氨基酸发酵工艺学要点
氨基酸发酵生产工艺
氨基酸发酵生产工艺1. 概括氨基酸在药品、食品、饲料、化工等行业中有重要应用。
氨基酸的制造始于1820年，蛋白质酸水解生产氨基酸，1850年化学合成氨基酸，1956年分别到谷氨酸棒状杆菌，日本采纳微生物发酵法工业化生产谷氨酸成功，1957年生产谷氨酸钠（味精）商业化，此后推进了氨基酸生产的大发展。
当前绝大部分应用发酵法或酶法生产，很少量为天然提取或化学合成法生产。
主要菌种有谷氨酸棒杆菌、黄色短杆菌、乳糖发酵短杆菌、短芽孢杆菌、粘质赛式杆菌等，常常是生物素缺点型，也有些是氨基酸缺点型。
还有采纳基因工程菌进行生产的。
氨基酸的世界市场中，谷氨酸钠约占氨基酸总量的75％，其次为赖氨酸，占产量10％，其余约占15％。
外国谷氨酸采纳甘蔗糖蜜或淀粉水解糖为原料的强迫发酵工艺，产酸率13－15％，糖酸转变率 50－60％；国内采纳淀粉水解糖或甜菜糖蜜为原料生物素亚适当发酵工艺，产酸率10％，转变率60％。
菌种改进和新工艺开发，促使了中国氨基酸家产发展，应用于输液的18种氨基酸原料只有丝氨酸和色氨酸不可以工业化生产仍需入口外，其余16种均已投产，国产化80％以上。
2002年，全国氨基酸原料产品万吨，医药用总产量超出4200吨。
2002年氨基酸制剂近1亿支（片/瓶）。
氨基酸原料生产公司约20多家，制剂生产公司30多家。
甘氨酸3000多吨，赖氨酸及其盐酸盐约1000吨，天门冬氨酸、缬氨酸、谷氨酸、亮氨酸、丙氨酸等几百吨。
谷氨酸钠的生产规模最大，居世界首位。
氨基酸生产工艺培育基制备水解淀粉、糖蜜、醋酸、乙醇、烷烃等可作为碳源，取决于菌种和氨基酸种类和操作方式，常采纳水解淀粉糖、糖蜜。
氨盐、尿素、氨水等作为无机氮源，有机氮源有玉米浆、麸皮水解液、豆饼等。
有机氮源还可供给生物素等微生物生长因子的根源。
碳氮比关于氨基酸发酵特别重要，调理适合的碳氮比。
无机盐是发酵必要的，磷有很重要的影响。
主要发酵参数控制三级发酵进行生产，主要参数控制以下。
氨基酸类药物的发酵生产—谷氨酸的发酵生产
生物素的来源：氨基酸生产上可以作为生物素来源的原料 有玉米浆、麸皮水解液、糖蜜及酵母水解液等，通常选取 几种混合使用。例如，许多工厂选择纯生物素、玉米浆、 糖蜜这三种物质来配制培养基。各种原料来源及加工工艺 不同，所含生物素的量不同。玉米浆含生物素500μg/kg， 麸皮含生物素300μg/kg，甘蔗糖蜜含生物素1500μg/kg。
操作简单 周期长，占地面积大。
直接常温等电点法工艺流程
发酵液
起晶中和点（pH4-4.5) 育晶（2h）
盐酸
菌体及细小的 谷氨酸晶体
等电点搅拌pH3-3.22 静置沉降4-6h 离心分离
成品
母液
干燥
湿谷氨酸晶体
2、离子交换法
可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨 酸阳离子，并可用热碱液洗脱下来，收集谷氨酸 洗脱流分，经冷却、加盐酸调pH 3.0～3.2进行结 晶，之后再用离心机分离即可得谷呈棒形或短杆形； 革兰氏阳性菌，无鞭毛，无芽孢；不能运动； 需氧性的微生物； 生物素缺陷型； 脲酶强阳性； 不分解淀粉、纤维素、油脂、酪蛋白、明胶等；
发酵中菌体发生明显形态变化，同时细胞膜渗透性改变； 二氧化碳固定反应酶系强； 异柠檬酸裂解酶活力欠缺或微弱，乙醛酸循环弱； α-酮戊二酸氧化能力微弱； 柠檬酸合成酶、乌头酸酶、异柠檬酸脱氢酶、谷氨酸脱氢酶活
有机氮丰富有利于长菌，因此谷氨酸发酵前期要 求一定量的有机氮，通常在基础培养基中加入适 量的有机氮，在发酵过程中流加尿素、液氨或氨 水来补充无机氮。
（3）无机盐
磷酸盐 ：工业生产上可用K2HPO4·3H2O、KH2PO4、 Na2HPO4·12H2O、NaH2PO4·2H2O等磷酸盐，也可用磷酸。 过高：代谢转向合成缬氨酸。 过低：菌体生长缓慢。
第4章氨基酸发酵生产工艺
• ⑵酶法转化工艺
利用酶的离体专一性反应，催化底物生产有活性 的氨基酸。
D-氨基酸和DL-氨基酸的手性拆分 工艺简便、转化率高、副产物少、容易精制。 占总量的10%左右
• ⑶全化学合成生产工艺
不受氨基酸品种的限制，理论上可生产天然氨基 酸和非天然氨基酸。
