谷氨酸发酵过程控制【摘要】谷氨酸是构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。
作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。
谷氨酸的质量受到发酵的条件、菌种、温度、pH、接种量和种龄等因素的影响。
如果控制不好这些因素整个发酵过程发酵液受污染、出现菌体的生长缓慢和代谢产物的积累很少、发酵周期延长甚至所得产品不是最终产品。
本文通过综述发酵培养基、培养条件的控制及发酵过程温度、pH、接种量和种龄的控制，以及消泡等多方面因素，来提控制高谷氨酸发酵过程的参数来提高发酵的质量以些方法。
【关键词】谷氨酸、发酵、控制1.谷氨酸概述谷氨酸学名：2-氨基-5-羧基戊酸。
构成蛋白质的20种常见α氨基酸之一。
作为谷氨酰胺、脯氨酸以及精氨酸的前体。
L-谷氨酸是蛋白质合成中的编码氨基酸，哺乳动物非必需氨基酸，在体内可以由葡萄糖转变而来。
D-谷氨酸参与多种细菌细胞壁和某些细菌杆菌肽的组成。
符号：E。
1.1谷氨酸用途1）下游产品开发将有一定反应活性的双功能基试剂氯乙醇和L—谷氨酸直接酯化保护羧基，用三光气活化成其相应的N—羧酸酐，可直接得到侧链具有一定反应活性的聚L—氯乙基谷氨酸酯。
谷氨酸可生产许多重要下游产品如L—谷氨酸钠、L—苏氨酸、聚谷氨酸等。
2）食品业谷氨酸是在食品工业中应用较多的氨基酸。
谷氨酸钠俗称味精，是重要的鲜味剂，对香味具有增强作用。
谷氨酸钠广泛用于食品调味剂，既可单独使用，又能与其它氨基酸等并用。
用于食品内，能显着提高食品的风味和有增香作用。
谷氨酸作为风味增强剂可用于增强饮料和食品的味道，不仅能增强食品风味，对动物性食品有保鲜作用。
3）日用化妆品等谷氨酸为世界上氨基酸产量最大的品种。
如：N—酰基谷氨酸钠系列产品是由谷氨酸缩合而成的性能优良的阴离子表面活性剂，广泛用于化妆品、香皂、牙膏、香波、泡沫浴液、洗洁净等产品中。
谷氨酸作为营养药物可用于皮肤和毛发。
用于生发剂，能被头皮吸收，预防脱发并使头发新生，对毛乳头、毛母细胞有营养功能，并能扩张血管，增强血液循环，有生发防脱发功效。
用于皮肤，对治疗皱纹有疗效。
谷氨酸为天然植物成分，由世界上最先进的生物酶工程技术制取，以护发生发、护肤类化妆品为日用化妆品的发展方向，用谷氨酸合成生物表面活性剂具有大的市场。
4）医药行业谷氨酸还可用于医药，因为谷氨酸是构成蛋白质的氨基酸之一，虽然它不是人体必须的氨基酸，但它可作为碳氮营养与机体代谢，有较高的营养价值。
谷氨酸被人体的吸收后，易与血氨形成谷酰氨，能解除代谢过程中氨的毒害作用，因而能预防和治疗肝昏迷，保护肝脏，是肝脏疾病患者的辅助药物。
脑组织只能氧化谷氨酸，而不能氧化其它氨基酸，故谷酰胺可作为脑组织的能量物质，改进维持大脑机能。
谷氨酸作为神经中枢及大脑皮质的补剂，对于治疗脑震荡或神经损伤、癫痫以及对弱智儿童均有一定疗效。
用谷氨酸制成的成药有药用谷氨酸内服片，谷氨酸钠（钾）注射液，谷氨酸钙注射液，乙酰谷氨酸注射液等。
2.谷氨酸发酵工艺一般流程图淀粉质原料菌种预处理（粉碎、调浆、水解糖化、冷却、中和、脱色、过滤）活化与扩大培养发酵培养基的制备（添加氮源、无机盐、生长因子、灭菌）种子接种种子罐二级种子谷氨酸液体深层通气发酵谷氨酸提取（电-离子交换法）加碱中和及除铁脱成品谷氨酸3.谷氨酸发酵培养基的工艺条件与技术控制3.1原料处理以田洪涛、高年发等人在研究谷氨酸发酵与味精生产中表明：谷氨酸生产菌一般不能直接利用淀粉或糊精，要对这些原料用酸解法进行淀粉糖化，具体步骤如下：用水调至10—20Bé浆液，添加0.6%盐酸，浆液pH1.5.在0.25-0.40MPa蒸汽压力下水解10-20min，使液中葡萄糖值达到90%以上。
