谷氨酸

谷氨酸发酵综述
谷氨酸（glutamic acid）化学式为C5H9O4N，是一种酸性氨基酸，化学名称为α-氨基戊二酸，是20种常见α-氨基酸之一。

谷氨酸为无色晶体，结晶状态是稳定的，微溶于水但溶于盐酸溶液，密度为1.538（kg/m3），等电点为3.22，谷氨酸有左旋体，右旋体，和外消旋体。

谷氨酸的解离常数：pK’1(COOH)为2.19，pK’2(NH3+)为4.25(γ-COOH),pK’3为9.67（NH3+）。

谷氨酸是非必需氨基酸的一种，大量存在与谷类中，谷氨酸有鲜味，谷氨酸钠是味精的主要成分，用于增加食物的鲜味。

正文：
一：谷氨酸发酵
在谷氨酸发酵中，改变细胞膜的通透性，使谷氨酸不断地排到细胞外面，就会大量生成谷氨酸。

研究表明，影响细胞膜通透性的主要因素是细胞膜中的磷脂含量。

因此，对谷氨酸产生菌的选育，往往从控制磷脂的合成或使细胞膜受损伤入手，如生物素缺陷型菌种的选育。

生物素是不饱和脂肪酸合成过程中所需的乙酰CoA的辅酶。

生物素缺陷型菌种因不能合成生物素，从而抑制了不饱和脂肪酸的合成。

而不饱和脂肪酸是磷脂的组成成分之一。

因此，磷脂的合成量也相应减少，这就会导致细胞膜结构不完整，提高细胞膜对谷氨酸的通透性。

1，谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵，环境条件对谷氨酸发酵具有重要的影响，控制最适宜的环境条件是提高发酵产率的重
要条件。

（1）碳源
目前使用的谷氨酸生产菌均不能利用淀粉只能利用葡萄糖和果糖等。

在一定的范围内，谷氨酸产量随葡萄糖浓度的增加而增加，但若葡萄糖浓度过高，由于渗透压力大对菌体生长很不利，谷氨酸对糖的转化率降低。

国内谷氨酸发酵糖浓度为125—150g/L，但一般采用流加糖工艺。

（2）氮源
常见无机氮源：尿素，液氮，碳酸氢铵。

常见有机氮源：玉米浆，豆浓，糖蜜。

当氮源的浓度过低时回事菌体细胞营养过度贫乏，形成“生理饥饿”，影响菌体繁殖和代谢，导致产酸率低。

随着玉米浆的浓度增高，菌体大量增殖使谷氨酸非积累型细胞增多，同时又因生物素过量是代谢合成磷脂增多，导致细胞膜增厚不利于谷氨酸的分泌造成谷氨酸产量下降。

碳氮比一般控制在100:15—30。

（3）磷
当磷浓度过高时，很容易发生发酵转换，转向合成缬氨酸；但磷浓度过低，则菌体生长不好，不利于高产酸。

（4）生物素
随着生物素的添加量的不断增加，发酵产酸先增大后减小。

（5）溶氧
谷氨酸发酵是典型的好氧发酵，溶解氧对谷氨酸产生菌种子培
养影响很大。

溶解氧过低，菌体呼吸受到抑制，从而抑制生长，引起乳酸等副产物的积累；但是并非溶氧越高越好，当溶氧满足菌的需氧量后继续升高，不但会造成浪费还会由于高氧水平抑制菌体生长和谷氨酸生成。

（6）pH值
在谷氨酸发酵过程中，随着谷氨酸的不断生成，发酵液的pH值不断的减小，对谷氨酸产生抑制，为了维持发酵的最佳条件，采用流加尿素和液氮的方法。

发酵法在微生物发酵阶段，主要是获得谷氨酸，在氨过量存在的情况下以谷氨酸铵的形式存在，所以从发酵罐出来的是谷氨酸铵，而不是谷氨酸。

（7）温度
在整个流加发酵中，并非一定要控制恒温培养，因为菌体最适生长温度不一定是菌体积累代谢终产物的最佳温度。

谷氨酸菌体最适生长温度为30—32℃，谷氨酸最适合成温度为34—37℃；发酵初期温度提高可以缩短细胞生长时间，减少发酵总时间；发酵中后期的菌体活力较强，适当提高发酵温度有利于细胞膜渗透性和产酸，故温度应控制稍高一些。

