4谷氨酸发酵机制

系列代谢反应
缓冲作用

需要量：0.005－0.01mol/L.需三水磷酸氢二钾1-1.5g/L, 十二水磷酸氢二钠1.7-2.0g/L 来源：
磷酸盐。

玉米浆、糖蜜、淀粉水解糖等原料中还有少量的磷。

磷量对谷氨酸发酵影响：磷浓度过高时，菌体的代谢转向合 成缬氨酸，磷含量过低时，菌体生长不好。
一、碳 源

目前采用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，有些能利用醋酸、乙醇、正 烷烃。 常采用淀粉水解糖，要求淀粉水解完全，但要避免水解时 间过长。不同淀粉原料中生物素含量不同，会影响生物素 含量。 糖浓度对发酵的影响
一定范围内glu产量随糖浓度增大而增大 糖浓度过高时，渗透压增大，对菌体生长和发酵不利，当工艺配

氮源分类
有机氮（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、米糠水解液、豆饼水解液和糖 蜜等） 无机氮（尿素、液氨、氨水、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵 和硝酸铵等） 菌体利用无机氮比有机氮快速，铵盐、尿素、氨水等比硝 基氮优越，因为硝基氮需先经过还原才能被利用。


四、生长因子

概念：凡是微生物生长不可缺少的，微生物自身 不能合成的微量有机物质。 目前以糖质原料为碳源的谷氨酸生产菌株均为生 物素缺陷型，以生物素为生长因子，有些菌株以 硫胺素为生长因子，有些变异株为油酸缺陷型还 以油酸为生长因子。

1.生物素
作用：细胞膜的谷氨酸通透性，菌体代谢途径。 ……生长……
(二) 泡沫的形成和性质
4 谷氨酸发酵过程控制
概述

菌体代谢调节异常化
在累积谷氨酸时需限制培养基中生物素的添加量
菌体形态有显著差异

生产发酵条件控制是关键
在最适条件下，谷氨酸产生菌可把60%以上的葡萄糖转
化为谷氨酸，而只有极少量副产物。
培养条件不适宜，得大量菌体或转换为乳酸、琥珀酸、
α－酮戊二酸等。
培养基 成分
添加方式：
铵盐、液氨等可采取流加方法，液氨作用快，采取连续流加， 尿素少量多次分批流加。 用硫酸铵等生理酸性盐为氮源时，由于铵离子被利用而残留 SO42-等酸根，使PH下降，需在培养基中加入碳酸钙以自动中 和pH。但添加碳酸钙易形成污染，生产上一般不用此法。
三、无机盐

功能
构成菌体成分、酶的组成成分、酶的激活剂或抑制剂、
3.提供生长因子的农副产品原料
（1）玉米浆
含有丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，用量
0.4%－0.8%
（2）麸皮水解液
麸皮水解液可以代替玉米浆，但蛋白质、氨基酸等营养
成分比玉米浆少，用量1%（以干麸皮计）
（3）糖蜜
甘蔗糖蜜中生物素含量较高，可以代替玉米浆，但氨基
酸等含量较低。用量0.2%－0.4%

谷氨酸发酵时温度控制
长菌：采用与种子扩大培养时 相应的温度，必要时可补加玉 米浆，以促进生长。
产酸：适当提 高温度，5-6h 升1℃
二 pH值对谷氨酸发酵的影响
一、pH对谷氨酸发酵的影响
1. 酶的活性 2. 影响微生物细胞膜所带电荷，改变细胞膜的渗透性 3. 影响物质分解速率，影响微生物对培养基物质的吸收
合成的所需的ATP
氨基酸生物合成过程中产生的还原性辅酶需氧来
氧化。
各种氨基酸生物合成时需要的ATP与产生的还原
性辅酶的量不同，以此数据为基准，推断氨基酸 发酵通风量很有意义。

不同的代谢途径产生不同数量的NAD(P)H，再氧化所需要的溶 氧量不同。供氧大小是与产物的生物合成途径有关。
第一类包括谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它
微量元素是指微生物需要量十分微小，但又不可完全没有的元素
锰是某些酶的激活剂，羧化反应必需锰，如谷氨酸生物
合成途径中，草酰琥珀酸脱羧生成α-酮戊二酸是在锰存 在下完成的。
铁是细胞色素氧化酶、过氧化氢酶的成分，还是另外一
些酶的激活剂。
汞、铜离子具有明显毒性，抑制菌体生长和谷氨酸生
成，因此必须避免有害离子的污染。

