發(fā)酵工藝實(shí)例介紹ppt課件

1、 第六章第六章 發(fā)酵工藝實(shí)例引見發(fā)酵工藝實(shí)例引見 第一節(jié)第一節(jié) 味精味精 一、概述一、概述早期早期從天然的食物資料中獲得從天然的食物資料中獲得中期中期最早商業(yè)化制造味精的原料是面筋最早商業(yè)化制造味精的原料是面筋近期近期糖是消費(fèi)味精的主要原料糖是消費(fèi)味精的主要原料Introduction History of amino acids production:The story of started in 1908 Isolated glutamic acid, delicious tasteScreen for amino-acid-excreting microorganisms:Coryneb

2、acterium glutamicum, In 1957.Monosodium glutamate (MSG):A flavor-enhancing compound二、谷氨酸的生物合成機(jī)理二、谷氨酸的生物合成機(jī)理 1. 谷氨酸谷氨酸 -氨基戊二酸氨基戊二酸 O C-OH 第一代鮮味劑第一代鮮味劑 H2N- C- H L-谷氨酸單鈉鹽谷氨酸單鈉鹽味精味精 H-C-H H-C-H H-C O OH L-型型NH42.2.谷氨酸的生物合成谷氨酸的生物合成 葡萄糖葡萄糖 6-P-葡萄糖葡萄糖 6-P-葡萄糖酸葡萄糖酸 3-P-甘油醛甘油醛 5-P-核糖核糖 丙酮酸丙酮酸 乙酰乙酰CoA 草酰乙酸草酰

3、乙酸 檸檬酸檸檬酸 蘋果酸蘋果酸 異檸檬酸異檸檬酸 延胡索酸延胡索酸 琥珀酸琥珀酸 - 酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 透過細(xì)胞膜透過細(xì)胞膜 谷氨酸谷氨酸HMP: Hexosemonophosphate pathway1 1EMP:EMP:丙酮酸，丙酮酸，ATP,NADH2ATP,NADH22 2HMP:6HMP:6磷酸果糖磷酸果糖 3 3磷酸甘油酸磷酸甘油酸 NADPH2:NADPH2:酮戊二酸復(fù)原氨基化必需的供氫體。酮戊二酸復(fù)原氨基化必需的供氫體。3 3TCATCA循環(huán)循環(huán): :生成谷氨酸前體物質(zhì)生成谷氨酸前體物質(zhì)酮戊二酸。酮戊二酸。4 4CO2CO2固定反響固定反響: :補(bǔ)充草酰乙酸。補(bǔ)

4、充草酰乙酸。5 5乙醛酸循環(huán)乙醛酸循環(huán): :使琥鉑酸、延胡索酸和蘋果酸的量得使琥鉑酸、延胡索酸和蘋果酸的量得 到補(bǔ)充，維持到補(bǔ)充，維持TCATCA循環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。循環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 谷氨酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶6 6復(fù)原氨基化反響復(fù)原氨基化反響: :酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸丙酮酸丙酮酸回補(bǔ)反響NADHNAD+蘋果酸脫氫酶OCOOHCCH2COOH蘋果酸酶NADP+CO2NADPHOCH3CCOOHHOHCCH2COOHCOOH 3. 3.谷氨酸消費(fèi)菌的生化特征谷氨酸消費(fèi)菌的生化特征 1 1有蘋果酸酶和丙酮酸羧化酶。有蘋果酸酶和丙酮酸羧化酶。 2 2酮戊二酸脫氫酶活性弱，異檸檬酮戊二酸脫氫酶活性

5、弱，異檸檬酸脫氫酸脫氫 酶活性強(qiáng)，異檸檬酸裂解酶活性弱。酶活性強(qiáng)，異檸檬酸裂解酶活性弱。 3 3谷氨酸脫氫酶活性高，經(jīng)呼吸鏈氧化谷氨酸脫氫酶活性高，經(jīng)呼吸鏈氧化NADPH2NADPH2 的才干弱。的才干弱。 4 4菌體本身利用谷氨酸的才干低。菌體本身利用谷氨酸的才干低。 4. 4.谷氨酸產(chǎn)生菌全是細(xì)菌谷氨酸產(chǎn)生菌全是細(xì)菌 棒桿菌屬棒桿菌屬 北京棒桿菌北京棒桿菌 C. pekinenseC. pekinense Corynebacterium Corynebacterium 鈍齒棒桿菌鈍齒棒桿菌 C. crenatumC. crenatum 谷氨酸棒桿菌谷氨酸棒桿菌 C. C. glutamic

