CN101402979A

CN101402979A - 一种高效发酵生产l-谷氨酸的方法

Info

Publication number: CN101402979A
Application number: CNA2008101528832A
Authority: CN
Inventors: 陈宁; 徐庆阳; 宋翔; 谢希贤; 刘淑云
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2009-04-08

Abstract

一种高效发酵生产L－谷氨酸的方法。解决现有生产工艺产酸量较低且糖酸转化率低等问题。本发明包括：以生物素缺陷型菌株为生产菌株，以一些营养组分按一定比例配制成营养丰富且均衡的培养基作为发酵培养基，发酵过程中，通过调节发酵罐搅拌转速和风量将溶氧控制在适当的水平上，通过流加氨水控制pH，并通过流加一定浓度的葡萄糖溶液将残糖控制在较低水平，发酵至32h停止。本发明在不增加任何额外设备和人力投入的情况下，缩短了整个发酵周期，并大幅提高了L－谷氨酸的产量(150g/l以上)和转化率(60％以上)，整个工艺过程操作简便，生产成本较低，十分适合于工业化生产。

Description

一种高效发酵生产L-谷氨酸的方法

【技术领域】：

本发明涉及一种高效发酵生产L-谷氨酸的方法，属于发酵法生产氨基酸的技术领域。

【背景技术】：

在整个氨基酸生产工业中，谷氨酸的生产占有极为重要的地位，其产量约占氨基酸总产量的2/3以上。谷氨酸单钠即味精，具有强烈的鲜味，是目前世界上用量最大的调味品。此外，谷氨酸在医药、化妆品和工业上也有着广泛的应用。谷氨酸发酵是典型的代谢控制发酵，1957年Kinoshita等人首次成功以微生物发酵法生产谷氨酸后，微生物发酵法成为谷氨酸生产的主要方法，其工业化规模也逐年扩大。目前，谷氨酸发酵的生产技术已相当成熟。近年来，随着原材料价格的不断上涨和市场竞争的愈加激烈，为了在提高谷氨酸产量和转化率的同时能够降低生产成本，仍有大量关于谷氨酸发酵方面的研究报道，主要集中在基因工程手段定向选育谷氨酸高产菌株、发酵过程控制与优化和新原料的开发等方面。

谷氨酸生产菌属于营养缺陷型突变株，能在胞外大量积累谷氨酸是由于菌体的代谢处于异常状态，对环境条件非常敏感。发酵条件如生物素、碳源、氮源、无机盐、pH、温度及溶氧等对谷氨酸的合成都具有重要影响。其中，底物(如葡萄糖)浓度是控制菌体代谢过程的一个重要参数，主要通过控制相关酶的合成或活性影响菌体的代谢途径。葡萄糖可通过“葡萄糖效应”阻遏、抑制多种酶的合成，如氨基酸合成酶等，这种阻遏作用主要是其分解代谢物引起的。在以葡萄糖为碳源的谷氨酸发酵中，葡萄糖的分解代谢物阻遏会引起多种副产物如乳酸的积累，从而影响糖酸转化率。此外，溶氧也是一个至关重要的因素，杂酸的产生和碳架的浪费与溶解氧浓度密切相关。因此在发酵过程中必须恰当控制溶氧，以改变代谢流分布，增大L-谷氨酸产率，减少杂酸的生成。

目前，我国谷氨酸发酵行业主要采用分批发酵模式。在这种生产模式中，维持一定的底物(如葡萄糖)浓度对于谷氨酸的发酵非常重要。为达到经济技术的要求，要提高单批次发酵过程中的谷氨酸产量就要提高初始培养基中的底物(如葡萄糖)浓度，但底物(如葡萄糖)浓度过高引起渗透压过大，影响菌体的正常代谢及谷氨酸的产量。反之，初始葡萄糖浓度较低有利于菌体的生长，但后期发酵液中的残糖迅速耗尽，其生产能力不能得到最大限度的发挥。与此同时，在目前的生产模式中，溶氧浓度往往不能得到很好的控制，不是供氧不足就是供氧过量，而且溶氧水平浮动很大，不能长时间稳定的维持在一个恰当的水平上。在溶氧过低的条件下，TCA循环代谢流量减小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，从而刺激了乳酸脱氢酶的酶活，使代谢流转向乳酸生成，造成乳酸积累；而溶氧过高时，谷氨酸脱氢酶酶活明显降低，且TCA循环流量加大，生成大量CO₂，造成碳源损失，两种情况均不利于谷氨酸生成。此外，现有的很多L-谷氨酸发酵培养基配方都不能很好的最大限度去满足其相应生产菌株的生长代谢和产酸要求。