§3 泡沫的消除
(一) 泡沫对发酵的影响
泡沫过多会引起大量逃出发酵液而造成浪费和污染 泡沫上升到罐顶时，可能从轴封渗漏，造成浪费和污染 泡沫过多就会降低发酵罐的装填系数，降低设备利用率 泡沫过多影响通气搅拌效果 当泡沫稳定时，代谢气体不能及时排出，影响菌体的正
常呼吸作用，甚至使菌体自溶

பைடு நூலகம்

斜面菌种的培养 目的：纯菌生长繁殖 措施：多含有机氮，不含或少含糖 一级种子培养
目的：大量繁殖活力强的菌体 措施：少含糖分，多含有机氮，培养条件有利于长菌。

二级种子培养
目的：获得发酵所需的足够数量的菌体
为发酵培养基的配制原则
供给菌体生长繁殖和谷氨酸生产所需要的适量的营养和能源 原料来源丰富，价格便宜，发酵周期短，对产物提取无妨碍等。
环境因素：温 度、pH、氧气
条件控制
膜透性
谷氨酸产生菌 葡萄糖 谷氨酸
时间
由葡萄糖产生谷氨酸菌体的生成率
生成率（%）
谷氨酸中的碳：葡 萄糖中的碳 菌体中的碳： 葡萄糖中的碳
生物素 菌体 添加量 形态
生产培养阶段 增殖培养阶段
54.0
6.0
3ug/L
棒状 椭圆状
4.0
42.0
200300ug/L
§1 发酵培养基对谷氨酸发酵的影响

采用间断或连续测定排气中CO2浓度的方法调节通气量，满 足供氧需求。以13%为分界点。
发酵后期之前保持13%，发酵后期10%，最低8%。

有利于
发现噬菌体感染
发现杂菌污染
思路

利用溶氧变化自动控制补糖速率，间接控制供氧速 率和pH值，实现菌体生长、溶氧和pH值三位一体 的控制体系。 除控制补料速度外，在工业上，还可采用调节温度 (降低培养温度可提高溶氧浓度)、液化培养基、中 间补水、添加表面活性剂等工艺措施，来改善溶氧 水平。

硫是含硫氨基酸的组成成分，构成酶的活性基团。培养基 中的硫酸镁供应的硫已充足，不需另加。
3. 钾盐
许多酶的激活剂,钾盐少长菌体，钾盐足够产谷氨酸。 谷氨酸发酵产物生成期需要的钾盐比菌体生长期高。
菌体生长期需硫酸钾量约为0.1g/L,谷氨酸生成期需硫酸钾量
为0.2－1.0g/L.
4. 微量元素
调节培养基渗透压、调节pH和氧化还原电位等。
微生物对无机盐的需要量很少，但无机盐对菌体生长
和代谢产物的生成影响很大

微生物所需要的无机盐
硫酸盐、磷酸盐、氯化物和含钾、钠、镁、铁的化合
物
微量元素：如铜、锰、锌、钴、钼、碘、溴等
1. 磷酸盐

谷氨酸发酵常用无机盐
功能
蛋白质和核酸的组成成分，ATP、ADP是重要的能量传递者，参与一

发酵阶段
前期7.3左右
偏低，菌体生长旺盛，消耗营养物质快，菌体正常代谢，繁殖菌体而不
产谷氨酸。
过高，抑制菌体生长，糖代谢缓慢，发酵时间延长。
中期pH7.2左右，发酵后期pH7.0，在将近放罐时，为了后工序提取
谷氨酸，pH6.5-6.8为好。
发酵过程pH值调节方法

添加碳酸钙法
（4）酵母
酵母浸膏、酵母浸出液、酵母粉
§2
一.
二.
培养条件对谷氨酸发酵的影响
温度
pH
三.
供氧
一.
发酵热
温度对谷氨酸发酵的影响
概念
发酵热指发酵过程中所产生的热量，是引起发酵培养
基温度变化的原因，包括生物热、 搅拌热、汽化热和辐 射热等。
Q总=Q生+Q搅-Q汽-Q辐
温度对谷氨酸发酵的影响
1. 2. 3. 4.
(适用于采用酸性铵盐作为氮源的工艺)
尿素流加法(小试或中试)
优点:尿素的分解、利用及pH值的变化具有一定规律性，易控制。
依据
时期 外观表现 菌种
避免波动，力求稳定。

液氨或氨水添加法(主流)
作用快而明显 易于实现连续自动流加。
三

供氧对谷氨酸发酵的影响
临界溶解氧浓度

氮源是合成菌体蛋白质、核酸和生成谷氨酸的氮来源，在发酵过程中 一部分氨用于调节pH值，形成谷氨酸铵盐。 谷氨酸发酵氮源（碳氮比为100：15－30）比其它发酵工业（碳氮比 为100：0.2－2.0）高。
当碳氮比在100：11以上才开始累积谷氨酸，在谷氨酸发酵中，用于合成

