氨基酸的生产.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,氨基酸的生产,学习目标,了解氨基酸的应用及一般的生产方法；,了解谷氨酸合成原理及其它氨基酸的生产；,掌握谷氨酸生产的工艺过程及工艺控制。,第一节 概述,氨基酸的应用,食品工业,可提高食品的营养价值；具有鲜味。,医药工业,是构成蛋白质的基本单位，参与体内代谢和各种生理机能活动。,饲料工业,赖氨酸、蛋氨酸，提高饲料的营养价值。,化学工业,洗涤剂,十二酰基谷氨酸钠肥皂；润肤剂；人造纤维；涂料。,农业,具有特殊作用，日本使用的,N-,月桂酰,-L-,异戊氨酸，能防止稻瘟病，提高米的蛋白质含量；长链酰基氨基酸能提高农作物对病害的抵抗力。,生产方法,提取法 将蛋白质原料用酸水解，从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产。,合成法,D,、,L-,蛋氨酸，,D,、,L-,丙氨酸，甘氨酸和苯丙氨酸；需进行拆分。,酶法 利用微生物产生的酶制造氨基酸。赖氨酸、色氨酸、天冬氨酸、酪氨酸可用酶法生产。,发酵法,以淀粉水解糖，或糖蜜、醋酸为原料，利用氨基酸生产菌进行代谢发酵。发酵工艺，采用分批流加法，计算机控制，生产管理自动化，产酸率和转化率均较高。我国,20,世纪,60,年代发酵法生产谷氨酸，目前发展相当规模，赖氨酸、天冬氨酸、丙氨酸等用发酵法和酶法生产。,第二节 合成原理,谷氨酸生产机理分为以下几个环节：淀粉经过水解转化为以葡萄糖为代表的单糖；葡萄糖经过,EMP,途径或,HMP,途径转化为丙酮酸；丙酮酸经过三羧酸循环（,TCA,）转化为,-,酮戊二酸；,-,酮戊二酸经过氨基化生成谷氨酸。,谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸合成途径见下图,葡萄糖经过EMP途径或HMP途径转化为丙酮酸；,发酵前期pH值偏高对生长不利，糖耗慢，发酵周期延长；,发酵过程中污染杂菌或噬菌体，轻则出现谷氨酸收率低、难提取；,活性炭在酸性条件下脱色能力较强。,L-ASP为白色结晶或结晶性粉末，略带酸味，微溶于水，不溶于乙醇和乙醚；,了解谷氨酸合成原理及其它氨基酸的生产；,0 积累谷氨酸，5.,（3）温度的影响及其控制,丙酮酸经过三羧酸循环（TCA）转化为-酮戊二酸；,脱色需一定的搅拌时间(0.,中和 由糖化锅压出来的糖化液温度很高(140150)，冷却、中和。,发酵工艺，采用分批流加法，计算机控制，生产管理自动化，产酸率和转化率均较高。,8，则易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。,斜面培养 产生菌是棒杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌；,常用方法：等电点法、离子交换法、锌盐法。,淀粉水解糖制备方法：酸法、双酶法、酸酶法等。,脱色 活性炭脱色法和离子交换树脂法,谷氨酸棒状杆菌的谷氨酸合成途径示意图,第三节 谷氨酸生产工艺过程,四部分,组成,：淀粉水解糖制备，谷氨酸发酵、提取、精制。,淀粉水解糖的制备,淀粉水解糖制备方法：酸法、双酶法、酸酶法等。,酸酶法,淀粉水解糖制备工艺过程。,调浆,将淀粉原料调成粉浆，保持一定的浓度及,pH,值，将料液泵入水解锅，水解糖化。粉浆的浓度、酸度及糖化时间等对淀粉的水解反应有直接的影响。淀粉乳的浓度越低，水解液的葡萄糖值（,DE,值）,越高，色泽越浅。在淀粉水解操作中，淀粉乳浓度一般采用,18,19Be,。