产物是DL-型外消旋体，必须拆分才得单一对映 体。
• 组成蛋白质的氨基酸有20种，多数为L-型，也是 人体能吸收利用的活性形式
• 初级代谢产物 • 根据R基团的化学结构不同，分为：15种脂肪族的， 2种芳香族的，2种杂环的，以及1种亚基氨基酸。 • 根据R基团的极性，分为：12种极性与8种非极性 • 根据酸碱性，分为：2种酸性的，3种碱性的，以及 15种中性氨基酸。 • 根据人体生理生化过程能否合成，分为：(8+2)种必 需和10种非必需氨基酸 • 应用：药品、食品、饲料、化工等
4.1.2 氨基酸的理化性质
• 无色晶体，熔点200~300℃，一般溶于水、稀酸 稀碱，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂，常用乙醇 沉淀氨基酸。 • 除甘氨酸外，有旋光性，测定比旋度可鉴定氨基 酸的纯度。 • 芳香族氨基酸在紫外有吸收峰，可用于鉴别、合 成、定性和定量分析中。
• 氨基酸是弱的两性电解质，在酸性环境，带正电荷； 碱性环境，带负电荷；净电荷为0时的pH值为等电 点pI。由于静电作用，等电点时，溶解度最小，容 易沉定，可用于氨基酸的制备。
氨基酸
分子量
甘氨酸
75.07
丙氨酸
89.10
缬氨酸
117.15
亮氨酸
131.18
异亮氨酸
131.18
丝氨酸
105.09
苏氨酸
119.12
半胱氨酸
氨基酸发酵工艺学
氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学是研究氨基酸生产过程中的发酵过程和工艺参数的科学。
氨基酸是生命体中重要的有机物质，广泛应用于医药、化工、食品等领域。
通过发酵工艺学的研究，可以优化氨基酸的生产工艺，提高产量和质量，降低生产成本。
氨基酸发酵工艺学主要包括微生物的选育与改良、发酵介质的配方和优化、发酵条件的控制等环节。
首先，通过选择适合生产目标氨基酸的微生物种类进行培养，并通过基因改造等手段提高其产酸能力和抗生素产量。
其次，合理配方发酵介质，提供微生物生长和代谢所需的营养物质，如碳源、氮源、无机盐等，并优化营养物质浓度和比例，以提高产酸效率。
同时，还需要注意控制介质的pH值、温度和氧气供应等因素，以最大程度地促进微生物生长和酸产量。
此外，还需要加入抗泡剂、抗生素等辅助物质，防止发酵过程中的杂菌污染。
在发酵过程中，通过监测微生物生长曲线、消耗和产酸速率等指标来了解反应的进程和微生物代谢状态。
根据这些数据，可以调整前述的工艺参数，如发酵温度、密度、通气量、搅拌速度等，以提高产酸效率和酸产量。
在工艺的最后阶段，通过优化酸的提取、纯化和结晶工艺，以获得高纯度的氨基酸产品。
随着生物技术的发展，氨基酸发酵工艺学还涉及到基因工程、酶工程等新技术的应用。
通过选择、改造和优化微生物的代谢途径和酶系统，可以进一步提高氨基酸的产酸效率和产量，同时降低废水和废料的排放。
总之，氨基酸发酵工艺学是一门综合知识学科，涉及到微生物学、生化学、工程学等多个领域的知识。
通过深入研究和应用，可以不断改进氨基酸生产工艺，满足市场需求，推动氨基酸产业的发展。
氨基酸发酵工艺学是一门涉及微生物学、生化学、生物工程学等多学科的综合学科，旨在通过研究发酵过程和优化工艺参数，提高氨基酸的产量和质量，降低生产成本，促进氨基酸产业的发展。
在氨基酸发酵工艺学中，微生物的选育与改良是一个重要的环节。
微生物是氨基酸发酵的生产工具，不同的微生物对于氨基酸的产量和产物特性有着不同的影响。
《氨基酸工艺学》6 氨基酸发酵过程控制
（六）响应面分析法
➢发酵培养基优化的步骤： ①所有影响因子的确认； ②影响因子的筛选，以确定各个因子的影响程度； ③根据影响因子和优化的要求，选择优化策略； ④实验结果的数学或统计分析，确定其最佳条件； ⑤最佳条件的验证。
（六）响应面分析法
钾盐比菌体生长需要的钾盐高。
➢菌体生长需要钾盐量约为0.1 g/L，氨基酸生产需 要钾盐量为0.2~1.0 g/L。
（三）无机盐
（4）微量元素： ➢微生物需要量非常少但又不可完全没有的元素称
为微量元素。
