13黃色短桿菌N06172．菌種擴(kuò)大培養(yǎng)工藝流程四、谷氨酸發(fā)酵菌及其擴(kuò)大培養(yǎng)3、 響種子質(zhì)量要求①鏡檢：要求菌體大小均勻，呈現(xiàn)單個(gè)或八字形排列。細(xì)胞呈棒狀略有彎曲，革蘭氏染色呈陽(yáng)性，表明細(xì)胞生長(zhǎng)繁殖旺盛。②二級(jí)種子培養(yǎng)過(guò)程中，PH值變化呈現(xiàn)一定規(guī)律，以PH6.8上升到8左右，然后又逐步下降，PH下降到7.0~7.2時(shí)，結(jié)束二級(jí)種子的培養(yǎng)，約7~10小時(shí)左右。③二級(jí)種子活菌濃度要求達(dá)到108~109個(gè)/毫升，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用光電比色計(jì)測(cè)定光密度。④二級(jí)種子要求活力旺盛一般菌體處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期繁殖力強(qiáng)。四、谷氨酸發(fā)酵菌及其擴(kuò)大培養(yǎng)4、種子培養(yǎng)基配方①一級(jí)種子培養(yǎng)葡萄糖2~2.5%玉米漿0.5~2%尿素0.5%K2HPO40.1~0.3%MgSO40.04%Fe2ppmMn2ppmPH6.5?7.2②二級(jí)種子培養(yǎng)基水解糖2~2.5%玉米漿0.5~2.5%尿素0.5%K2HPO40.1~0.3%MgSO40.04%Fe2ppmMn2ppmPH6.5?7.2四、谷氨酸發(fā)酵菌及其擴(kuò)大培養(yǎng)5、一，二級(jí)種子培養(yǎng)①一級(jí)種子培養(yǎng)條件通常用三角瓶進(jìn)行液體振蕩培養(yǎng)。培養(yǎng)條件：振幅76毫米，振蕩頻率96次/分鐘，200~250毫升/1000毫升三角瓶，瓶口用6層砂布包扎。1千克/立方厘米的蒸汽壓力滅菌30分鐘每支斜面菌種接三支一級(jí)種子三角瓶，32℃培養(yǎng)12小時(shí)左右。四、谷氨酸發(fā)酵菌及其擴(kuò)大培養(yǎng)②二級(jí)種子培養(yǎng)條件二級(jí)種子使用種子罐培養(yǎng)，一般二級(jí)種子數(shù)量是按發(fā)酵培養(yǎng)液體積1%來(lái)確定二級(jí)種子罐攪拌轉(zhuǎn)速及通風(fēng)量應(yīng)根據(jù)種子罐大小和設(shè)備而定，一般培養(yǎng)時(shí)間7~10小時(shí)左右，種子培養(yǎng)成熟后，需要檢驗(yàn)種子質(zhì)量，簡(jiǎn)單操作：鏡檢觀察細(xì)胞形態(tài)是否正常及測(cè)定種子培養(yǎng)液PH值是否正常，嚴(yán)格一點(diǎn)要取無(wú)菌樣檢查有無(wú)雜菌及噬菌體污染。等待檢查同時(shí)，應(yīng)采取降溫保壓措施，降低菌種代謝活動(dòng)，防止菌種惡化，檢查結(jié)果證明無(wú)雜菌體污染后，方可接入發(fā)酵罐。五、谷氨酸發(fā)酵1、谷氨酸發(fā)酵因素及條件①內(nèi)在因子即微生物菌種本身生理特征a.生物素缺陷形b.α-酮戊二酸氧化能力微弱c.L-谷氨酸脫氫酶活性強(qiáng)d.NADPH再氧化能力欠缺。②外在因素環(huán)境條件的調(diào)節(jié)a.溶解氧b.PHc.銨離子d.生物素（控制細(xì)胞滲透性）e..磷酸2、控制谷氨酸發(fā)酵關(guān)鍵：①完全氧化能力降低，控制生物素要適量，丙酮酸氧化力減弱，CO2固定反應(yīng)增強(qiáng)，乙醛酸循環(huán)減弱，產(chǎn)酸期間幾乎沒(méi)有異檸檬酸列解酶，加之琥珀酸氧化力微弱。②增加細(xì)胞膜對(duì)谷氨酸滲透性，這是關(guān)鍵控制機(jī)制。五、谷氨酸發(fā)酵3、發(fā)酵培養(yǎng)基水解糖10~12.5%玉米漿0.4~0.7%初尿0.6~2%K2HPO40.15%MgSO40.06%Fe2ppmMn2ppm流加尿1~2.4%氯化鉀0.03~0.05Na2HPO40.17%4、谷氨酸發(fā)酵工藝（1）發(fā)酵培養(yǎng)基組成要求含有足夠氮源和碳源，無(wú)機(jī)鹽等。特別是對(duì)于菌種生長(zhǎng)必須的生長(zhǎng)因子——生物素要求要亞適量，使其處于半饑餓狀態(tài)，菌體形態(tài)發(fā)生改變，才能保證各谷氨酸積累常用生物素配方（T6~13）玉米漿0.1%，甘蔗糖蜜0.1%，麩皮水解液1~2%，五、谷氨酸發(fā)酵（2）最適PH控制：不同PH值往往引起菌體代謝過(guò)程不同。使代謝產(chǎn)物質(zhì)量和比例發(fā)生改變。發(fā)酵前期PH控制7.5左右。發(fā)酵中，后期控制PH7.2左右。發(fā)酵過(guò)程中由于菌體對(duì)培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分利用和代謝產(chǎn)物形成，使培養(yǎng)液PH值不斷發(fā)生變化，尿素被菌體脲酶分解防出氨，使PH值上升。同時(shí)氨被菌體利用以及糖被利用生成有機(jī)酸等中間代謝產(chǎn)物，使PH下降，谷氨酸形成，耗用大量氨也使PH值下降，因此需要流加尿素以不斷調(diào)節(jié)PH和補(bǔ)充氮源，進(jìn)入尿素又被分解，使PH上升，氨被利用及形成谷氨酸，又使PH值下降，如此反復(fù)，以維持一定PH值，直至發(fā)酵結(jié)束。一般的流加尿素濃度0.5~0.6%，接種后7~8小時(shí)開(kāi)始第一次流加，至生長(zhǎng)旺盛期每隔2小時(shí)流加一次。五、谷氨酸發(fā)酵（3）發(fā)酵溫度控制谷氨酸生長(zhǎng)最適溫度為30~32℃，產(chǎn)生谷氨酸最適溫度為34~37℃。發(fā)酵前期長(zhǎng)菌階段和種子培養(yǎng)應(yīng)該滿足菌體生長(zhǎng)最適溫度，溫度過(guò)高，菌種易衰老。在生長(zhǎng)中表現(xiàn)為為耗糖慢，發(fā)酵周期長(zhǎng)，谷氨酸長(zhǎng)產(chǎn)量低，嚴(yán)重時(shí)抑制菌體生長(zhǎng)。發(fā)酵中、后期，菌體生長(zhǎng)已經(jīng)停止，為促進(jìn)大量形成谷氨酸，須要適當(dāng)提高溫度，發(fā)酵前期控制在30~32℃，中后期為34~37℃。五、谷氨酸發(fā)酵（4）通風(fēng)與攪拌發(fā)酵階段不同對(duì)氧的要求不同，一般長(zhǎng)菌階段對(duì)溶氧大小由通風(fēng)與攪拌兩方面決定。六、谷氨酸提取工藝將谷氨酸以發(fā)酵液提取原理是應(yīng)用它的