2，代谢途径
谷氨酸产生菌中谷氨酸的生物合成途径：代谢途径包括糖酵解途径（EMP）、磷酸己糖途径（HMP）、三羧酸循环（TCA循环）、乙醛酸循环，二氧化碳固定反应等。

葡萄糖经过EMP和HMP途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰辅酶A进入TCA循环，
另一部分固定二氧化碳生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰辅酶A在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，在经过还原共轭的氨基化反应生成谷氨酸。

在谷氨酸发酵时，糖酵解经过EMP及HMP两个途径进行，生物素充足，菌HMP所占的比例是38%，控制生物素亚适量的结果，发酵产酸期，EMP所占的比例更大，HMP所占的比例约为26%。

由葡萄糖生物合成谷氨酸的代谢途径中的主要过程至少有16步酶促反应。

在糖质原料发酵法生产谷氨酸时，应尽量控制通过二氧化碳固定反应供给四碳二羧酸，在谷氨酸发酵的菌体生长期，需要异柠檬酸裂解反应，走乙醛酸循环途径。

菌体生长期之后，进入谷氨酸生成期，最好没有异柠檬酸裂解酶反应，封闭乙醛酸循环。

乙醛酸循环的作用：若二氧化碳固定反应完全不起作用，丙酮酸在丙酮酸脱氢酶的催化作用下，脱氢羧酸全部氧化成乙酰辅酶A，通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸。

当以葡萄糖为碳源时，二氧化碳固定反应与乙醛酸循环的比率对谷氨酸产率有影响，乙醛酸循环活性越高，谷氨酸生成收率越低。

因此，在糖质原料发酵生产谷氨酸时，应尽量控制通过二氧化碳固定反应供给四碳二羧酸。

在生长之后，理想的发酵铵如下反应进行：
C6H12O6+NH3+1.5O2—C6H9O4N+CO2+3H2O
理论收率为81.7%。

四碳二羧酸是100%通过二氧化碳固定反应供
给。

若通过乙醛酸循环供给四碳二羧酸，则理论收率仅为54.4%，实际收率处于中间值。

在谷氨酸棒状杆菌中谷氨酸的生物合成主要遵循EMP，PP途径和TCA循环，从中取得产物合成所需的前体和NADH。

然后，这种细菌显示出特殊的对TCA循环的回补反应，由于谷氨酸是直接从α-酮戊二酸衍生，因此，对TCA循环的大力回补是谷氨酸高产的先决条件。

原来以为只有PEP羧化酶在回补反应中起作用。

其实13C-示踪研究和代谢流分析表明，必须有另外的羧化反应。

研究有关的酶活的结果表明谷氨酸棒状杆菌具有丙酮酸脱氢酶，能把乙酰辅酶a投入TCA循环，同时拥有PEP羧化酶和丙酮酸羧化酶，现已成功的将这两个基因克隆，对其突变株的研究表明，这两种羧化酶可以相互替换，确保葡萄糖衍生的3C单元转化为草酰乙酸。

这就使得谷氨酸棒状杆菌拥有更大的灵活性来补充TCA循环的中间体。

谷氨酸脱氢酶催化α-酮戊二酸还原性的氨化，生成谷氨酸。

此酶是一种多聚体，经各亚单位的相对分子质量为49100。

它具有高的比活，且谷氨酸在胞内的浓度达到150m mol／L,而一般的氨基酸在胞内的浓度低于10 m mol／L。

这是因为除了直接供应细胞的合成谷氨酸还要提供各类转氨反应所需的氨基。

估计大约有70％的氨基源自谷氨酸。

3，关键酶
α-酮戊二酸脱氢酶，谷氨酸脱氢酶
4，调控机制
（1）谷氨酸比天冬氨酸优先合成，催化某一分支途径反应的酶活性远大于催化另一分支反应的酶活性，结果先合成酶活
性大的那一分支的终产物。

