氨基酸生產(chǎn)工藝-課件

本章主要內(nèi)容第一節(jié)、氨基酸生產(chǎn)工藝第二節(jié)、有機酸生產(chǎn)工藝第三節(jié)、有機溶劑生產(chǎn)工藝第四節(jié)、核苷類物質(zhì)生產(chǎn)工藝第五節(jié)、維生素生產(chǎn)工藝第六節(jié)、再生能源第一頁第二頁，共63頁。第一節(jié)氨基酸生產(chǎn)工藝一、氨基酸簡介二、發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸三、谷氨酸發(fā)酵機制及工藝第二頁第三頁，共63頁。一、氨基酸簡介第三頁第四頁，共63頁。

氨基酸發(fā)酵

氨基酸：合成法、抽提法氨基酸工業(yè)起源于日本

1909年面筋酸水解生產(chǎn)谷氨酸

1956年由發(fā)酵法生產(chǎn)谷氨酸我國氨基酸發(fā)酵工業(yè)1964年上海投產(chǎn)賴氨酸、蛋氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸等12種氨基酸第四頁第五頁，共63頁。

一.氨基酸的用途（一）食品工業(yè)

甜味劑：甘氨酸、丙氨酸

酸味劑：天門冬氨酸、谷氨酸等

鮮味劑：天門冬氨酸鈉、谷氨酸鈉等

甘氨酸：可用于清涼飲料

賴氨酸：加強食品、飼料第五頁第六頁，共63頁。

天冬甜肽（Aspartom）：

L-Asp和L-phe合成美國Searle公司30年前低熱量營養(yǎng)性甜味劑口感近似蔗糖，甜度為蔗糖的25~30倍，熱量僅為蔗糖的1/160，全球總銷量已1.5萬噸阿麗泰(Alitame)：由天冬氨酸與丙氨酸合成甜味更純正，耐熱性更好，最適用于面包、餅干、蛋糕等焙烤食品第六頁第七頁，共63頁。聚賴氨酸：食品保鮮劑、肉類、家禽、海產(chǎn)、面包餅干和各種谷物食品的防腐保鮮；高級吸水性聚合物：嬰兒尿片等產(chǎn)品日本年產(chǎn)已達1千多噸第七頁第八頁，共63頁。

聚谷氨酸：綠色塑料食品包裝到一次性餐具和其它各種工業(yè)用途它在自然界中可迅速降解不環(huán)境污染日本已開發(fā)成功并有產(chǎn)品上市第八頁第九頁，共63頁。

（二）醫(yī)藥工業(yè)

1.氨基酸混合液：高營養(yǎng)液

2.治療用：

1）肝臟治療：精氨酸、鳥氨酸、瓜氨酸、谷氨酸、天冬氨酸用以降低血氨異亮氨酸、亮氨酸等糾正血漿氨基酸失衡蛋氨酸、胱氨酸用于治療脂肪肝

2）消化道疾病治療：谷氨酰胺、蘇氨酸治療消化道潰瘍,亮氨酸、谷氨酸調(diào)節(jié)胃液酸度第九頁第十頁，共63頁。

3）腦病治療：

L-谷氨酸與L-谷氨酰胺改善腦出血后遺癥的記憶障礙

-氨基酸治療癲癇等左旋多巴用于震顫性麻痹等

4）心血管治療天冬氨酸用于心率失常第十頁第十一頁，共63頁。（三）化妝品

胱氨酸用于護發(fā)