6、umglutamicum 短桿菌屬短桿菌屬 黃色短桿菌黃色短桿菌 B. flvumB. flvum Brevibacterium Brevibacterium 產(chǎn)氨短桿菌產(chǎn)氨短桿菌 B. B. ammoniagenes ammoniagenes 小桿菌屬小桿菌屬 嗜氨小桿菌嗜氨小桿菌 M. M. ammoniaphilumammoniaphilum Microbacterium Microbacterium 節(jié)桿菌屬節(jié)桿菌屬 球形節(jié)桿菌球形節(jié)桿菌 A. A. globiformis Arthrobacterglobiformis Arthrobacter 共同點(diǎn)：共同點(diǎn)： 1 1革蘭氏陽性。革

7、蘭氏陽性。 2 2不構(gòu)成芽孢。不構(gòu)成芽孢。 3 3沒有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)。沒有鞭毛，不能運(yùn)動(dòng)。 4 4需求生物素作為生長因子。需求生物素作為生長因子。 5 5在通氣條件下產(chǎn)谷氨酸需氧微生在通氣條件下產(chǎn)谷氨酸需氧微生物。物。三、谷氨酸發(fā)酵的工藝控制三、谷氨酸發(fā)酵的工藝控制一培育基一培育基 1. 1. 碳源：淀粉水解糖、糖蜜、碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烴乙醇、烷烴 1 1淀粉水解糖的制備淀粉水解糖的制備 2 2糖蜜原料糖蜜原料 2. 2.氮源：銨鹽、尿素、氨水氮源：銨鹽、尿素、氨水 C/NC/N100100：15152121，實(shí)踐高達(dá)，實(shí)踐高達(dá)100100：2828 由于：由于：1 1用于調(diào)整用

8、于調(diào)整pHpH。 2 2分解產(chǎn)生的分解產(chǎn)生的NH3NH3從發(fā)酵液中逸出。從發(fā)酵液中逸出。 產(chǎn)酸階段：產(chǎn)酸階段： NH4+NH4+缺乏：使缺乏：使- -酮戊二酸蓄積而很少有谷氨酮戊二酸蓄積而很少有谷氨酸生成。酸生成。 NH4+NH4+過量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。過量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。3.3.無機(jī)鹽：磷酸鹽、鎂、鉀、鈉、鐵、錳、銅，其中無機(jī)鹽：磷酸鹽、鎂、鉀、鈉、鐵、錳、銅，其中 磷酸鹽對(duì)發(fā)酵有顯著影響。磷酸鹽對(duì)發(fā)酵有顯著影響。 缺乏：糖代謝受抑制，菌體生長缺乏。缺乏：糖代謝受抑制，菌體生長缺乏。 過多：過多：a.a.細(xì)胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。細(xì)胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸

9、排出。 b. b.促使丙酮酸和乙醛由丙酮酸脫羧生成縮促使丙酮酸和乙醛由丙酮酸脫羧生成縮 合生成纈氨酸的前體物合生成纈氨酸的前體物乙醛乳酸，乙醛乳酸， 使纈氨酸在發(fā)酵液中蓄積。使纈氨酸在發(fā)酵液中蓄積。 4. 4. 生長因子：生物素生長因子：生物素 作用：影響細(xì)胞膜通透性和代謝途徑。作用：影響細(xì)胞膜通透性和代謝途徑。 1 1作為催化脂肪酸生物合成最初反響的關(guān)鍵作為催化脂肪酸生物合成最初反響的關(guān)鍵酶乙酰酶乙酰 CoACoA的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進(jìn)而的輔酶，參與脂肪酸的生物合成，進(jìn)而影響影響 磷酯的合成。磷酯的合成。 2 2濃度過大：促進(jìn)菌體生長，谷氨酸產(chǎn)量低。濃度過大：促進(jìn)菌體生長，谷氨酸產(chǎn)