【发明内容】：

本发明的目的在于克服现有的谷氨酸生产方法发酵产酸量较低、糖酸转化率低等缺陷，提供一种高效发酵生产L-谷氨酸的方法。在不增加额外设备和人力投入的情况下，实现了整个发酵周期的缩短和L-谷氨酸产量和转化率的大幅提高，适合于工业化生产。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

本发明提供的一种高效发酵生产L-谷氨酸的方法，包括种子培养和进行好养发酵，其特征是：发酵过程中，通过调节发酵罐搅拌转速和风量将溶氧控制在适当的水平上，使整个发酵过程既不产生较多乳酸，也不导致由于TCA循环流量加大生成大量CO₂而造成碳源大量流失，通过流加氨水控制pH，通过流加适量泡敌消泡，并通过流加一定浓度的葡萄糖溶液将残糖控制在一定水平，使整个发酵过程中既不产生葡萄糖抑制，也不构成底物限制，发酵至32h停止。

该方法的具体步骤如下：

(1)培养种子：配制种子培养基[葡萄糖2.5％、玉米浆3％、豆浓2％、K₂HPO₄·3H₂O 0.2％、MgSO₄·7H₂O 0.1％、尿素0.025％]，115℃灭菌15min；将菌种接入种子培养基中，接种量一般为5％；在适宜的温度、pH和溶氧条件下于5L自动控制发酵罐中培养至对数期。

(2)好氧发酵：将步骤(1)制得的种液以10％～20％接种量接种发酵，控制发酵液温度采用顺序提温模式：0～5h为34℃，5～10h为35℃，10～18h为36℃，18～26h为37℃，26～32h为38℃；通入适当空气，调节适当搅拌转速，采用分阶段供氧模式控制溶氧：0～10h为20％，10～32h为5％；通过自动流加氨水控制pH在7.0～7.2；通过流加适量泡敌消泡；并通过流加浓度为500～800g/L的葡萄糖溶液将残糖控制在0.5～2.0％，发酵至32h停止。

本发明的优点和积极效果：

与现有工艺相比，本发明的方法具有以下特点：

1、本发明通过适当流加较高浓度的葡萄糖溶液将残糖浓度控制在恰当水平，使整个发酵过程中既不因葡萄糖浓度过高而引起渗透压过大且产生“葡萄糖效应”阻遏分解代谢物，也不因葡萄糖浓度过低而构成底物限制，使发酵液中的残糖迅速耗尽，导致菌种生产能力不能得到最大限度的发挥；

2、本发明通过适当调节发酵罐搅拌转速和风量将溶氧浓度控制在恰当的水平上，使整个发酵过程中既不因溶氧浓度过低导致TCA循环代谢流量减小，不足以平衡葡萄糖酵解速率，从而刺激了乳酸脱氢酶的酶活，使代谢流转向乳酸生成，造成乳酸积累，也不因溶氧浓度过高导致谷氨酸脱氢酶酶活明显降低，TCA循环流量加大生成大量CO₂而造成碳源的大量流失；

3、本发明在与现有生产工艺相比不增加任何额外设备和人力投入的情况下，缩短了整个发酵周期，种子培养缩短至5～6h，并大幅提高了L-谷氨酸的产量(150g/L以上)和转化率(60％以上)，整个工艺过程操作简便，生产成本较低，经济效益显著，十分适合于工业化生产。

【具体实施方式】：

实施例1：

使用的微生物菌种为现有谷氨酸生产菌。用上述菌株进行高效发酵，所用培养基有两种：

(1)种子培养基：葡萄糖2.5％、玉米浆3％、豆浓2％、K₂HPO₄·3H₂O 0.2％、MgSO₄·7H₂O 0.1％、尿素0.025％。用NaOH和盐酸调pH至7.0～7.2，115℃灭菌15min。

(2)发酵培养基：葡萄糖8％、甘蔗糖蜜0.1％、玉米浆0.4％、MgSO₄·7H₂O0.15％、Na₂HPO₄·12H₂O 0.2％、KCl 0.1％、MnSO₄ 0.0001％、FeSO₄ 0.0001％、V_B1 0.00001％。用NaOH和盐酸调pH至7.0～7.2，115℃灭菌15min。