菌体的氮
仅占总耗用氮的3－8%，而30－80%用于合成从谷氨酸。

谷氨酸生成期，在细胞最大呼吸速率时，谷氨酸产酸量最大。 因此，在谷氨酸生成期要求充分供氧，以满足最大呼吸的需 氧量。
供氧与其他发酵工艺条件的关系

培养基营养丰富，糖浓度高，生物素含量高，需氧 量大。 培养基浓度大，氧的传递阻力大，需要增加供氧。

生物素浓度浓度增加，耗糖速度增大，需要增加供 氧。


合不当时，转化率低
糖浓度过高时，氧溶解阻力大，影响供氧效率。
发酵糖浓度选择
一般控制在125－150g/L，产酸55－70g/L
采用一次高糖发酵工艺（糖浓度170－190g/L），
产酸可达80g/L。由于渗透压大，影响菌体生长， 使发酵周期长，产酸不易稳定。
流加低浓度糖发酵工艺
二、氮源
2. 硫酸镁

功能
叶绿素的组成成分。 镁离子是许多重要的酶（如己糖磷酸化酶、异柠檬酸脱
氢酶、羧化酶等）的激活剂。如果镁离子太少会基质的 氧化速度降低，谷氨酸生成量降低。

G+对镁离子最低要求量是25ppm。G-为4－5ppm，添加七水 硫酸镁0.25-1g/L时，镁离子浓度为25-90mg/Kg
利用
4. 改变菌体代谢途径，使代谢产物发生变化。

例如 中性和微碱条件下积累谷氨酸，在酸性条件下形成谷 氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。
谷氨酸发酵pH的控制

菌种（一般pH6.5-8.0）
黄色短杆菌672为PH7.0-7.5 AS1.299为pH6.0-7.5
T6-13为PH7.0-8.0。
酶活
改变生物合成途径，使代谢产物发生变化
改变发酵液物理性质 影响菌种对营养物的分解与吸收
5.
6.
不同微生物的最适生长温度不同
同一种微生物，菌体生长和产物合成的最适温度不一定相同。

谷氨酸生产菌的最适生长温度为30-34℃,T6-13菌 株比较耐高温，斜面、一级、二级种子和发酵开始 温度可选用33-34 ℃,生产谷氨酸的最适温度为3537℃. 谷氨酸温度敏感菌株1021最适生长温度是30 ℃， 最适产谷氨酸温度38 ℃,发酵过程中采用分段控制。
第三类有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸 ，不经过TCA循环，NADH产量
很少，过量供氧，反而起到抑制作用。肌苷发酵也有类似的结果。
不同发酵阶段的供氧需求P96

在菌体生长期，供氧不足时，菌体生长受到抑制，积累乳酸， 菌体收率少；但过高氧水平会造成浪费，抑制菌体生长，在 高氧水平下生长的菌体不能有效地合成谷氨酸。
好气微生物对培养液中溶解氧浓度的最低要求，在某一浓度以 下，微生物的呼吸速率随溶解氧降低而显著下降，此溶解氧浓度称 为临界溶解氧浓度。

在临界氧浓度以下，氧成为微生物的限制性基质，微生物 的耗氧速率符合Michaelis-Menfen方程。
从微生物生理学考察发酵供氧问题
氨基酸代谢氧的重要性：
经过好气性能量代谢产生菌体生长和氨基酸生物
在实际生产中用尿素或氨水作氮源时，由于一部分氨用于调pH,一些分解
而逸出，使实际用量增大，培养基中糖浓度的140g/L,总尿用量为 38.5g/L，碳氮比为100：32.8。

不同发酵阶段对氮源的要求
在长菌阶段，NH4＋过量会抑制菌体生长。 在产酸阶段，NH4＋不足会积累α－酮戊二酸。
氮源种类及添加方式
20 ug/g
发酵……
0.5 ug/g
供氧不足：发酵——乳酸、琥珀酸（长菌快耗 糖快，pH低，尿素消耗多）
发酵
供氧充足：糖完全氧化
2


维生素B1（硫胺素）
对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用。
溶于水，酸性溶液中稳定，易被氧化和受热破坏。
硫胺素主要存在于种子的外皮和胚芽中，如米糠和 麸皮。醇母菌、瘦肉、白菜和芹菜中含量丰富。
们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成 就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸。这类氨基酸经过乙醛酸 循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最 多。
第二类包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸等天冬氨酸系氨基酸，
供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；其合成途 径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系 统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。