,水解,蒸汽直接加热。压力与淀粉水解反应速度成正比，压力升高，水解反应速度加快。为加快水解速度，提高设备的生产能力，可增大水解反应压力。在相同的条件下，达到一定的糖化效果，压力升高时，反应时间短；反之，反应时间加长。,中和,由糖化锅压出来的糖化液温度很高,(140,150),，冷却、中和。中和的目的是降低糖化液酸度，使糖液中胶体物质凝聚析出，便于过滤除去。,中和剂为纯碱，也可用烧碱配成,NaOH,溶液。用纯碱中和，反应较温和，糖液质量有保证，但是产生泡沫多；用烧碱中和，易局部过碱使葡萄糖发生焦化变为焦糖（焦糖抑制谷氨酸菌的生长，增加糖液色泽及精制困难）。在操作中将碱配成一定的浓度，然后再用于中和。,脱色,活性炭吸附法 常用,粉末状,活性炭。,活性炭耗量视糖液色泽情况与活性炭质量而定。,粉末炭用量相当于投淀粉量,0.6%,0.8%,。,脱色效果与投炭量、质量、温度、,pH,值、时间有关,脱色温度低些,，对脱色效果较为有利，但温度过低，将使糖液粘牲加强，难以过滤；,在,70,左右。活性炭在酸性条件下脱色能力较强。脱色需一定的搅拌时间,(0.5h),，使活性炭充分起作用。,离子交换树脂脱色,选择性强，脱色效果较好，便于管道化、连续化及自动化操作，减轻劳动强度。,过滤,常用,板框压滤,；用于脱色的活性碳起,过滤介质,和,助滤剂,的作用。,菌种的扩大培养,斜面培养 产生菌是棒杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属的细菌；都是好氧微生物，都需要以生物素为生长因子。我国用北京棒杆菌,、钝齿棒杆菌,AS1542,等。斜面培养用蛋白胨、牛肉膏、氯化钠组成,的,琼脂培养基,，在,32,培养,18,24h,，合格后，放冰箱保存备用。,一级种子培养 采用由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成，,的,液体培养基,；以,1L,三角瓶装液体培养基,200,250mL,振荡培养，在,32,培养,12h,，如无污染，质量达到要求，贮于,4,冰箱备用。,二级种子培养 用种子罐培养，接种量,1%,，培养基组成和一级种子相仿，主要区别是用,水解糖,代替葡萄糖，于,32,下通气培养,7,10h,，经质检合格可移种至发酵罐（或冷却至,10,备用）。,种子质量要求：无杂菌及噬菌体感染，菌体大小均匀，呈单个或八字排列。二级种子培养结束时要求活菌数为,10,8,10,9,个细胞,/mL,，摄氧率,1000L,氧,/mL,种子液,h,。,氨基酸发酵的工艺控制,(1),菌体生长期，几乎不产酸，大约,12h,，此期泡沫较多并放出大量发酵热，必须进行冷却。,(2),菌体生长停止转入产物合成期，菌体浓度基本不变，糖与尿素分解后产生,-,酮戊二酸和氨，用来合成谷氨酸。,(3),发酵后期，菌体衰老，糖耗缓慢，当酸浓度不再增加时，需及时放罐，发酵周期一般为,30 h,。,（2）离子交换法,91(-COOH)、pK2=4.,长链酰基氨基酸能提高农作物对病害的抵抗力。,一级种子培养 采用由葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸镁、硫酸铁及硫酸锰组成，的液体培养基；,为了避免因温度太高，谷氨酸钠脱水变成焦谷氨酸钠，采用减压蒸馏法进行中和液的浓缩和结晶，真空度一般在80kPa以上，温度为6570。,淀粉乳的浓度越低，水解液的葡萄糖值（DE值）越高，色泽越浅。,(2)菌体生长停止转入产物合成期，菌体浓度基本不变，糖与尿素分解后产生-酮戊二酸和氨，用来合成谷氨酸。