典型发酵工程过程篇

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1、典型发酵工程过程篇第第27章章 抗生素生产工艺（青霉素）抗生素生产工艺（青霉素）第第28章章 氨基酸生产工艺（赖氨酸）氨基酸生产工艺（赖氨酸）27.1 27.1 概概 述（视频抗生素滥用之祸）述（视频抗生素滥用之祸）27.1.1 抗生素：抗生素：l微生物（细菌、真菌、放线菌）或动植物在生命活动微生物（细菌、真菌、放线菌）或动植物在生命活动中产生的，低浓度下选择性地抑制或杀灭中产生的，低浓度下选择性地抑制或杀灭其他微生其他微生物或肿瘤细胞的物或肿瘤细胞的具有生物活性的物质具有生物活性的物质。l抗菌、抗肿瘤、抗病毒、抗原虫、抗寄生虫、抗血纤抗菌、抗肿瘤、抗病毒、抗原虫、抗寄生虫、抗血纤维蛋白溶酶作

2、用。维蛋白溶酶作用。l目前人们在生物体内发现的目前人们在生物体内发现的 6000多种抗生素，约多种抗生素，约60来自放线菌。来自放线菌。l抗生素是现代生物学史上最伟大的成就之一。抗生素是现代生物学史上最伟大的成就之一。l是人们使用最多的药物，也是制药工业中利润是人们使用最多的药物，也是制药工业中利润最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素约约400种，广泛应用的仅种，广泛应用的仅120种。种。l抗生素生产为近代微生物技术中最大产业之一，抗生素生产为近代微生物技术中最大产业之一，世界产量超过世界产量超过35000吨，不但在经济上占有重吨，不但在经济上占有重

3、要位置，且为人类健康作了出巨大贡献。要位置，且为人类健康作了出巨大贡献。l青霉素：弗莱明发现青霉素：弗莱明发现 青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。青霉素是最早发现并用于临床的一种抗生素。1928年英国人年英国人FIeming发现，发现，20世纪世纪40年代投年代投入工业生产，它能有效地控制伤口的细菌感染，入工业生产，它能有效地控制伤口的细菌感染，在二战期间挽救了数百万战争中受伤者的性命。在二战期间挽救了数百万战争中受伤者的性命。l推动抗生素发展：牛津大学病理学教授弗洛里、推动抗生素发展：牛津大学病理学教授弗洛里、钱恩等优秀的化学家。钱恩等优秀的化学家。l1952年的诺贝尔生理学或医学奖颁

4、发给年的诺贝尔生理学或医学奖颁发给塞尔塞尔曼曼亚伯拉罕亚伯拉罕瓦克斯曼（瓦克斯曼（Selman Abraham Waksman），他发现了链霉素，他发现了链霉素，第一有效抗生第一有效抗生素用于治疗肺结核。素用于治疗肺结核。1.生物合成法：生物合成法：传统方法传统方法 “工程菌工程菌”制造法制造法 细胞融合技术法细胞融合技术法 2.化学合成法；化学合成法；3.生物合成生物合成+化学合成法化学合成法生生产产方方法法27.2.1 生物合成法：生物合成法：传统方法：多数抗生素是由放线菌和霉菌产传统方法：多数抗生素是由放线菌和霉菌产生生 菌种从土壤中分离、筛选获得，采用深层菌种从土壤中分离、筛选获得，采

5、用深层通风搅拌发酵罐生产。通风搅拌发酵罐生产。由于传统方法存在很多不足，人们采用基由于传统方法存在很多不足，人们采用基因工程和细胞融合技术，对抗生素产生菌进行因工程和细胞融合技术，对抗生素产生菌进行了改造，可以制造出许多高效低毒的新型抗生了改造，可以制造出许多高效低毒的新型抗生素，通过改革工艺，使抗生素产量成倍地增长。素，通过改革工艺，使抗生素产量成倍地增长。“工程菌工程菌”制造法制造法 第一次由第一次由“工程菌工程菌”制造的全新抗生素制造的全新抗生素麦迪紫红素麦迪紫红素A是美国报道的。将产放线紫红素是美国报道的。将产放线紫红素的部分基因插入产麦迪霉素的放线菌中，构建的部分基因插入产麦迪霉素的

6、放线菌中，构建的的“工程菌工程菌”产生了全新的抗生素。产生了全新的抗生素。我国新构建的生产丁胺卡那霉素的我国新构建的生产丁胺卡那霉素的“工程工程菌菌”，就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生，就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。菌中获得的。新的新的“工程菌工程菌”生产的新抗生素毒副作用生产的新抗生素毒副作用小，对耐卡那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效小，对耐卡那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效显著。显著。细胞融合技术法细胞融合技术法 对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出。橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗更为突出。橄榄色无孢小单孢菌细胞融合株抗生素产率比原

7、菌株提高生素产率比原菌株提高100倍。倍。目前目前DNA重组技术已广泛用于红霉素、链重组技术已广泛用于红霉素、链霉素等霉素等20多种抗生素的育种工作，不久将来会多种抗生素的育种工作，不久将来会有更多的由有更多的由“工程菌工程菌”生产的新型抗生素问世生产的新型抗生素问世。27.2.2 化学合成法化学合成法 根据某种抗生素的化学组成和结构，通过根据某种抗生素的化学组成和结构，通过化学合成的方法，可生产部分抗生素。如氯霉化学合成的方法，可生产部分抗生素。如氯霉素、磷霉素等。素、磷霉素等。经过化学合成方法和控制条件的不断深入经过化学合成方法和控制条件的不断深入研究，越来越多的抗生素可用化学合成法生产。

8、研究，越来越多的抗生素可用化学合成法生产。27.2.3 生物合成加化学合成法生物合成加化学合成法 许多细菌逐渐出现了抗药性，证实某些抗许多细菌逐渐出现了抗药性，证实某些抗药性因子位于细菌内的质粒上，质粒在细菌之药性因子位于细菌内的质粒上，质粒在细菌之间转移使抗性菌日益增多，抗生素疗效就越来间转移使抗性菌日益增多，抗生素疗效就越来越低。越低。为对付细菌的抗药性，科学家对抗生素进为对付细菌的抗药性，科学家对抗生素进行了行了“整容手术整容手术”，细菌因再无法识别改头换，细菌因再无法识别改头换面的抗生素而被抑制或杀死。面的抗生素而被抑制或杀死。现在已能使用克隆了酰化酶基因的现在已能使用克隆了酰化酶基因

9、的“工程工程菌菌”（大肠杆菌）高效率的生产半合成抗生素。（大肠杆菌）高效率的生产半合成抗生素。临床现在使用的特效药物先锋霉素（头孢菌素临床现在使用的特效药物先锋霉素（头孢菌素类）、氨苄青霉素就是这类半合成抗生素类药类）、氨苄青霉素就是这类半合成抗生素类药物。物。l产生菌的筛选产生菌的筛选l抗菌性试验抗菌性试验l提取、精制、鉴定提取、精制、鉴定l毒性试验毒性试验l药理和临床试验药理和临床试验 Agar diffusion assayagar plate琼脂培养基琼脂培养基lawn of test bacteria测测 试试 菌菌 苔苔filter papers soakedwith test c

