天津科技大学氨基酸发酵工艺学.ppt

1、氨基酸发酵工艺学氨基酸发酵工艺学第一节第一节 学习氨基酸发酵工艺学的目的、研究对象、任务及内容学习氨基酸发酵工艺学的目的、研究对象、任务及内容 氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵,由发酵所生成的产物氨基酸,都是微生物的中间代谢产物,它的积累是建立于对微生物正常代谢的抑制。在脱氧核糖核酸(DNA)的分子水平上改变、控制微生物的代谢,使有用产物大量生成、积累。以探讨氨基酸发酵工厂的生产技术为主要目的。氨基酸发酵生产以发酵为主,发酵的好坏是整个生产的关键,但后处理提纯操作和提纯设备选用当否,也会大大影响总的得率。氨基酸发酵工艺学研究的对象应该包括从投入原料到最终产品获得的整个过程,其中有微生物生化问题、

2、生化工程问题,也有分析与设备问题。今后的发展是采用诱变、细胞工程、基因工程的手段选育出从遗传角度解除了反馈调节和遗传性稳定的更理想菌种,提高产酸;采用过程控制,进行最优化控制,连续化、自动化,稳产、高产;探求新工艺、新设备,以提高产率和收得率;研究发酵机制等问题,以便能更好地控制氨基酸这样微生物中间代谢产物的发酵。绪论绪论第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 第一节淀粉的组成及其特性第一节淀粉的组成及其特性 淀粉为白色无定形结晶粉末,淀粉的形状有圆形、椭圆形和多角形三种。淀粉颗粒的大小随淀粉种类的不同而差别很大。淀粉的组成:淀粉分子是由许多葡萄糖脱水缩聚而成的高分子化合物,用(C6H

3、10O5)n这个实验式来表示。淀粉一般可分为直链淀粉和支链淀粉两部分。直链淀粉是由不分支的葡萄糖所构成,葡萄糖分子间以-1,4-糖苷键聚合而成,呈链状结构,聚合度约100600之间,它的水悬浮液加热时,不产生糊精,而以胶体状态溶解,遇碘反应是纯蓝色。支链淀粉(胶淀粉)其直链由葡萄糖分子以-1,4-糖苷键相连结,而支链与直链葡萄糖分子以-1,6-糖苷键相连结,分子呈树状,它是一种膨胀性的物质,置于水中加热时成为胶粘的糊状物,而且只有在加热加压的条件下,才能溶解于水,遇碘呈紫红色反应。淀粉没有还原性，也没有甜味，不溶于冷水、酒精、醚等有机溶剂中。淀粉在热水中能吸收水分而膨胀，最后淀粉粒破裂，淀粉分

4、子溶解于水中形成带有粘性的淀粉糊，这个过程称为糊化。第一阶段第一阶段:淀粉缓慢地可逆地吸收水分,淀粉颗粒已有些微膨胀。第二阶段第二阶段:当温度升到大约65 时,淀粉颗粒经过不可逆地突然很快地吸收大量水分后,膨胀粘度增加很大。第三阶段第三阶段:当温度继续升高,淀粉颗粒变成无形空囊,可溶性淀粉浸出,成为半透明的均质胶体。第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 第二节第二节 淀粉水解糖的制备方法淀粉水解糖的制备方法 一、淀粉水解糖的生产意义和水解糖的质量要求一、淀粉水解糖的生产意义和水解糖的质量要求 二、淀粉水解的方法及其比较二、淀粉水解的方法及其比较 1、酸解法、酸解法 2、酶酸法、酶酸法

5、 3、酸酶法、酸酶法 4、双酶法、双酶法 第一章第一章 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 第三节第三节 双酶法制糖工艺双酶法制糖工艺 淀粉双酶法制糖工艺主要包括:淀粉的液化和糖化两个步骤。液化是利用液化酶使淀粉糊化,粘度降低,并水解到糊精和低聚糖的程度。糖化是用糖化酶将液化产物进一步彻底水解成葡萄糖的过程。第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制第一节第一节 谷氨酸的生物合成途径谷氨酸的生物合成途径一、生成谷氨酸的主要酶反应一、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 (2)转氨酶(AT)催化的转氨反应 (3)谷氨酸合成酶(GS)催化的反应第二章第二章 谷氨

