酒精發(fā)酵和谷氨酸發(fā)酵異同第一頁，共38頁。一.酒精發(fā)酵原料

二.酒精發(fā)酵微生物

三.酒精發(fā)酵生化機(jī)制

酒精發(fā)酵第二頁，共38頁。

一、酒精發(fā)酵原料

1.淀粉質(zhì)原料

淀粉質(zhì)原料是生產(chǎn)酒精的主要原料。我國發(fā)酵酒精的80%是用淀粉質(zhì)原料生產(chǎn)的，其中以甘薯干等薯類為原料的約占45%，玉米等谷物為原料的約占35%。第三頁，共38頁。1.薯類原料

甘薯北方俗稱紅薯、地瓜，南方稱為山芋，蕃薯。新鮮甘薯可能直接作酒精生產(chǎn)原料，但一般將鮮甘薯制成薯干，這樣便于保存并能供工廠全年使用。甘薯中固形物的主要成分是淀粉，還含有少量的糖類和蛋白質(zhì)。甘薯干及鮮甘薯是一種良好的酒精生產(chǎn)原料，為我國大多數(shù)工廠所采用，是我國生產(chǎn)酒精的主要薯類原料。第四頁，共38頁。3.谷物原料包括玉米、小麥、高梁、大米等。谷物原料也是很好的酒精生產(chǎn)原料。國際上最常用的谷物原料是玉米和小麥。我國由于人多地少，糧食珍貴，以往除玉米外，其他糧食一般較少用于生產(chǎn)酒精，只有當(dāng)其他原料不足，或谷物受潮發(fā)熱霉變的情況下才用谷物原料。隨著我國糧食生產(chǎn)的發(fā)展，用于酒精生產(chǎn)的谷物數(shù)量會(huì)增加。第五頁，共38頁。2.糖質(zhì)原料

常用的糖質(zhì)原料有糖蜜、甘蔗、甜菜和甜高梁等。糖蜜又稱廢糖蜜，它是干蔗或甜菜糖廠制糖過程中形成的一種副產(chǎn)物，分別稱為甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜，其產(chǎn)量分別為加工甘蔗和甜菜間的30%左右和3.5%～5%。糖蜜含糖量較高，一級甘蔗糖蜜含糖分50%以上，甜菜糖蜜含糖量50%左右，所含主要成分為蔗糖第六頁，共38頁。甜高粱是一種高稈作物，起源于美國。其稈中含糖分10%～12%，所結(jié)的高粱米富含淀粉，均可用于發(fā)酵酒精，是具有潛在發(fā)展前途的糖質(zhì)原料。糖質(zhì)原料生產(chǎn)酒精工序簡單，成本比較低，是酒精發(fā)酵的理想原料，只是制糖和其他發(fā)酵工業(yè)也都需要糖質(zhì)原料，能用到酒精生產(chǎn)上的不太多，特別是我國糖質(zhì)原料用于酒精生產(chǎn)較為有限。第七頁，共38頁。

纖維類物質(zhì)是自然界中的可再生資源。其含量十分豐富。天然纖維原料由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三大成分組成，它們均較難被降解，長期以來人們都在研究如何利用纖維質(zhì)原料來生產(chǎn)酒精及其他化工產(chǎn)品。近年來，纖維素和半纖維素生產(chǎn)酒精的研究有了突破性的進(jìn)展，纖維素和半纖維已成為很有潛力的酒精生產(chǎn)原料。

第八頁，共38頁。(二)酒精發(fā)酵微生物許多微生物都能利用已糖化進(jìn)行酒精發(fā)酵，但在實(shí)際生產(chǎn)中用于酒精發(fā)酵的幾乎全是酒精酵母，俗稱酒母。利用淀粉質(zhì)原料的酒母在分類上叫啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，是屬于子囊菌亞門酵母屬的一種單細(xì)胞微生物。該種酵母菌繁殖速度快，發(fā)酵能力即產(chǎn)酒精能力強(qiáng)，并具有較強(qiáng)的耐酒精能力。常用的酵母的菌株有南陽酵母(1300及1308)、拉斯2號酵母(RasseⅡ)、拉斯12號酵母(RasseⅪⅠ)、K字酵母、M酵母(HefeM)、日本發(fā)研1號、卡爾斯伯酵母等。利用糖質(zhì)原料的酒母除啤酒酵母外，還有粟酒裂殖酵母(Schizosaccharomycespombe)和克魯維酵母(Kluyveromyces.sp)等