10、量低。由于：由于： a.a.乙醛酸循環(huán)活潑，乙醛酸循環(huán)活潑，- -酮戊二酸生成量減酮戊二酸生成量減少。少。 b.b.轉(zhuǎn)氨酶活力加強(qiáng)，谷氨酸轉(zhuǎn)變成其它氨轉(zhuǎn)氨酶活力加強(qiáng)，谷氨酸轉(zhuǎn)變成其它氨基酸。基酸。 生物素：生物素：B B族維生素的一種，又稱維生族維生素的一種，又稱維生素素H H或輔酶或輔酶R R。是合成脂肪酸所必需的。是合成脂肪酸所必需的。 脂肪酸的生物合成：脂肪酸的生物合成： 利用乙酰利用乙酰CoACoA直接原料是丙二酸單酰直接原料是丙二酸單酰CoACoA在乙酰在乙酰CoACoA羧化酶輔基為生物素催羧化酶輔基為生物素催化下合成。化下合成。 脂肪酸甘油磷酸脂肪酸甘油磷酸 磷脂蛋白質(zhì)磷脂蛋白質(zhì)

11、生物膜生物膜 因此，脂肪酸是組成細(xì)胞膜類脂的必要成分。因此，脂肪酸是組成細(xì)胞膜類脂的必要成分。 生物素限量，不利于脂肪酸的合成，有利于生物素限量，不利于脂肪酸的合成，有利于谷氨酸透過細(xì)胞膜分泌至體外。谷氨酸透過細(xì)胞膜分泌至體外。 使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物迅速排出的方法使胞內(nèi)代謝產(chǎn)物迅速排出的方法 1. 用生理學(xué)手段用生理學(xué)手段 直接抑制膜合成或使膜受直接抑制膜合成或使膜受缺損缺損 如如: Glu發(fā)酵中，控制生物素亞適量可大發(fā)酵中，控制生物素亞適量可大量分泌量分泌Glu；當(dāng)培育液中生物素含量較高時(shí)采用適量當(dāng)培育液中生物素含量較高時(shí)采用適量添加青霉素的方法；添加青霉素的方法； 2. 利用膜缺損突變株利用膜缺

12、損突變株 油酸缺陷型、甘油缺陷型油酸缺陷型、甘油缺陷型如如:用谷氨酸消費(fèi)菌的油酸缺陷型，培育過程用谷氨酸消費(fèi)菌的油酸缺陷型，培育過程中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使中，有限制地添加油酸，合成有缺損的膜，使細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。細(xì)胞膜發(fā)生滲漏而提高谷氨酸產(chǎn)量。甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型甘油缺陷型菌株的細(xì)胞膜中磷脂含量比野生型菌株低，易呵斥谷氨酸大量滲漏。運(yùn)用甘油缺菌株低，易呵斥谷氨酸大量滲漏。運(yùn)用甘油缺陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，陷型菌株，就是在生物素或油酸過量的情況下，也可以獲得大量谷氨酸。也可以獲得大量谷氨酸。 控制細(xì)胞膜的浸透性控制細(xì)胞膜的浸透

13、性(1) (1) 經(jīng)過生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜浸透性經(jīng)過生理學(xué)手段控制細(xì)胞膜浸透性(2) (2) 經(jīng)過細(xì)胞膜缺損突變控制細(xì)胞膜浸透性經(jīng)過細(xì)胞膜缺損突變控制細(xì)胞膜浸透性生物素生物素谷氨酸谷氨酸細(xì)胞膜浸細(xì)胞膜浸透性透性青霉素青霉素谷氨酸谷氨酸油酸缺陷油酸缺陷型型油酸油酸n工業(yè)上利用谷氨酸棒狀桿菌大量積累谷氨酸，工業(yè)上利用谷氨酸棒狀桿菌大量積累谷氨酸，應(yīng)采用的最好方法是應(yīng)采用的最好方法是 nA A加大菌種密度加大菌種密度nB B改動(dòng)碳源和氮源比例改動(dòng)碳源和氮源比例nC C改動(dòng)菌體細(xì)胞膜通透性改動(dòng)菌體細(xì)胞膜通透性nD D加大葡萄糖釋放量加大葡萄糖釋放量 為什么添加適量生物素或青霉素可提高谷氨酸產(chǎn)量？為什么

