赖氨酸的生产工艺研究进展(__综述)

L-赖氨酸的生产工艺研究摘要: 赖氨酸是人和动物营养的9种必需氨基酸之一，并且广泛应用于医药、食品和饲料等领域。

目前生产赖氨酸最主要的方法是微生物发酵法。

本文从赖氨酸的生产现状、生产方法，发酵过程中的代谢调控以及赖氨酸生产菌种的选育和生产赖氨酸的前景展望这几个方面综述了赖氨酸生产工艺的研究进展。

关键词: 赖氨酸；发酵；离子交换；菌种；超滤Abstract: As one of the essential amino acids for human beings andanimals, Lysine is widely used in many fields such as pharmaceutical ,food and forage. At present, the fermentation is the frequently usedmethod of Lysine production . This artic stated the research evolutionfocused on the aspects of production situation,production method,metabolic control and regulation and prospect of Lysine. Keywords: Lysine; fermentation; ion exchange; strain; ultrafiltration目录前言 (2)1 赖氨酸生产现状 (2)2 赖氨酸工业生产方法概述 (3)2.1 合成法 (3)2 .3 酶法 (3)2 .4 发酵法 (3)3 发酵法生产赖氨酸工业技术 (4)3.1 生产菌种 (4)3.2 发酵 (5)3.3 提取 (5)3.4 浓缩和结晶 (6)4 微生物生产赖氨酸的前景展望 (6)[参考文献] (7)前言赖氨酸(Lysine) 的化学名称为2，6-二氨基己酸，有L-型(左旋)、D-型(右旋)和DL 型(消旋)三种旋学异构体。

赖氨酸是人和动物营养的必需氨基酸之一，不能参加转氨作用[1]。

人类和动物可吸收利用的只有L-型。

它对调节体内代谢平衡、提高体内对谷类蛋白质的吸收、改善人类膳食营养和动物营养、促进生长发育均有重要作用。

L-赖氨酸主要用于医药、食品和饲料工业。

全球约9 0％的赖氨酸用作饲料添加剂，约5％用作食品添加剂，其余5％用作医药中间体[2]。

目前，全球赖氨酸年总需求量约为85万t/a，年增长率为7％一8％。

现全球赖氨酸总产能约为80万t/a，产量较大的是日本味之素公司(2 6万t/a)、美国AD M公司、B AS F韩国公司和协和发酵工业公司等。

国内赖氨酸需求量估计在13万t/a左右。

赖氨酸应用范围较广，2003年以后，我国已成为全球最大的赖氨酸生产大国。

目前已建成和正在建设的赖氨酸厂主要有广西赖氨酸公司、福建大泉赖氨酸有限公司、四川川化味之素有限公司、大成赖氨酸厂、肇东赖氨酸厂等。

文章从赖氨酸的生产现状、生产方法，发酵过程中的代谢调控以及赖氨酸生产菌种的选育和生产赖氨酸的前景展望等方面论述了赖氨酸生产工艺的研究进展。

1 赖氨酸生产现状L-赖氨酸最初是从蛋白质水解物中分离得到的，蛋白质水解法一般以动物血粉为原料，此法最多的特点是工艺流程简单，但是原料来源很有限，仅适合小规模生产。