10、ompounds含含 药药 物物 滤滤 纸纸zones of inhibition(no growth)抑菌圈抑菌圈l菌种菌种孢子制备孢子制备种子准备种子准备发酵发酵发发酵液过滤与预处理酵液过滤与预处理提取及精制提取及精制成品成品包装包装lFleming分离的点青霉，只能产生分离的点青霉，只能产生2U/ml青霉素。青霉素。l目前全世界用于生产青霉素的高产菌株，大都目前全世界用于生产青霉素的高产菌株，大都由一种产黄青霉菌株经不同改良途经得到由一种产黄青霉菌株经不同改良途经得到;l20世纪世纪70年代前育种：诱变和随机筛选方法；年代前育种：诱变和随机筛选方法；l现在原生质体融合技术、基因克隆技术青

11、霉素现在原生质体融合技术、基因克隆技术青霉素工业发酵已达工业发酵已达80000U/ml。l生产菌株一般在真空冷冻干燥状态下保存其分生产菌株一般在真空冷冻干燥状态下保存其分生孢子，也可用甘油或乳糖溶剂作悬浮剂，在生孢子，也可用甘油或乳糖溶剂作悬浮剂，在-70冰箱或液氮中保存孢子悬浮液和营养菌冰箱或液氮中保存孢子悬浮液和营养菌丝体。丝体。HNONSCH3CH3HCOO-H-内酰胺环内酰胺环R青霉素类的基本结构：青霉素类的基本结构：由母核由母核6-氨基青霉烷酸氨基青霉烷酸(6-amino-penicillanic acid,6-APA)及侧链组及侧链组成，侧链不同形成不同成，侧链不同形成不同青霉素，

12、抗菌能力不同青霉素，抗菌能力不同6-APA是由一个噻唑环是由一个噻唑环(A)连结连结-内酰胺环内酰胺环(B)组成组成BAl青霉素青霉素G类类:如青霉素如青霉素G钾、青霉素钾、青霉素G钠、长效西林等钠、长效西林等.l青霉素青霉素V 类类:(别名苯氧甲基青霉素、苯氧乙酰胺别名苯氧甲基青霉素、苯氧乙酰胺基青霉烷酸基青霉烷酸)如青霉素如青霉素V钾等钾等.l耐酶青霉素耐酶青霉素:如苯唑青霉素如苯唑青霉素(新青新青号号)、氯唑青霉素等、氯唑青霉素等.l广谱青霉素广谱青霉素:如氨苄西林、阿莫西林等如氨苄西林、阿莫西林等.l抗绿脓杆菌的广谱青霉素抗绿脓杆菌的广谱青霉素:如羧苄西林、哌拉西林钠、如羧苄西林、哌拉

13、西林钠、呋苄青霉素等呋苄青霉素等.l氮咪青霉素氮咪青霉素:如美西林及其酯匹美西林等如美西林及其酯匹美西林等,其特点为较耐其特点为较耐酶酶,对某些阴性杆菌对某些阴性杆菌(如大肠杆菌、克雷伯菌和沙门菌如大肠杆菌、克雷伯菌和沙门菌)有效有效,但对绿脓杆菌效果差但对绿脓杆菌效果差.l冷冻干燥孢子冷冻干燥孢子琼脂斜面琼脂斜面米孢子米孢子种种子罐（一、二级子罐（一、二级)发酵罐发酵罐预处理预处理过过滤滤乙酸丁酯萃取乙酸丁酯萃取蒸发（脱水脱色）蒸发（脱水脱色）结晶结晶工业盐工业盐综合利用综合利用27.3.1 菌种：产黄青霉（菌种：产黄青霉（(Penicillium chrysogenum)产绿色、黄色孢子）

14、产绿色、黄色孢子）生长发育分生长发育分7个阶段：个阶段：期：分生孢子萌发；期：分生孢子萌发；期：菌丝繁殖；期：菌丝繁殖；期：脂肪粒形成；期：脂肪粒形成；期：脂肪粒减少，期：脂肪粒减少，中、小中、小空孢空孢期：形成大空孢，脂肪粒消失；期：形成大空孢，脂肪粒消失；期：细胞内没有颗粒，菌丝体自溶。期：细胞内没有颗粒，菌丝体自溶。期：菌丝生长期，期：菌丝生长期，期适宜做发酵种子；期适宜做发酵种子；期：青霉素分泌期；期：青霉素分泌期；期到来之前结束发期到来之前结束发酵酵l种子制备阶段以生产丰富的孢子（斜面和米种子制备阶段以生产丰富的孢子（斜面和米孢子培养）或大量健壮的菌丝体孢子培养）或大量健壮的菌丝体(

15、种子罐培养种子罐培养)为目的为目的l所以，要在培养基中加入丰富的、容易代谢所以，要在培养基中加入丰富的、容易代谢的碳源（如葡萄糖或蔗糖）、氮源（如玉米的碳源（如葡萄糖或蔗糖）、氮源（如玉米浆）、缓冲浆）、缓冲pH的碳酸钙以及生长所必需的无的碳酸钙以及生长所必需的无机盐，并保持最适生长温度（机盐，并保持最适生长温度（2526）和充）和充分通气、搅拌。分通气、搅拌。l种子制备的培养条件及原材料质量均应严格种子制备的培养条件及原材料质量均应严格控制以保持种子质量的稳定性。控制以保持种子质量的稳定性。27.3.2 培养基：培养基：碳源：乳糖、蔗糖、葡萄糖等；淀粉水解糖。碳源：乳糖、蔗糖、葡萄糖等；淀粉

16、水解糖。l通常采用葡萄糖和乳糖。发酵初期，利用葡萄通常采用葡萄糖和乳糖。发酵初期，利用葡萄糖使菌丝快速生长；当葡萄糖耗竭后，利用乳糖使菌丝快速生长；当葡萄糖耗竭后，利用乳糖，分泌青霉素。糖，分泌青霉素。氮源：玉米浆、花生饼、棉籽饼、麸皮粉，氯氮源：玉米浆、花生饼、棉籽饼、麸皮粉，氯 化铵、硫酸铵、硝酸铵。化铵、硫酸铵、硝酸铵。前体：苯乙酸或苯乙酰胺；前体：苯乙酸或苯乙酰胺；多次流加，每次多次流加，每次 无机盐：无机盐：S、P、Ga、Mg、K等。等。铁离子有害，铁离子有害，控制在控制在30g/ml。（1）生产孢子的制备）生产孢子的制备l保藏的孢子保藏的孢子活化（活化（2526，68d）获得单菌落

17、（获得单菌落（2526，7d）获得斜获得斜面孢子面孢子制得小米或大米孢子（优质小制得小米或大米孢子（优质小米或大米固体培养基米或大米固体培养基25，7d）l每批孢子必须进行严格摇瓶试验，测定每批孢子必须进行严格摇瓶试验，测定效价及杂菌情况效价及杂菌情况.青霉素生产采用三级发酵。青霉素生产采用三级发酵。l一级种子培养：接种小米孢子一级种子培养：接种小米孢子萌发形成菌丝。萌发形成菌丝。培养基成分为葡萄糖、蔗糖、乳糖、玉米浆、培养基成分为葡萄糖、蔗糖、乳糖、玉米浆、碳酸钙、玉米油、消沫剂等。通无菌空气，空碳酸钙、玉米油、消沫剂等。通无菌空气，空气流量气流量1:3(V/V)，300350r/min;培