谷氨酸合成工程后，谷氨酸的
生物合成受其自身的反馈抑制和反阻遏，代谢转向合成天
冬氨酸。

（2）磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶是催化二氧化碳固定的关键酶，受谷氨酸的反馈抑制
（3）柠檬酸合成酶是三羧酸循环的关键酶，除受能荷调节外，还受谷氨酸的反馈阻遏。

（4）谷氨酸脱氢酶受谷氨酸的反馈抑制和阻遏。

（5）糖代谢的调节主要受能荷（能量水平）的控制。

细胞内ATP 分解，即能荷降低，就会激活某些催化糖类分解的酶或解
除ATP对这些酶的抑制，从而加速糖酵解、TCA循环产生能
量；当能荷高时，ATP增加，就抑制糖酵解、TCA循环的关
键酶，从而抑制糖的分解。

（6）降低蛋白质的合成能力，使合成的谷氨酸不转化成其它谷氨酸和参与蛋白质的合成。

5,生成谷氨酸的主要酶反应
（1）谷氨酸脱氢酶（GHD）所催化的还原氨基化反应
α-酮戊二酸+NH4++NADPH2——谷氨酸+H2O+NADP
（2）为转氨酶（AT）催化的转氨反应
α-酮戊二酸+氨基酸——谷氨酸+α-酮酸
（3）谷氨酸合成酶（GS）催化反应
α-酮戊二酸+谷氨酰胺——2谷氨酸
三：谷氨酸的主要生产菌种
1，棒状杆菌属，谷氨酸棒状杆菌：生物缺陷性，温度敏感性；北京棒状杆菌；钝齿棒杆菌
2，短杆菌属，黄色短杆菌；天津短杆菌
四：谷氨酸的用途
1.氨基酸作为人体生长的重要营养物质，不仅具有特殊的生理作用，而且在食品工业中具有独特的功能。

构成蛋白质的氨基酸主要有20多种。

在食品工业中应用较多的氨基酸有谷氨酸、赖氨酸、半胱氨酸、胱氨酸、苏氨酸、精氨酸、缬氨酸、色氨酸、丙氨酸等。

各种氨基酸都有自己独特的呈味效应，其中应用较多的有谷氨酸钠和甘氨酸。

谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。

谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。

用于食品内，有增香作用。

在食品中浓度为0.2%-0.5%，每人每天允许摄入量(ADl)为0—120微克/千克(以谷氨酸计)。

在食品加工中一般用量为0.2—1.5克/公斤。

2.日用化妆品等
谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种，作为营养药物可用于皮肤和毛发。

用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使
头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。

用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。

谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。

3.医药行业
谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。

谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。

脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。

谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。

用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠（钾）注射液，谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。

五：谷氨酸的生产工艺
（1）目前，谷氨酸生产厂家多采用等电离交工艺等方法从发酵液中提取谷氨酸，即将谷氨酸发酵液降温并用硫酸调PH值至谷氨酸等电点(pH3.0- 3.2)，温度降到10 以下沉淀，离心分离
谷氨酸，再将上清液用硫酸调pH至1.5上732强酸性阳离子交换树脂，用氨水调上清液pH10进行洗脱，洗脱下来的高流分再用硫酸调pH1.0返回等电车间加入发酵液进行等电提取，离交车间的上柱后的上清液及洗柱水送去环保车间进行废水处理。

该工艺方法存在废水量大，治理成本高，酸碱用量大等缺点此外，部分谷氨酸生产厂家采用连续等电工艺，即将谷氨酸发酵液适当浓缩后控制40℃左右，连续加入有晶种的等电罐中，同时加入硫酸，控制等电罐中H值维持在3.2左右，温度40℃进行结晶，该工艺方法废水量相对较少，但谷氨酸提取率及产品质量较差我们提供一种酸碱用量小，废水量小，且能保证。