,（1）培养基成分及其控制（培养基各成分的作用）,在相同的条件下，达到一定的糖化效果，压力升高时，反应时间短；,种量过多，使菌体生长速度过快，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸不高；,8，则易形成谷氨酰胺和N-乙酰谷氨酰胺。,二级种子种龄控制在78h。,（,1,）,培养基成分及其控制,（培养基各成分的作用）,菌体生长、氨基酸合成均需要氮；氮源还用来调节,pH,值，因此,氮源的需要量比一般发酵要多,。,谷氨酸发酵的,碳,/,氮,=100/(15,21),，碳,/,氮,=100/11,时才开始积累谷氨酸。,在消耗氮源中，合成菌体用氮源仅占氮,3,6,，合成谷氨酸氮源占,30,80,。,在实际生产中，采用尿素或氨水为氮源时，还有一部分氮用来调节,pH,值，另一部分氮源被分解随空气逸出，因此,用量更大,。在谷氨酸发酵培养中当糖浓度为、总尿素量为,3,，碳：氮,=100,：,28,。,说明：,不同的碳氮比对氨基酸生物合成产生显著影响，如谷氨酸发酵中，适量的,NH,4,+,可减少,-,酮戊二酸的积累，促进谷氨酸的合成；过量,NH,4,+,会使生成的谷氨酸受谷酰胺合成酶的作用转化为谷酰胺。,氨基酸发酵还需要无机盐、生长因子等。,（,2,）种龄和种量的控制,一级种子种龄控制在,11,12h,；,二级种子种龄控制在,7,8h,。,一次初糖谷氨酸发酵接种量,1,。,种量过多，使菌体生长速度过快，菌体娇嫩，不强壮，提前衰老自溶，后期产酸不高；,如果种量过少，则菌体增长缓慢，发酵时间延长，容易染菌。,（,3,）,温度的影响及其控制,菌体生长,最适温度和,氨基酸合成,最适温度不同。,菌体生长最适温度,30,32,；温度过高，则菌体易衰老，,pH,值高，糖耗慢，周期长，酸产量低，如遇这种情况，除维持最适生长温度外还需适当,减少风量,，并采取,少量多次流加尿素,等措施，以促进菌体生长。,发酵中、后期，维持最适宜产酸温度,34,37,，以利谷氨酸合成。,（,4,）,pH,值的影响及其控制,影响,酶的活性,和,菌的代谢,。,谷氨酸发酵，,8.0,积累谷氨酸，,5.8,，则易形成谷氨酰胺和,N-,乙酰谷氨酰胺。,发酵前期,pH,值偏高对生长不利，糖耗慢，发酵周期延长；,pH,值偏低，菌体生长旺盛，糖耗快，不利于谷氨酸合成。,前期,pH,值偏高,8.0),对抑制杂菌有利，故控制发酵,前期的,pH,值以左右,。,中后期,的,pH,值为左右。,生产上控制,pH,值的方法,流加尿素（常用）,；,流加氨水,流加尿素的数量和时间根据,pH,值变化、菌体生长、糖耗情况和发酵阶段等决定。,当菌体生长和糖耗均缓慢时，要,少量多次地,流加尿素，避免,pH,值过高而影响菌体生长；菌体生长和糖耗均快时，流加尿素可多些，使,pH,值适当高些，以抑制生长；发酵后期，残糖很少，接近放罐时，尽量少加或不加尿素，以免造成浪费和增加氨基酸提取困难。,流加氨水，因氨水作用快，对,pH,的影响大，故应采用,连续流加。,（,5,）,氧的影响及其控制,不同的种龄、种量，培养基成分，发酵阶段及发酵罐大小要求通风量不同。,长菌阶段,，通风量过大，生物素缺乏，会抑制菌体生长，表现出耗糖慢、,pH,高、菌体生长缓慢；,产酸阶段,，需要大量供氧，如通气量不足，,pH,低，耗糖快，长菌不产酸，积累乳酸和琥珀酸。通气量过大，不利于,-,酮戊二酸进一步还原氨基化，而大量积累,-,酮戊二酸。,在,适量,通气条件下，才能大量积累谷氨酸。,从空气过滤、培养基、设备、环境等环节严格把关。