氨基酸的生產(chǎn)

氨基酸的生產(chǎn)第一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日學(xué)習(xí)目標(biāo)了解氨基酸的應(yīng)用及一般的生產(chǎn)方法；了解谷氨酸合成原理及其它氨基酸的生產(chǎn)；掌握谷氨酸生產(chǎn)的工藝過(guò)程及工藝控制。第二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)概述

氨基酸的應(yīng)用食品工業(yè)可提高食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；具有鮮味。醫(yī)藥工業(yè)是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，參與體內(nèi)代謝和各種生理機(jī)能活動(dòng)。飼料工業(yè)賴(lài)氨酸、蛋氨酸，提高飼料的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值?；瘜W(xué)工業(yè)洗滌劑—十二?；劝彼徕c肥皂；潤(rùn)膚劑；人造纖維；涂料。農(nóng)業(yè)具有特殊作用，日本使用的N-月桂酰-L-異戊氨酸，能防止稻瘟病，提高米的蛋白質(zhì)含量；長(zhǎng)鏈酰基氨基酸能提高農(nóng)作物對(duì)病害的抵抗力。第三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日生產(chǎn)方法提取法將蛋白質(zhì)原料用酸水解，從水解液中提取氨基酸。胱氨酸、半胱氨酸和酪氨酸用提取法生產(chǎn)。合成法D、L-蛋氨酸，D、L-丙氨酸，甘氨酸和苯丙氨酸；需進(jìn)行拆分。酶法利用微生物產(chǎn)生的酶制造氨基酸。賴(lài)氨酸、色氨酸、天冬氨酸、酪氨酸可用酶法生產(chǎn)。發(fā)酵法以淀粉水解糖，或糖蜜、醋酸為原料，利用氨基酸生產(chǎn)菌進(jìn)行代謝發(fā)酵。發(fā)酵工藝，采用分批流加法，計(jì)算機(jī)控制，生產(chǎn)管理自動(dòng)化，產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率均較高。我國(guó)20世紀(jì)60年代發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸，目前發(fā)展相當(dāng)規(guī)模，賴(lài)氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等用發(fā)酵法和酶法生產(chǎn)。第四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)合成原理谷氨酸生產(chǎn)機(jī)理分為以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：①淀粉經(jīng)過(guò)水解轉(zhuǎn)化為以葡萄糖為代表的單糖；②葡萄糖經(jīng)過(guò)EMP途徑或HMP途徑轉(zhuǎn)化為丙酮酸；③丙酮酸經(jīng)過(guò)三羧酸循環(huán)（TCA）轉(zhuǎn)化為α-酮戊二酸；④α-酮戊二酸經(jīng)過(guò)氨基化生成谷氨酸。谷氨酸棒狀桿菌的谷氨酸合成途徑見(jiàn)下圖第五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日谷氨酸棒狀桿菌的谷氨酸合成途徑示意圖第六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)谷氨酸生產(chǎn)工藝過(guò)程四部分組成：淀粉水解糖制備，谷氨酸發(fā)酵、提取、精制。淀粉水解糖的制備淀粉水解糖制備方法：酸法、雙酶法、酸酶法等。酸酶法淀粉水解糖制備工藝過(guò)程。第七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日調(diào)漿將淀粉原料調(diào)成粉漿，保持一定的濃度及pH值，將料液泵入水解鍋，水解糖化。粉漿的濃度、酸度及糖化時(shí)間等對(duì)淀粉的水解反應(yīng)有直接的影響。淀粉乳的濃度越低，水解液的葡萄糖值（DE值）越高，色澤越淺。在淀粉水解操作中，淀粉乳濃度一般采用18～19Be。水解蒸汽直接加熱。壓力與淀粉水解反應(yīng)速度成正比，壓力升高，水解反應(yīng)速度加快。為加快水解速度，提高設(shè)備的生產(chǎn)能力，可增大水解反應(yīng)壓力。在相同的條件下，達(dá)到一定的糖化效果，壓力升高時(shí)，反應(yīng)時(shí)間短；反之，反應(yīng)時(shí)間加長(zhǎng)。第八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日中和由糖化鍋壓出來(lái)的糖化液溫度很高(140～150℃)，冷卻、中和。中和的目的是降低糖化液酸度，使糖液中膠體物質(zhì)凝聚析出，便于過(guò)濾除去。中和劑為純堿，也可用燒堿配成NaOH溶液。用純堿中和，反應(yīng)較溫和，糖液質(zhì)量有保證，但是產(chǎn)生泡沫多；用燒堿中和，易局部過(guò)堿使葡萄糖發(fā)生焦化變?yōu)榻固牵ń固且种乒劝彼峋纳L(zhǎng)，增加糖液色澤及精制困難）。在操作中將堿配成一定的濃度，然后再用于中和。第九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日脫色

