CN111334618A - 一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法 - Google Patents
一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,属于生物技术领域。本发明提供了一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,此方法将发酵生产谷氨酸过程中的耗糖量和耗氨量进行关联,通过检测耗氨量控制发酵产酸期发酵培养基中葡萄糖的流加量,进而大大提高发酵生产谷氨酸的产量;利用此方法将嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌接种至10L发酵罐中发酵35h,即可使发酵液中谷氨酸的产量高达115g/L。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,属于生物技术领域。
背景技术
谷氨酸是一种酸性氨基酸,分子内含两个羧基,化学名称为α-氨基戊二酸。谷氨酸是里索逊1856年发现的,为无色晶体,有鲜味,微溶于水,溶于盐酸溶液,等电点3.22。谷氨酸大量存在于谷类蛋白质中,动物脑中含量也较多。谷氨酸在生物体内的蛋白质代谢过程中占重要地位,参与动物、植物和微生物中的许多重要化学反应。
医学上,谷氨酸主要用于治疗肝性昏迷以及改善儿童智力发育。食品工业上,谷氨酸具可作为调味剂应用于食品行业。除此以外,谷氨酸还可用于合成表面活性剂,在化妆品领域具有重要的应用。
过去主要依靠蛋白水解法和化学合成法生产谷氨酸,现由于与蛋白水解法和化学合成法相比,利用微生物发酵法生产谷氨酸具有环境友好、条件温和、成本低和易于工业化生产等优势,因此,工业上已改用微生物发酵法大规模生产谷氨酸。
但是,现有的微生物发酵法仍具有一定缺陷,其中,产量低是限制谷氨酸的工业化生产进程的缺陷之一。例如,刘苗将改组菌株F343接种至发酵培养基中发酵40h,仅可使发酵液中谷氨酸的产量达78g/L(具体可见参考文献:刘苗.应用基因组改组技术选育耐高温谷氨酸生产菌[D].刘苗.江南大学.2009(05));姚辉将谷氨酸棒杆菌S9114接种至发酵培养基中通过优化培养基中生物素的浓度发酵30h,仅可使摇瓶发酵液中谷氨酸的产量达82g/L(具体可见参考文献:谷氨酸棒杆菌S9114的发酵优化及生物素对谷氨酸发酵的调控[D].姚辉.江南大学.2013)。因此,急需找到一种提高发酵生产谷氨酸的产量的方法以克服现有微生物发酵法存在的缺陷。
发明内容
[技术问题]
本发明要解决的技术问题是提供一种提高发酵生产谷氨酸的产量的方法。
[技术方案]
为解决上述技术问题,本发明提供了一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,将谷氨酸生产菌株接种至发酵培养基中进行发酵,待发酵产酸期开始后,将耗糖量和耗氨量进行关联,根据耗氨量在发酵培养基中流加葡萄糖。
在本发明的一种实施方式中,将谷氨酸生产菌株接种至发酵培养基中进行发酵,待发酵产酸期开始后,以发酵4~5min作为一个控制周期,每个控制周期内先根据公式Y=6.0457X-2.4673计算出该控制周期内葡萄糖的消耗量,再根据公式和计算出该控制周期内葡萄糖的理论流加量,最后在发酵培养基中流加葡萄糖;
公式Y=6.0457X-2.4673中,Y是正常发酵产酸期葡萄糖消耗量,X是正常发酵产酸期氨消耗量;
公式和中,S(k)是发酵k时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,S(k+1)是发酵k+1时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,V是发酵液体积,单位为L,SF是葡萄糖流加溶液浓度,单位为g/L,L(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际流加量,单位为L,G(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际消耗量,单位为g,是k到k+1间隔内,葡萄糖的理论流加量,单位为L;
在本发明的一种实施方式中,所述葡萄糖以葡萄糖溶液的形式流加至发酵培养基中。
在本发明的一种实施方式中,所述葡萄糖溶液的浓度为300~900g/L。
在本发明的一种实施方式中,所述葡萄糖溶液的浓度为500g/L。
在本发明的一种实施方式中,所述谷氨酸生产菌株为谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium gulutamicum),或者,所述谷氨酸生产菌株为在谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium gulutamicum)的基础上进行改造获得的可生产谷氨酸的基因工程菌。
在本发明的一种实施方式中,所述可生产谷氨酸的基因工程菌为嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌。所述嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌记载于公开号为CN104371961A的专利申请文本中。
在本发明的一种实施方式中,所述发酵培养基的成分包含C6H12O6、K2HPO4、玉米浆、MgSO4、尿素、MnSO4、FeSO4、硫胺素以及生物素。
在本发明的一种实施方式中,所述发酵培养基的成分包含C6H12O680 g/L、K2HPO41.5g/L、玉米浆5g/L、MgSO40.8 g/L、尿素5.5g/L、MnSO42×10-3g/L、FeSO42×10-3g/L、硫胺素5×10-5g/L以及生物素3×10-6g/L。