➢如锰是某些酶的激活剂，羧化反应需要锰，一般 配比为2 mg/L。铁是细胞色素氧化酶、过氧化 氢酶的组成部分，也是一些酶的激活剂，配比为 2 mg/L。
（六）相容性溶质
➢相容性溶质概念： 微生物通过在胞内积累有限的几种小分子溶质，如 糖醇、有机碱和氨基酸等以提高细胞内水活度，使 细胞的体积和膨压达到正常水平，并避免细胞内所 有物质浓度的升高，这类溶质的高浓度积累可使细 胞内外渗透压达到平衡，并且不妨碍细胞正常的代 谢活动，因而被称为“相容性溶质”。
（三）无机盐
元素 磷
硫 镁 钙 钠 钾
化合物形成（常用）
生理功能
KH2PO4，K2HPO4
核酸、核蛋白、磷酸、辅酶及ATP等高 能分子的成分，作为缓冲系统调节培养
基pH
含硫氨基酸（半胱氨酸、甲硫氨酸等）、 (NH4)2SO4，MgSO4 维生素的成分，谷胱甘肽可调节胞内氧
化还原电位
MgSO4
己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱氢酶、核酸 聚合酶等活性中心组分
（六）相容性溶质
➢甜菜碱是在甜菜糖蜜中发现的季铵型生物碱，具 有维持和调节细胞渗透压、保护酶以及参与甲基 化反应等重要功能。
氨基酸发酵生产工艺学
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酶法糖化：以大米或碎米为原料时采用
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3、合适C/N
氮源用于调整pH。 合成菌体。 生成氨基酸，因此比一般微生物发酵 的C/N低。
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4
4、磷酸盐：对发酵有显著影响。不足时糖 代谢受抑制。
5、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。
6、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。
（1）有苹果酸酶和丙酮酸羧化酶。 （2）－酮戊二酸脱氢酶活性弱，异柠檬酸脱氢
酶活性强，异柠檬酸裂解酶活性弱。 （3）谷氨酸脱氢酶活性高，经呼吸链氧化
NADPH2 的能力弱。
（4）菌体本身利用谷氨酸的能力低。
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4.谷氨酸产生菌（全是细菌）
棒杆菌属 北京棒杆菌 C. pekinense Corynebacterium 钝齿棒杆菌 C. crenatum
我国现有50余家生产，年产量达160万吨万吨，居世界
首位。
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二、谷氨酸的生物合成机理
1. 谷氨酸 （-氨基戊二酸）
O C-OH H2N- C- H H-C-H
第一代鲜味剂 L-谷氨酸单钠盐——味精
H-C-H
H-C O
OH L-型
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2.谷氨酸的生物合成
葡萄糖
中间产物
第十章 氨基酸发酵生产工艺学
2.饲料工业: 甲硫氨酸等必需氨基酸可用于制造动物饲料 3.医药工业: 多种复合氨基酸制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. 4.化学工业:谷氨基钠作洗涤剂,丙氨酸制造丙 氨酸纤维.
氨基酸的生产方法
发酵法: 直接发酵法:野生菌株发酵,营养 缺陷型突变发酵,抗氨基酸结构类似物 突变株发酵,抗氨基酸结构类似物突变 株的营养缺陷型菌株发酵和营养缺陷型 回复突变株发酵. 添加前体法
酶法:利用微生物细胞或微生物产生的酶来制 造氨基酸. 提取法:蛋白质水解,从水解液中提取.胱氨 酸,半胱氨酸和酪氨酸 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.
生产氨基酸的大国为日本和德国. 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.