18、养时间培养时间4050h;pH 自然，温度自然，温度,271。l二级种子培养：菌丝体大量繁殖。培养基成分二级种子培养：菌丝体大量繁殖。培养基成分为玉米浆、葡萄糖等。通无菌空气，空气流量为玉米浆、葡萄糖等。通无菌空气，空气流量1:(11.5)(V/V)，250280r/min、pH 自然，自然，251，培养时间，培养时间1014h。l三级发酵培养三级发酵培养:培养基为花生饼粉培养基为花生饼粉(高温高温)、麸皮、麸皮、玉米浆、葡萄糖、尿素、硫酸铵、硫酸钠、硫玉米浆、葡萄糖、尿素、硫酸铵、硫酸钠、硫代硫酸钠、磷酸二氢钠、苯乙酰胺、碳酸钙及代硫酸钠、磷酸二氢钠、苯乙酰胺、碳酸钙及消泡剂等。接种量为消泡

19、剂等。接种量为12%15%。l青霉素的发酵对溶氧要求极高，通气量偏大，青霉素的发酵对溶氧要求极高，通气量偏大，通气比控制通气比控制1:(0.71.8)(V/V)，150200r/min;100m3的发酵罐搅拌功率为的发酵罐搅拌功率为200300kW,罐压控罐压控制制0.040.05MPa,2526下培养。下培养。l前，温度前，温度26，以后，以后pH6.36.6;温度温度24，发，发酵周期为酵周期为200h左右。左右。l27.3.4 发酵条件控制发酵条件控制l补糖：残糖降至、补糖：残糖降至、pH上升时开始加糖；上升时开始加糖；l补氮：发酵液氨态氮，补硫铵、氨水补氮：发酵液氨态氮，补硫铵、氨水或

20、尿素或尿素l补前体：发酵液中残存乙酰胺补前体：发酵液中残存乙酰胺0.050.08%；lpH控制：控制：前期前期pH，中后期中后期,通过进行调通过进行调节节通过加糖、加酸、加碱通过加糖、加酸、加碱补加氨水补加氨水调节；调节；l温度控制：前期，温度控制：前期，2526；后期，；后期，23；l通风比：通风比：1:0.8vvm(单位培养液体积在单单位培养液体积在单位时间内通入的空气量位时间内通入的空气量)l溶氧：发酵液中的溶氧溶氧：发酵液中的溶氧氧饱和溶解度的氧饱和溶解度的30；l消沫剂：添加玉米油、豆油或化学消沫消沫剂：添加玉米油、豆油或化学消沫剂剂”泡敌泡敌”，少量多次。，少量多次。27.3.5

21、青霉素的分离纯化青霉素的分离纯化（1）预处理：浓缩目的产物，去除大部分）预处理：浓缩目的产物，去除大部分杂质，改变发酵液的流变学特征，利于杂质，改变发酵液的流变学特征，利于后续的分离纯化过程。后续的分离纯化过程。（2）过滤：加入絮凝剂）过滤：加入絮凝剂转鼓式真空：吸转鼓式真空：吸滤、洗涤、吸洗液、刮除滤饼。除掉菌滤、洗涤、吸洗液、刮除滤饼。除掉菌丝体及部分蛋白质。丝体及部分蛋白质。（3）萃取：溶媒萃取法，二级逆流工艺或）萃取：溶媒萃取法，二级逆流工艺或二级顺流工艺；二级顺流工艺；青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉青霉素游离酸易溶于有机溶剂，而青霉素盐易溶于水。工业上通常用乙酸丁酯素盐易溶于水。

22、工业上通常用乙酸丁酯和戊酯，萃取和戊酯，萃取23次，浓缩次，浓缩10倍，浓度几倍，浓度几乎达到结晶要求。乎达到结晶要求。（4）脱色：加活性碳）脱色：加活性碳150-200g/10亿单位；亿单位；（5）精制：乙酸丁酯萃取液用氢氧化钠萃取）精制：乙酸丁酯萃取液用氢氧化钠萃取调调pH6.46.8 得青霉素钠盐浓缩液（得青霉素钠盐浓缩液（5万单位万单位/ml）加加34倍体积的丁醇，倍体积的丁醇，1626,5110mmHg下真空蒸馏，将水、丁醇共沸物下真空蒸馏，将水、丁醇共沸物蒸发出去蒸发出去浓缩到青霉素钠盐浓缩液的体积、浓缩到青霉素钠盐浓缩液的体积、蒸出馏分中含水量为蒸出馏分中含水量为24%时，停止蒸

23、馏时，停止蒸馏青青霉素钠盐结晶析出霉素钠盐结晶析出过滤过滤洗涤得到成品洗涤得到成品（6）溶媒回收：各种有机溶剂回收，以降低成）溶媒回收：各种有机溶剂回收，以降低成本、减少环境污染本、减少环境污染28.1 概述概述l氨基酸是蛋白质的基本结构单位，在自然界已氨基酸是蛋白质的基本结构单位，在自然界已发现组成各种蛋白质的氨基酸有二十多种，其发现组成各种蛋白质的氨基酸有二十多种，其中苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨中苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸及色氨酸八种氨基酸是酸、蛋氨酸、苯丙氨酸及色氨酸八种氨基酸是人类本身不能合成的必需氨基酸，只能从食物人类本身不能合成的必需氨基

24、酸，只能从食物中摄取。中摄取。l氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业、化氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业、化妆品等领域广泛应用。妆品等领域广泛应用。l氨基酸的生产方法主要有抽提法、化学合成法、氨基酸的生产方法主要有抽提法、化学合成法、微生物发酵法和酶法四种。微生物发酵法和酶法四种。l到目前为止，到目前为止，60以上的氨基酸采用微生物发以上的氨基酸采用微生物发酵法进行生产，其中产量最大的是谷氨酸，其酵法进行生产，其中产量最大的是谷氨酸，其次是赖氨酸。次是赖氨酸。l抽提法：将蛋白质原料进行水解，然后从水解抽提法：将蛋白质原料进行水解，然后从水解液中抽提氨基酸，是生产氨基酸最早采用的方液中抽提氨

25、基酸，是生产氨基酸最早采用的方法。水解方法有酸法水解、碱法水解和酶法水法。水解方法有酸法水解、碱法水解和酶法水解。目前胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸仍用抽提解。目前胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸仍用抽提法生产。法生产。l化学合成法：用化学合成的方法制造氨基酸。化学合成法：用化学合成的方法制造氨基酸。目前用化学合成法制造的氨基酸有目前用化学合成法制造的氨基酸有DL-蛋氨酸、蛋氨酸、DL-丙氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸。丙氨酸、甘氨酸和苯丙氨酸。l微生物发酵法：是目前氨基酸生产最常用的方微生物发酵法：是目前氨基酸生产最常用的方法。根据微生物本身具有合成氨基酸的能力的法。根据微生物本身具有合成氨基酸的能力的特点，通过

26、菌株的筛选、诱变处理及代谢调节特点，通过菌株的筛选、诱变处理及代谢调节来达到合成某种氨基酸的目的。来达到合成某种氨基酸的目的。发酵法分为直接发酵法和添加前体发酵法。发酵法分为直接发酵法和添加前体发酵法。l酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶进行酶法：利用微生物细胞或微生物产生的酶进行生物催化反应制造氨基酸的方法。赖氨酸、色生物催化反应制造氨基酸的方法。赖氨酸、色氨酸、天门冬氨酸、酪氨酸、丙氨酸等均可用氨酸、天门冬氨酸、酪氨酸、丙氨酸等均可用酶法生产。采用固定化酶或细胞连续生产，其酶法生产。采用固定化酶或细胞连续生产，其优点更突出。优点更突出。28.2.1 菌种：菌种：l氨基酸发酵的菌种主要有谷

