【正文】 為生長(zhǎng)因子。 Fe2+是細(xì)胞色素氧化酶、過(guò)氧化氫酶的組成部分，又是若干酶的激活劑，一般培養(yǎng)基添加 ④ 微量元素 微生物需要量十分微小但又不可完全沒(méi)有的元素稱為微量元素。當(dāng)培養(yǎng)基中配用 g/L K2HPO4 ③ 鉀鹽 鉀一般不參與細(xì)胞結(jié)構(gòu)物質(zhì)的組成，但它是許多酶（ EMP途徑和 TCA循環(huán)中一系列酶）的激活劑。7H2O中含 Mg2+ %，發(fā)酵培養(yǎng)基中添加 ② 硫酸鎂 Mg2+許多重要酶 (如己糖磷酸化酶、異檸檬酸脫氫酶、羧化酶等 )的激活劑。12H2O或 NaH2PO42H2O等，也可用磷酸。 微生物對(duì)磷的需要量一般為 ~ mol/L。微生物對(duì)無(wú)機(jī)鹽的需要量很少，但對(duì)菌體的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生影響很大。 無(wú)機(jī)鹽 無(wú)機(jī)鹽是微生物生命活動(dòng)所不可缺少的物質(zhì)。 有機(jī)氮源主要是蛋白質(zhì)、蛋白胨和氨基酸等。液氨作用快，對(duì) pH影響大，應(yīng)采取連續(xù)流加；尿素加入后先經(jīng)過(guò)谷氨酸產(chǎn)生菌中脲酶水解成氨后再利用，因此會(huì)滯后，一般根據(jù)菌種的脲酶活力分 3～ 6次分批流加。菌體利用無(wú)機(jī)氮源比較迅速，而利用有機(jī)氮較緩慢。 碳氮比對(duì)谷氨酸發(fā)酵影響很大，在發(fā)酵的不同階段，控制碳氮比以促進(jìn)以菌體生長(zhǎng)為主的階段向產(chǎn)酸階段轉(zhuǎn)化。因此，谷氨酸發(fā)酵需要的氮源比一般的發(fā)酵工業(yè)要高，一般發(fā)酵工業(yè)碳氮比為100: ～ ，而谷氨酸發(fā)酵的碳氮比為100: 15～ 30。淀粉原料不同，液化、糖化工藝條件不同，使水解糖中生物素含量也不同，影響谷氨酸培養(yǎng)基中生物素含量的控制。 為了降低培養(yǎng)基中糖濃度而又提高產(chǎn)酸水平，目前國(guó)內(nèi)普遍采用低濃度初糖的流加糖發(fā)酵工藝。由于國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)味精廠采用的碳源為淀粉水解糖，因此這里主要介紹淀粉水解糖作業(yè)碳源的發(fā)酵。谷氨酸產(chǎn)生菌是異養(yǎng)微生物，只能從有機(jī)化合物中取得碳素的營(yíng)養(yǎng)，并以分解氧化有機(jī)化合物產(chǎn)生的能量供給細(xì)胞中合成反應(yīng)所需要的能量。 與其它發(fā)酵工業(yè)一樣，谷氨酸發(fā)酵培養(yǎng)基包括碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子及水等。例如通過(guò)連續(xù)測(cè)定排氣中 O2和 CO2濃度，進(jìn)行氧平衡，計(jì)算出耗氧速率和呼吸商，從而獲得細(xì)胞濃度，能準(zhǔn)確地確定添加青霉素的時(shí)間。隨著生物傳感器、自動(dòng)化分析方法以及電子計(jì)算機(jī)與生物技術(shù)之間接口技術(shù)的發(fā)展，將擴(kuò)大計(jì)算機(jī)技術(shù)在微生物工程方面的應(yīng)用范圍，使發(fā)酵生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化?？梢姯h(huán)境條件的控制對(duì)谷氨酸發(fā)酵的產(chǎn)酸率、糖酸轉(zhuǎn)化率等的高低是非常重要的。 表 42 谷氨酸產(chǎn)生菌因環(huán)境條件改變而發(fā)生發(fā)酵轉(zhuǎn)換 表 42表示在不同環(huán)境條件下生成不同的代謝產(chǎn)物。結(jié)果在生產(chǎn)培養(yǎng)時(shí)，葡萄糖多半是用于合成谷氨酸。這種代謝異常的菌種對(duì)環(huán)境條件是敏感的。4 谷氨酸發(fā)酵過(guò)程控制 一般認(rèn)為無(wú)論是野生株還是突變株，在增殖旺盛、進(jìn)行正常代謝的微生物培養(yǎng)液中不存在特定的生物合成代謝中間產(chǎn)物大量地分泌累積的現(xiàn)象。谷氨酸酸發(fā)酵是建立在容易變化的代謝平衡上，是受多種條件支配的。與此相反，在增殖培養(yǎng)時(shí)近半量的葡萄糖用于合成菌體，而幾乎不生成谷氨酸。