3.1.2 载体的构建
有效的载体需要有在受体菌中可启动的 复制起始位点,这可从棒状杆菌家族内 源小质粒中获得; 载体所需的筛选标记及外源基因插入的 多克隆位点,可从常用的克隆载体中获 得.
3.1.3 基因转移手段
由于棒状杆菌是革兰氏阳性菌,CaCl2转化法对它 不适用. 通常采用的方法有:原生质体转化,转导,电转化, 接合转移. 原生质体转化的方法是较早采用的方法,由于受 到原生质体再生条件的局限,效率不高; 电转化方法由于高效,快速被广泛使用,目前它 的转化效率可达到原生质体转化法的100～1000倍. 接合转移可用于基因在亲缘关系远的物种之间的 转移,并且可将外源基因整合于染色体上,易于 稳定遗传.
发酵工程 15-2氨基酸发酵
3、谷氨酸发酵培养基的配制
1）培养基 2）发酵培养基中生物素的控制 亚适量。
3）发酵培养基中的氮源
谷氨酸分子中氮含量占9.5%，所以培养基中必须提供 相对充足的氮源。 谷氨酸产生菌的生长和产物合成时期需维持在pH7.07.2，而且培养基中铵离子浓度又不宜太高，因此，不 宜采用硫酸铵、氯化铵等生理酸性铵盐。
2、L-谷氨酸发酵原料的预处理
已知所有谷氨酸产生菌都不能直接利用淀粉或糊 精，而只能以葡萄糖等作为碳源。所用的山芋淀 粉、玉米淀粉、大米或木薯淀粉都需先进行水解， 制成葡萄糖。 1）酸法制水解糖液 2）酶法制水解糖液
3）糖蜜原料：甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜中都含有丰富 的生物素，不宜直接作为谷氨酸发酵的碳源，发 酵前必须进行预处理，去除生物素或将其破坏。
生理活性和化学特性。 主要应用领域是食品、饲料、化妆品、医药， 也用作化学工业的中间体。据估计全世界每年 氨基酸市场为40－50亿美元，其中35%用于食
品、50%用于饲料和15%用于医药和化妆品。
1、食品领域
氨基酸大多无味，但它们是自然芳香的前体 谷氨酸钠（味精）是所有氨基酸中最大生产品种， 全世界年产量达100万吨（中国大陆约为60万吨）。
法育成的菌株，进行发酵生产（L-羟脯氨酸）。
谷氨酸发酵
1957年日本率先采用微生物发酵法生产谷氨酸，
被誉为现代发酵工业的重大创举，使发酵工业
进行代谢控制发酵的阶段。目前全国有近50家
工厂生产味精，年产量约为60万吨，居世界首 位。
一、菌种
现在经过鉴定和命名的谷氨酸生产菌很多，主
要是棒杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌 属中的细菌。 它们有很多相似点：革兰氏阳性；不形成芽孢； 没有鞭毛，不能运动；都需要生物素作为生长
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氨基酸发酵工艺学要点
味精厂的主要生产车间：糖化车间、发酵车间、提取车间、精制车间
淀粉生产的流程。
淀粉的液化及糖化定义。
淀粉液化过程使用淀粉酶，水解位置1，4糖苷键，糖化过程使用糖化酶，水解位置1，4糖苷键和1，6糖苷键。
液化结束后，为何要进行灭酶处理，如何操作？
葡萄糖的复合反应。
淀粉的糊化、老化定义及影响老化的因素。
DE值与DX值的概念
淀粉水解糖的质量要求有哪些？
说说酸水解法、酸酶法和酶水解法三种不同水解工艺的优劣？
固定化酶的定义及制备方法有哪几种？
生物素对谷氨酸生物合成途径影响。
在谷氨酸发酵中如何控制细胞膜渗透性。
诱变育种概念。
谷氨酸生产菌的育种思路
现有谷氨酸生产菌主要有哪四个菌属。
谷氨酸发酵生产菌的主要生化特点。
日常菌种工作。
菌种扩大培养的概念和任务
谷氨酸发酵一级种子和二级种子的质量要求
影响种子质量的主要因素
氨基酸生产菌菌种的来源有哪些。
工业微生物菌种保藏技术是哪几种？
冷冻保藏的分类
菌种衰退和复壮的概念
代谢控制发酵的定义
谷氨酸发酵培养基包括哪些主要营养成分。
生长因子的概念
影响发酵产率的因素有哪些。
谷氨酸发酵过程调节pH值的方法
谷氨酸发酵不同阶段对PH的要求：前期pH7.3、中期pH7.2 、后期pH7.0 放罐pH6.8
谷氨酸发酵时,出现泡沫过多,一般是什么原因,该怎样处理?