27、氨酸棒状杆菌、黄氨基酸发酵的菌种主要有谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、短芽孢杆菌、黏色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、短芽孢杆菌、黏质赛氏杆菌等。下页为一些氨基酸生产菌种及质赛氏杆菌等。下页为一些氨基酸生产菌种及用途。用途。28.2.2 培养基培养基l培养基一般都包括碳源、氮源、无机盐、生长培养基一般都包括碳源、氮源、无机盐、生长因子、水等成分。发酵培养基的成分与配比是因子、水等成分。发酵培养基的成分与配比是决定氨基酸产生菌生长、代谢的主要因素，与决定氨基酸产生菌生长、代谢的主要因素，与氨基酸的产率、转化率及收率的关系密切。氨基酸的产率、转化率及收率的关系密切。一一些些氨氨基基酸酸的的生生

28、产产菌菌种种及及用用途途氨基酸氨基酸生产菌种生产菌种用途用途谷氨酸谷氨酸棒杆菌Asl.299、棒杆菌7338、钝齿棒杆菌Asl.542、棒杆菌Dll0、棒杆菌S-914、黄色短杆菌T6-13、黄色短杆菌FM84-415等主要用作制造味精，也用于预防或治疗肝昏迷，对于脑震荡和脑神经损伤也有一定的疗效L-赖氨酸赖氨酸谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、短芽孢杆菌、黏质赛氏杆菌它是人类和动物发育必需的氨基酸，饲料添加剂，食品保鲜剂，制备复方氨基酸输液等药物L-谷氨酰胺谷氨酰胺谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、嗜氨小杆菌等治疗胃溃疡和十二指肠溃疡等L-脯氨酸脯氨酸谷氨酸棒状杆菌、黄色

29、短杆菌、粘质赛氏杆菌配制氨基酸输液，合成抗高血压药物和治疗帕金森氏症的多肽类药物，食品工业的甜味剂L-精氨酸精氨酸粘质沙雷氏杆菌、钝齿棒杆菌等合成蛋白质和肌酸的重要原料L-天门冬氨酸天门冬氨酸黄色短杆菌、大肠杆菌、嗜热脂肪芽孢杆菌等生产甜味肽的主要原料L-苏氨酸苏氨酸大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、黏质赛氏杆菌等的基因工程菌饲料添加剂，氨基酸营养液原料L-蛋氨酸蛋氨酸主要为酶法，发酵法尚在研究中有抗脂肪肝和解毒作用，药物或食品强化剂，饲料添加剂L-色氨酸色氨酸枯草杆菌、黄杆菌、枯草杆菌、基因工程菌等食品强化剂，饲料添加剂L-苯丙氨酸苯丙氨酸大肠杆菌、谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短

30、杆菌等的变异株生产甜味肽L-酪氨酸酪氨酸产气克雷氏菌的重组株、草剩欧文氏菌合成L-多巴等L-丝氨酸丝氨酸嗜甘氨酸棒状杆菌、基因工程菌食品、药品、化妆品的添加剂L-半胱氨酸半胱氨酸球形芽孢杆菌食品、药品、化妆品的添加剂L-缬氨酸缬氨酸乙酸钙不动杆菌等 药物，食品强化剂L-亮氨酸亮氨酸谷氨酸棒状杆菌、黄色短杆菌 配制复合氨基酸输液L-组氨酸组氨酸基因工程菌生化试剂、药物（1）碳源）碳源 l氨基酸发酵中可采用淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、氨基酸发酵中可采用淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烃等多种碳源。根据微生物菌种的性乙醇、烷烃等多种碳源。根据微生物菌种的性质、氨基酸种类和发酵工艺方法，选择碳源种质、氨基

31、酸种类和发酵工艺方法，选择碳源种类和浓度。最常采用的是淀粉水解糖液或糖蜜。类和浓度。最常采用的是淀粉水解糖液或糖蜜。（2）氮源）氮源 l氨基酸发酵培养基常选用铵盐、尿素、氨水等氨基酸发酵培养基常选用铵盐、尿素、氨水等为无机氮源。几乎所有的氨基酸产生菌都是生为无机氮源。几乎所有的氨基酸产生菌都是生物素缺陷型，同时也是一些氨基酸的营养缺陷物素缺陷型，同时也是一些氨基酸的营养缺陷型，而且大多数氨基酸产生菌都不能分泌胞外型，而且大多数氨基酸产生菌都不能分泌胞外水解蛋白酶。因此需要添加适量的有机氮源如水解蛋白酶。因此需要添加适量的有机氮源如玉米桨及精制棉籽饼、麸皮、豆饼等蛋白质原玉米桨及精制棉籽饼、麸皮

32、、豆饼等蛋白质原料的水解液。料的水解液。（3）碳氮比）碳氮比 l氨基酸发酵时，不仅菌体生长和氨基酸合成需氨基酸发酵时，不仅菌体生长和氨基酸合成需要氮源，而且氮源还用来调节发酵液的要氮源，而且氮源还用来调节发酵液的pH值。值。l例如谷氨酸发酵的碳氮比为例如谷氨酸发酵的碳氮比为100:(1521)，当碳，当碳氮比为氮比为100:11时才开始积累谷氨酸，因此发酵时才开始积累谷氨酸，因此发酵培养基氮源的需要量比一般发酵多。培养基氮源的需要量比一般发酵多。l谷氨酸发酵消耗的氮源中，合成菌体用的氮源谷氨酸发酵消耗的氮源中，合成菌体用的氮源占总氮的占总氮的36，合成谷氨酸的氮源占，合成谷氨酸的氮源占3080

33、。l实际生产中，以尿素或氨水为氮源时，除了一实际生产中，以尿素或氨水为氮源时，除了一部分用于调节发酵液的部分用于调节发酵液的pH值外，还有一部分值外，还有一部分随空气逸出，为此氮源的用量更大。随空气逸出，为此氮源的用量更大。l谷氨酸发酵培养基中当糖浓度为、总尿素量谷氨酸发酵培养基中当糖浓度为、总尿素量为为3时，碳氮比为时，碳氮比为100:28。l氮源的用量对氨基酸生物合成产生显著的影响，氮源的用量对氨基酸生物合成产生显著的影响，如谷氨酸发酵中，适量的如谷氨酸发酵中，适量的NH 4+可减少可减少-酮戊酮戊二酸的积累，促进谷氨酸的合成；过量的二酸的积累，促进谷氨酸的合成；过量的NH 4+会使生成的

34、谷氨酸转化为谷氨酰胺。会使生成的谷氨酸转化为谷氨酰胺。（4）无机盐）无机盐 l发酵培养基中通常需要加入硫、磷、钙、镁、发酵培养基中通常需要加入硫、磷、钙、镁、钾等无机盐类。钾等无机盐类。l磷酸盐浓度对于氨基酸发酵的影响极为显著。磷酸盐浓度对于氨基酸发酵的影响极为显著。l而镁、钾等离子是许多酶的激活剂，对菌体的而镁、钾等离子是许多酶的激活剂，对菌体的生长和氨基酸的积累有重要的作用。生长和氨基酸的积累有重要的作用。（5）生长因子）生长因子 l生物素是氨基酸发酵生产中重要的生长因子。生物素是氨基酸发酵生产中重要的生长因子。影响细胞膜的通透性和代谢途径，它的浓度与影响细胞膜的通透性和代谢途径，它的浓度