第九頁，共38頁。

三、酒精發(fā)酵生化機(jī)制

C6H12O6→2C2H5OH+2CO2+能量

酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成乙醇，其生化過程主要由兩個(gè)階段組成。第一階段己糖通過糖酵解途徑(EMP途徑)由脫羧酶催化生成乙醛和二分解成丙酮酸。第二階段丙酮酸氧化碳，乙醛進(jìn)一步被還原成乙醇，葡萄糖發(fā)酵成乙醇的總反應(yīng)式為：第十頁，共38頁。發(fā)酵過程中除主要生成乙醇外，還生成少量的其他副產(chǎn)物，包括甘油、有機(jī)酸（主要是琥珀酸）、雜醇油（高級醇）、醛類、酯類等，理論上1mol葡萄糖可產(chǎn)生2mol乙醇；即180克葡萄糖產(chǎn)生92克乙醇，的率為51.5%，可是實(shí)際得率沒有這么高。因酵母菌體的積累約需2%的葡萄糖，另外2%的葡萄糖用于形成甘油，0.5%用于形成有機(jī)酸，0.2%用于形成雜醇油。因此實(shí)際上只有約47％的葡萄糖轉(zhuǎn)化成乙醇。乙醇發(fā)酵中大部分能量仍儲(chǔ)存于乙醇之中，所釋放的226kJ自由能中除67kJ(29％)用于形成ATP外，其余能量以熱的形式散發(fā)

第十一頁，共38頁。谷氨酸發(fā)酵

氨基酸發(fā)酵是典型的代謝控制發(fā)酵。由發(fā)酵所生成的產(chǎn)物——氨基酸，都是微生物的中間代謝產(chǎn)物，它的積累的關(guān)鍵是取決于是否能打破微生物的正常代謝調(diào)節(jié)。（一）合成谷氨酸的生化途徑（二）谷氨酸生成菌的生化特征（三）GA生物合成的理論得率（四）生物素對GA發(fā)酵的影響（五）GA發(fā)酵的外在因素（六）谷氨酸發(fā)酵工藝第十二頁，共38頁。谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件變化而引起的發(fā)酵轉(zhuǎn)換環(huán)境因子發(fā)酵產(chǎn)物轉(zhuǎn)換溶解氧谷氨酸乳酸和琥珀酸α－酮戊二酸（通氣不足）（適中）（通風(fēng)過量，轉(zhuǎn)速過快）NH4+α－酮戊二酸谷氨酸谷氨酰胺（適量）（缺乏）（過量）pH值谷氨酰胺，N-乙酰谷酰胺谷氨酸（pH值5～5.8，NH4+過多）（中性或微堿性）磷酸纈氨酸谷氨酸（高濃度磷酸鹽）（磷酸鹽適中）生物素乳酸或琥珀酸谷氨酸（過量）（限量）第十三頁，共38頁。（一）合成谷氨酸的生化途徑葡萄糖丙酮酸草酰乙酸檸檬酸琥珀酸透過細(xì)胞膜異檸檬酸α-酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酸的生物合成途徑大致是：葡萄糖經(jīng)糖酵解（EMP途徑）和己糖磷酸支路（HMP途徑）生成丙酮酸，再氧化成乙酰輔酶A（乙酰COA），然后進(jìn)入三羧酸循環(huán)，生成α－酮戊二酸。α－酮戊二酸在谷氨酸脫氫酶的催化及有NH4+存在的條件下，生成谷氨酸。第十四頁，共38頁。Glucose的酵解，EMPGlucose的有氧氧化，HMP丙酮酸的有氧氧化，TCA循環(huán)乙醛酸循環(huán)途徑，DCA循環(huán)CO2固定反應(yīng)α-KGA的還原氨基化第十五頁，共38頁。主要的生產(chǎn)菌種：（1）棒狀桿菌屬谷氨酸棒狀桿菌(Corynebacteriumglutamicum)：生物素缺陷型、溫度敏感型；北京棒桿菌；鈍齒棒桿菌（2）短桿菌屬黃色短桿菌；天津短桿菌第十六頁，共38頁。（二）谷氨酸生產(chǎn)菌的生化特征

—內(nèi)在因素1生物素缺陷型谷氨酸產(chǎn)生菌大多數(shù)為生物素缺陷型,谷氨酸發(fā)酵時(shí),控制生物素亞適量(貧乏量),引起菌種代謝失調(diào),使谷氨酸得到大量積累。2具有CO2

