微生物工艺学论文《谷氨酸发酵总结》1.doc

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鲁东大学生命科学学院2011－20 12学年第2学期
《微生物工程》课程论文
课程号：
任课教师 成 绩
论文题目：（可指定题目，也可说明题目范围。）
谷氨酸发酵技术总结
论文要求：
1.任一发酵产品的生产研究过程（菌种选育、培养基优化、代谢控制、产品提取等方面）
2.题目自拟
3.参考文献统一格式
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正文
谷氨酸发酵技术总结

中文摘要：本文通过对谷氨酸发酵过程中的基本概述、菌种选育、代谢控制、培养基优化、发酵过程控制及对现在工艺的改良等方面，对谷氨酸发酵技术的各个环节进行一次综合性的论述，进行一次初步的总结。

关键词： 温度敏感株 代粮发酵 培养基优化 染菌的防治 糖的流加

1. 基本概述：
谷氨酸在食品工业、日用化妆品行业、医药卫生行业及农业上都有重要的应用。
我国的味精产量居世界第一位，但人均消费水平较低，与港澳台及东南亚等地区存在着非常大的差距，所以我国的谷氨酸发酵产业有巨大的潜在市场。
谷氨酸的主要生产菌种有：（1）棒杆菌属：谷氨酸棒杆菌：生长素缺陷型、温度敏感型；北京棒杆菌；钝齿棒杆菌。（2）短杆菌属：黄色短杆菌；天津短杆菌。[1]
培养基的主要成分：碳源为豆饼，玉米浆；氮源除豆饼，玉米浆外还有尿素；生长因子为生物素。
谷氨酸的提取方法有：等电点结晶法，特殊沉淀法，离子交换法，溶剂萃取法，液膜萃取法等。
2.菌种选育：
选育能够在工业生产中高产的菌种必须具备在高糖、高酸的培养基中能正常生长、代谢的能力，即在高渗透压的培养基中菌体的生长和谷氨酸的合成不受影响或影响很小
（1） 可通过诱变选育 L-谷氨酸的结构类似物抗性突变株和营养缺陷型的回复突变株，以解除自身的反馈抑制和反馈阻遏，增大 L-谷氨酸积累量。

（2）增加 L-谷氨酸的前体物的合成量，可通过如选育抗氟乙酸、氟化钠、氮丝氨酸、氟柠檬酸等突变株，以及强化 CO2固定反应突变株使谷氨酸大量积累。

（3）选育强化能量代谢的突变株。谷氨酸高产菌的 2 个显著特点是：α -酮戊二酸继续向下氧化的能力缺陷和乙醛酸循环弱，使能量代谢受阻；TCA循环前一阶段的代谢减慢。强化能量代谢，可补救上述两点不足，使 TCA循环前一段代谢加强，谷氨酸合成的速度加快。

（4）通过选育不能以 L-谷氨酸为唯一碳源生长的突变株，由于该突变株切断或减弱 L-谷氨酸向下一步的代谢途径，从而 L-谷氨酸能得到持续的积累。
除了传统的诱变育种我们还可以采用新的育种方法：
（1）应用原生质体融合新技术选育谷氨酸生产菌
（2）应用转化法/转导法选育谷氨酸生产菌
（3）应用重组 DNA技术构建谷氨酸工程菌株

3.代谢控制：
代谢途径：
谷氨酸产生菌中谷氨酸的生物合成途径如图所示：其中的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、伍德-沃克曼反应(CO2固定反应)等。葡萄糖经过 EMP(主要)和 HMP 途径生成丙酮酸，其中一部分氧化脱羧生成乙酰CoA进入 TCA 循环，另一部分固定 CO2生成草酰乙酸或苹果酸，草酰乙酸与乙酰 CoA在柠檬酸合成酶催化下，所合成柠檬酸，再经过氧化还原共扼的氨基化反应生成谷氨酸。

谷氨酸代谢途径[2]

关键酶：
α -酮戊二酸脱氢酶，谷氨酸脱氢酶

调控机制：
（1） 谷氨酸比天冬氨酸优先合成，谷氨酸合成过量后，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 CO2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）生物素的影响：在谷氨酸生产过程中，生物素的主要作用是作为乙酰辅酶 A 的辅酶影响磷脂的合成，进而影响谷氨酸产生菌细胞膜的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。

4.培养基优化：
（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、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，由于渗透压过大，则对菌体的生长很不利， 一般采用流加糖工艺。