35、与微生物菌体的生长和氨基酸的合成关系密切。微生物菌体的生长和氨基酸的合成关系密切。l以淀粉水解糖为原料进行谷氨酸发酵时，必须以淀粉水解糖为原料进行谷氨酸发酵时，必须控制生物素的浓度为亚适量，以控制生物素的浓度为亚适量，以25g/L为宜为宜（实际上是控制玉米浆的浓度），保证菌体细（实际上是控制玉米浆的浓度），保证菌体细胞膜的通透性良好，谷氨酸才能大量分泌。胞膜的通透性良好，谷氨酸才能大量分泌。l在天门冬氨酸族氨基酸（如赖氨酸、苏氨酸、在天门冬氨酸族氨基酸（如赖氨酸、苏氨酸、蛋氨酸等）的发酵中期望菌体细胞膜完整，要蛋氨酸等）的发酵中期望菌体细胞膜完整，要求控制生物素过量，如赖氨酸发酵中添加过量求控

36、制生物素过量，如赖氨酸发酵中添加过量的生物素（的生物素（200500g/L），赖氨酸合成显著），赖氨酸合成显著增加。增加。l氨基酸发酵一般以玉米浆、麸皮水解液、甘蔗氨基酸发酵一般以玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜或甜菜糖蜜作为生物素的来源。糖蜜或甜菜糖蜜作为生物素的来源。（1）pH值对氨基酸发酵的影响及控制值对氨基酸发酵的影响及控制l pH值影响酶的活性和菌的代谢；值影响酶的活性和菌的代谢；l谷氨酸发酵中，在中性和微碱性条件下（）积谷氨酸发酵中，在中性和微碱性条件下（）积累谷氨酸，累谷氨酸，l在酸性条件下（），则易形成谷氨酰胺和在酸性条件下（），则易形成谷氨酰胺和N-乙乙酰谷氨酰胺。酰谷氨酰胺。l

37、发酵前期发酵前期pH值偏高对菌体生长不利，糖耗慢、值偏高对菌体生长不利，糖耗慢、发酵周期延长；反之，发酵周期延长；反之，pH值偏低则菌体生长值偏低则菌体生长旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。l但发酵前期但发酵前期pH值偏高（）对抑制杂菌有利，值偏高（）对抑制杂菌有利，故控制发酵前期的故控制发酵前期的pH值以左右为宜。值以左右为宜。l由于谷氨酸脱氢酶的最适由于谷氨酸脱氢酶的最适pH值为，氨基转移值为，氨基转移酶的最适酶的最适pH值为，因此控制发酵中后期的值为，因此控制发酵中后期的pH值为左右。值为左右。l生产上控制生产上控制pH值的方法一般有两种，流加尿值的方法一般

38、有两种，流加尿素和流加氨水（少量多次，可使素和流加氨水（少量多次，可使pH值较稳值较稳定）。定）。l流加尿素的数量和时间主要根据流加尿素的数量和时间主要根据pH值变化、值变化、菌体生长、糖耗情况和发酵时期等因素来决定。菌体生长、糖耗情况和发酵时期等因素来决定。l如当菌体生长和糖耗均缓慢时，要少量多次地如当菌体生长和糖耗均缓慢时，要少量多次地流加尿素、避免流加尿素、避免pH值过高而影响菌体生长；值过高而影响菌体生长；l菌体生长和糖耗均较快时，流加尿素可多些，菌体生长和糖耗均较快时，流加尿素可多些，使使pH值适当高些，以抑制生长；值适当高些，以抑制生长；l发酵后期残糖很少，接近放罐时应尽量少加或发

39、酵后期残糖很少，接近放罐时应尽量少加或不加尿素，以免造成浪费和增加氨基酸提取难不加尿素，以免造成浪费和增加氨基酸提取难度。度。l不同的氨基酸发酵对不同的氨基酸发酵对pH的要求见下页表的要求见下页表不同氨基酸发酵的最适不同氨基酸发酵的最适pH和溶解氧分压和溶解氧分压氨基酸氨基酸最适最适pH溶解氧分压溶解氧分压（105Pa）谷氨酰胺谷氨酰胺6.50 0.01脯氨酸脯氨酸7.00 0.01精氨酸精氨酸7.00 0.01谷氨酸谷氨酸7.80 0.01赖氨酸赖氨酸7.00 0.01苏氨酸苏氨酸7.00 0.01异亮氨酸异亮氨酸7.00 0.01亮氨酸亮氨酸6.25 0缬氨酸缬氨酸6.50 0苯丙氨酸苯丙

40、氨酸7.25 0（2）温度对氨基酸发酵的影响及控制温度对氨基酸发酵的影响及控制l 氨基酸发酵的最适温度因菌种和所生产氨基酸发酵的最适温度因菌种和所生产的氨基酸种类不同而异。的氨基酸种类不同而异。l氨基酸发酵一般属于氨基酸发酵一般属于Gaden分类的分类的型型即生长部分偶联型发酵，菌体生长到一即生长部分偶联型发酵，菌体生长到一定程度后再开始产生氨基酸。定程度后再开始产生氨基酸。l菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度是不同的。温度是不同的。l如谷氨酸发酵，菌体生长最适温度为如谷氨酸发酵，菌体生长最适温度为3032，谷氨酸合成的最适温度为谷氨酸合成的最适温度为34

41、37。l如果菌体生长阶段温度过高，则菌体易衰老；如果菌体生长阶段温度过高，则菌体易衰老；在发酵中后期，菌体生长已基本停止，需要维在发酵中后期，菌体生长已基本停止，需要维持最适的产酸温度，以利谷氨酸的合成。持最适的产酸温度，以利谷氨酸的合成。（3）溶氧对氨基酸发酵的影响及控制溶氧对氨基酸发酵的影响及控制l不同的氨基酸发酵对溶氧的要求不同不同的氨基酸发酵对溶氧的要求不同l多数氨基酸发酵是在供氧充足的条件下进行的，多数氨基酸发酵是在供氧充足的条件下进行的，如谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸等；如谷氨酸、谷氨酰胺、脯氨酸和精氨酸等；l也有一些氨基酸的发酵过程需要限制供氧，如也有一些氨基酸的发酵过程需要

42、限制供氧，如亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸等发酵适宜在缺氧亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸等发酵适宜在缺氧条件下进行，只有当菌体呼吸在一定程度上受条件下进行，只有当菌体呼吸在一定程度上受阻时才最适合这些氨基酸的生产；阻时才最适合这些氨基酸的生产；l而赖氨酸、异亮氨酸、苏氨酸等的发酵需氧量而赖氨酸、异亮氨酸、苏氨酸等的发酵需氧量介于上述两者之间。介于上述两者之间。l发酵的不同阶段氧分压的要求也是不同的，因发酵的不同阶段氧分压的要求也是不同的，因此在发酵过程中应根据具体情况对供氧进行控此在发酵过程中应根据具体情况对供氧进行控制。制。（4）泡沫的控制泡沫的控制l发酵过程中通常产生大量的泡沫，可采用豆油、发酵过程中