将菌种接入种子培养基中，接种量为5％；在32℃、pH为7.0和溶氧为20％条件下于5L自动控制发酵罐中培养6h至对数期，按10％的接种量接入含有发酵培养基的5L自动控制发酵罐中，控制发酵液温度采用顺序提温模式：0～5h为34℃，5～10h为35℃，10～18h为36℃，18～26h为37℃，26～32h为38℃，通入适当空气，调节适当搅拌转速，采用分阶段供氧模式控制溶氧：0～10h为20％，10～32h为5％，通过自动流加氨水控制pH在7.0～7.2，通过流加适量泡敌消泡，并通过流加浓度为500g/L的葡萄糖溶液将残糖控制在0.5％，发酵至32h停止。L-谷氨酸的产量为150g/L，糖酸转化率为60％。

实施例2：

(1)种子培养基：同实施例1。

(2)发酵培养基：葡萄糖10％、甘蔗糖蜜0.15％、玉米浆0.6％、MgSO₄·7H₂O 0.18％、Na₂HPO₄·12H₂O 0.25％、KCl 0.13％、MnSO₄ 0.0002％、FeSO₄ 0.0002％、V_B1 0.00002％。用NaOH和盐酸调pH至7.0～7.2，115℃灭菌15min。

将菌种接入种子培养基中，接种量为5％；在32℃、pH为7.0和溶氧为20％条件下于5L自动控制发酵罐中培养6h至对数期，按15％的接种量接入含有发酵培养基的5L自动控制发酵罐中，控制发酵液温度采用顺序提温模式：0～5h为34℃，5～10h为35℃，10～18h为36℃，18～26h为37℃，26～32h为38℃，通入适当空气，调节适当搅拌转速，采用分阶段供氧模式控制溶氧：0～10h为20％，10～32h为5％，通过自动流加氨水控制pH在7.0～7.2，通过流加适量泡敌消泡，并通过流加浓度为800g/L的葡萄糖溶液将残糖控制在0.5～2.0％，发酵至32h停止。L-谷氨酸的产量为151g/L，糖酸转化率为61％。

实施例3：

(1)种子培养基：同实施例1。

(2)发酵培养基：葡萄糖12％、甘蔗糖蜜0.2％、玉米浆0.8％、MgSO₄·7H₂O 0.2％、Na₂HPO₄·12H₂O 0.3％、KCl 0.15％、MnSO₄ 0.0003％、FeSO₄ 0.0003％、V_B1 0.00003％。用NaOH和盐酸调pH至7.0～7.2，115℃灭菌15min。

将菌种接入种子培养基中，接种量为5％；在32℃、pH为7.0和溶氧为20％条件下于5L自动控制发酵罐中培养6h至对数期，按20％的接种量接入含有发酵培养基的5L自动控制发酵罐中，控制发酵液温度采用顺序提温模式：0～5h为34℃，5～10h为35℃，10～18h为36℃，18～26h为37℃，26～32h为38℃，通入适当空气，调节适当搅拌转速，采用分阶段供氧模式控制溶氧：0～10h为20％，10～32h为5％，通过自动流加氨水控制pH在7.0～7.2，通过流加适量泡敌消泡，并通过流加浓度为800g/L的葡萄糖溶液将残糖控制在2.0％，发酵至32h停止。L-谷氨酸的产量为153g/L，糖酸转化率为63％。

Claims

1.一种高效发酵生产L-谷氨酸的方法，包括种子培养和进行好养发酵，其特征是：发酵过程中，通过调节发酵罐搅拌转速和风量将溶氧控制在适当的水平上，使整个发酵过程既不产生较多乳酸，也不导致由于TCA循环流量加大生成大量CO₂而造成碳源大量流失，通过流加氨水控制pH，通过流加适量泡敌消泡，并通过流加一定浓度的葡萄糖溶液将残糖控制在较低水平，使整个发酵过程中既不产生葡萄糖抑制，也不构成底物限制，发酵至32h停止。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的发酵液的温度为顺序控制温度的方法：0～5h为34℃，5～10h为35℃，10～18h为36℃，18～26h为37℃，26～32h为38℃。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述的发酵液的溶氧浓度为分阶段控制：0～10h为20％，10～32h为5％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述发酵液中各组分占总量的百分比为：接种量10～20％，葡萄糖8～12％，甘蔗糖蜜0.1～0.2％，玉米浆0.4～0.8％，MgSO₄·7H₂O 0.15～0.2％，Na₂HPO₄·12H₂O 0.2～0.3％，KCl0.1～0.15％，MnSO₄ 0.0001～0.0003％，FeSO₄ 0.0001～0.0003％，V_B100001～0.00003％。