,谷氨酸生产菌对噬菌体和杂菌的抵抗能力较弱。发酵过程中污染杂菌或噬菌体，轻则出现谷氨酸收率低、难提取；重则倒罐，造成很大经济损失。,（,6,）,防止噬菌体和杂菌的污染,谷氨酸的提取和精制工艺,常用方法：等电点法、离子交换法、锌盐法。,1,提取,（,1,）,等电点法,谷氨酸分子中有,2,个羧基、,1,个氨基，,pK,1,=2.91(-COOH),、,pK,2,=4.25(-COOH),、,pK3=9.67(-NH,3,+,),，其等电点为,将发酵液调节到，谷氨酸沉淀析出。,此法,操作方便，设备简单,，一次收率达,60,左右；,缺点是,周期长，占地面积大,。,（,2,）,离子交换法,发酵液的,pH,时，谷氨酸以阳离子状态存在，用阳离子交换树脂提取，吸附在树脂上的谷氨酸阳离子再用碱洗脱下来，收集谷氨酸洗脱液，经冷却，加盐酸调进行结晶，再用离心分离机即可得谷氨酸结晶。,此法过程简单，周期短，设备省，占地少，提取总收率可达,80,90,缺点是酸碱用量大，废液污染环境。,理论上讲，上柱发酵液的,pH,值应低于，但实际生产上发酵液的,pH,值并不低于，而是在就可上柱。,原因：发酵液中含有一定数量的,NH,4,+,、,Na,+,阳离子，优先与树脂进行交换反应，放出,H,+,离子，使溶液的,pH,值降低，谷氨酸带正电荷成为阳离子而被吸附，上柱时应控制溶液的,pH,值不高于。,2,中和、精制,中和,谷氨酸的饱和溶液加碱进行中和，,谷氨酸中和反应,pH,应控制在谷氨酸第二等电点。当,pH,值太高时，生成谷氨酸二钠。,除铁、除锌,有,硫化钠,和,树脂法,两种。,硫化钠可与,Fe,2+,、,Zn,2+,反应生成硫化锌沉淀而除去。,树脂除铁是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸附铁或锌得以除去。,树脂法除铁或锌，解决了硫化除铁引起的环境污染问题，改善了操作条件，提高味精质量，是一种较为理想的除铁方法,。,脱色,活性炭脱色法和离子交换树脂法,活性炭脱色,主要是粉末状的药用炭和,GH-15,颗粒活性炭两种。粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱色后除去铁，另一种方法是中和液洗涤除铁，用谷氨酸回调，蒸汽加热,60,，使谷氨酸全部溶解，再加入适量的活性炭脱色。经粉末活性炭脱色后，往往透光率达不到要求，需进入,GH-15,活性炭柱进行最后一步脱色工序。,离子交换树脂脱色,主要靠树脂的多孔隙表面对色素进行吸附，树脂的基团与色素的某些基团形成共价键，对杂质起到吸附与交换作用，一般选用弱碱性阴离子交换树脂。,浓缩和结晶,a.,谷氨酸钠在水中的溶解度很大，必须除去大量的水分，使溶液达到过饱和状态。,b.,为了避免因温度太高，谷氨酸钠脱水变成焦谷氨酸钠，采用,减压蒸馏,法进行中和液的浓缩和结晶，,真空度,一般在,80kPa,以上，温度为,65,70,。,c.,为了使味精的结晶颗粒整齐，采用投晶种结晶法，完成结晶后，经离心机分离，振动床干燥、筛分，再经过包装，即成成品味精,。,一、,L-,天（门）冬氨酸的生产,L-,天（门）冬氨酸,(,简写,L-ASP),是天然存在的重要氨基酸，工业上主要采用,L-,天门冬氨酸酶,转化富马酸的方法得到。,L-ASP,为白色结晶或结晶性粉末，略带酸味，微溶于水，不溶于乙醇和乙醚；是一种酸性氨基酸，可作为合成其它们氨基酸如丙氨酸、苯丙氨酸的主要原料，也可用作合成其它精细化学品，如天苯、天丙二肽等，是重要的化工原料。,第四节,其他氨基酸生产,谢谢观看,谢谢观看,