氨基酸发酵工艺.ppt
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1、1 概述,氨基酸的应用 1、食品工业:营养强化剂、鲜味剂、甜味剂。 2、饲料工业:营养强化剂。 3、医药工业:氨基酸输液、氨基酸衍生物、氨基酸盐。 4、化学工业:洗涤剂,护肤品,人造革。 5、农业:无公害农药。,1 概述,氨基酸的应用 食品工业: 强化食品:谷物中缺赖氨酸,苏氨酸,色氨酸、蛋氨酸。 增鲜剂:谷氨酸单钠和天冬氨酸。 苯丙氨酸与天冬氨酸可用于制造低热量二肽甜味剂(-天冬酰苯丙氨酸甲酯),此产品1981年获FDA批准,现在每年产量已达数万吨。,1 概述,氨基酸的应用 食品工业: 大豆蛋白的氨基酸组成影响其营养效价。,氨基酸名称缩写,1 概述,氨基酸的应用 医药工业: 多种复合氨基酸制
2、剂可通过输液治疗营养或代谢失调; 苯丙氨酸与氮芥子气合成的苯丙氨酸氮芥子气对骨髓肿瘤治疗有效,且副作用低。,1 概述,氨基酸的生产方法 1、发酵法 (1)直接发酵 野生菌株 营养缺陷型突变 抗氨基酸结构类似物突变株 抗氨基酸结构类似物突变株的营养缺陷型菌株 营养缺陷型回复突变株发酵。 (2)添加前体的发酵,1 概述,氨基酸的生产方法 2、酶法:利用酶来制造氨基酸。 3、提取法:蛋白质水解液中提取。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸 4、合成法:DL-蛋氨酸、丙氨酸、甘氨酸、苯丙氨酸 传统的提取法、酶法和化学合成法由于前体物的成本高,工艺复杂,难以达到工业化生产的目的。,1 概述,氨基酸的国外生产概况 日
3、本和德国为世界主要氨基酸生产国。日本的味之素、协和发酵及德国的德固沙是世界氨基酸生产的三巨头。它们能生产高品质的氨基酸,可直接用于输液制剂的生产。日本在美国、法国等建立了合资的氨基酸生产厂家,生产氨基酸和天冬甜精等衍生物。,1 概述,氨基酸的国内生产概况 天津氨基酸公司、湖北八峰氨基酸公司 生产规模及产品质量与国外大厂有较大差距。 在80年代中后期,我国从日本的味之素、协和发酵以技贸合作的方式引进输液制剂的制造技术,1991年销售量为二千万瓶,1996年达六千万瓶,主要厂家有无锡华瑞,北京费森尤斯,昆明康普莱特,但生产原料都依赖进口。,2 氨基酸发酵的代谢控制,控制发酵的环境条件 氨基酸发酵受
4、菌种的生理特性和环境条件的影响,对专性需氧菌来说环境条件的影响更大。 谷氨酸产生菌因环境条件的影响会引起发酵的转换,生成各种不同的产物。,2 氨基酸发酵的代谢控制,溶解氧:乳酸或琥珀酸 谷氨酸 酮戊二酸 (通气不足) (适中) (通气过量、转速过快) NH4+:酮戊二酸 谷氨酸 谷酰胺 (缺乏) (适量) (过量) pH: 谷酰胺,N乙酰谷酰胺 谷氨酸 (pH 5-8,NH4+过多) (中性或微碱性) 磷酸: 缬氨酸 谷氨酸 (高浓度磷酸盐) 生物素: 乳酸或琥珀酸 谷氨酸 (过量) (限量),2 氨基酸发酵的代谢控制,控制细胞渗透性 代谢产物的细胞透性是氨基酸发酵的重要因素,只有使细胞内的氨
5、基酸渗透到细胞外,才能大量积累氨基酸。 (1)生物素、油酸和表面活性剂,引起细胞膜的脂肪酸成分的改变。 (2)青霉素:抑制细胞壁的合成,由于细胞内外的渗透压差使谷氨酸泄漏出来。,2 氨基酸发酵的代谢控制,2 氨基酸发酵的代谢控制,控制旁路代谢 例如:L异亮氨酸的生物合成可由L苏氨酸改为D苏氨酸途径,即采用旁路代谢。,2 氨基酸发酵的代谢控制,2 氨基酸发酵的代谢控制,降低反馈作用物的浓度 控制反馈作用物浓度,克服反馈抑制和阻遏,使氨基酸的生物合成反应能够顺利进行。,2 氨基酸发酵的代谢控制,2 氨基酸发酵的代谢控制,消除终产物的反馈抑制与阻遏作用 消除终产物的反馈抑制与阻遏作用,是通过使用抗氨
6、基酸结构类似物突变株的方法来进行。 例:利用抗性突变株消除S-(-氨基乙酸)-L-半胱氨酸(即AEC)(赖氨酸的结构类似物)与L-苏氨酸的协同抑制。,2 氨基酸发酵的代谢控制,2 氨基酸发酵的代谢控制,促进ATP的积累,增加氨基酸的生物合成 氨基酸的生物合成需要能量,ATP的积累可促进氨基酸的生物合成。,2 氨基酸发酵的代谢控制,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 pH 温度 氧,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 1、碳源: 淀粉水解糖、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烃 碳源浓度要适当,避免碳源浓度过高,否则对菌体生长不利,氨基酸的转化率降低。 菌种性质、生产氨基酸种类和所采用的发酵操作决定碳源种类。,3