谷氨酸发酵过程，菌体生长缓慢或不长的原因及解决方法？
谷氨酸发酵过程，耗糖快,pH偏低, 产酸低原因及解决方法
谷氨酸生产菌最适生长温度为？，发酵谷氨酸最适发酵温度？，最适合生长pH为？。
发酵过程中CO
2迅速下降，说明污染噬菌体， CO
2
连续上升，说明污染杂菌
消泡方法有哪几种？一次高糖发酵工艺
噬菌体侵染的异常现象染菌的分析
（1）从染菌时间分析：
早期：培养基灭菌不彻底、种子带菌等；
中后期：设备渗漏、空气系统。
（2）从染菌类型分析：
耐热的芽孢杆菌：灭菌不彻底，净化空气带菌，设备渗漏；
无芽孢的球菌、酵母等：设备渗漏。
（3）从染菌幅度分析：
个别罐：料液或设备灭菌不彻底；
大面积罐：空气系统、种子、公用设备存在染菌。
发酵染菌的预防措施。
污染噬菌体后的挽救措施
提炼的概念
生产上选择谷氨酸提取工艺的原则是：工艺简单、操作方便、所用原材料价格低廉，来源丰富、提取收率高、产品纯度高、劳动强度小、尽量不造成或减少环境污染。
谷氨酸提取的主要方法有哪几种？
谷氨酸等电点法提取最后调PH为？,锌盐法提取谷氨酸最后调PH为？
影响谷氨酸结晶的因素。
Glu结晶有哪几种晶形，俗称的轻质谷氨酸属于哪种晶形。
理论交换容量、工作交换量与有效交换量的定义。
离子交换树脂与这些离子的交换能力各不相同，这主要取决于该离子的相对浓度，以及该离子对交换树脂的亲和力。
强酸性阳离子交换树脂对谷氨酸发酵液中各种离子亲和力大小Ca2+>Mg2+>K+>NH4+>Na+>Ala>Leu>Glu>Asp
离子交换树脂的离交过程有五步，非别为？
结柱的定义及离子交换树脂提取谷氨酸时，产生结柱现象的原因及防止方法。
洗脱谷氨酸时，可以用NaOH或NaCl作为洗脱剂，也可混合使用。
清洁生产概念
谷氨酸发酵废液的主要成分。
发酵废母液提取菌体蛋白方法。
味精的生理作用
谷氨酸中和时中和剂的选择与用量。
谷氨酸中和液中色素的来源
谷氨酸中和液脱色方法有哪几种。
谷氨酸中和液脱色时，粉末活性碳和颗粒活性碳各自特点。
制取谷氨酸钠需要活性炭脱色,脱色的好坏与活性炭的再生好坏直接相关,再生时需用NaOH和HCL处理的目的是什么？
谷氨酸中和液中铁离子的来源及存在形式。
目前国内除铁、锌离子的方法
结晶的过程分三个阶段，分别为：形成过饱和溶液、晶核的形成、晶体的长大
起晶的概念及方法。
饱和溶液、过饱和溶液和过饱和系数概念。
工业上谷氨酸溶液浓缩得方法主要有？
饱和曲线和过饱和曲线将图分为三个区域，分别为：？析晶操作一般要求在那个区域？
味精结晶的具体操作过程可分为：浓缩、起晶、整晶、育晶、养晶等几个阶段。
养晶的作用。
味精干燥方法有：箱式烘房、真空箱式干燥、气流干燥、传送带式干燥、震动床式干燥。
味精溶解后浑浊的原因及解决措施
味精带有颜色的原因及解决措施
味精发臭的原因及解决措施
强力味精是哪些呈味核苷酸按不同比例与谷氨酸钠混合制成的
脱敏作用定义
酶活性的控制方法
氨基酸发酵代谢控制中，酶活性调节的类型有哪些？
酶的合成调节方式可归纳为①酶的诱导②分解代谢物阻遏③终产物调节
反馈抑制和反馈阻遏的概念及比较。
操纵子概念
乳糖操纵子模型和色氨酸操纵子模型
简述乳糖操纵子模型中，阻遏蛋白的负性调节、CAP的正性调节及两种调节的协调作用
分解代谢物阻遏概念
代谢互锁概念
氨基酸生物合成的调节机制
精氨酸发酵代谢控制育种策略。