固定反應(yīng)的酶系菌種能利用CO2

產(chǎn)生大量草酰乙酸,有利于谷氨酸的大量積累。3.α-KGA脫氫酶酶活性微弱或喪失這是菌體生成并積累α-KGA的關(guān)鍵，α-KGA是菌體進(jìn)行TCA循環(huán)的中間性產(chǎn)物，很快在α-KGA脫氫酶的作用下氧化脫羧生成琥珀酸輔酶A，在正常的微生物體內(nèi)他的濃度很低，也就是說，由α-KGA進(jìn)行還原氨基化生成GA的可能性很少。只有當(dāng)體內(nèi)α-KGA脫氫酶活性很低時(shí)，TCA循環(huán)才能夠停止，α-KGA才得以積累，為谷氨酸的生成奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。第十七頁，共38頁。4.GA產(chǎn)生菌體內(nèi)的NADPH氧化能力欠缺或喪失（1）NADPH是α-KGA還原氨基化生成GA必須物質(zhì)，該還原氨基化所需要的NADPH是與檸檬酸氧化脫羧相偶聯(lián)的。（2）由于NADPH的在氧化能力欠缺或喪失，使得體內(nèi)的NADPH有一定的積累，NADPH抑制α-KGA的脫羧氧化。5.乙醛酸循環(huán)（DCA）的關(guān)鍵酶——異檸檬酸裂解酶該酶是一種別構(gòu)酶，通過該酶酶活性的調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)DCA循環(huán)的封閉，糖的代謝才能沿著α-酮戊二酸的方向進(jìn)行,從而有利于谷氨酸的積累。6.強(qiáng)烈的L-谷氨酸脫氫酶活性α-KGA+NH4++NADPH==GA+NADPL-谷氨酸脫氫酶的酶活性強(qiáng)，α-酮戊二酸易生成谷氨酸。第十八頁，共38頁。（三）GA生物合成的理論得率1.存在乙醛酸循環(huán)，體系不存在CO2固定反應(yīng)3/2C6H12O6+NH4+→C5H9NO4+4CO2

產(chǎn)率：147/（180*3/2）==54.4%3/2GlucoseEMP丙酮酸+丙酮酸+丙酮酸CO2乙酰輔酶A+乙酰輔酶A+乙酰輔酶A檸檬酸（DCA循環(huán)）谷氨酸不存在CO2固定反應(yīng)草酰乙酸第十九頁，共38頁。2.封閉乙醛酸循環(huán)，存在CO2固定反應(yīng)C6H12O6+NH4+→C5H9NO4+CO2

產(chǎn)率：147/180==81.7%GlucoseEMP丙酮酸+丙酮酸CO2CO2草酰乙酸（草酰乙酸羧化酶）乙酰輔酶A+C4二羧酸蘋果酸（蘋果酸合成酶）檸檬酸（DCA循環(huán)封閉）谷氨酸存在CO2固定反應(yīng)第二十頁，共38頁。CO2固定反應(yīng)(1)磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶的作用下磷酸丙酮酸+CO2+GDP==草酰乙酸+GTP(2)蘋果酸酶的作用下丙酮酸+CO2+NADH===蘋果酸+NAD

需要Mn2+做輔因子，所以，在GA發(fā)酵過程中需要向培養(yǎng)基中補(bǔ)充Mn2+第二十一頁，共38頁。（四）、生物素對GA發(fā)酵的影響GA產(chǎn)生菌大都是生物素的營養(yǎng)缺陷型，即：VH-生物素對發(fā)酵的影響是全面的，在發(fā)酵過程中要嚴(yán)格控制其濃度。