14、添加適量生物素或青霉素可提高谷氨酸產(chǎn)量？ 生物素：乙酰生物素：乙酰-CoA-CoA羧化酶的輔酶，與脂肪酸及磷脂合成有關(guān)。羧化酶的輔酶，與脂肪酸及磷脂合成有關(guān)?？刂粕锼睾?，可改動(dòng)細(xì)胞膜的成分，改動(dòng)膜的透性、谷氨控制生物素含量，可改動(dòng)細(xì)胞膜的成分，改動(dòng)膜的透性、谷氨酸的分泌和反響調(diào)理。酸的分泌和反響調(diào)理。 生物素含量高時(shí)，細(xì)胞膜致密，妨礙生物素含量高時(shí)，細(xì)胞膜致密，妨礙GluGlu分泌，并引起反響分泌，并引起反響抑制，加適量青霉素可提高抑制，加適量青霉素可提高GluGlu產(chǎn)量。產(chǎn)量。 青霉素：抑制肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，引起肽聚糖構(gòu)造青霉素：抑制肽聚糖合成中的轉(zhuǎn)肽酶活性，引起肽聚糖構(gòu)造中肽橋

15、無法交聯(lián)，呵斥細(xì)胞壁缺損，在膨脹壓的作用下代謝物中肽橋無法交聯(lián)，呵斥細(xì)胞壁缺損，在膨脹壓的作用下代謝物外滲，降低了谷氨酸的反響抑制，提高了產(chǎn)量。外滲，降低了谷氨酸的反響抑制，提高了產(chǎn)量。 二二pHpH的影響及其控制的影響及其控制 作用機(jī)理：主要影響酶的活性和菌的代作用機(jī)理：主要影響酶的活性和菌的代謝。謝。 在氮源供應(yīng)充分和微酸性條件下，谷氨在氮源供應(yīng)充分和微酸性條件下，谷氨酸發(fā)酵轉(zhuǎn)向谷氨酰胺發(fā)酵。酸發(fā)酵轉(zhuǎn)向谷氨酰胺發(fā)酵。 pHpH控制在中性或微堿性?？刂圃谥行曰蛭A性。 方法：流加尿素和氨水。方法：流加尿素和氨水。三溫度的影響及其控制三溫度的影響及其控制菌體生長達(dá)一定程度后開場產(chǎn)生氨基酸，菌菌

16、體生長達(dá)一定程度后開場產(chǎn)生氨基酸，菌體生長最適溫度和氨基酸合成的最適溫度不體生長最適溫度和氨基酸合成的最適溫度不同。同。菌體生長階段：菌體生長階段：3030 3434產(chǎn)酸階段：產(chǎn)酸階段：3434 3636 四溶解氧的控制四溶解氧的控制 大小由通風(fēng)量和攪拌轉(zhuǎn)速?zèng)Q議。大小由通風(fēng)量和攪拌轉(zhuǎn)速?zèng)Q議。 發(fā)酵產(chǎn)酸階段，通風(fēng)量要適量。發(fā)酵產(chǎn)酸階段，通風(fēng)量要適量。缺乏：發(fā)酵液缺乏：發(fā)酵液pHpH值偏低，生成乳酸和琥珀酸，谷氨值偏低，生成乳酸和琥珀酸，谷氨酸少。酸少。過大：過大：NADPH2NADPH2經(jīng)過呼吸鏈被氧化，影響經(jīng)過呼吸鏈被氧化，影響- -酮戊二酮戊二酸復(fù)原酸復(fù)原 氨基化，使氨基化，使- -酮戊二酸