此后又出现了化学合成法、水解法，酶法。

直到1960年，日本首先采用微生物发酵法生产赖氨酸。

微生物发酵生产氨基酸是人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制，使其积累大量所需氨基酸。

氨基酸的L-型立体专一性决定了发酵法生产氨基酸较化学合成的工艺更简单、快捷。

我国于20世纪60年代中期开始进行赖氨酸菌株选育和发酵的研究，但因产量较低难以工业化。

直到70年代未80年代初世界赖氨酸实现工业化后我国的研究才取得突破。

目前，世界约2/3的赖氨酸企业采用发酵法生产，生产的为L-型赖氨酸，生产工艺巳基本成熟。

近年来，赖氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80万t赖氨酸通过发酵生产的方式获得。

2 赖氨酸工业生产方法概述2.1 合成法化学合成法制取赖氨酸，工艺较多，所用原料不尽相同。

工业上采用的主要为荷兰的D MS法及日本的东丽法，两法的主要区别在于所用的原料不同，DMS法用己内酰胺，东丽法用环己烷。

但两法先都生成DL-氨基己内酰胺，再水解生成DL-赖氨酸，然后用酶法进行分割，得到L-赖氨酸。

合成法生产赖氨酸最大缺点是使用剧毒原料光气，且可能残留催化剂，产品安全性差，环保问题严重。

2.2 水解法将含蛋白质较多的物质加热水解，蛋白质分解成各种氨基酸，再提取其中的赖氨酸。

一般以动物血粉作原料。

此法特点是工艺简单，但原料来源有限，只适用于小规模生产。

2 .3 酶法酶法是以生产己内酰胺时产生的大量副产物环己烯为原料，先制得D L-氨基己内酰胺，再用水解酶把L-氨基己内酰胺水解成L-赖氨酸，用消旋酶对D-氨基己内酰胺进行消旋，最后转化为L-赖氨酸，转化率接近100％，L-赖氨酸的积累浓度可达40％以上。

该法产品活性高，分离、精制容易。

2 .4 发酵法发酵法是工业生产赖氨酸最重要的方法。

其原理是利用微生物的某些营养缺陷型菌株，通过代谢控制发酵，人为地改变和控制微生物的代谢途径来实现L-赖氨酸的生产。

生物合成赖氨酸的途径有两种：一种是通过2-氨基己二酸途径(酵母、链孢霉合成赖氨酸)。

另一种是通过2，6二氨基庚二酸途径(细菌、蓝藻、高等植物)。

具体流程如下所示葡萄糖AK天冬氨酸 AK- 天冬氨酸激酶 PS- 二氢吡啶二羧酸合成酶HD- 高丝氨酸合成酶天冬氨酰磷酸 HK- 高丝氨酸激酶天冬氨酸半醛PS HD二氨基庚二酸高丝氨酸H吨 HK赖氨酸蛋氨酸苏氨酸异亮氨酸前者的起始物为．酮戊二酸，后者的起始底物为天冬氨酸。

发酵法生产赖氨酸的一大优点是原料来源十分广泛易得且价格便宜，但目前实现工业化的只有糖蜜、淀粉和醋酸3种原料路线。

3 发酵法生产赖氨酸工业技术3.1 生产菌种赖氨酸产生菌有：细菌中的棒状杆菌、短杆菌、诺卡氏菌、念球菌、假单胞菌、埃希氏菌、芽抱杆菌等，真菌中的酵母、假丝酵母、隐球酵母等。

人们一直不断努力地筛选高产的优良菌株，以提高糖的转化率和发酵液中赖氨酸的累积浓度，缩短发酵时间。

我国在上世纪6 0年代就开始了发酵法工艺研究，7 0年代末开始了对赖氨酸产生菌的筛选，8 0年代初国内研究人员成功诱变了一株赖氨酸棒状杆菌，产酸率达4.5％。

齐秀兰[3]等利用L-赖氨酸产生菌钝齿棒杆菌N 3 0．2 5经紫外线诱变处理，经摇瓶多次筛选获得了3株高产变异菌株，与出发菌株比较，产酸率高了2 2％～3 1％。

张伟国等从黄色短杆菌A T C C 1 4 0 6 7出发，经过亚硝基胍(N T G)、硫酸二乙酯(D E S)逐级诱变处理，用氨基酸结构类似物及琥珀酸为唯一碳源平板定向育种，获得1株L-赖氨酸高产菌X Q-8，摇瓶发酵7 2 h，L-赖氨酸盐酸盐产量达7 7～8 2 g／L [4]。

2 0 0 2年O h n i s h i 在《应用微生物和生物技术》上公布了一个新的赖氨酸棒杆菌株，2 7 h赖氨酸累积浓度达到8 0 L[5]。

3.2 发酵发酵法生产赖氨酸的主要原料为淀粉、糖蜜玉米等淀粉类原料需经糖化转化为葡萄糖后才可用，且发酵液配方中需再补充生物素；甘蔗废糖蜜含较高的生物素，发酵液配方中无需再补充生物素。