第二十二頁，共38頁。1.生物素對糖代謝的影響

（1）VH對于糖酵解有促進(jìn)作用;對丙酮酸的有氧氧化——乙酰輔酶A的生成也有促進(jìn)作用，對兩者的促進(jìn)作用不一樣，對前者大一些。這樣培養(yǎng)基中如果有較豐富的VH，就會(huì)打破糖酵解與丙酮酸氧化之間的平衡，導(dǎo)致丙酮酸的積累，丙酮酸積累則可能導(dǎo)致乳酸的形成，乳酸生成，則使得碳源利用率降低，而且?guī)淼氖前l(fā)酵液的pH值下降。第二十三頁，共38頁。當(dāng)VH缺乏時(shí)：A：丙酮酸的有氧氧化就會(huì)減弱(由于VH對TCA循環(huán)的促進(jìn)作用)，則：乙酰輔酶A的生成量就會(huì)少，產(chǎn)醋酸濃度降低，降低對異檸檬酸裂解酶的誘導(dǎo)作用；B：VH對TCA循環(huán)促進(jìn)作用的降低，使中間產(chǎn)物琥珀酸的氧化速度降低，產(chǎn)生積累，阻遏和抑制異檸檬酸裂解酶作用加強(qiáng)；兩者綜合的作用：異檸檬酸裂解酶的活性喪失，DCA循環(huán)得到封閉。（2）對乙醛酸循的調(diào)控。可以通過控制VH的濃度，以實(shí)現(xiàn)對于乙醛酸循環(huán)的封閉。第二十四頁，共38頁。當(dāng)VH豐富時(shí)，異檸檬酸裂解酶的活性加強(qiáng)，則DCA循環(huán)正常進(jìn)行，DCA循環(huán)的進(jìn)行，一方面提供了大量的“中間性產(chǎn)物”，另一方面，菌體的能荷水平得到提高。前者是菌體增殖的物質(zhì)基礎(chǔ)，后者則是菌體增殖的能量的保證。結(jié)果是利于菌體的增殖和生長；則GA的生物合成就會(huì)受到影響，甚至停止，這在生產(chǎn)上，就是通常我們說的“只長菌，不產(chǎn)酸”的現(xiàn)象。

以上分析說明，GA發(fā)酵過程中，前期，菌體的增殖期，一定量的生物素是菌體增殖所必需的；而在產(chǎn)物合成期，則要限制生物素的濃度，以保證產(chǎn)物的正常合成。第二十五頁，共38頁。2.生物素影響細(xì)胞膜的通透性用能積累谷氨酸菌株做如下實(shí)驗(yàn):生物素充足時(shí),細(xì)胞內(nèi)含大量谷氨酸,但培養(yǎng)液里幾乎不含谷氨酸用溶菌酶消化細(xì)胞壁得到的原生質(zhì)體仍不分泌谷氨酸當(dāng)把原生質(zhì)體放入低滲溶液里,將其漲破,谷氨酸才排出生物素亞適量時(shí),培養(yǎng)液里含大量谷氨酸,細(xì)胞里含量少結(jié)論:谷氨酸的分泌是由細(xì)胞膜控制；生物素影響細(xì)胞膜的通透性進(jìn)而影響谷氨酸積累第二十六頁，共38頁。生物素是脂肪酸生物合成最初反應(yīng)的關(guān)鍵酶乙酰CoA羧化酶的輔酶,參與了脂肪酸的合成,進(jìn)而影響脂肪酸的合成.當(dāng)磷脂合成量少到正常的1/2左右時(shí),細(xì)胞變形,Glu向膜外泄漏.葡萄糖丙酮酸+丙酮酸乙酰輔酶A乙酰輔酶Ａ乙酰輔酶A羧化酶CO2丙二酰輔酶AC4丙二酰輔酶ACO2C6CO2培養(yǎng)基中生物素限量時(shí)，胞內(nèi)AA92%胞外培養(yǎng)基中生物素豐富時(shí)，胞內(nèi)AA12%胞外第二十七頁，共38頁。2.VH對菌體細(xì)胞膜通透性的影響菌體進(jìn)入產(chǎn)物合成期時(shí)，有GA的產(chǎn)生，如果能夠大量的把產(chǎn)物及時(shí)的排泄到細(xì)胞膜外，可以解除GA對L-谷氨酸脫氫酶活性的抑制作用，從而使由Glucose→GA的高效率轉(zhuǎn)化。谷氨酸發(fā)酵采用的菌種都是VH-，而VH又是菌體細(xì)胞膜合成的必須物質(zhì)，因此，通過控制VH的濃度，可以實(shí)現(xiàn)對菌體細(xì)胞膜通透性的調(diào)節(jié)。限制發(fā)酵培養(yǎng)基中生物素亞適量(5-10

g/L).在發(fā)酵初期(0-8小時(shí)),細(xì)胞可以正常生長,當(dāng)生物素耗盡后,在菌的再次倍增時(shí),開始出現(xiàn)異常形態(tài)細(xì)胞,即完成了細(xì)胞從生長型到積累型（細(xì)胞膜缺陷）轉(zhuǎn)換.第二十八頁，共38頁。谷氨酸發(fā)酵過程中,合適的發(fā)酵條件如生長素、發(fā)酵溫度、pH值、通風(fēng)和發(fā)酵產(chǎn)生的泡沫都是影響谷氨酸積累的主要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中,只有針對存在的問題,嚴(yán)格控制工藝條件,才能達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的目的。（五）GA發(fā)酵的外在因素第二十九頁，共38頁。1.供氧濃度/通風(fēng)過量：NADPH的再氧化能力會(huì)加強(qiáng)，使α-KGA的還原氨基化受到影響，不利于GA的生成。供氧不足：