6、酸发酵机制谷氨酸发酵机制二、谷氨酸生物合成的理想途径二、谷氨酸生物合成的理想途径 由葡萄糖发酵生成谷氨酸的理想途径如下 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵的代谢途径如下图所示 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制黄色短杆菌中谷氨酸的代谢调节机制如下图所示 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制三、谷氨酸生产菌的育种思路三、谷氨酸生产菌的育种思路 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制1.切断或减弱支路代谢 2.解除自身的反馈抑制 3.增加前体物的合成 4.提高细胞膜的渗透性 5.强化能量代谢6.利用基因工程技术构建谷氨酸工程菌株 谷氨酸生产菌的具体育种思路谷氨酸

7、生产菌的具体育种思路 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制在谷氨酸发酵时,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CO2固定反应供给四碳二羧酸;在谷氨酸发酵的菌体生长期,需要异柠檬酸裂解酶反应,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。在生长之后,理想的发酵按如下反应进行:C6H12O6+NH3+1.5O2 C

8、6H9O4N+CO2+3H2O理论收率为81.7%。四碳二羧酸是100%通过CO2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。四、谷氨酸发酵的代谢途径四、谷氨酸发酵的代谢途径 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制第二节第二节 谷氨酸生物合成的调节机制谷氨酸生物合成的调节机制 一、一、优先合成与反馈调节优先合成与反馈调节二、二、糖代谢的调节糖代谢的调节 三、三、氮代谢的调节氮代谢的调节 四、其它调节四、其它调节 第二章第二章 谷氨酸发酵机制谷氨酸发酵机制第三节第三节 谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性谷氨酸发酵中如何控制细胞膜的渗透性 一、控

9、制细胞膜渗透性的方法一、控制细胞膜渗透性的方法 .化学控制方法 2.物理控制方法 二、强制发酵控制工艺二、强制发酵控制工艺第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第一节第一节 谷氨酸生产菌的主要特征与菌学性质谷氨酸生产菌的主要特征与菌学性质 现有谷氨酸生产菌主要是棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属中的细菌。1.棒状杆菌属(Corynebacterium)2.短杆菌属(Brevibacterium)3.小杆菌属(Microbacterium)4.节杆菌属(Arthrobacterium)第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的

10、特征、育种及扩大培养第二节第二节 国内谷氨酸生产菌及其比较国内谷氨酸生产菌及其比较 一、北京棒杆菌一、北京棒杆菌(AS1299)的形态和生理特征的形态和生理特征二、钝齿棒杆菌二、钝齿棒杆菌(AS1542)的形态和生理特征的形态和生理特征 三、天津短杆菌三、天津短杆菌(T6-13)的形态和生理特征的形态和生理特征 四、北京棒杆菌四、北京棒杆菌(7338)与钝齿棒杆菌与钝齿棒杆菌(B9)的比较的比较 五、天津短杆菌五、天津短杆菌(T6-13)与钝齿杆菌与钝齿杆菌(B9)的比较的比较 六、目前味精行业采用的主要菌株六、目前味精行业采用的主要菌株 S9114 华南理工大学 FD415 上海复旦大学 T

11、G961 天津科技大学第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第三节第三节 谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化谷氨酸生产菌在发酵过程中的形态变化 一、种子的菌体形态一、种子的菌体形态 斜斜面面和和一一、二二级级种种子子培培养养在在不不同同培培养养条条件件下下,细细胞胞形形态态基基本本相相似似。斜斜面面培培养养的的菌菌体体较较细细小小,一一、二二级级种种子子比比斜斜面面菌菌体体大大而而粗粗壮壮,革革兰兰氏氏染染色色深深。多多为为短短杆杆至至棒棒杆杆状状,有有的的微微呈呈弯弯曲曲状状,两两端端钝钝圆圆,无无分分枝枝;细细胞胞排排列列呈呈单单个个、成成对对及