絲氨酸用于雪花膏

谷氨酸、甘氨酸、丙氨酸與脂肪酸形成的表面活性劑有洗凈、抗菌作用

谷氨酸堿鹽、精氨酸堿鹽：化妝品對皮膚無刺激性

第十一頁第十二頁，共63頁。（四）其他

甘氨酸為除草劑成分

聚谷氨酸是合成皮革原料和表面活性劑原料

第十二頁第十三頁，共63頁。四大飼料氨基酸：蛋氨酸、賴氨酸、蘇氨酸、色氨酸色氨酸：提高豬的瘦肉率，減少脂肪使豬肉味道更鮮美聚精氨酸：

農(nóng)用地膜作為洗滌劑、廢水處理劑等工業(yè)用途第十三頁第十四頁，共63頁。氨基酸的生產(chǎn)方法：1.抽提法半胱氨酸、胱氨酸、酪氨酸的生產(chǎn)由于沒有其他適當方法，目前還是用抽提法。2.直接發(fā)酵法按照菌株的特性，直接發(fā)酵法可分為四類第十四頁第十五頁，共63頁。ⅰ.使用野生型菌株或野生菌株的誘變株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸谷氨酸丙氨酸纈氨酸第十五頁第十六頁，共63頁。ⅱ.使用營養(yǎng)缺陷型突變株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸賴氨酸蘇氨酸苯丙氨酸酪氨酸亮氨酸纈氨酸鳥氨酸瓜氨酸脯氨酸缺失限制E的濃度，解除反饋抑制第十六頁第十七頁，共63頁。營養(yǎng)缺陷型菌株野生菌株經(jīng)過人工誘變或自然突變失去合成某種營養(yǎng)的能力，只有在基本培養(yǎng)基中補充所缺乏的營養(yǎng)因子才能生長，稱為營養(yǎng)缺陷型。第十七頁第十八頁，共63頁。ⅲ.由氨基酸結(jié)構(gòu)類似物抗性突變株直接由糖和銨鹽發(fā)酵生產(chǎn)氨基酸賴氨酸蘇氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸亮氨酸異亮氨酸纈氨酸鳥氨酸瓜氨酸精氨酸脯氨酸蛋氨酸第十八頁第十九頁，共63頁。ⅳ.使用營養(yǎng)缺陷型兼抗性突變株生產(chǎn)氨基酸賴氨酸蘇氨酸苯丙氨酸酪氨酸色氨酸異亮氨酸亮氨酸鳥氨酸瓜氨酸精氨酸高絲氨酸第十九頁第二十頁，共63頁。3.添加中間產(chǎn)物的發(fā)酵

以氨基酸的中間產(chǎn)物為原料，用微生物轉(zhuǎn)化相應(yīng)的氨基酸，這樣可以避免氨基酸生物合成途徑中的反饋抑制作用。絲氨酸色氨酸蛋氨酸異亮氨酸第二十頁第二十一頁，共63頁。4.酶法

應(yīng)用完整菌體或自微生物細胞抽提出酶類制造氨基酸丙氨酸天冬氨酸酪氨酸多巴（二羥基苯丙氨酸）色氨酸5-羥基－色氨酸賴氨酸第二十一頁第二十二頁，共63頁。5.合成法

丙氨酸天冬酰胺甘氨酸蛋氨酸絲氨酸色氨酸苯丙氨酸第二十二頁第二十三頁，共63頁。二、發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸第二十三頁第二十四頁，共63頁。由于發(fā)酵法生產(chǎn)氨基酸，其原料廉價易得，生產(chǎn)條件溫和，并且隨著微生物代謝調(diào)節(jié)理論研究的發(fā)展，目前大部分氨基酸都以發(fā)酵法進行生產(chǎn)。第二十四頁第二十五頁，共63頁。

典型的代謝控制發(fā)酵發(fā)酵產(chǎn)物氨基酸：中間代謝產(chǎn)物積累：要求微生物正常代謝的抑制關(guān)鍵：控制機制被解除，打破微生物正常代謝調(diào)節(jié)氨基酸發(fā)酵第二十五頁第二十六頁，共63頁。氨基酸發(fā)酵的代謝控制氨基酸發(fā)酵工藝控制和選育氨基酸高產(chǎn)菌株的依據(jù)有以下幾個方面：第二十六頁第二十七頁，共63頁。控制發(fā)酵環(huán)境條件第二十七頁第二十八頁，共63頁。2.控制細胞滲透性氨基酸發(fā)酵必須考慮的重要因素細胞內(nèi)生物素水平高，谷氨酸不能通過細胞膜表面活性劑增加細胞膜通透性青霉素影響細胞壁合成第二十八頁第二十九頁，共63頁。表面活性劑引起細胞膜的脂肪酸成分的改變，改變其通透性抑制合成第二十九頁第三十頁，共63頁。3.控制旁路代謝第三十頁第三十一頁，共63頁。4.降低反饋作用物濃度目的產(chǎn)物缺失酶第三十一頁第三十二頁，共63頁。5.消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用目的產(chǎn)物第三十二頁第三十三頁，共63頁。6.促進ATP積累，以利于氨基酸的生成α-酮戊二酸谷氨酸γ-谷氨酰磷酸谷氨酸半縮醛Δ1-吡咯啉-5-羧酸脯氨酸草酰乙酸天冬氨酸天冬氨酰磷酸天冬氨酸半縮醛高絲氨酸蘇氨酸α-酮基丁酸異亮氨酸賴氨酸蛋氨酸ATPADP蘇氨酸脫水酶反饋抑制缺失天冬氨酸激酶高絲氨酸激酶黃色短桿菌（異亮氨酸缺陷型）的脯氨酸發(fā)酵機制第三十三頁第三十四頁，共63頁。氨基酸發(fā)酵的代謝控制控制發(fā)酵環(huán)境條件2.控制細胞滲透性3.控制旁路代謝4.降低反饋作用物濃度5.消除終產(chǎn)物的反饋抑制與阻遏作用6.促進ATP積累，以利于氨基酸的生成第三十四頁第三十五頁，共63頁。三、谷氨酸發(fā)酵第三十五頁第三十六頁，共63頁。（一）、谷氨酸發(fā)酵機制Ⅰ.谷氨酸的生物合成途徑主要包括：EMP途徑HMP途徑TCA循環(huán)乙醛酸循環(huán)CO2固定反應(yīng)第三十六頁第三十七頁，共63頁?？偡磻?yīng)途徑