在本发明的一种实施方式中,所述发酵培养基的pH为7.0~7.2。
本发明提供了上述方法在生产谷氨酸中的应用。
[有益效果]
本发明提供了一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,此方法将发酵生产谷氨酸过程中的耗糖量和耗氨量进行关联,通过检测耗氨量控制发酵产酸期发酵培养基中葡萄糖的流加量,进而大大提高发酵生产谷氨酸的产量;利用此方法将嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌接种至10L发酵罐中发酵35h,即可使发酵液中谷氨酸的产量高达115g/L。
附图说明
图1:耗糖量和耗氨量的线性关系。
具体实施方式
下述实施例中涉及的嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌记载于公开号为CN104371961A的专利申请文本中。
下述实施例中涉及的培养基如下:
种子培养基:C6H12O625 g/L、K2HPO41.5 g/L、玉米浆40g/L、FeSO45×10-3g/L、MnSO45×10-3g/L以及尿素2.5g/L,pH为7.0~7.2。
发酵培养基:C6H12O680 g/L、K2HPO41.5 g/L、玉米浆5g/L、MgSO40.8 g/L、尿素5.5g/L、MnSO42×10-3g/L、FeSO42×10-3g/L、硫胺素5×10-5g/L以及生物素3×10-6g/L,pH为7.0~7.2。
下述实施例中涉及的检测方法如下:
葡萄糖含量和谷氨酸含量的测定:采用Bio-SBA生物分析仪分析发酵液中葡萄糖和谷氨酸的含量,吸取25μL的标准液SBA进行标定,标定结束,取1mL发酵液进行稀释后,吸取25μL稀释后的发酵液进行测定,记录数据。
菌体浓度的测定:使用UV-2000Z紫外可见分光光度计测定在620nm处的吸光值。
实施例1:谷氨酸的生产
具体步骤如下:
挑取嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌的单菌落接种至种子培养基中,于温度为32℃、转速为200r/min的条件下摇床培养8h,得到种子液;将种子液以10%(v/v)接种量接种至含有发酵培养基的10L发酵罐中发酵35h,获得发酵液;发酵过程中,发酵初期、中期和后期分别将温度控制为32、34和36℃,溶氧浓度DO控制在10~50%(通过调节转速控制溶氧浓度DO),pH控制在7.1±0.1(通过流加浓度为250g/L的氨水控制pH),待发酵产酸期开始后,以发酵4min作为一个控制周期,每个控制周期内先计算氨水的流加量(即氨消耗量),然后根据线性公式Y=6.0457X-2.4673(具体可见图1)计算出该控制周期内葡萄糖的消耗量,再根据公式和计算出该控制周期内葡萄糖的理论流加量,最后在发酵培养基中流加浓度为500g/L的葡萄糖溶液;公式Y=6.0457X-2.4673中,Y是正常发酵产酸期葡萄糖消耗量,X是正常发酵产酸期氨消耗量;公式和中,S(k)是发酵k时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,S(k+1)是发酵k+1时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,V是发酵液体积,单位为L,SF是葡萄糖流加溶液浓度,单位为g/L,L(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际流加量,单位为L,G(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际消耗量,单位为g,是k到k+1间隔内,葡萄糖的理论流加量,单位为L;以发酵k时刻到发酵k+1时刻作为一个发酵周期,计算这一控制周期内葡萄糖的理论流加量时,先假定k+1时刻的S(k+1)要达到设定值则然后将S(k+1)代入葡萄糖物料平衡关系式中,即可求解得到整个发酵产酸期共流加0.87L葡萄糖溶液。
检测发酵液中谷氨酸的产量,检测结果为:发酵液中谷氨酸的产量高达109g/L。
实施例2:谷氨酸的生产
具体步骤如下:
挑取嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌的单菌落接种至种子培养基中,于温度为32℃、转速为200r/min的条件下摇床培养8h,得到种子液;将种子液以10%(v/v)接种量接种至含有发酵培养基的10L发酵罐中发酵35h,获得发酵液;发酵过程中,发酵初期、中期和后期分别将温度控制为32、34和36℃,溶氧浓度DO控制在10~50%(通过调节转速控制溶氧浓度DO),pH控制在7.1±0.1(通过流加浓度为250g/L的氨水控制pH),待发酵产酸期开始后,以发酵4min作为一个控制周期,每个控制周期内先计算氨水的流加量(即氨消耗量),然后根据线性公式Y=6.0457X-2.4673(具体可见图1)计算出该控制周期内葡萄糖的消耗量,再根据公式和计算出该控制周期内葡萄糖的理论流加量,最后在发酵培养基中流加浓度为500g/L的葡萄糖溶液;公式Y=6.0457X-2.4673中,Y是正常发酵产酸期葡萄糖消耗量,X是正常发酵产酸期氨消耗量;公式和中,S(k)是发酵k时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,S(k+1)是发酵k+1时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,V是发酵液体积,单位为L,SF是葡萄糖流加溶液浓度,单位为g/L,L(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际流加量,单位为L,G(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际消耗量,单位为g,是k到k+1间隔内,葡萄糖的理论流加量,单位为L;以发酵k时刻到发酵k+1时刻作为一个发酵周期,计算这一控制周期内葡萄糖的理论流加量时,先假定k+1时刻的S(k+1)要达到设定值则然后将S(k+1)代入葡萄糖物料平衡关系式中,即可求解得到整个发酵产酸期共流加0.92L葡萄糖溶液。