将酸解液冷却到60℃以下，用液碱pH 至4.5，加入0.3%-0.5%活性炭，搅拌30min，静置1-2h，取上清液压滤，滤液用碱调pH为7.0，可供发酵培养基用。
3.2发酵培养基的制备谷氨酸发酵培养基组成包括碳源、氮源、无机盐和生长因子等。
配制时要根据菌种特性、发酵过程控制、产物提取等多方面因素综合考虑而定。
见表1是以谷氨酸棒杆菌AS1.299为例的培养基组成成分。
表1谷氨酸的培养基成分配方表陈宇在研究氨基酸工艺学中表明培养基中糖浓度对谷氨酸发酵有很大的影响。
在一定的范围，谷氨酸产量随糖浓度增加而增加，但是糖浓度过高由于参透压增大，对菌体不利导致发酵周期周期延长，产酸不稳定。
为了降低培养基中糖浓度而提高产酸水平，一般取低浓度糖的流加糖发酵工艺。
刘冬玲、张学仁等在发酵工程中表明，生物素的用量直接影响谷氨酸的合成。
生物素的含量低，菌体得不到很好的生长。
反之，由于生物素的含量过高，会造成菌体大量繁殖，不产或少谷氨酸。
试验结果表明，当菌体内生物素从20ug/g干菌体降到0.5ug/g 干菌体，菌体就停止生长，继续发酵，在适宜条件下就大量积累谷氨酸。
3.3菌种的扩大培养我国谷氨酸发酵的种子扩大培养普遍采用二级种子扩大培养的流程。
以田洪涛、高年发等研究表明，一般采用流程即为：斜面原种斜面活化（32℃，18～24h） 1000L三角瓶（32℃，200mL液体振荡12h即为一级种子） 50～500L种子罐（32℃，35～350L液体通风培养8～10h，即为二级种子）接种发酵罐（发酵培养基）4.培养条件对谷氨酸发酵的影响以熊宗贵在研究发酵工艺原理表明，当谷氨酸棒杆菌的a-酮戊二酸脱氢酶活力低，离子的存在下，尤其当生物素缺乏时，TCA循环到生成a-酮戊二酸时，即受到阻挡。
NH+4a-酮戊二酸因高活力的谷氨酸脱氢酶作用，转变成谷氨酸。
培养条件对谷氨酸发酵的影响见表2表2谷氨酸产生菌因培养条件的代谢转换控制因子发酵转换氧乳酸或琥珀酸谷氨酸（通气量不足）（通气量充足）NH+4 a-酮戊二酸谷氨酸谷酰胺（缺少）（适量）（过量）pH N-乙酰谷酰酸谷氨酸（酸性）（中性或微碱性）磷酸结氨酸谷氨酸（高浓度磷酸）生物素乳酸或琥珀酸谷氨酸（饱和）（限量）表2表明，培养条件不同，将导致发酵产物不同。
控制适量的磷酸盐浓度、生物素离子，可以使谷氨酸发浓度、通气培养、以流加尿素的方式调加pH值和提供适量NH+4酵得以顺利进行。
4.1温度影响及控制参数以陈宁的氨基酸工艺学研究表明，谷氨酸生产菌的最适宜生长温度为30℃～37℃。
若温度过低菌体生长繁殖缓慢，周期长，必要时要补加玉米浆以促进生长。
若温度过高，菌体容易衰老，后期产酸缓慢，菌体衰老自溶，周期长，产酸低，并影响提取。
根据菌种的特点，发酵过程中可采用二级或三级管理温度，即前期长菌阶段控制在30℃～34℃，中、后期34℃～37℃4.2 pH值的影响及控制参数谷氨酸发酵在不同阶段对pH值要求不同。
发酵前期，幼龄菌对氮的利用率高，pH 变化大。
发酵前期pH偏低，菌体生长旺盛，消耗营养成分快，菌体转入正常代谢，繁殖菌体而不产谷氨酸。
如果pH过高，抑制菌体生长，糖代谢缓慢，发酵时间延长。
为满足谷氨酸的合成需要，发酵前期控制pH在7.3左右。
发酵中期pH7.2左右，发酵后期Ph7.0.谷氨酸发酵过程中pH的调节方法主要有以下几种：添加碳酸钙法、尿素流加法、液氨添加法4.3供养的影响及控制参数谷氨酸生产菌是兼性好氧菌，不论那个阶段都需要氧气的供给。
