第四章赖氨酸发酵过程优化. 第一节赖氨酸发酵概述. 、研究背景 、发酵法生产赖氨酸技术的发展 三、本章研究的目的和主要内容 第二节赖氨酸生产菌FB42的获得 、引言 出发菌株FB2的遗传特性 5555 三、FB31菌株摇瓶发酵性能的初步研究 四、赖氨酸产生菌FB42的获得 五、环境因子对FB42分泌赖氨酸的影响 六、响应面分析法优化FB42菌株发酵培养基 第三节连续培养中FB42菌株的动力学特性及其代谢流分析 、引言 二、连续培养中的操作特性 连续培养中赖氨酸发酵的动力学特性 四、FB42的真实转化率 o2555799 五、赖氨酸发酵的最大理论转化率 六、黄色短杆菌FB42的代谢流分析 第四节分批发酵过程的控制及分批发酵动力学 、引言 、初糖浓度对发酵的影响. 222 、溶氧对发酵的影响 四、pH对发酵的影响 五、发酵过程的溶氧与pH控制 六、赖氨酸分批发酵动力学 七、分批发酵动力学模型的评价 八、分批发酵的模型分析 第五节赖氨酸流加发酵的最优控制 引言 、最小值原理简介 、连续系统的最小值原理 3334 四、流加发酵系统的最优化问题. 五、流加发酵最优控制的算法 六、赖氨酸流加发酵的优化控制
第四章 赖氨酸发酵过程优化.......................................................................................... 1 第一节 赖氨酸发酵概述.......................................................................................... 1 一、研究背景..................................................................................................... 1 二、发酵法生产赖氨酸技术的发展..................................................................... 1 三、本章研究的目的和主要内容......................................................................... 3 第二节 赖氨酸生产菌FB42的获得........................................................................... 5 一、引言............................................................................................................ 5 二、出发菌株FB21的遗传特性 ........................................................................... 5 三、FB31菌株摇瓶发酵性能的初步研究 ............................................................. 5 四、赖氨酸产生菌FB42的获得 ........................................................................... 8 五、环境因子对FB42分泌赖氨酸的影响 ........................................................... 10 六、响应面分析法优化FB42菌株发酵培养基 .................................................... 12 第三节 连续培养中FB42菌株的动力学特性及其代谢流分析................................... 15 一、引言.......................................................................................................... 15 二、连续培养中的操作特性.............................................................................. 15 三、连续培养中赖氨酸发酵的动力学特性......................................................... 17 四、FB42的真实转化率.................................................................................... 