43、通常产生大量的泡沫，可采用豆油、玉米油等天然油脂或环氧丙烯、环氧乙烯、聚玉米油等天然油脂或环氧丙烯、环氧乙烯、聚醚类等化学消泡剂进行消泡。并控制消泡剂的醚类等化学消泡剂进行消泡。并控制消泡剂的用量和加入的时间与方法，否则影响菌体的代用量和加入的时间与方法，否则影响菌体的代谢和产物的提取。谢和产物的提取。l氨基酸的分离和纯化又称为氨基酸发酵液的后氨基酸的分离和纯化又称为氨基酸发酵液的后处理或下游工程（处理或下游工程（downstream processing），），是氨基酸工业生产中的一个重要组成部分。是氨基酸工业生产中的一个重要组成部分。l发酵法生产氨基酸的发酵液是极其复杂的多相发酵法生产氨基

44、酸的发酵液是极其复杂的多相体系，含有微生物菌体细胞、代谢产物、未消体系，含有微生物菌体细胞、代谢产物、未消耗尽的培养基等，因此要提取高纯度的氨基酸。耗尽的培养基等，因此要提取高纯度的氨基酸。l氨基酸的分离纯化：对氨基酸发酵液进行预处氨基酸的分离纯化：对氨基酸发酵液进行预处理理菌体分离菌体分离初步纯化初步纯化高度纯化等步骤。高度纯化等步骤。l前三步骤称为分离（或提取）：处理的体积较前三步骤称为分离（或提取）：处理的体积较大，着重于分离和浓缩；大，着重于分离和浓缩；l高度纯化称为纯化（或精制）：精细的分离操高度纯化称为纯化（或精制）：精细的分离操作，着重于纯化。作，着重于纯化。菌体分离菌体分离(离

45、心分离、过滤、压滤、超滤等离心分离、过滤、压滤、超滤等)预处理（加热、调预处理（加热、调pH、絮凝等）、絮凝等）发酵液发酵液初步纯化（沉淀、吸附、离子交换、萃取等）初步纯化（沉淀、吸附、离子交换、萃取等）高度纯化高度纯化(超滤、吸附、结晶、重结晶等超滤、吸附、结晶、重结晶等)成品加工成品加工氨基酸的分离纯化工艺流程氨基酸的分离纯化工艺流程l赖氨酸是人体必需的赖氨酸是人体必需的8种氨基酸之一，人种氨基酸之一，人和高等动物体内不能合成。和高等动物体内不能合成。l自自1960年日本用谷氨酸棒状杆菌的高丝年日本用谷氨酸棒状杆菌的高丝氨酸营养缺陷型突变株发酵生产赖氨酸氨酸营养缺陷型突变株发酵生产赖氨酸获

46、得成功后，微生物发酵法成为生产赖获得成功后，微生物发酵法成为生产赖氨酸的主要方法。氨酸的主要方法。l赖氨酸有赖氨酸有L型和型和D型种构型。型种构型。l微生物发酵法生产的均为微生物发酵法生产的均为L型。型。l（1）细菌：如短杆菌属（黄色短杆菌、乳糖）细菌：如短杆菌属（黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌）和棒状杆菌属（谷氨酸棒状杆发酵短杆菌）和棒状杆菌属（谷氨酸棒状杆菌）。它们多以谷氨酸生产菌为出发菌株，通菌）。它们多以谷氨酸生产菌为出发菌株，通过人工诱变获得各种突变株（高丝氨酸营养缺过人工诱变获得各种突变株（高丝氨酸营养缺陷型兼陷型兼AEC抗性突变株）。抗性突变株）。l（2）酵母菌：如产朊假丝酵母、酿酒

47、酵母。）酵母菌：如产朊假丝酵母、酿酒酵母。l酵母菌赖氨酸的生物合成产率要低于细菌的，酵母菌赖氨酸的生物合成产率要低于细菌的，目前赖氨酸的发酵生产都是以细菌为生产菌种。目前赖氨酸的发酵生产都是以细菌为生产菌种。l（1）二氨基庚二酸途径：存在于细菌、）二氨基庚二酸途径：存在于细菌、绿藻、原生动物和高等植物中；绿藻、原生动物和高等植物中；P329图图28-2l（2）-氨基己二酸途径：存在于酵母、氨基己二酸途径：存在于酵母、霉菌中。霉菌中。P329图图28-3l赖氨酸生产菌多以谷氨酸生产菌为出发菌株，赖氨酸生产菌多以谷氨酸生产菌为出发菌株，通过选育高丝氨酸营养缺陷型、抗赖氨酸结构通过选育高丝氨酸营养缺

48、陷型、抗赖氨酸结构类似物类似物(AECr)、抗苏氨酸结构类似物、抗苏氨酸结构类似物(AHVr)的的突变株，以解除自身的代谢调节来实现的。突变株，以解除自身的代谢调节来实现的。l赖氨酸发酵是典型的代谢控制发酵。赖氨酸发酵是典型的代谢控制发酵。l控制培养物中的生物素、控制培养物中的生物素、L-氨酸和氨酸和L-甲硫氨酸甲硫氨酸的含量、温度、的含量、温度、pH、溶解氧（通风量、搅拌、溶解氧（通风量、搅拌速度）等条件，赖氨酸大量积累。速度）等条件，赖氨酸大量积累。l赖氨酸发酵时间以赖氨酸发酵时间以1620h为界，分为前、为界，分为前、后两个时期。后两个时期。l前期（生长期）：菌体增殖迅速，有少前期（生长

49、期）：菌体增殖迅速，有少量赖氨酸生成，糖和氮的消耗主要是用量赖氨酸生成，糖和氮的消耗主要是用于合成细胞物质及供给菌体的能量代谢；于合成细胞物质及供给菌体的能量代谢；l后期（赖氨酸合成期），菌体生长速度后期（赖氨酸合成期），菌体生长速度明显减慢，明显减慢，L-赖氨酸大量积累，糖和氮赖氨酸大量积累，糖和氮消耗主要用于消耗主要用于L-赖氨酸的合成。赖氨酸的合成。l两个阶段在工艺控制上是不同的。两个阶段在工艺控制上是不同的。l在低于在低于20时，氨基酸合成途径的终产物对第时，氨基酸合成途径的终产物对第一步反应的酶的反馈抑制作用比在正常生长温一步反应的酶的反馈抑制作用比在正常生长温度下更大。度下更大。l

50、发酵前期，温度控制在发酵前期，温度控制在3032，如果温度过，如果温度过高，菌体容易衰老，发酵液的高，菌体容易衰老，发酵液的OD 值增长缓慢、值增长缓慢、耗糖慢，发酵周期延长，赖氨酸产量减少。耗糖慢，发酵周期延长，赖氨酸产量减少。l发酵中、后期产酸阶段，温度可提高至赖氨酸发酵中、后期产酸阶段，温度可提高至赖氨酸生物合成酶系的最适作用温度生物合成酶系的最适作用温度3234。l根据菌种，发酵过程可采用二级或三级温度管根据菌种，发酵过程可采用二级或三级温度管理理lpH 对微生物的生长繁殖和代谢产物形成对微生物的生长繁殖和代谢产物形成的影响的影响l赖氨酸发酵的最适赖氨酸发酵的最适pH 为，一般控制在，