活性炭吸附法常用粉末狀活性炭?；钚蕴亢牧恳曁且荷珴汕闆r與活性炭質(zhì)量而定。粉末炭用量相當(dāng)于投淀粉量0.6%～0.8%。脫色效果與投炭量、質(zhì)量、溫度、pH值、時(shí)間有關(guān)脫色溫度低些，對(duì)脫色效果較為有利，但溫度過(guò)低，將使糖液粘牲加強(qiáng)，難以過(guò)濾；在70℃左右?；钚蕴吭谒嵝詶l件下脫色能力較強(qiáng)。脫色需一定的攪拌時(shí)間(≥0.5h)，使活性炭充分起作用。第十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日離子交換樹(shù)脂脫色選擇性強(qiáng)，脫色效果較好，便于管道化、連續(xù)化及自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。過(guò)濾

常用板框壓濾；用于脫色的活性碳起過(guò)濾介質(zhì)和助濾劑的作用。第十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日菌種的擴(kuò)大培養(yǎng)斜面培養(yǎng)產(chǎn)生菌是棒桿菌屬、短桿菌屬、小桿菌屬及節(jié)桿菌屬的細(xì)菌；都是好氧微生物，都需要以生物素為生長(zhǎng)因子。我國(guó)用北京棒桿菌AS1.229、鈍齒棒桿菌AS1542等。斜面培養(yǎng)用蛋白胨、牛肉膏、氯化鈉組成pH7.0～7.2的瓊脂培養(yǎng)基，在32℃培養(yǎng)18～24h，合格后，放冰箱保存?zhèn)溆?。一?jí)種子培養(yǎng)采用由葡萄糖、玉米漿、尿素、磷酸氫二鉀、硫酸鎂、硫酸鐵及硫酸錳組成，pH6.5～6.8的液體培養(yǎng)基；以1L三角瓶裝液體培養(yǎng)基200～250mL振蕩培養(yǎng)，在32℃培養(yǎng)12h，如無(wú)污染，質(zhì)量達(dá)到要求，貯于4℃冰箱備用。第十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日二級(jí)種子培養(yǎng)用種子罐培養(yǎng)，接種量1%，培養(yǎng)基組成和一級(jí)種子相仿，主要區(qū)別是用水解糖代替葡萄糖，于32℃下通氣培養(yǎng)7～10h，經(jīng)質(zhì)檢合格可移種至發(fā)酵罐（或冷卻至10℃?zhèn)溆茫?。種子質(zhì)量要求：無(wú)雜菌及噬菌體感染，菌體大小均勻，呈單個(gè)或八字排列。二級(jí)種子培養(yǎng)結(jié)束時(shí)要求活菌數(shù)為108～109個(gè)細(xì)胞/mL，攝氧率>1000μL氧/mL種子液·h。第十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日氨基酸發(fā)酵的工藝控制(1)菌體生長(zhǎng)期，幾乎不產(chǎn)酸，大約12h，此期泡沫較多并放出大量發(fā)酵熱，必須進(jìn)行冷卻。(2)菌體生長(zhǎng)停止轉(zhuǎn)入產(chǎn)物合成期，菌體濃度基本不變，糖與尿素分解后產(chǎn)生α-酮戊二酸和氨，用來(lái)合成谷氨酸。(3)發(fā)酵后期，菌體衰老，糖耗緩慢，當(dāng)酸濃度不再增加時(shí)，需及時(shí)放罐，發(fā)酵周期一般為30h。第十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（1）培養(yǎng)基成分及其控制（培養(yǎng)基各成分的作用）①菌體生長(zhǎng)、氨基酸合成均需要氮；氮源還用來(lái)調(diào)節(jié)pH值，因此氮源的需要量比一般發(fā)酵要多。②谷氨酸發(fā)酵的碳/氮=100/(15～21)，碳/氮=100/11時(shí)才開(kāi)始積累谷氨酸。③在消耗氮源中，合成菌體用氮源僅占氮3％～6％，合成谷氨酸氮源占30％～80％。④在實(shí)際生產(chǎn)中，采用尿素或氨水為氮源時(shí)，還有一部分氮用來(lái)調(diào)節(jié)pH值，另一部分氮源被分解隨空氣逸出，因此用量更大。在谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)中當(dāng)糖濃度為12.5％、總尿素量為3％，碳：氮=100：28。第十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