19 五、赖氨酸发酵的最大理论转化率................................................................... 19 六、黄色短杆菌 FB42的代谢流分析................................................................. 23 第四节 分批发酵过程的控制及分批发酵动力学..................................................... 25 一、引言.......................................................................................................... 25 二、初糖浓度对发酵的影响.............................................................................. 25 三、溶氧对发酵的影响..................................................................................... 25 四、pH对发酵的影响 ....................................................................................... 28 五、发酵过程的溶氧与pH控制 ......................................................................... 28 六、赖氨酸分批发酵动力学.............................................................................. 30 七、分批发酵动力学模型的评价....................................................................... 34 八、分批发酵的模型分析................................................................................. 35 第五节 赖氨酸流加发酵的最优控制....................................................................... 37 一、引言.......................................................................................................... 37 二、最小值原理简介........................................................................................ 37 三、连续系统的最小值原理.............................................................................. 38 四、流加发酵系统的最优化问题....................................................................... 40 五、流加发酵最优控制的算法.......................................................................... 40 六、赖氨酸流加发酵的优化控制....................................................................... 45
第四章赖氨酸发酵过程优化 第一节赖氨酸发酵概述 一、研究背景 1889年 Drechsel用酸水解干酪素,经分离谷氨酸后在不含氯化物的水解液中加入硝酸 银得到一种碱性物质,其组成为(CoH13N2O2 AgNO3.HNO),后来被证实为赖氨酸和精氨酸 的混合物。1891年 Fisher和 Drechsel分别从干酪素的水解液中得到纯的赖氨酸 (C6H13N2O2OHPC1s)。此后, Fisher于1902年确证了赖氨酸的化学组成。赖氨酸的分子结构 中含两个氨基和一个羧基,是一种碱性氨基酸。 赖氨酸名列八种必需氨基酸之首,被认为是谷物蛋白的第一限制性氨基酸,在谷物食料 中添加适量的赖氨酸,其蛋白质的功效大大提高。