（2）谷氨酸提取收率及产品质量高的谷氨酸提取工艺方法，具体包括如下步骤：
1 先将谷氨酸发酵液进行过滤，除去发酵液中菌体蛋白质及色素；
2 将过滤后的发酵液加热至75 ~95 ，加硫酸调发酵液pH至
3.0~
4.0，然后进入结晶锅进行蒸发浓缩；
3 浓缩至蒸发掉50%~80%水份后，出料至助晶槽缓慢冷却至60 以下，离心分离谷氨酸；
4 将离心分离谷氨酸之后的离心水用硫酸调pH至1.5，上柱即上阳离子交换树脂，并用氨水洗脱，洗脱下的高流掺入发酵液中进行蒸发浓缩，返回到第(2)步骤；
5 上柱后的污水收集到环保车间，进行污水治理
（3）目前，国内味精行业谷氨酸提取体现着两条工艺主线：一是以众多厂家为应用的等电加离交工艺，二是以莲花为代表的浓缩高温连续等电加转晶工艺。

同时两条工艺主线间穿插采用膜过滤等电离交工艺大家都比较熟悉，而浓缩高温连续等电转晶工艺是莲花公司本着，能减排、优化环保工艺减少环保压力的目的在国外先进技术的基础上，通过实践探索总结而来，现已取得良好的社会效益和经济效益，特别是在全民倡导健康，挖潜增效的大背景下效益更加突现。

（4）谷氨酸提取也称粗制它是发酵液浓缩，高温连续等电，转晶、多级分离、谷氨酸中和高温带压，连续水解的有机组合，产品为中和液。

六：谷氨酸生产水平与市场分析
1，生产水平：谷氨酸棒状杆菌-生物素敏感型高产菌株：采用生物素亚适量工艺，发酵32h，产量达140g/L以上，糖
酸转化率达62%以上，国内同类研究的领先水平。

谷氨酸
棒状杆菌-谷氨酸温度敏感型突变株：在最佳发酵条件下，发酵24h产酸达到160g/L，糖酸转化率达72%，国际同类研
究的先进水平。

2，市场分析：我国味精工业的产量稳居世界第一位，2007年全国味精产量达190万吨。

味精工厂的味精平均销售价
格为7800元/吨，成本为7000元/吨。

按照上述产量计算，我国味精工业中纯味精的总产量约150亿元，加上相当于
上述总值的30%的副产品的产出，我国味精工业年生产总
值约为200亿元人民币。

七：总结
本次设计5400吨味精发酵工段工艺设计，此设计包括发酵法生产谷氨酸的工艺流程，工厂发酵车间的物料和能量的衡算，设备设计及选型，废弃物处理和环境保护。

设备设计及选型主要包括发酵罐的设计及二级种子罐的设计，本次设计为好氧发酵，故采用搅拌通风发酵
（1）发酵法生产谷氨酸的工艺流程
原料的预处理及糖化、发酵的培养基、培养基灭菌、发酵中的温度、pH值及溶氧等的控制、谷氨酸的提取与精制
（2）工厂发酵车间的物料和能量的衡算
总物料平衡的计算：生产能力，计算指标，物料衡算
发酵工段物料平衡计算：发酵培养基和用糖量，发酵配料，配料用水，接种量，蒸汽用量，消泡剂用量，发酵液质量
（3）设备设计及选型
发酵罐的选型，生产能力、数量和容积的确定，主要尺寸的确定，冷却面积，搅拌器及其轴功率，设备结构，种子罐的选型，二级种子罐的容积和数量的确定，以及种子罐的选型，空气分布器数量及容积的确定泵的选型，储备罐的容积和数量的确定（4）废弃物处理和环境保护
主要废弃物的来源及水质特点，处理方法及排放标准。

八：参考文献
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