L-赖氨酸的生产工艺研究.doc

L-赖氨酸的发酵生产工艺研究
摘要:L-赖氨酸是人体和动物所不能合成的八种必需氨基酸中最重要的一种。L-赖氨酸是国际市场上发展前景良好的产品，消费需求每年以7-10%的速度递增，国内年产量则以每年20-30%以上的速度递增。其广泛应用于医药、食品和饲料等领域。目前生产赖氨酸最主要的方法是微生物发酵法。本文从赖氨酸的生产现状、生产方法，发酵过程中的代谢调控以及赖氨酸生产菌种的选育和生产赖氨酸的前景展望这几个方面综述了赖氨酸生产工艺。
关键词:赖氨酸；发酵；菌种；展望
前言
赖氨酸(Lysine)的化学名称为2，6-二氨基己酸，有L-型(左旋)、D-型(右旋)和DL型(消旋)三种旋学异构体。赖氨酸是人和动物营养的必需氨基酸之一，不能参加转氨作用[1]。人类和动物可吸收利用的只有L型。它对调节体内代谢平衡、提高体内对谷类蛋白质的吸收、改善人类膳食营养和动物营养、促进生长发育均有重要作用。L-赖氨酸主要用于医药、食品和饲料工业。全球约90％的赖氨酸用作饲料添加剂，约5％用作食品添加剂，其余5％用作医药中间体[2]。目前，全球赖氨酸年总需求量约为85万t/a，年增长率为7％一8％。现全球赖氨酸总产能约为80万t/a，产量较大的是日本味之素公司(26万t/a)、美国ADM公司、BASF韩国公司和协和发酵工业公司等。国内赖氨酸需求量估计在13万t/a左右。赖氨酸应用范围较广，2003年以后，我国已成为全球最大的赖氨酸生产大国。目前已建成和正在建设的赖氨酸厂主要有广西赖氨酸公司、福建大泉赖氨酸有限公司、四川川化味之素有限公司、大成赖氨酸厂、肇东赖氨酸厂等。文章从赖氨酸的生产现状、生产方法，发酵过程中的代谢调控以及赖氨酸生产菌种的选育和生产赖氨酸的前景展望等方面论述了赖氨酸生产工艺的研究进展。
赖氨酸生产现状
L-赖氨酸最初是从蛋白质水解物中分离得到的，蛋白质水解法一般以动物血粉为原料，此法最多的特点是工艺流程简单，但是原料来源很有限，仅适合小规模生产。此后又出现了化学合成法、水解法，酶法。直到1960年，日本首先采用微生物发酵法生产赖氨酸。微生物发酵生产氨基酸是人为地解除氨基酸生物合成的代谢控制机制，使其积累大量所需氨基酸。氨基酸的L-型立体专一性决定了发酵法生产氨基酸较化学合成的工艺更简单、快捷。我国于20世纪60年代中期开始进行赖氨酸菌株选育和发酵的研究，但因产量较低难以工业化。直到70年代未80年代初世界赖氨酸实现工业化后我国的研究才取得突破。目前，世界约2/3的赖氨酸企业采用发酵法生产，生产的为L-型赖氨酸，生产工艺巳基本成熟。近年来，赖氨酸的需求逐年增加，全世界每年大概80万t赖氨酸通过发酵生产的方式获得。
L-赖氨酸发酵生产研究
2.1生产菌种
用于工业上发酵生产赖氨酸的菌株主要是棒状杆菌和短杆菌等的变异株，棒状杆菌具有极高的经济价值，其中谷氨酸棒状杆菌应用最为广泛。此外，赖氨酸生产还有大肠杆菌、黄色短杆菌、酿酒酵母、乳酸发酵短杆菌、假丝酵母等。谷氨酸棒状杆菌包括其亚种黄色短杆菌亚种乳糖短杆菌钝齿棒状杆菌和分枝短杆菌是赖氨酸工业生产中最重要的微生物
2.2黄色短杆菌产赖氨酸的合成途径与调控机制

由上图可以得出要想得到高产的生产菌株，必须从以下几个方面对菌种进行控制：①切断代谢支路：选育和应用营养缺陷型菌株，切断丙氨酸、苏氨酸的分支途径是积累赖氨酸的有效手段。②解除反馈抑制：选育抗结构类似物的突变株，可以得到对AK（天门冬氨酸激酶）反馈抑制脱敏的菌株，代谢调节被遗传性地解除。③设法增加前体物质天门冬氨酸的浓度，以抵消变构抑制剂的影响。因此可以考虑选育丙氨酸缺陷型，抗天门冬氨酸结构类似物的突变株。④解除代谢互锁：赖氨酸与亮氨酸的生物合成之间存在代谢互锁，因此可以考虑选育亮氨酸缺陷型，抗亮氨酸结构类似物的突变株。
2.3发酵
2.3.1发酵工艺条件以及影响因素组成
①温度：前期32℃，后期30℃。②ph值：最适ph值6.5-7.0，控制范围在ph值6.5-7.5之间。③种龄和接种量：二级种子接种量2%、种龄8-12h，三级种子接种量10%、种龄6-8h。④供氧：供氧需充足，过高、过低的溶氧对发酵均不利，表现为菌体浓度下降、产酸降低，发酵时间延长，否则生成乳酸。⑤初糖浓度控制在11%~15%，转化率最高。
2.3.2发酵控制
发酵法生产赖氨酸的主要原料为淀粉、糖蜜玉米等淀粉类原料需经糖化转化为葡萄糖后才可用，且发酵液配方中需再补充生物素；甘蔗废糖蜜含较高的生物素，发酵液配方中无需再补充生物素。主要以淀粉水解液或甘蔗糖蜜为碳源发酵生产赖氨酸。
目前大多数赖氨酸生产厂家的发酵操作方式为分批操作，发酵生产涉及到发酵液和管路系统的消毒灭菌、营养调节、酸碱度调节、通风量调节等一系列复杂操作，都由配置的DCS系统