糖經(jīng)過EMP途徑和HMP生成丙酮酸。一方面丙酮酸氧化脫羧生成乙酰-CoA；另一方面，經(jīng)CO2固定作用生成草酰乙酸；兩者合成檸檬酸進入TCA循環(huán)，由三羧酸循環(huán)的中間產(chǎn)物α-酮戊二酸，在谷氨酸脫氫酶的催化下，還原氨基化合成谷氨酸。第三十七頁第三十八頁，共63頁。CO2第三十八頁第三十九頁，共63頁?？偡磻?yīng)式和理論轉(zhuǎn)化率總反應(yīng)式C6H12O6+NH3+3/2O2C5H9O4N+CO2+3H2O理論轉(zhuǎn)化率：

（147/180）×100%=81.7%第三十九頁第四十頁，共63頁。EMP途徑和HMP途徑EMP途徑葡萄糖丙酮酸生成不同產(chǎn)物2.HMP途徑6-磷酸葡萄糖-磷酸葡萄糖酸5-磷酸戊糖

2C化合物5-磷酸戊糖

3C化合物TCA循環(huán)6-磷酸葡萄糖脫氫酶戊糖代謝分解第四十頁第四十一頁，共63頁。生物素充足：HMP途徑所占比例為38%生物素亞適量：HMP途徑所占比例為26%第四十一頁第四十二頁，共63頁。TCA、DCA循環(huán)和CO2固定1.TCA循環(huán)丙酮酸乙酰CoA丙糖-3-磷酸草酰乙酸檸檬酸TCA氧化CO2固定第四十二頁第四十三頁，共63頁。CO2氧化α-酮戊二酸脫氫酶第四十三頁第四十四頁，共63頁。

α-酮戊二酸脫氫酶α-酮戊二酸脫氫酶在谷氨酸生物合成中非常重要谷氨酸高產(chǎn)菌應(yīng)喪失或僅有微弱的α-酮戊二酸脫氫酶活力α-酮戊二酸琥珀酰CoA琥珀酸α-酮戊二酸脫氫酶若α-酮戊二酸脫氫酶活力很弱，就使糖代謝流進入TCA循環(huán)后受阻在α-酮戊二酸處α-酮戊二酸NH4+、谷氨酸脫氫酶谷氨酸第四十四頁第四十五頁，共63頁。2.DCA循環(huán)乙酰CoA草酰乙酸檸檬酸異檸檬酸琥珀酸乙醛酸乙酰CoA蘋果酸異檸檬酸裂解酶蘋果酸合成酶蘋果酸脫氫酶檸檬酸合成酶第四十五頁第四十六頁，共63頁。CO2第四十六頁第四十七頁，共63頁。DCA循環(huán)的生理意義作為TCA循環(huán)有缺陷時C4二羧酸的補充，特別是以醋酸和乙醇為原料的谷氨酸發(fā)酵，它是C4二羧酸的唯一補充來源作為能量供給來源的末端氧化系第四十七頁第四十八頁，共63頁。TCA循環(huán)和DCA循環(huán)以醋酸為唯一碳源的菌體實驗表明：菌體內(nèi)有機酸濃度低到需要DCA循環(huán)運轉(zhuǎn)時，由異檸檬酸裂解酶催化生成的乙醛酸與細胞內(nèi)的草酰乙酸共同抑制異檸檬酸脫氫酶；由于DCA循環(huán)運轉(zhuǎn)，TCA循環(huán)有機酸過剩，異檸檬酸裂解酶被抑制，乙醛酸濃度下降，解除對異檸檬酸脫氫酶的抑制，TCA循環(huán)運轉(zhuǎn)第四十八頁第四十九頁，共63頁。有機酸濃度低乙醛酸、草酰乙酸異檸檬酸脫氫酶抑制DCA循環(huán)運轉(zhuǎn)第四十九頁第五十頁，共63頁。DCA循環(huán)運轉(zhuǎn)TCA循環(huán)有機酸過剩異檸檬酸裂解酶抑制乙醛酸濃度降低異檸檬酸脫氫酶抑制解除