在最適宜的培養(yǎng)條件下，谷氨酸產(chǎn)生菌可將 60%以上的葡萄糖轉(zhuǎn)化為谷氨酸，而只有極少量的副產(chǎn)物。 目前國(guó)外較先進(jìn)的發(fā)酵罐都可以用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù) (溫度、罐壓、攪拌速度、空氣流量、 pH、溶解氧、消泡、氧化還原電位、尾氣等 )測(cè)量和控制。 應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)控制和管理發(fā)酵，使發(fā)酵工藝最佳化。 采用計(jì)算機(jī)控制流加糖，減少糖濃度波動(dòng)，提高轉(zhuǎn)化率。發(fā)酵工業(yè)原料主要是指發(fā)酵培養(yǎng)基中用量比較大的成分。 通常用作碳源的物質(zhì)主要是糖類、脂肪、某些有機(jī)酸、某些醇類和烴類。 培養(yǎng)基中糖濃度對(duì)谷氨酸發(fā)酵有很大影響。初糖 8～ 12%，流加糖后總糖 20%左右，產(chǎn)酸率可達(dá) 11%以上，糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá) 55%以上。 由于雙酶法（高溫淀粉酶液化、糖化酶水解）對(duì)原料中生物素等營(yíng)養(yǎng)因子破壞很少，因此采用雙酶法制糖時(shí)，如果采用生物素亞適量工藝進(jìn)行谷氨酸發(fā)酵，盡量采用精制淀粉。 當(dāng)培養(yǎng)基中碳氮比在 100: 11以上才開始積累谷氨酸。在長(zhǎng)菌階段，如 NH4+過(guò)量也會(huì)抑制菌體生長(zhǎng)；在產(chǎn)酸階段，如 NH4+不足， α酮戊二酸不能還原并氨基化，幾乎不積累谷氨酸，而積累 α酮戊二酸。銨鹽、尿素和液氨等比硝基氮優(yōu)越，因?yàn)橄趸柘冉?jīng)過(guò)還原后才能被利用。 用硫酸銨等生理酸性鹽為氮源時(shí)，由于 NH4+被利用而殘留的 SO42等酸根，使 pH下降，因此在培養(yǎng)基中需要加入 CaCO3以自動(dòng)中和，維持 pH相對(duì)穩(wěn)定；但是添加大量CaCO3容易導(dǎo)致染菌，且 Ca2+對(duì)產(chǎn)物提取有影響，因此一般生產(chǎn)上不采用此法。谷氨酸發(fā)酵的有機(jī)氮源常用玉米漿、麩皮水解液、米糠水解液、豆餅水解液和糖蜜等。其功能如下： ①構(gòu)成菌體成分； ②作為酶的組成部分； ③酶的激活劑或抑制劑； ④調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的滲透壓； ⑤調(diào)節(jié) pH 和氧化還原電位等。 ① 磷酸鹽 磷是一些蛋白質(zhì)和核酸的組成分。 工業(yè)生產(chǎn)上常用的磷酸鹽為 KH2POK2HPO4 當(dāng)采用K2HPO42H2O ，但另外要添加 KCl。如果 Mg2+含量太少，就會(huì)影響其底物的氧化。7H2O時(shí)， Mg2+濃度約為 50mg/L。谷氨酸生物合成時(shí)所需要的鉀鹽比菌體生長(zhǎng)需要量高。3H2O時(shí)，其鉀濃度約為 。 Mn2+是某些酶的激活劑，羧化反應(yīng)必需Mn2+ ，如谷氨酸生物合成途徑中，草酰琥珀酸脫羧生成 α酮戊二酸是在 Mn2+存在下完成的。4H2O。 生長(zhǎng)因子不是所有微生物都必需的，它只對(duì)于那些自身不能合成這些成分的微生物才是必不可少的營(yíng)養(yǎng)物。 在谷氨酸發(fā)酵中，生物素的作用主要影響谷氨酸產(chǎn)生菌細(xì)胞膜的合成，從而影響谷氨酸通透性，同時(shí)也影響菌體的代謝途徑，即代謝產(chǎn)物的生成。 如果生物素過(guò)量，菌體大量繁殖而不產(chǎn)或少產(chǎn)谷氨酸，而轉(zhuǎn)產(chǎn)乳酸或琥珀酸。供氧充足，生物素過(guò)量，糖代謝傾向于完全氧化生成CO2和水。維生素 B1為無(wú)色結(jié)晶體，溶于水，在酸性溶液中很穩(wěn)定，在堿性溶液中不穩(wěn)定，易被氧化和受熱破壞。含有豐富的氨基酸、核酸、維生素等。 可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。甘蔗糖蜜用量為 ～ %。其余部分則以熱的形式散發(fā)出來(lái)，這就是生物熱。即不同培養(yǎng)階段菌體呼吸作用和發(fā)酵作用強(qiáng)度不同，所產(chǎn)生的熱量也不同。 