7、 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 2、氮源:铵盐、尿素、氨水,同时调整pH值。 营养缺陷型需要添加适量氨基酸时,主要添加有机氮源水解液。 需生物素和氨基酸时,以玉米浆作氮源。 尿素灭菌时分解或形成磷酸铵镁盐,须单独灭菌,40的尿素可在10840min,高温会生产缩脲。 氨水用pH自动控制连续流加。,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 3、碳氮比 氮源除用于菌体生长外,还用于氨基酸合成,在氨基酸发酵中常常是用氨水、尿素来调节pH,所以氨基酸发酵所用的C/N比一般微生物发酵的低,或者说氮源用量更高。,谷氨酸发酵在C/N小于100:11时才开始积累谷氨酸,所以通常情况下谷氨酸发酵C/N为100:(153
8、0)。 合成菌体使用36的氮源;合成谷氨酸用去3080氮源。,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 4、NH4+浓度:过低增加-酮戊二酸积累,过高使谷氨酸转化为谷氨酰胺。 5、磷酸盐:对发酵有显著影响。不足时糖代谢受抑制。 6、镁:是已糖磷酸化酶、柠檬酸脱氢酶和羧化酶的激活剂,并促进葡萄糖-6-磷酸脱氢酶活力。 7、钾:促进糖代谢。谷氨酸产酸期钾多利于产酸,钾少利于菌体生长。,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 8、钠:调节渗透压作用,一般在调节pH值时加入。 9、锰:是许多酶的激活剂。 10、铁:是细胞色素、细胞色素氧化酶和过氧化氢酶的活性基的组成分,可促进谷氨酸产生菌的生长。 11、铜离子:对氨
9、基酸发酵有明显毒害作用。,3 氨基酸发酵的工艺控制,培养基 生长因子:生物素 作用:影响细胞膜透性和代谢途径。 浓度:过多促进菌体生长,氨基酸产量低。过少菌体生长缓慢,发酵周期长。 与其它培养条件的关系:氧供给不足,生物素过量时,发酵向其它途径转化。 来源:玉米浆、麸皮水解液、甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜。,3 氨基酸发酵的工艺控制,pH对氨基酸发酵的影响及其控制 作用机理:主要影响酶的活性和菌的代谢。 控制pH方法:流加尿素和氨水 流加方式:根据菌体生长、pH变化、糖耗情况和发酵阶段等因素决定。,3 氨基酸发酵的工艺控制,pH对氨基酸发酵的影响及其控制 控制: (1)菌体生长或耗糖慢时,少量多次流加尿
10、素,避免pH过高 (2)菌体生长或耗糖过快时,流加尿素可多些,以抑制菌体生长。 (3)发酵后期,残糖少,接近放罐时,少加或不加尿素,以免造成氨基酸提取困难。 (4)氨水对pH影响大,应采取连续流加。,3 氨基酸发酵的工艺控制,温度对氨基酸发酵的影响及其控制 菌体生长达一定程度后再开始产生氨基酸,因此菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度是不同的。谷氨酸前者3032C,后者3437C。 菌体生长阶段温度不宜过高,否则菌体易衰老,pH增高,糖耗减慢,酸产量低。 当菌体生长温度过高时:要减少通风量,少量多次流加尿素,来促进菌体生长。 发酵中后期:维持合成温度,以利氨基酸合成。,3 氨基酸发酵的工艺控
11、制,氧对氨基酸发酵的影响及其控制 要求供氧充足的谷氨酸族氨基酸发酵:生物合成与TCA循环有关。 适宜在缺氧条件下进行的亮氨酸、苯丙氨酸和缬氨酸发酵:菌体呼吸受阻时产量最大。 供氧不足时产酸受轻微影响的天冬氨酸族氨基酸发酵,4 谷氨酸生产工艺,谷氨酸生产概述 起初工业化生产采取小麦或大豆蛋白质水解制取。 1957年,日本率先采用微生物发酵生产,并实现工业化,被誉为现代发酵工业的重大创举,使发酵工业进入调节调控水平。 目前世界产谷氨酸钠30吨/年,占氨基酸总量的2/3。 我国现有200余家生产,年产量达15万吨,居世界首位。,谷氨酸发酵生产流程,4 谷氨酸生产工艺,谷氨酸产生菌株特点 革兰氏阳性
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