TCA循環(huán)運轉(zhuǎn)第五十頁第五十一頁，共63頁。在糖質(zhì)原料的谷氨酸發(fā)酵中，在谷氨酸生成期，如果葡萄糖先轉(zhuǎn)化為醋酸，再由DCA循環(huán)提供C4二羧酸合成谷氨酸，谷氨酸對糖的轉(zhuǎn)化率就大為減少。3C6H12O66丙酮酸6醋酸6醋酸+2NH3+3O22C5H9O4N+2CO2+6H2O轉(zhuǎn)化率：2×147/（3×180）×100%=54.4%在以葡萄糖為原料的谷氨酸發(fā)酵中，特別是谷氨酸生成期DCA循環(huán)應(yīng)該關(guān)閉第五十一頁第五十二頁，共63頁。3.CO2固定在谷氨酸產(chǎn)生菌中已檢出兩種CO2固定酶：磷酸烯醇丙酮酸（PEP）羧化酶和蘋果酸酶PEP+CO2+GDP草酰乙酸+GTPPEP羧化酶丙酮酸蘋果酸草酰乙酸蘋果酸脫氫酶蘋果酸酶±CO2

NAD+NADH+H+第五十二頁第五十三頁，共63頁。CO2CO2PEP+PEP羧化酶丙酮酸激酶1，6-二磷酸果糖PEP羧化酶對PEP的表現(xiàn)親和力約是丙酮酸激酶的1/10第五十三頁第五十四頁，共63頁。與二磷酸果糖共同激活PEP羧化酶PEP濃度低PEP易進入分解途徑乙酰-CoA濃度增加轉(zhuǎn)向CO2固定草酰乙酸TCA循環(huán)中間產(chǎn)物濃度增加抑制PEP羧化酶防止過剩乙酰-CoA氧化ATP水平提高抑制丙酮酸激酶所以在谷氨酸發(fā)酵中，糖的分解代謝途徑與CO2固定的適當比例是提高谷氨酸對糖收率的關(guān)鍵問題。生物合成和需能反應(yīng)ATP濃度降低解除抑制丙酮酸激酶第五十四頁第五十五頁，共63頁。氨的導入氨的導入方式：糖代謝中間體α-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸天冬氨酸或丙氨酸通過氨基轉(zhuǎn)移作用將氨基轉(zhuǎn)給α-酮戊二酸而生成谷氨酸合成酶途徑第五十五頁第五十六頁，共63頁。檸檬酸異檸檬酸α-酮戊二酸谷氨酸NADPH+H+NADPNH4+糖代謝中間體α-酮戊二酸還原氨基化生成谷氨酸

異檸檬酸脫氫酶：需NADP為輔酶，催化α-酮戊二酸的生成（谷氨酸的前體），并為谷氨酸脫氫酶提供輔酶谷氨酸脫氫酶：需NADPH+H+為輔酶活細胞中，異檸檬酸脫氫酶活性小于谷氨酸脫氫酶活性，所以NADP濃度是實際上的限速因子異檸檬酸脫氫酶谷氨酸脫氫酶第五十六頁第五十七頁，共63頁。

黃色短桿菌中，谷氨酸脫氫酶對α-酮戊二酸和谷氨酸表現(xiàn)出同促相互作用，低濃度的α-酮戊二酸和谷氨酸對此酶有顯著的激活作用。當谷氨酸濃度為100mmol/L時，抑制酶活65