51、为，一般控制在，在发酵过程控制在发酵过程控制pH平稳。平稳。l赖氨酸发酵过程中，发酵液的赖氨酸发酵过程中，发酵液的pH下降，下降，可以通过流加氨水或尿素来控制，也可可以通过流加氨水或尿素来控制，也可加入加入CaCO3来维持。来维持。l赖氨酸发酵中，流加尿素容易调节赖氨酸发酵中，流加尿素容易调节pH，初始，初始尿素浓度一般为。尿素浓度一般为。l接种接种23h后，菌体内脲酶分解尿素释放氨使后，菌体内脲酶分解尿素释放氨使pH 上升；上升；l随着菌体的生长，培养液中氨与碳源被利用，随着菌体的生长，培养液中氨与碳源被利用，生成有机酸等中间代谢产物而使生成有机酸等中间代谢产物而使pH 下降。下降。l当培养

52、至当培养至1418h,pH 降至时开始流加尿素，流降至时开始流加尿素，流加量为。加量为。l发酵整个过程中共流加发酵整个过程中共流加35次尿素，总量为次尿素，总量为。l产酸旺盛期流加量大些；发酵后期残糖量低时产酸旺盛期流加量大些；发酵后期残糖量低时少量流加。当残糖量低于少量流加。当残糖量低于2时就不必流加尿时就不必流加尿素。素。l只有在供氧充足的条件下只有在供氧充足的条件下,才大量生成赖氨酸。才大量生成赖氨酸。l供氧不足时影响菌体的生长，使赖氨酸产量降低；供氧不足时影响菌体的生长，使赖氨酸产量降低；l严重供氧不足，赖氨酸产量很少而积累乳酸。严重供氧不足，赖氨酸产量很少而积累乳酸。l菌体生长阶段菌

53、体生长阶段,对氧的需求量大于产酸阶段，溶氧分压对氧的需求量大于产酸阶段，溶氧分压一般控制在一般控制在0.41040.8104Pa。若此时通气和搅拌。若此时通气和搅拌强度低，氧供给不足，乳酸生成量增加，造成培养基强度低，氧供给不足，乳酸生成量增加，造成培养基pH 低，菌体生长缓慢，菌体量减少。低，菌体生长缓慢，菌体量减少。l即使在产酸阶段增大通气量，也无法弥补对赖氨酸产即使在产酸阶段增大通气量，也无法弥补对赖氨酸产量的影响。量的影响。l通气搅拌强度过高，会造成通气搅拌强度过高，会造成pH 高，耗糖快高，耗糖快,同样也会同样也会出现菌体生长缓慢的现象，降低赖氨酸的产量。出现菌体生长缓慢的现象，降低

54、赖氨酸的产量。l当菌体生长进入稳定期以后，溶氧分压控制在当菌体生长进入稳定期以后，溶氧分压控制在0.21040.4104Pa，直至发酵结束。，直至发酵结束。l生产菌：谷氨酸产生菌的各种突变株，均为生生产菌：谷氨酸产生菌的各种突变株，均为生物素缺陷型。物素缺陷型。l发酵培养基中需要生物素作为生长因子。发酵培养基中需要生物素作为生长因子。l以葡萄糖、丙酮酸为唯一碳源时，添加过量生以葡萄糖、丙酮酸为唯一碳源时，添加过量生物素物素(200500g/L)可使赖氨酸的积累显著增加。可使赖氨酸的积累显著增加。l过量生物素使细胞内合成的谷氨酸对谷氨酸脱过量生物素使细胞内合成的谷氨酸对谷氨酸脱氢酶的反馈抑制作用

55、增强，抑制谷氨酸的大量氢酶的反馈抑制作用增强，抑制谷氨酸的大量生成，使代谢流向合成天冬氨酸的方向进行。生成，使代谢流向合成天冬氨酸的方向进行。因此生物素有促进草酰乙酸生成因此生物素有促进草酰乙酸生成,增加天冬氨酸增加天冬氨酸供给，提高赖氨酸产量的作用。供给，提高赖氨酸产量的作用。l苏氨酸和蛋氨酸是赖氨酸生产菌的生长因子。苏氨酸和蛋氨酸是赖氨酸生产菌的生长因子。赖氨酸生产菌缺乏蛋白质分解酶。不能直接分赖氨酸生产菌缺乏蛋白质分解酶。不能直接分解蛋白质，只能将有机氮源水解后才能利用。解蛋白质，只能将有机氮源水解后才能利用。l大豆饼粉、花生饼粉和毛发水解液通常作为赖大豆饼粉、花生饼粉和毛发水解液通常作

56、为赖氨酸的发酵培养基。氨酸的发酵培养基。l如果培养基中的苏氨酸和蛋氨酸丰富，就会出如果培养基中的苏氨酸和蛋氨酸丰富，就会出现只长菌，而不产或少产赖氨酸的现象，所以现只长菌，而不产或少产赖氨酸的现象，所以要控制其亚适量，当菌体生长到一定时间后，要控制其亚适量，当菌体生长到一定时间后，转入产酸期。转入产酸期。l在赖氨酸发酵过程中，添加某些物质可在赖氨酸发酵过程中，添加某些物质可以提高赖氨酸的产量。以提高赖氨酸的产量。l如谷氨酸棒状杆菌发酵糖蜜生产赖氨酸如谷氨酸棒状杆菌发酵糖蜜生产赖氨酸时，添加与不添加胱氨酸发酵液，赖氨时，添加与不添加胱氨酸发酵液，赖氨酸的产量分别为酸的产量分别为55g/L、40g

57、/L。l谷氨酸是一种重要的氨基酸。谷氨酸是一种重要的氨基酸。l味精味精谷氨酸单钠谷氨酸单钠l谷氨酸还可以制成对皮肤无刺激性的洗涤剂谷氨酸还可以制成对皮肤无刺激性的洗涤剂十二烷基谷氨酸钠肥皂、能保持皮肤湿润的十二烷基谷氨酸钠肥皂、能保持皮肤湿润的润肤剂润肤剂焦谷氨酸钠、质量接近天然皮革的焦谷氨酸钠、质量接近天然皮革的聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料等。聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料等。l谷氨酸是目前氨基酸生产中产量最大的一种，谷氨酸是目前氨基酸生产中产量最大的一种，谷氨酸发酵生产工艺也是氨基酸发酵生产中最谷氨酸发酵生产工艺也是氨基酸发酵生产中最典型和最成熟的。典型和最成熟的。l谷氨酸发酵生

58、产以淀粉水解糖为原料。谷氨酸发酵生产以淀粉水解糖为原料。l淀粉水解糖的制备一般有酸水解法和酶水解法。淀粉水解糖的制备一般有酸水解法和酶水解法。l水解糖液要求水解糖液要求 糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖的标准。糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖的标准。糖液洁净、杏黄色或黄绿色，有一定的透光糖液洁净、杏黄色或黄绿色，有一定的透光度。度。糖液中不含糊精。糖液中不含糊精。糖液不能变质。糖液不能变质。l主要有棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节主要有棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌。除节杆菌外，其他三属中有许杆菌属的细菌。除节杆菌外，其他三属中有许多菌种适用于糖质原料的谷氨酸发酵。这些细多菌

59、种适用于糖质原料的谷氨酸发酵。这些细菌都是需氧微生物，都需要以生物素为生长因菌都是需氧微生物，都需要以生物素为生长因子。子。l我国所用菌种：北京棒状杆菌、钝齿棒状杆菌、我国所用菌种：北京棒状杆菌、钝齿棒状杆菌、HU7251及及7338、B9等。等。l在正常情况下谷氨酸发酵产酸率可达在正常情况下谷氨酸发酵产酸率可达4%6%，谷氨酸对糖的转化率为谷氨酸对糖的转化率为40%50%。l（1）斜面培养：一般采用牛肉膏蛋白胨培养）斜面培养：一般采用牛肉膏蛋白胨培养基，基，32培养培养1824h，冰箱保存。，冰箱保存。l（2）一级种子培养：采用液体培养基，由葡）一级种子培养：采用液体培养基，由葡萄糖、玉米浆