說(shuō)明：不同的碳氮比對(duì)氨基酸生物合成產(chǎn)生顯著影響，如谷氨酸發(fā)酵中，適量的NH4+可減少α-酮戊二酸的積累，促進(jìn)谷氨酸的合成；過(guò)量NH4+會(huì)使生成的谷氨酸受谷酰胺合成酶的作用轉(zhuǎn)化為谷酰胺。⑤氨基酸發(fā)酵還需要無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子等。第十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（2）種齡和種量的控制一級(jí)種子種齡控制在11～12h；二級(jí)種子種齡控制在7～8h。一次初糖谷氨酸發(fā)酵接種量1％。種量過(guò)多，使菌體生長(zhǎng)速度過(guò)快，菌體嬌嫩，不強(qiáng)壯，提前衰老自溶，后期產(chǎn)酸不高；如果種量過(guò)少，則菌體增長(zhǎng)緩慢，發(fā)酵時(shí)間延長(zhǎng)，容易染菌。

第十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（3）溫度的影響及其控制菌體生長(zhǎng)最適溫度和氨基酸合成最適溫度不同。菌體生長(zhǎng)最適溫度30～32℃；溫度過(guò)高，則菌體易衰老，pH值高，糖耗慢，周期長(zhǎng)，酸產(chǎn)量低，如遇這種情況，除維持最適生長(zhǎng)溫度外還需適當(dāng)減少風(fēng)量，并采取少量多次流加尿素等措施，以促進(jìn)菌體生長(zhǎng)。發(fā)酵中、后期，維持最適宜產(chǎn)酸溫度34～37℃，以利谷氨酸合成。第十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

（4）pH值的影響及其控制

影響酶的活性和菌的代謝。谷氨酸發(fā)酵，pH=7.0～8.0積累谷氨酸，pH=5.0～5.8，則易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。發(fā)酵前期pH值偏高對(duì)生長(zhǎng)不利，糖耗慢，發(fā)酵周期延長(zhǎng)；pH值偏低，菌體生長(zhǎng)旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。前期pH值偏高(pH=7.5～8.0)對(duì)抑制雜菌有利，故控制發(fā)酵前期的pH值以7.5左右。中后期的pH值為7.2左右。第十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日生產(chǎn)上控制pH值的方法流加尿素（常用）；流加氨水①流加尿素的數(shù)量和時(shí)間根據(jù)pH值變化、菌體生長(zhǎng)、糖耗情況和發(fā)酵階段等決定。當(dāng)菌體生長(zhǎng)和糖耗均緩慢時(shí)，要少量多次地流加尿素，避免pH值過(guò)高而影響菌體生長(zhǎng)；菌體生長(zhǎng)和糖耗均快時(shí)，流加尿素可多些，使pH值適當(dāng)高些，以抑制生長(zhǎng)；發(fā)酵后期，殘?zhí)呛苌伲咏殴迺r(shí)，盡量少加或不加尿素，以免造成浪費(fèi)和增加氨基酸提取困難。②流加氨水，因氨水作用快，對(duì)pH的影響大，故應(yīng)采用連續(xù)流加。第二十頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日（5）氧的影響及其控制