一般谷氨酸發(fā)酵 3～ 5h就開始產(chǎn)生生物熱，溫度升高；發(fā)酵 12～ 22h產(chǎn)生熱量最多，應(yīng)注意控制溫度；但采用高生物素、添加青霉素工藝，則明顯提前，發(fā)酵 7 ～ 20h產(chǎn)生熱量最大。 Q汽 =(I出 I進(jìn) ) （ kj/h) 式中 G—— 空氣的質(zhì)量流量（ kg/h) I出 —— 進(jìn)口空氣的熱焓（ kj/kg) I進(jìn) —— 出口空氣的熱焓（ kj/kg) ④ 輻射熱 因發(fā)酵液溫度與周圍環(huán)境溫度不同，發(fā)酵液的部分熱量通過(guò)罐體向外輻射。 Q發(fā) =(M1C1+M2C2)S/V ③ 根據(jù)化合物的燃燒熱計(jì)算生物熱。溫度還通過(guò)影響發(fā)酵液的性質(zhì)來(lái)間接影響發(fā)酵。同一微生物，由于培養(yǎng)條件不同，其最適溫度也不同。 谷氨酸發(fā)酵開始時(shí)因菌體數(shù)量少，釋放的熱量也少；當(dāng)菌種進(jìn)入生長(zhǎng)旺盛時(shí)期，呼吸加強(qiáng)，放出大量熱量，后期趨于穩(wěn)定，釋放的熱量又減少。不同種類的微生物對(duì) pH要求不同。 pH主要通過(guò)以下幾方面影響微生物的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物形成：①影響酶的活性， pH的高或低能激活或抑制微生物體內(nèi)某些酶的活性；②影響微生物細(xì)胞膜所帶電荷，從而改變細(xì)胞膜通透性，影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收和代謝產(chǎn)物的分泌；③影響培養(yǎng)基中某些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和代謝產(chǎn)物的離解， 從而影響微生物對(duì)這些物質(zhì)的利用；④ pH的改變往往引起菌體代謝途徑的改變，使代謝產(chǎn)物發(fā)生變化。而變化的結(jié)果，則表現(xiàn)為 pH的升降。但是，當(dāng)這些條件一定時(shí)，在正常發(fā)酵情況下其 pH的變化具有一定的規(guī)律性。該方法是目前氨基酸發(fā)酵普遍采用的方法。缺點(diǎn)是尿素價(jià)格相對(duì)較高、發(fā)酵過(guò)程中 pH波動(dòng)較大，影響產(chǎn)酸率和糖酸轉(zhuǎn)化率。同時(shí)，合理的供氧對(duì)節(jié)省動(dòng)力消耗也是很重要的。此一溶解氧濃度稱為臨界溶解氧濃度，以 C臨界 表示 (或以臨界溶解氧分壓 pL臨界 表示 )。X) 供氧對(duì)谷氨酸發(fā)酵的影響 在谷氨酸發(fā)酵中，供氧對(duì)菌體的生長(zhǎng)和谷氨酸的積累都有很大的影響。X， PL≥PL臨界 ；當(dāng)PL＜ PL臨界 （即亞硫酸鹽氧化速率 rab = 同時(shí)高溶氧水平下生長(zhǎng)的菌體不能有效地合成谷氨酸。在條件適當(dāng)時(shí)，耗氧速率rab≥60mmol/(L因?yàn)樘菨舛雀呦鄬?duì)要求生物素含量大，菌體濃度高，代謝旺盛，耗氧量大；如果供氧不增加時(shí)，就造成供氧不足。當(dāng)生物素濃度增加時(shí)，耗糖速率增大，引起供氧不足，使谷氨酸產(chǎn)量降低。 由于氨基酸生物合成過(guò)程所消耗的 ATP摩爾數(shù)和生成的 NAD(P)H2摩爾數(shù)不同，所需要的氧就不同。在這樣的反應(yīng)體系中，谷氨酸的生成可由下式表示： 葡萄糖 → 谷氨酸 +3NAD(P)H2+ATP 圖 43 谷氨酸生物合成途徑（ II） 從圖 43的谷氨酸生物合成途徑可知，由 1mol葡萄糖生成 2mol磷酸烯式丙酮酸，其中 1mol磷酸烯式丙酮酸經(jīng)羧化反應(yīng)生成草酰乙酸，另外 1mol磷酸烯式丙酮酸經(jīng)脫羧生成乙酰 CoA； 1mol乙酰CoA與 1mol草酰乙酸縮合反應(yīng)生成 1mol檸檬酸，經(jīng)過(guò)異構(gòu)后 1mol異檸檬酸經(jīng)過(guò) α酮戊二酸生成1mol谷氨酸。反之，供氧不足，菌呼吸受抑制，生產(chǎn)收率顯著減少。在亮氨酸發(fā)酵中γab/KrM=。氧不足，發(fā)酵生產(chǎn)受到輕微抑制。如果 CO2含量過(guò)高，也會(huì)影響菌體正常呼吸作用。 一般控制 CO2在 13%左右，發(fā)酵開始 4～5h排氣中 CO2迅速上升至 13%以上，保持通風(fēng)，以保持 13%；當(dāng)大于 13%，須