菌体生长期，供养不足，限制了菌体呼吸，菌体生长不好。
如果供养过量，容氧分压过高，会造成高氧水平对菌体生长阻碍，菌体得呼吸强度和菌体浓度显著降低。
谷氨酸形成期，如果供养不足，生成大量乳酸和琥珀酸，谷氨酸生产量很低。
反之，影响a-酮戊二酸的还原氨基化作用，而积累a-酮戊二酸，谷氨酸产量也很低。
以田洪涛在现代发酵工艺原理与技术中研究表明，培养过程中通风搅拌的控制很重要，各个阶段需氧量不同，控制的参数也不相同。
长菌阶段要求的体积容氧系数Kd为（1.92～2.88）×10-6molO2/9ml.min.atm)（p O2）产酸阶段要求Kd在（7.2～8.3 ）×10-6molO2/9ml.min.atm) （p O2）以上可以使生产菌发挥出最大的生产能力。
在生产上主要通过以下方式来提高氧气的通气量：一、提高发酵罐压力，二向发酵罐通入纯氧气。
三、减少通气量或降低搅拌转速等方式来降低KL a，使发酵液中CL降低。
4.4种量和种龄及控制参数接种量少，菌体增殖缓慢，发酵周期延长；接种量多，菌体增殖迅速，营养消耗快，产酸缩短，后期产酸速度不高。
对16%的初糖，接种量为4%时，发酵周期42～44h产酸10以上。
若用8%接种量时，发酵期缩短1～3h，前期12h产酸率提高到3%以上。
接入发酵的种子所处的生长阶段是处于活力旺盛的对数生长期，则种子活力强，可缩短发酵适应期；若种龄过长则菌种活力降低，代谢产物增多。
所以一般一级种子种龄9～12h，二级种子种龄7～8h，种量的多少显著影响发酵适应期的延长时间，产酸时间及发酵周期的长短。
目前接种量为10%左右，控制发酵周期在30～32h，以达到高产酸、高转化率的目的。
4.5泡沫的影响及消除方法在发酵过程中，培养液中形成一定的数量的泡沫，增大了气液接触的面积，导致传氧速率的增加，有利发酵过程氧的供给。
但是发酵旺盛时会产生大量泡沫，会引起“逃液”现象。
1.造成搅拌无法进行，菌体呼吸受到阻碍导致代谢异常菌体自溶。
2.泡沫过多时，会造成大量逃液，发酵液从排气路或轴封逃出来而增加染菌机会和产物浪费。
泡沫控制，可以采用两种途径：一、调整培养基的成分（如少加或缓加易气泡的原料）、改变某些物理化学参数（如pH、温度、通气和搅拌）或是改变发酵工艺的控制。
二、采用机械消沫或消沫剂消沫来消除。
主要通过机械消沫和化学消沫法。
如常用到的四类1.天然油脂类、2.高碳醇、脂肪酸和脂类3.醚类4.硅酮类。
加入的方法一般有：一次加法、中间流加法、一次加法和中间流加法结合使用。
5.提取谷氨酸工艺流程发酵结束后，在谷氨酸发酵液中，除了积累的大量谷氨酸外，还有其他代谢副产物、培养基残留成分等，因此需要把谷氨酸从发酵液中分离出来。
目前国内提取谷氨酸主要采取：等电点法、离子交换法、金属盐法、盐酸水解-等电点法、离子交换膜电渗析法等。
等电子-离子交换法提取谷氨酸流程如下：发酵液育晶2h（pH4～5）加盐酸或高流分母液育晶2h（pH3.5～3.8）育晶2h（pH3.0～3.2）搅拌育晶20h～96h沉淀4h细谷氨酸母液谷氨酸上离子交换柱洗脱后分流（上柱）高流分流分等电子-离子交换法提取谷氨酸流程示意图技术控制：本工艺分两步进行：第一步将发酵液送至等电点罐，提取部分谷氨酸；第二步将母液进行离子交换处理。
等电点提取回收细谷氨酸可与发酵液并用，放入等电点罐内，用pH1.5的离子交换高流分母液调节等电点罐内发酵液，开始流速快些，当溶液pH达到5时，流量要放小，仔细观擦到晶核，停止加酸，再育晶2h，再缓慢调节pH3.2，继续育晶2h，开大冷水，搅拌16～20h，使充分长晶，然后静置沉降4～6h，母液上液离子交换柱，提取谷氨酸。