如玉米中添加04%的赖氨酸,玉米蛋白 的功效提高2.1倍:大米中添加02%的赖氨酸,大米蛋白的功效提高17倍等。赖氨酸的应 用范围很广:作为食品强化剂,对儿童的发育、智力,妇女妊娠期的保健、病人的治疗及病 后的恢复都有明显的效果;作为药物可用作肝细胞再生剂,对改善肝功能,治疗肝硬化、高 氨症,增进食欲、改善营养状况有明显的疗效:作为饲料添加剂,在畜、禽类的饲料中添加 少许的赖氨酸,对家禽、家畜的日增重、料肉比、家禽的产卵量等方面效果尤为显著。 赖氨酸是仅次于谷氨酸的第二大氨基酸产品。按配合饲料中0.1%的平均添加量计,仅 饲料用赖氨酸,国内需求量200年和2010年将分别达到8万吨和10万吨。但我国赖氨酸 工业发展缓慢。1992年年产饲料用赖氨酸4959吨,到194年约6000吨,1997年接近2 万吨,但仍远不能满足市场需求,需要大量进口。所以,从供需情况来看,我国赖氨酸市场 前景看好。也正如此,近年来,赖氨酸工业化生产成了国内一些投资者的兴趣之一。国内需 求增加而供应不足是导致赖氨酸市场大起大落的内因,国际市场的冲击则是外因。在我国赖 氨酸工业薄弱的情况下,国内赖氨酸市场乃至整个赖氨酸工业易受国外大集团的控制。因此, 迅速提高我国的赖氨酸生产水平,发展赖氨酸生产能力意义重大。 、发酵法生产赖氨酸技术的发展 (一)赖氨酸的生产方法概述 赖氨酸的生产方法有:水解法、合成法、酶法和直接发酵法。赖氨酸最早由蛋白质的水 解而制成,目前在赖氨酸的工业化生产中水解法已经淘汰。以己内酰胺、二氢吡喃、环己酮、 呱啶为原料合成L赖氨酸已有报道。但因合成法制成的中间体为D,L-赖氨酸,进一步的 分离工艺很复杂,美国 Allied和联邦德国 Degress公司多年来从事L-赖氨酸合成法的研究, 至今未见大规模的生产报道 见诸报道的酶法生产赖氨酸工艺有:(1)合成ε-苯甲酰-α-乙酰-DL-赖氨酸,采用消旋酶 处理制成ε-苯甲酰-L赖氨酸,经酸水解得产品:合成DL-4氨基丁基乙内酰脲,采用微生物 酶使其转变为L-赖氨酸:由环乙烯合成DL氨基己内酰胺采用水解酶和消旋酶共同作用使 其变成L-赖氨酸。其中,第三种工艺已用于赖氨酸的工业化生产。该法的发明者富村隆最 初找到了可水解L氨基己内酰胺的罗伦隐球酵母( Cryptococcus Laurent),然后又发现具有 DL-氨基己内酰胺消旋酶活性的新细菌—无色杆菌( A chomobater obeac),通过这两细菌的 共同作用,DL氨基己内酰胺可被转化为L-赖氨酸,该法得率高,适于大规模生产。富村隆 研究的酶法生产赖氨酸工艺,在学术和工业上都得到了较高的评价,1980年曾获日本科学 技术奖。日本东丽株式会社1976年使用上述合成酶法生产工艺制造赖氨酸,至今已形成年 产8000吨规模。但总的来说,酶法对原料成本的依赖性很大。发酵法生产赖氨酸原料来源 广泛,且生产的赖氨酸均为L型,因此在赖氨酸的生产中发酵法占据主导地位。目前世界
1 第四章 赖氨酸发酵过程优化 第一节 赖氨酸发酵概述 一、研究背景 1889 年 Drechsel 用酸水解干酪素，经分离谷氨酸后在不含氯化物的水解液中加入硝酸 银得到一种碱性物质，其组成为(C6H13N2O2AgNO3HNO3)，后来被证实为赖氨酸和精氨酸 的混合物。1891 年 Fisher 和 Drechsel 分别从干酪素的水解液中得到纯的赖氨酸 (C6H13N2O2OHPtC15)。此后，Fisher 于 1902 年确证了赖氨酸的化学组成。赖氨酸的分子结构 中含两个氨基和一个羧基，是一种碱性氨基酸。 赖氨酸名列八种必需氨基酸之首，被认为是谷物蛋白的第一限制性氨基酸，在谷物食料 中添加适量的赖氨酸，其蛋白质的功效大大提高。如玉米中添加 0.4%的赖氨酸，玉米蛋白 的功效提高 2.1 倍；大米中添加 0.2%的赖氨酸，大米蛋白的功效提高 1.7 倍等。赖氨酸的应 用范围很广：作为食品强化剂，对儿童的发育、智力，妇女妊娠期的保健、病人的治疗及病 后的恢复都有明显的效果；作为药物可用作肝细胞再生剂，对改善肝功能，治疗肝硬化、高 氨症，增进食欲、改善营养状况有明显的疗效；作为饲料添加剂，在畜、禽类的饲料中添加 少许的赖氨酸，对家禽、家畜的日增重、料肉比、家禽的产卵量等方面效果尤为显著。 赖氨酸是仅次于谷氨酸的第二大氨基酸产品。按配合饲料中 0.1%的平均添加量计，仅 饲料用赖氨酸，国内需求量 2000 年和 2010 年将分别达到 8 万吨和 10 万吨。但我国赖氨酸 工业发展缓慢。1992 年年产饲料用赖氨酸 4959 吨，到 1994 年约 6000 吨，1997 年接近 2 万吨，但仍远不能满足市场需求，需要大量进口。所以，从供需情况来看，我国赖氨酸市场 前景看好。也正如此，近年来，赖氨酸工业化生产成了国内一些投资者的兴趣之一。国内需 求增加而供应不足是导致赖氨酸市场大起大落的内因，国际市场的冲击则是外因。