12、及V字字形形,有有栅栅状状或或不不规规则则聚聚块块;分分裂裂的的细细胞胞大大小小为为0.70.9*1.03.4um。由由于于生生物物素素充充足足,繁繁殖殖的的菌菌体体细细胞胞均均为为谷氨酸非积累型细胞。谷氨酸非积累型细胞。二、谷氨酸发酵不同阶段的菌体形态二、谷氨酸发酵不同阶段的菌体形态 从从谷谷氨氨酸酸发发酵酵中中菌菌体体形形态态的的变变化化来来看看,大大致致可可以以分分为为长长菌菌型型细细胞胞、转转移移期期细细胞胞和和产酸型细胞产酸型细胞3种不同时期的细胞形态种不同时期的细胞形态.三、谷氨酸发酵感染噬菌体后的菌体形态三、谷氨酸发酵感染噬菌体后的菌体形态 发发酵酵前前期期感感染染噬噬菌菌体体后

13、后,菌菌体体细细胞胞明明显显减减少少,细细胞胞不不规规则则,发发圆圆、发发胖胖,缺缺乏乏字字形形排排列列,有有明明显显的的细细胞胞碎碎片片,严严重重时时出出现现拉拉丝丝、拉拉网网,互互相相堆堆在在一一起起,几几乎乎找找不不到到完完整整的的菌体细胞菌体细胞,类似蛛网或鱼翅状。类似蛛网或鱼翅状。在在发发酵酵中中、后后期期感感染染噬噬菌菌体体后后,菌菌体体细细胞胞形形态态不不规规则则,边边缘缘不不整整齐齐,有有的的边边缘缘似似乎乎有许多毛刺状的东西有许多毛刺状的东西,有细胞碎片有细胞碎片。第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第四节第四节 谷氨酸发酵的代谢

14、控制育种谷氨酸发酵的代谢控制育种 一、日常菌种工作一、日常菌种工作 二、选育耐高渗透压菌种二、选育耐高渗透压菌种 三、选育不分解利用谷氨酸的突变株三、选育不分解利用谷氨酸的突变株 四、选育细胞膜渗透性好的突变株四、选育细胞膜渗透性好的突变株 五、选育强化五、选育强化CO2固定反应的突变株固定反应的突变株 六、选育减弱乙醛酸循环的突变株六、选育减弱乙醛酸循环的突变株 七、选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到七、选育强化三羧酸循环中从柠檬酸到-酮戊二酸代谢的突变株酮戊二酸代谢的突变株 八、选育解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节的突变株八、选育解除谷氨酸对谷氨酸脱氢酶反馈调节的突变株 九、强化能量代谢九、强

15、化能量代谢十、选育减弱十、选育减弱HMP途径后段酶活性的突变株途径后段酶活性的突变株 第三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第五节第五节 应用生物工程新技术选育谷氨酸生产菌应用生物工程新技术选育谷氨酸生产菌一、应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌一、应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌二、应用转化法选育谷氨酸生产菌二、应用转化法选育谷氨酸生产菌三、应用转导法选育谷氨酸生产菌三、应用转导法选育谷氨酸生产菌四、应用重组四、应用重组DNA技术构建谷氨酸工程菌技术构建谷氨酸工程菌五、应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸五、应用固定化细胞技术发酵生产谷氨酸 第

16、三章第三章 谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养谷氨酸生产菌的特征、育种及扩大培养第六节第六节 菌种的扩大培养和种子的质量要求菌种的扩大培养和种子的质量要求 斜面菌种斜面菌种一级种子培养一级种子培养二级种子培养二级种子培养 发酵罐发酵罐 种子培养过程种子培养过程第四章第四章 谷氨酸发酵控制谷氨酸发酵控制第一节第一节 发酵培养基发酵培养基一、碳源一、碳源 目前所发现的谷氨酸产生菌均不能利用淀粉,只能利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麦芽糖等,有些菌种能够利用醋酸、乙醇、正烷烃等作碳源。二、氮源二、氮源 无机氮源:(1)尿素 (2)液氮 (3)碳酸氢铵 有机氮源:主要是蛋白质、胨、氨基酸等。谷氨酸发酵的有机氮源常用玉米浆、麸皮水解液、豆饼水解液和糖蜜等。三、无机盐三、无机盐 (1)磷酸盐 (2)硫酸镁 (3)钾盐 (4)微量元素四、生长因子四、生长因子 (1)生物素 (2)维生素B1第四章第四章 谷氨酸发酵控制谷氨酸发酵控制第二节第二节 温度对谷氨酸发酵的影响温度对谷氨酸发酵的影响 温度对谷氨酸发酵的影响是多方面的。从酶反应动力学来看,温度升高,反应速度加快,产物生成速度提前。酶是蛋白质，收热容易失活