則丙酮酸向乳酸方向轉(zhuǎn)化，積累大量的乳酸，使發(fā)酵液的pH值下降，不利于GA的產(chǎn)生，同時(shí)，一部分葡萄糖轉(zhuǎn)成了乳酸，影響了糖酸轉(zhuǎn)化率，降低了產(chǎn)物的提出率。第三十頁，共38頁。2.NH4+濃度（1）影響到發(fā)酵液的pH值（2）與產(chǎn)物的形成有關(guān)：NH4+過量，菌體增殖階段會(huì)抑制菌體生長，產(chǎn)酸階段Glu會(huì)受谷氨酰胺合成酶作用轉(zhuǎn)化為GlnNH4+不足，不利于α-KGA的還原氨基化，

-酮戊二酸積累，引起反饋調(diào)節(jié)NH4+的供給方式：（1）流加液氨（2）流加0.8%尿素第三十一頁，共38頁。3.磷酸鹽過量：（1）促進(jìn)EMP途徑，打破EMP與TCA之間的平衡，積累丙酮酸，產(chǎn)生乳酸等……

（2）產(chǎn)生并積累Val，Glucose丙酮酸+丙酮酸（焦磷酸硫胺素，TPP）活性乙醛α-乙酰乳酸ValVal合成途徑Val（1）可以抑制葡萄糖丙酮酸，使GA的生物合成受到阻止（2）消耗丙酮酸，降低了糖酸轉(zhuǎn)化率（3）發(fā)酵液中的Val存在，嚴(yán)重的影響GA的結(jié)晶、提取。第三十二頁，共38頁。4.發(fā)酵液的碳氮比碳源在一定范圍內(nèi),谷氨酸的產(chǎn)量隨糖含量的增加而增加；但糖含量過高,滲透壓過大,對菌體生長不利,谷氨酸對糖的轉(zhuǎn)化率低。發(fā)酵液中還原糖的含量一般應(yīng)控制在10%～13%,氮源氮源是合成菌體細(xì)胞蛋白質(zhì)、核酸和谷氨酸的氨基來源，大約85%的氮源被用于合成谷氨酸，另外15%用于合成菌體。谷氨酸發(fā)酵需要的氮源比一般發(fā)酵工業(yè)多得多，一般發(fā)酵工業(yè)碳氮比為100：0.2~2.0，谷氨酸發(fā)酵的碳氮比為100：15~21。在谷氨酸發(fā)酵過程中,

菌體生長期碳氮比應(yīng)大一些(氮低）,在產(chǎn)酸期,碳氮比應(yīng)小些(氮高）。第三十三頁，共38頁。6.發(fā)酵溫度谷氨酸發(fā)酵前期應(yīng)采取菌體生長最適溫度,即30～32℃。溫度過低,菌體生長繁殖慢;若溫度過高,菌體易衰老,生產(chǎn)中表現(xiàn)為DO值增長慢,耗糖慢,pH值高,最終發(fā)酵周期長,產(chǎn)酸少。發(fā)酵中、后期菌體生長基本停止,為積累大量谷氨酸,應(yīng)適當(dāng)提高發(fā)酵溫度（產(chǎn)谷氨酸的最適溫度35-37℃)。但溫度過高,酶易失活,谷氨酸生成受阻。第三十四頁，共38頁。7.pH值1）pH值對谷氨酸產(chǎn)生菌生長的影響當(dāng)高于或低于最適生長pH值范圍:(1)菌體內(nèi)的酶受到抑制,菌體新陳代謝受阻,生長停滯;(2)菌體細(xì)胞膜所帶電荷發(fā)生改變,從而改變細(xì)胞膜的滲透性,影響菌體對營養(yǎng)的吸收和代謝產(chǎn)物的排出;(3)影響培養(yǎng)基組分和中間代謝產(chǎn)物的離解,影響菌體對這些物質(zhì)