氨基酸发酵工艺

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。
4 谷氨酸生产工艺

淀粉的酶法糖化工艺
以大米或碎米为原料时采用大米浸泡磨浆，再 调成15˚Bx，pH 6.0，加细菌α-淀粉酶在85 ℃下液 化30 min，加糖化酶60 ℃糖化24 h，过滤后可供配 制培养基。
4 谷氨酸生产工艺

糖蜜原料
不宜直接用来作为谷氨酸发酵的碳源，因含 丰富的生物素。 预处理方法：活性炭或树脂吸附和亚硝酸法 破坏以减少糖蜜中的生物素。
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
（1）菌体生长或耗糖慢时，少量多次流加尿素， 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。
控制：
（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。
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。
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。
谷氨酸
反馈抑制 增强反馈抑制 优先合成
谷氨酸合成调节机制
影响谷氨酸合成的因素
因素 氧 代谢途径 乳酸或琥珀酸 谷氨酸
适量
NH4+ pH
磷酸盐
α-酮戊二酸
不足 适量
缺乏
谷氨酸
过量
谷氨酰胺或N-乙酰谷氨酰胺 谷氨酸
过量
适量 适量
谷氨酰胺
缬氨酸 谷氨酸
过量
亚适量
4 谷氨酸生产工艺

淀粉的酸水解工艺
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:(15～30)。 合成菌体使用3～6％的氮源；合成谷 氨酸用去30～80％氮源。
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
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
强化食品：谷物中缺赖氨酸，苏氨酸，色氨酸、
食品工业：
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(α-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。
4 谷氨酸生产工艺

谷氨酸发酵
1、适应期：尿素分解出氨使pH上升。糖不利用。2-4h。措 施：接种量和发酵条件控制使该期缩短。 2、对数生长期：糖耗快，尿素大量分解使pH上升，氨被利 用pH又迅速下降；溶氧急剧下降后维持在一定水平；菌体 浓度迅速增大，菌体形态为排列整齐的八字形；不产酸；
12h。措施：采取流加尿素办法及时供给菌体生长必须的氮
3 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108℃40min，高温会生产 缩脲。 氨水用pH自动控制连续流加。
源及调节pH在7.5-8.0；维持温度30- 32℃
4 谷氨酸生产工艺

谷氨酸发酵
3、菌体生长停止期：谷氨酸合成，糖和尿素分解 产生α-酮戊二酸和氨用于合成谷氨酸。措施：及时 流加尿素以提供足够的氨并使pH维持在7.2-7.4。 大量通气，控制温度34-37 ℃。 4、发酵后期：菌体衰老，糖Hale Waihona Puke Baidu慢，残糖低。措施： 营养物耗尽酸浓度不增加时，及时放罐。
以HMP为主，HMP 约占90%
CO2 CO2
氨的导入方式： α-酮戊二酸还原氨基化→谷氨酸
CO2
由天冬氨酸或丙酮酸通过氨基转移 将氨基转给α-酮戊二酸 谷氨酸合成酶途径
GLDH NADPH NADP+ GLDH：谷氨酸脱氢酶
葡萄糖 磷酸烯醇丙酮酸 ① 丙酮酸 草酰乙酸 ② 乙酰CoA 天冬氨酸 α-酮戊二 ③ 酸 柠檬酸
1、调浆：干淀粉用水调成10-11˚Bx（白利度）的淀 粉乳，加盐酸0.5-0.8％至pH 1.5。 2、糖化：蒸汽加热、加压糖化25min。
3、中和：冷却至80℃，烧碱中和至pH 4.0-5.0（避免
产生焦糖又保证过滤，中和为沉淀胶体）。
4、脱色：活性炭脱色和脱色树脂。活性炭用量为 0.6-0.8％，在70℃及酸性条件下搅拌后过滤。
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
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
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30～32˚C，后者34～37˚C。

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
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-(β-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

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


不形成芽胞
没有鞭毛，不能运动


需要生物素作为生长因子
在通气条件下才能产生谷氨酸

不易被低浓度的谷氨酸抑制
4 谷氨酸生产工艺

谷氨酸生物合成机理
由三羧酸循环中产生的a-酮戊二 酸，在谷氨酸脱氢酶和氢供体存在下
进行还原性氨化作用而得到。
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
发酵周期一般为30h。
4 谷氨酸生产工艺

谷氨酸发酵控制
（1）生物素：作为催化脂肪酸生物合成最初反应的 关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成， 进而影响磷酯的合成。当磷酯含量减少到正常时的 一半左右时，细胞发生变形，谷氨酸能够从胞内渗 出，积累于发酵液中。生物素过量，则发酵过程菌
3 氨基酸发酵的工艺控制

培养基
转化为谷氨酰胺。
4、NH4+浓度：过低增加α-酮戊二酸积累，过高使谷氨酸
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。
4 谷氨酸生产工艺

菌种扩大培养
2、一级种子培养：由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸 氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成。pH 6.5－ 6.8。1000ml装200-250ml振荡，32℃ 培养12h。
4 谷氨酸生产工艺

菌种扩大培养
3、二级种子培养：用种子罐培养，料液量为发酵罐投 料体积的1％，用水解糖代替葡萄糖，于32℃ 进行通 气搅拌7-10h。种子质量要求：二级种子培养结束时， 无杂菌或噬菌体污染，菌体大小均一，呈单个或八 字排列。活菌数为108-109/ml。
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 规模及产品质量与国外大厂有较大差距。 生产
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。
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
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。
也可以在发酵液中加入表面活性剂吐温60或 添加青霉素。
4 谷氨酸生产工艺

菌种扩大培养
1、斜面培养：主要产生菌是棒状杆菌属、短杆菌属、 小杆菌属、节杆菌属。 我国各工厂目前使用的菌株主要是钝齿棒杆菌 和北京棒杆菌及各种诱变株。生长特点：适用于糖 质原料，需氧，以生物素为生长因子。 斜面培养基：蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成的 pH 7.0-7.2琼脂培养基，32 ℃培养18-24 h。
NH4+:α－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

控制发酵的环境条件
氨基酸发酵受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
（通气不足）
谷氨酸
（适中）
α－酮戊二酸
（通气过量、转速过快）