不同的種齡、種量，培養(yǎng)基成分，發(fā)酵階段及發(fā)酵罐大小要求通風(fēng)量不同。長(zhǎng)菌階段，通風(fēng)量過(guò)大，生物素缺乏，會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)，表現(xiàn)出耗糖慢、pH高、菌體生長(zhǎng)緩慢；產(chǎn)酸階段，需要大量供氧，如通氣量不足，pH低，耗糖快，長(zhǎng)菌不產(chǎn)酸，積累乳酸和琥珀酸。通氣量過(guò)大，不利于α-酮戊二酸進(jìn)一步還原氨基化，而大量積累α-酮戊二酸。在適量通氣條件下，才能大量積累谷氨酸。第二十一頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日從空氣過(guò)濾、培養(yǎng)基、設(shè)備、環(huán)境等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)。谷氨酸生產(chǎn)菌對(duì)噬菌體和雜菌的抵抗能力較弱。發(fā)酵過(guò)程中污染雜菌或噬菌體，輕則出現(xiàn)谷氨酸收率低、難提?。恢貏t倒罐，造成很大經(jīng)濟(jì)損失。

（6）防止噬菌體和雜菌的污染

第二十二頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日谷氨酸的提取和精制工藝

常用方法：等電點(diǎn)法、離子交換法、鋅鹽法。

1．提?。?）等電點(diǎn)法谷氨酸分子中有2個(gè)羧基、1個(gè)氨基，pK1=2.91(α-COOH)、pK2=4.25(γ-COOH)、pK3=9.67(α-NH3+)，其等電點(diǎn)為pH=3.22

將發(fā)酵液調(diào)節(jié)到pH=3.22，谷氨酸沉淀析出。此法操作方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，一次收率達(dá)60％左右；缺點(diǎn)是周期長(zhǎng)，占地面積大。第二十三頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十四頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日

（2）離子交換法

發(fā)酵液的pH<3.22時(shí)，谷氨酸以陽(yáng)離子狀態(tài)存在，用陽(yáng)離子交換樹(shù)脂提取，吸附在樹(shù)脂上的谷氨酸陽(yáng)離子再用堿洗脫下來(lái)，收集谷氨酸洗脫液，經(jīng)冷卻，加鹽酸調(diào)pH=3.0～3.2進(jìn)行結(jié)晶，再用離心分離機(jī)即可得谷氨酸結(jié)晶。此法過(guò)程簡(jiǎn)單，周期短，設(shè)備省，占地少，提取總收率可達(dá)80％～90％缺點(diǎn)是酸堿用量大，廢液污染環(huán)境。第二十五頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日理論上講，上柱發(fā)酵液的pH值應(yīng)低于3.22，但實(shí)際生產(chǎn)上發(fā)酵液的pH值并不低于3.22，而是在5.0～5.5就可上柱。原因：發(fā)酵液中含有一定數(shù)量的NH4+、Na+陽(yáng)離子，優(yōu)先與樹(shù)脂進(jìn)行交換反應(yīng)，放出H+離子，使溶液的pH值降低，谷氨酸帶正電荷成為陽(yáng)離子而被吸附，上柱時(shí)應(yīng)控制溶液的pH值不高于6.0。

第二十六頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日第二十七頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日2．中和、精制中和谷氨酸的飽和溶液加堿進(jìn)行中和，谷氨酸中和反應(yīng)pH應(yīng)控制在谷氨酸第二等電點(diǎn)pH=6.96。當(dāng)pH值太高時(shí)，生成谷氨酸二鈉。除鐵、除鋅有硫化鈉和樹(shù)脂法兩種。第二十八頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日硫化鈉可與Fe2+、Zn2+反應(yīng)生成硫化鋅沉淀而除去。樹(shù)脂除鐵是利用弱酸性陽(yáng)離子交換樹(shù)脂，吸附鐵或鋅得以除去。樹(shù)脂法除鐵或鋅，解決了硫化除鐵引起的環(huán)境污染問(wèn)題，改善了操作條件，提高味精質(zhì)量，是一種較為理想的除鐵方法。第二十九頁(yè)，共三十二頁(yè)，2022年，8月28日脫色

活性炭脫色法和離子交換樹(shù)脂法活性炭脫色主要是粉末狀的藥用炭和GH-15顆?；钚蕴?jī)煞N。粉末活性炭脫色，一種方法是在中和過(guò)程中加炭脫色后除去鐵，另一種方法是中和液洗滌除鐵，用谷氨酸回調(diào)pH=6.2～6.4，蒸汽加熱60℃，使谷氨酸全部溶解，再加入適量的活性炭脫色。