【正文】 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。12H2O時(shí)，應(yīng)配用 ~ g/L KCl，此時(shí)鉀濃度為~。3H2O時(shí)，其鉀濃度約為 。 鉀對(duì)谷氨酸發(fā)酵影響明顯，鉀鹽少長(zhǎng)菌體；鉀鹽足夠時(shí)產(chǎn)谷氨酸。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。由于培養(yǎng)基中硫已在硫酸鎂中供給，因此不必另外添加。7H2O時(shí)， Mg2+濃度約為 50mg/L。 MgSO4如果 Mg2+含量太少，就會(huì)影響其底物的氧化。當(dāng)磷酸鹽偏高時(shí)，菌體代謝轉(zhuǎn)向合成纈氨酸；但如磷酸鹽過(guò)低，菌體生長(zhǎng)也不好，造成延長(zhǎng)發(fā)酵時(shí)間，影響谷氨酸的合成。2H2O ，但另外要添加 KCl。 考慮到生產(chǎn)成本，一般采用 Na2HPO4 當(dāng)采用K2HPO412H2O和NaH2PO4 工業(yè)生產(chǎn)上常用的磷酸鹽為 KH2POK2HPO4磷酸鹽在培養(yǎng)基中還具有緩沖作用。 ① 磷酸鹽 磷是一些蛋白質(zhì)和核酸的組成分。還需要一些微量元素，如錳、銅、鋅、鈷、鉬、碘和溴等。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。谷氨酸發(fā)酵時(shí)對(duì)有機(jī)氮的需要量不大。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。由于液氨作用快，對(duì) pH影響大，故生產(chǎn)上都采用連續(xù)流加方法。 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。 采用不同的氮源其添加方法不同，如液氨、尿素等可采取流加方法。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。無(wú)機(jī)氮如尿素、液氨、氨水、碳酸氫銨、硫酸銨、氯化銨和硝酸銨等。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。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于一部分氨用于調(diào)節(jié) pH，一部分隨空氣逸出，造成實(shí)際用量較大，當(dāng)培養(yǎng)基中糖濃度為 14%時(shí)碳氮比為 100： 。 當(dāng)培養(yǎng)基中碳氮比在 100: 11以上才開(kāi)始積累谷氨酸。同時(shí)，在發(fā)酵過(guò)程中一部分氨用于調(diào)節(jié)發(fā)酵液 pH，形成谷氨酸銨。 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。如果淀粉水解不完全，如有糊精存在，不僅造成原料浪費(fèi)，而且還會(huì)使發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生很多泡沫，影響發(fā)酵的正常進(jìn)行。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。同時(shí)培養(yǎng)基濃度大，氧溶解的阻力也增大，影響供氧效率。 培養(yǎng)基中糖濃度對(duì)谷氨酸發(fā)酵有很大影響。目前所發(fā)現(xiàn)的谷氨酸產(chǎn)生菌均不能直接利用淀粉，只有利用葡萄糖、果糖、蔗糖和麥芽糖等單糖或雙糖，有些菌種能夠利用醋酸、乙醇、正烷烴等。 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。 碳源 碳源是供給菌體生命活動(dòng)所需的能量和構(gòu)成菌體細(xì)胞以及合成谷氨酸的碳架的來(lái)源。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。 發(fā)酵培養(yǎng)基 與種子培養(yǎng)基不同，發(fā)酵培養(yǎng)基不僅是供給菌體生長(zhǎng)繁殖所需要的營(yíng)養(yǎng)和能源，而且是構(gòu)成谷氨酸的碳架來(lái)源，要積累大量谷氨酸，就要有足夠量的碳源和氮源，其用量大大地高于種子培養(yǎng)基，對(duì)于菌體繁殖所必需的營(yíng)養(yǎng)因子 —— 生物素卻要控制其用量。 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。由于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，它們可以維持發(fā)酵的程序控制，提供底物和細(xì)胞濃度的瞬間讀數(shù)。 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。 這主要是由于缺乏可以發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)潛在全部?jī)?yōu)點(diǎn)的、適合自動(dòng)監(jiān)控發(fā)酵過(guò)程中某些參數(shù)的傳感器。 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。 菌種的性能越高，使其表達(dá)接近它應(yīng)有的生產(chǎn)潛力所必須的條件就越難滿足，對(duì)環(huán)境條件的波動(dòng)更為敏感，谷氨酸發(fā)酵正是如此。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。而增殖型菌體呈類球形或短桿狀，且這兩種細(xì)胞的表層結(jié)構(gòu)和機(jī)能有很大差別。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。 