17、蓄積。酮戊二酸蓄積?？刂瓶刂埔蜃右蜃赢a(chǎn)物產(chǎn)物氧氧( (不足不足) )乳酸或琥珀酸乳酸或琥珀酸 谷氨酸谷氨酸( (充足充足) -) -酮戊二酸酮戊二酸( (過量過量) ) NHNH+ +4 4( (不足不足)-)-酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸( (適量適量) ) 谷氨酰胺谷氨酰胺( (過量過量) )生物生物素素谷氨酸谷氨酸 ( (限量限量) ) 乳酸或琥珀酸乳酸或琥珀酸( (充足充足) )pHpH( (酸性酸性)N-)N-乙酰乙酰- -谷氨酰胺谷氨酰胺 谷氨酸谷氨酸( (中性或微堿性中性或微堿性) ) 磷酸磷酸鹽鹽( (適量適量) )谷氨酸谷氨酸 纈氨酸纈氨酸 環(huán)境條件引起谷氨酸合成的代謝轉(zhuǎn)換

18、環(huán)境條件引起谷氨酸合成的代謝轉(zhuǎn)換三、下游過程三、下游過程一谷氨酸的提取方法一谷氨酸的提取方法 1.1.等電點(diǎn)沉淀法等電點(diǎn)沉淀法 1 1水解等電點(diǎn)法水解等電點(diǎn)法 2 2低溫等電點(diǎn)法低溫等電點(diǎn)法 3 3低溫延續(xù)等電點(diǎn)法低溫延續(xù)等電點(diǎn)法2. 2. 不溶性鹽沉淀法不溶性鹽沉淀法1 1鋅鹽法鋅鹽法谷氨酸鋅離子谷氨酸鋅離子 谷氨酸鋅沉淀谷氨酸鋅沉淀 溶溶液液 谷氨酸結(jié)晶谷氨酸結(jié)晶pH6.3加酸加酸pH2.42 2鹽酸鹽法：鹽酸鹽法： GluGlu在濃鹽酸中生成并析出谷氨酸鹽酸鹽。在濃鹽酸中生成并析出谷氨酸鹽酸鹽。 這是用鹽酸水解面筋消費(fèi)谷氨酸的原理。這是用鹽酸水解面筋消費(fèi)谷氨酸的原理。3 3鈣鹽法：鈣鹽法

19、： 高溫谷氨酸鈣溶解度大，與菌體等不溶性雜質(zhì)高溫谷氨酸鈣溶解度大，與菌體等不溶性雜質(zhì) 分開，降溫，析出谷氨酸鈣沉淀，加分開，降溫，析出谷氨酸鈣沉淀，加NaHCO3 NaHCO3 直接得直接得 到味精。到味精。 3. 3.離子交換法離子交換法 用陽離子交換樹脂吸附谷氨酸構(gòu)成的陽用陽離子交換樹脂吸附谷氨酸構(gòu)成的陽離子，再用熱堿離子，再用熱堿 60 4% NaOH 60 4% NaOH 洗脫，洗脫，搜集相應(yīng)流分，加鹽酸結(jié)晶。搜集相應(yīng)流分，加鹽酸結(jié)晶。 GA+ GA GA+ GA GA- GA- GA=GA= 2 3.22 7.0 1212 pI pI 谷氨酸是酸性氨基酸，含谷氨酸是酸性氨基酸，含2 2個(gè)羧基個(gè)羧基1 1個(gè)氨基，個(gè)氨基，與陰離子交換樹脂要比與陽離子交換樹脂強(qiáng)，但與陰離子交換樹脂要比與陽離子交換樹脂強(qiáng)，但陰離子機(jī)械強(qiáng)度差，價(jià)錢貴，因此用陽離子交換陰離子機(jī)械強(qiáng)度差，價(jià)錢貴，因此用陽離子交換樹脂。樹脂。 實(shí)際上講發(fā)酵液上柱的實(shí)際上講發(fā)酵液上柱的pHpH值應(yīng)低于值應(yīng)低于3.223.2