（2）氮源：常见无机氮源：尿素，液氨，碳酸氢铵。常见有机碳源：玉米浆，糖蜜。当氮源的浓度过低时会影响菌体增殖和代谢，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使代谢合成磷脂增多，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）生物素：随着生物素添加量的不断增加，发酵产酸先增大后减小。

（4）溶氧：谷氨酸发酵是典型好氧发酵，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，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的生成。

（5）pH：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，对谷氨酸菌产生抑制，为了维持发酵的最佳条件，采用流加尿素和液氨（现在大多采用的是液氨）的方法。

（6）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。

（7）接种量：接种量大小直接影响发酵产酸，接种量太小，发酵前期生长缓慢，时间长菌种的活力下降，发酵效果差；接种量过大，会引起菌体增长过快，单位体积内的养料和溶氧供应不足，代谢废物较多，不利于产酸。接种量适宜，能减少染菌机会，缩短发酵周期。因此，接种量一般要求以适量为原则。[3]

5.发酵过程控制：
（1）种量控制：
加大接种量菌体生长快，便于控制工艺条件使菌体很快向生产型转变，转型一般需要6~8h这样发酵产酸速度快 因为同一种谷氨酸生产菌单位生产谷氨酸的数量是常量，况且大量移种过程中把微生物生长和分裂所必需的代谢物RNA一起带进去，从而有利于微生物立即进入对数生长期，用于长菌的糖耗很少，所以加大接种量能缩短发酵周期，提高产酸，提高转化率，提高设备利用率，并能减少染菌机会。[4]

（2）生物素使用量：
采用大接种量工艺，生物素用量要少，提倡使用复合生物素，玉米浆尽量改用新鲜的玉米浸泡液，避免玉米浆蒸发浓缩后一些杂质和副产物带入发酵中。这样既有利于提高发酵产酸 又有利于后面的提取，还节约了玉米浆浓缩过程中的蒸汽消耗和人工费用。

（3）糖的流加：
谷氨酸发酵中，采用的流加糖工艺比较常见，如果要提高发酵产酸率，必须要流加高浓度的糖，如果是低浓度甚至加入和初糖浓度相差不多的糖液，效果肯定是不明显的。一般地说，流加糖浓度愈高，产酸率愈高。
连续流加比间歇流加控制效果要好，这可以避免一次大量流加而引起菌体的代谢受到环境突然改变的影响 这样在恒定状态下微生物所处的环境条件，如培养物浓度、产物浓度、PH值以及微生物细胞的浓度、比生长速率等可始终维持不变，达到产生大量代谢产物的目的。

（4）菌体污染的防治：
认真保护好生产菌株，确保其不受污染；发酵尾气要统一收集，药物处理后再远距离排放；空气要严格灭菌，使用空气过滤装置。
若发酵过程中发现染菌，前期染菌可以采用重消补料法，或者加入抑制剂；后期染菌一般不需特殊处理，采用降低通气量即可。
6.对于现在工艺的改良：
（1）代粮发酵：目前已有厂家用蛋白粉水解液代替玉米浆进行谷氨酸的发酵，并且取得了较好的效果，不仅提高了产品的产量和质量而且降低了成本。[5]

（2）谷氨酸发酵废水的应用：利用谷氨酸发酵废水和稻草秸秆制取生物絮凝剂。生物絮凝剂制备成本偏高是制约其工业生产的瓶颈，目前已经有人对以谷氨酸发酵废水作为替代培养基制备复合型生物絮凝剂进行了研究。结果表明:浓度为20%的谷氨酸发酵废水中补加8g/L的葡萄糖,无需添加额外的氮源即可作为替代培养基培养产絮菌F2-F6,絮凝率可以达到95.4%。废水培养基培养产絮菌F2-F6的最佳发酵条件为:发酵温度30℃、初始pH为7.0、摇床转速为140r/min、8%的种子液接种量、发酵时间20h。每升谷氨酸发酵废水可以制备复合型生物絮凝剂8.5475g。

参考文献：
[1] 谭平. L-谷氨酸合成新工艺研究[D] 湖南：湖南大学，2006.
[2] 王东阳. 谷氨酸高产菌的原生质体诱变育种及其发酵条件研究[D] 天津：天津科技大学，2005.
[3] 王帅. L-谷氨酸发酵高产菌选育及其发酵优化的研究[D] 江苏：江南大学，2008.
[4] 赵友新.谷氨酸发酵过程中防治噬菌体污染的措施
[5] 舒迎庆.蛋白粉水解液代替玉米浆在谷氨酸发酵生产中的应用 新疆：新疆五家渠柠檬酸厂，1992.

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