60、、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰等组成，硫酸铁及硫酸锰等组成，pH为，在三角瓶为，在三角瓶内内32振荡培养振荡培养12h，贮存于，贮存于4冰箱。冰箱。l（3）二级种子培养：培养基除用水解糖）二级种子培养：培养基除用水解糖代替葡萄糖外，其他与一级种子培养基代替葡萄糖外，其他与一级种子培养基相仿。在种子罐内相仿。在种子罐内32通气搅拌培养通气搅拌培养710h，即可移种或冷却至，即可移种或冷却至10备用。备用。l 镜检：菌体健壮，排列整齐，大小均一，呈单镜检：菌体健壮，排列整齐，大小均一，呈单个或八字形排列。个或八字形排列。l 染色性：革兰氏阳性。染

61、色性：革兰氏阳性。l二级种子的活菌浓度要求达到二级种子的活菌浓度要求达到108109个个/ml。l种子活力旺盛种子活力旺盛l平板检查：菌落淡黄色，中间隆起，表面湿润，平板检查：菌落淡黄色，中间隆起，表面湿润，有光泽，边缘整齐，呈半透明状。有光泽，边缘整齐，呈半透明状。l小摇瓶发酵试验，产酸稳定并在高峰。小摇瓶发酵试验，产酸稳定并在高峰。l发酵初期：菌体生长迟滞，约发酵初期：菌体生长迟滞，约24h后进入对后进入对数生长期，代谢旺盛，糖耗快，这时必须流加数生长期，代谢旺盛，糖耗快，这时必须流加尿素以供给氮源并调节培养液的尿素以供给氮源并调节培养液的pH至，温至，温度为度为 3032。l此阶段主要是

62、菌体生长，几乎不产酸，菌体内此阶段主要是菌体生长，几乎不产酸，菌体内生物素含量由丰富转为贫乏，时间约生物素含量由丰富转为贫乏，时间约12h。l发酵中期：进入谷氨酸合成阶段，此时菌体浓发酵中期：进入谷氨酸合成阶段，此时菌体浓度基本不变，糖与尿素分解后产生的。度基本不变，糖与尿素分解后产生的。-酮酮戊二酸和氨主要用来合成谷氨酸。这一阶段应戊二酸和氨主要用来合成谷氨酸。这一阶段应及时流加尿素提供氨以维持谷氨酸合成的最及时流加尿素提供氨以维持谷氨酸合成的最适，需要大量通气，并将温度提高到谷氨酸适，需要大量通气，并将温度提高到谷氨酸合成的最适温度合成的最适温度3437。l发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖

63、低，需减发酵后期：菌体衰老，糖耗慢，残糖低，需减少流加尿素量。当营养物质耗尽、谷氨酸浓度少流加尿素量。当营养物质耗尽、谷氨酸浓度不再增加时，及时放罐。发酵周期约为不再增加时，及时放罐。发酵周期约为30h。l温度：生长温度：生长30 32；产酸；产酸34 37 lpH值：发酵前期左右；发酵中、后期左右值：发酵前期左右；发酵中、后期左右l菌龄及接种量：接种对数期生长的种子；接种菌龄及接种量：接种对数期生长的种子；接种量一般为。量一般为。l通风量与搅拌速度：菌体生长期小通风、谷氨通风量与搅拌速度：菌体生长期小通风、谷氨酸产生期加大通气量；酸产生期加大通气量；l磷酸盐：浓度不能太高，否则向缬氨酸发酵磷

64、酸盐：浓度不能太高，否则向缬氨酸发酵环境因子环境因子发酵产物转换发酵产物转换溶解氧溶解氧 乳酸或琥珀酸乳酸或琥珀酸谷氨酸谷氨酸酮戊二酸酮戊二酸 （通气不足）（通气不足）（适量）（适量）（通气过量，转速过快）（通气过量，转速过快）氨离子氨离子 酮戊二酸酮戊二酸谷氨酸谷氨酸谷氨酰胺谷氨酰胺 （缺乏）（缺乏）（适量）（适量）（过量）（过量）pH 谷氨酰胺，谷氨酰胺，N乙酰谷酰胺乙酰谷酰胺谷氨酸谷氨酸（pH值值58，氨离子过多），氨离子过多）（中性或微碱性）（中性或微碱性）磷酸磷酸 缬缬 氨氨 酸酸谷氨酸谷氨酸（高浓度磷酸盐）（高浓度磷酸盐）（磷酸盐适量）（磷酸盐适量）生物素生物素 乳酸或琥珀酸乳酸或

65、琥珀酸谷氨酸谷氨酸 （过量）（过量）（限量）（限量）生物素、氯化生物素、氯化铵、醇类、铵、醇类、脯脯 氨氨 酸酸谷氨酸谷氨酸(正常条件生物素亚适量）正常条件生物素亚适量）l（1）选育高产菌种）选育高产菌种 菌体自发突变；物理化学诱变；体外菌体自发突变；物理化学诱变；体外DNA 重重组、原生质体融合等。组、原生质体融合等。高产菌株应具有的特点：高产菌株应具有的特点：丧失丧失-酮戊二酸脱氢酶的氧化能力；酮戊二酸脱氢酶的氧化能力；谷氨酸脱氢酶活力高；谷氨酸脱氢酶活力高；氧化还原氨基化反应强；氧化还原氨基化反应强；CO2固定反应强；固定反应强；异柠檬酸脱氢酶活力强；异柠檬酸脱氢酶活力强；不分解和利用谷

66、氨酸；不分解和利用谷氨酸；耐高糖、高浓度的谷氨酸。耐高糖、高浓度的谷氨酸。l（2）根据菌种特性控制最适宜的发酵条件）根据菌种特性控制最适宜的发酵条件l（3）追加糖化法）追加糖化法 低糖浓度、大接种量使菌体迅速生长，发酵期低糖浓度、大接种量使菌体迅速生长，发酵期追加糖，维持一定的糖浓度，加大产酸和转化追加糖，维持一定的糖浓度，加大产酸和转化率。率。l发酵液发酵液OD值在初期开始上升，而后又下降值在初期开始上升，而后又下降或不上升。或不上升。l发酵液发酵液pH逐渐上升，逐渐上升，48h内可达以上，且内可达以上，且不下降。不下降。l不耗糖或耗糖缓慢。不耗糖或耗糖缓慢。l泡沫大、黏度大、有时成胶状；可拔丝。泡沫大、黏度大、有时成胶状；可拔丝。l发酵周期长，产酸低或不产酸。发酵周期长，产酸低或不产酸。l镜检时，菌体减少，缺少八字排列，菌体变镜检时，菌体减少，缺少八字排列，菌体变胖，革兰氏染色呈红色片状。严重时呈网状或胖，革兰氏染色呈红色片状。严重时呈网状或鱼翅状，几乎看不到完整细胞。鱼翅状，几乎看不到完整细胞。l发酵中后期，周期稍延长，温度缓慢升，谷发酵中后期，周期稍延长，温度缓慢升，谷氨酸产量