日本生产赖氨酸主要用糖蜜，同时用豆饼水解液作为氮源；前苏联则用甜菜糖蜜作碳源，并采用含高丝氨酸的培养液和蛋白质-维生素浓缩物水解液发酵生产赖氨酸；波兰用醋酸混合液体作碳源，用菜籽粕的酸水解液作氮源，组成培养基产酸率达1 0 0 g/L；我国则主要以淀粉水解液或甘蔗糖蜜为碳源发酵生产赖氨酸。

目前大多数赖氨酸生产厂家的发酵操作方式为分批操作，发酵生产涉及到发酵液和管路系统的消毒灭菌、营养调节、酸碱度调节、通风量调节等一系列复杂操作，都由配置的DCS系统完成，完全实现了自动化。

A．I q a a j S a s s i[6]等对黄色短杆菌ATCC21513进行流加方式发酵，研究表明产酸率可达1 1 0．6 g ／L。

官衡等对赖氨酸产生菌F B 4 2流加发酵的全过程进行了分析，结果显示在小型反应器中的发酵水平为8 1．6 g／L，转化率为4 1．8％，生产强度为1．1 6 g／(h·L)，和分批发酵相比分别提高了4 5．4％、9．7％和2 8．4％因此，流加方式发酵将是赖氨酸发酵的趋势[7]。

3.3 提取要从成熟的发酵液中提取赖氨酸，必须对发酵液进行过滤或离心分离除去菌体和碳酸钙。

传统的过滤方法为机械过滤，只能除去大颗粒的固体杂质。

将超滤技术用于处理赖氨酸发酵液具有如下优点：可以截留发酵液中的菌体蛋白、悬浮固体等杂质，有利于提高下一个工序离子交换中树脂的使用效率和寿命，减轻后续工艺废水处理的压力，截留住的滤渣含有丰富的菌体蛋白及少量的赖氨酸，可以作为饲料添加剂。

曾碧格等采用超滤技术直接处理赖氨酸的发酵液，结果表明：能够一步截留未经任何处理的赖氨酸发酵液中的菌体蛋白、固体颗粒等杂质，滤渣量约为原料体积的1 0％，而同等量的发酵液经过离子交换后，浓废水量约为该滤渣的2 0倍[8]。

可见，超滤技术应用在赖氨酸发酵液处理上，大大减少了后续污物处理的压力，可实现赖氨酸超滤的收率9 7％以上，并且膜通量的衰减幅度较小，膜设备运行良好。

全世界绝大多数赖氨酸生产厂都采用离子交换方法从发酵成熟液中提取赖氨酸，然后制成含量在9 8．5％以上的赖氨酸单盐酸盐成品。

离子交换树脂为强酸阳性离子交换树脂，洗脱剂为氨水。

这一工序的技术具有以下优势：回收率高；洗出液中赖氨酸浓度高，减少了浓缩时的蒸汽消耗，降低生产负荷；离子交换树脂用量少。

国外的离子交换系统大多为模拟移动床式操作系统[9]，逆流操作并采用两级离子交换单元。

第一级离子交换单元可得到纯度为9 7．5％的赖氨酸；第二级使用弱酸阳性离子交换树脂，除去第一级离子交换后洗水中的无机杂质，可将赖氨酸最终纯度提高到9 8．5％。

模拟移动床式操作系统稳定且操作弹性大，洗脱液用量少，洗出液赖氨酸质量分数比固定床高，同时树脂用量是固定床的1／5～1／8。

3.4 浓缩和结晶浓缩工序是能耗最大的过程。

我国赖氨酸生产最初用标准式浓缩器，每吨洗出液蒸汽消耗为1．1 t，蒸出的氨不回收。

赖氨酸浓缩液经用盐酸调节p H后成为单盐酸盐溶液，在结晶器中结晶。

我国有的生产厂采用冷冻结晶的方法，得到含2个结晶水的湿晶，分离的母液返回提取工序。

赖氨酸湿晶含有的结晶水须在干燥工序中除去。

我国多数赖氨酸厂均采用单层流化床干燥器生产，其中采用德国V a g o n公司的床内设置加热器的流化床干燥器技术较为先进。