表 41 由葡萄糖生產(chǎn)谷氨酸時(shí)谷氨酸與菌體的生成率 表 41中生產(chǎn)培養(yǎng)時(shí)添加 3μg/L生物素，增殖培養(yǎng)時(shí)添加 200～300μg/L生物素。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。 谷氨酸產(chǎn)生菌之所以能夠大量積累谷氨酸，首先是菌體代謝調(diào)節(jié)異常。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。因此，為了累積特定的氨基酸，必須用某些方法使微生物的代謝調(diào)節(jié)異常化。這種代謝異常的菌種對(duì)環(huán)境條件是敏感的。在不同的環(huán)境條件下，可生長(zhǎng)大量菌體或者得到不同的代謝產(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。生產(chǎn)培養(yǎng)的菌體形態(tài)與增殖培養(yǎng)的菌體形態(tài)存在顯著差異，生產(chǎn)型菌體伸長(zhǎng)呈膨潤(rùn)狀態(tài)，邊緣不完整。 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。與此相反，如果培養(yǎng)條件不適宜，幾乎不產(chǎn)生谷氨酸，而得到大量菌體或者由谷氨酸發(fā)酵轉(zhuǎn)換為積累乳酸、琥珀酸、 α酮戊二酸、纈氨酸、谷氨酰胺、 N乙酰谷氨酰胺等，這種現(xiàn)象稱為“ 發(fā)酵轉(zhuǎn)換 ” ?？梢?jiàn)環(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。但是一些對(duì)控制發(fā)酵過(guò)程至關(guān)重要的參數(shù)，如底物、產(chǎn)物、中間產(chǎn)物、細(xì)胞濃度、發(fā)酵液的黏度、氣液界面面積等，卻還不能順利地進(jìn)行聯(lián)機(jī) (在線 )測(cè)量和控制。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。用計(jì)算機(jī)可借在線分析做到間接測(cè)量，進(jìn)而達(dá)到在線控制。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。目前借助電子計(jì)算機(jī)控制的參數(shù)有：溫度、壓力、空氣流量、pH、溶解氧、消泡、補(bǔ)料、排氣中 O排氣中 CO溶解氧系數(shù)、攪拌轉(zhuǎn)速等。 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。這些原料的選擇既要考慮到菌體生長(zhǎng)繁殖的營(yíng)養(yǎng)要求，更重要的要考慮到有利于大量積累谷氨酸，還要注意到原料來(lái)源豐富、價(jià)格便宜、發(fā)酵周期短和對(duì)產(chǎn)物提取無(wú)妨礙等 。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。 由于各種微生物所具有的酶系不同，所能利用的碳源往往是不同的。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。在一定范圍內(nèi)，谷氨酸產(chǎn)酸率隨糖濃度增加而增加，但當(dāng)糖濃度過(guò)高時(shí)，由于滲透壓增大，對(duì)菌體生長(zhǎng)和發(fā)酵均不利，當(dāng)工藝條件配合不當(dāng)時(shí)，糖酸轉(zhuǎn)化率相當(dāng)?shù)汀? 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。 淀粉水解糖質(zhì)量對(duì)谷氨酸發(fā)酵的影響很大。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。 氮源 氮源是合成菌體蛋白質(zhì)、核酸等含氮物質(zhì)和合成谷氨酸氨基的來(lái)源。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。在谷氨酸發(fā)酵中，用于合成菌體的氮僅占總耗用氮的 3～ 8%，而 30～ 80%用于合成谷氨酸。 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。 氮源有無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮之分。菌體利用無(wú)機(jī)氮源比較迅速，而利用有機(jī)氮較緩慢。一般要根據(jù)菌種和發(fā)酵特點(diǎn)合理地選擇氮源。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。 目前，考慮到生產(chǎn)成本、操作方便等因素，谷氨酸發(fā)酵已全部采用液氨作為無(wú)機(jī)氮源。 有機(jī)氮源主要是蛋白質(zhì)、蛋白胨和氨基酸等。有機(jī)氮，尤其是氨基酸豐富則有利于長(zhǎng)菌。 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)。 一般微生物所需要的無(wú)機(jī)鹽為磷酸鹽、硫酸鹽、 氯化物 和含鉀、鈉、鎂和鐵的化合物。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。腺二磷 (ADP)、腺三磷 (ATP)、 NADPH等是重要的能量傳遞者，參與一系列的代謝反應(yīng)。 微生物對(duì)磷的需要量一般為 ~ mol/L。3H2O、 Na2HPO42H2O等，也可用磷酸。3H2O時(shí)，添加量一般為 %。12H2O或 NaH2PO4 磷酸鹽對(duì)谷氨酸發(fā)酵影響很大。 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。一般革蘭氏陽(yáng)性菌對(duì) Mg2+的最低要求為 25