检测发酵液中谷氨酸的产量,检测结果为:发酵液中谷氨酸的产量高达115g/L。
对比例1:谷氨酸的生产
具体步骤如下:
挑取嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌的单菌落接种至种子培养基中,于温度为32℃、转速为200r/min的条件下摇床培养8h,得到种子液;将种子液以10%(v/v)接种量接种至含有发酵培养基的10L发酵罐中发酵35h,获得发酵液;发酵过程中,发酵初期、中期和后期分别将温度控制为32、34和36℃,溶氧浓度DO控制在10~50%(通过调节转速控制溶氧浓度DO),pH控制在7.1±0.1(通过流加浓度为250g/L的氨水控制pH),待发酵产酸期开始后,不断流加500g/L葡萄糖控制发酵液中葡萄糖的浓度为10g/L;整个发酵产酸期共流加0.84L葡萄糖溶液。
检测发酵液中谷氨酸的产量,检测结果为:发酵液中谷氨酸的产量仅有68g/L。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上,但其并非用以限定本发明,任何熟悉此技术的人,在不脱离本发明的精神和范围内,都可做各种的改动与修饰,因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (10)
1.一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,将谷氨酸生产菌株接种至发酵培养基中进行发酵,待发酵产酸期开始后,将耗糖量和耗氨量进行关联,根据耗氨量在发酵培养基中流加葡萄糖。
2.如权利要求1所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,将谷氨酸生产菌株接种至发酵培养基中进行发酵,待发酵产酸期开始后,以发酵4~5min作为一个控制周期,每个控制周期内先根据公式Y=6.0457X-2.4673计算出该控制周期内葡萄糖的消耗量,再根据公式和计算出该控制周期内葡萄糖的理论流加量,最后在发酵培养基中流加葡萄糖;
公式Y=6.0457X-2.4673中,Y是正常发酵产酸期葡萄糖消耗量,X是正常发酵产酸期氨消耗量;
公式和中,S(k)是发酵k时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,S(k+1)是发酵k+1时刻的葡萄糖浓度,单位为g/L,V是发酵液体积,单位为L,SF是葡萄糖流加溶液浓度,单位为g/L,L(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际流加量,单位为L,G(k)是k到k+1间隔内,葡萄糖的实际消耗量,单位为g,是k到k+1间隔内,葡萄糖的理论流加量,单位为L;
3.如权利要求1或2所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述葡萄糖以葡萄糖溶液的形式流加至发酵培养基中。
4.如权利要求3所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述葡萄糖溶液的浓度为300~900g/L。
5.如权利要求3或4所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述葡萄糖溶液的浓度为500g/L。
6.如权利要求1-5任一所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述谷氨酸生产菌株为谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium gulutamicum),或者,所述谷氨酸生产菌株为在谷氨酸棒杆菌(Corynebacterium gulutamicum)的基础上进行改造获得的可生产谷氨酸的基因工程菌。
7.如权利要求6所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述可生产谷氨酸的基因工程菌为嗜乙酰乙酸棒杆菌基因工程菌。
8.如权利要求1-7任一所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述发酵培养基的成分包含C6H12O6、K2HPO4、玉米浆、MgSO4、尿素、MnSO4、FeSO4、硫胺素以及生物素。
9.如权利要求1-8任一所述的一种基于耗氨量的葡萄糖补料控制方法,其特征在于,所述发酵培养基的成分包含C6H12O6 80g/L、K2HPO4 1.5g/L、玉米浆5g/L、MgSO4 0.8g/L、尿素5.5g/L、MnSO4 2×10-3g/L、FeSO4 2×10-3g/L、硫胺素5×10-5g/L以及生物素3×10-6g/L。
10.权利要求1-9任一所述的方法在生产谷氨酸中的应用。
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