在我国赖 氨酸工业薄弱的情况下，国内赖氨酸市场乃至整个赖氨酸工业易受国外大集团的控制。因此， 迅速提高我国的赖氨酸生产水平，发展赖氨酸生产能力意义重大。 二、发酵法生产赖氨酸技术的发展 (一)赖氨酸的生产方法概述 赖氨酸的生产方法有：水解法、合成法、酶法和直接发酵法。赖氨酸最早由蛋白质的水 解而制成，目前在赖氨酸的工业化生产中水解法已经淘汰。以己内酰胺、二氢吡喃、环己酮、 呱啶为原料合成 L-赖氨酸已有报道。但因合成法制成的中间体为 D，L-赖氨酸，进一步的 分离工艺很复杂，美国 Allied 和联邦德国 Deguess 公司多年来从事 L-赖氨酸合成法的研究， 至今未见大规模的生产报道。 见诸报道的酶法生产赖氨酸工艺有∶(1)合成-苯甲酰--乙酰-DL-赖氨酸，采用消旋酶 处理制成-苯甲酰-L-赖氨酸，经酸水解得产品；合成 DL-4-氨基丁基乙内酰脲，采用微生物 酶使其转变为 L-赖氨酸；由环乙烯合成 DL-氨基己内酰胺采用水解酶和消旋酶共同作用使 其变成 L-赖氨酸。其中，第三种工艺已用于赖氨酸的工业化生产。该法的发明者富村隆最 初找到了可水解 L-氨基己内酰胺的罗伦隐球酵母(Cryptococcus Laurenti)，然后又发现具有 DL-氨基己内酰胺消旋酶活性的新细菌──无色杆菌(Achomobater obeaa)，通过这两细菌的 共同作用，DL-氨基己内酰胺可被转化为 L-赖氨酸，该法得率高，适于大规模生产。富村隆 研究的酶法生产赖氨酸工艺，在学术和工业上都得到了较高的评价，1980 年曾获日本科学 技术奖。日本东丽株式会社 1976 年使用上述合成酶法生产工艺制造赖氨酸，至今已形成年 产 8000 吨规模。但总的来说，酶法对原料成本的依赖性很大。发酵法生产赖氨酸原料来源 广泛，且生产的赖氨酸均为 L-型，因此在赖氨酸的生产中发酵法占据主导地位。目前世界
上赖氨酸的年产量已突破20万吨,主要厂家列于表4-1-1,其中90%以上的企业采用发酵法。 表4-1-1世界主要赖氨酸生产厂家 公司 厂址 规模万吨/年)制法 味之素 日本,九州佐贺县 2.0 发酵法 协和发酵 日本,山口县防府 1.5 发酵法 哈特兰德赖氨酸公司美国,依阿华州 2.0 发酵法 生物协和发酹 美国,蜜苏里州开普吉拉多 发酵法 ADM公司 美国,依利诺斯州迪凯特 发酵法 亚吉诺莫托公司 美国,北卡罗来纳州罗利 不详 发酵法 欧洲赖氨酸公司 法国,亚眠 2.0 发酵法 日本味之素泰国公司泰国,曼谷 0.2 发酵法 东丽公司 日本,名古屋 酶法 费埃尔麦克斯 墨西哥 0.6 发酵法 协和与匈联营公司匈牙利,布达佩斯东 发酵法 塔拉戈纳化工公司西班牙,巴伦西亚得塘湖安 0.6 发酵法 台湾糖业公司 台南市 0.4 发酵法 南斯拉夫,伏伊伏丁那日蒂什泰 2.6 发酵法 拉托维亚,利瓦尔 1.32 发酵法 合计 21.58 (二)发酵法生产赖氨酸 微生物的赖氨酸合成途径1950年以后逐渐被阐明。 Silvery等首先报道了肠杆菌属的一 株代表菌结肠芽胞杄菌赖氨酸的合成途径,随后椎尾男等硏究了黄色短杄菌赖氨酸的合成途 径, Tosaka等对乳糖发酵短杆菌的赖氨酸合成途径进行了研究。对生物赖氨酸的合成途径 解析后发现:赖氨酸的合成与其它氨基酸不同,存在两条途径即二氨基二酸途径和α-氨基乙 二酸途径,前者存在于细菌、绿藻、原生质、高等植物中,后者存在于酵母霉菌中 1957年,日本开始采用野生菌株发酵生产谷氨酸,1960年用谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸 缺陷型变异株生产赖氨酸。60年代中期,我国开始赖氨酸发酵菌株和工艺条件硏究。1974 年中科院微生物硏究所诱变谷氨酸生产菌北京棒杆菌AS1.229得到营养缺陷型变异株AS 1.563,产酸179g几,进一步诱变得到AEC变异株,产酸达50g。70年代后期,上海 黑龙江、广西和江苏等地积极开展赖氨酸菌种筛选工作,如上海天厨味精厂得到AEC和高 丝氨酸缺陷双突变株,产酸36~37g/L;中科院微生物研究所和常州味精厂合作筛选到产酸 48~53g/L的钝齿棒杆菌,通过发酵中试技术鉴定。上海工业微生物研究所从黄色短杆菌 2030出发经一系列诱变筛选得到抗性和营养缺陷型双突变株,其中的FH-128菌株在16L 小罐发酵70h产酸130gL以上,5m3罐中试发酵65~69h,产酸922~95g/L,转化率为 40.2%左右,达到国际先进水平,但至今未有工业化报道 广西南宁赖氨酸厂于80年代投产后,与广西生物化工研究所协作一直进行赖氨酸生产 菌改良和发酵工艺改进,得到分别以糖蜜和淀粉糖为原料的高产菌株,以淀粉糖为原料30L 罐发酵产酸120~130g/L左右,该厂还获得了可耐高温生产菌,37℃下发酵,赖氨酸产量 基本不受影响。无锡轻工大学80年代初就开始赖氨酸生产菌选育和发酵工艺研究,从谷氨 酸产生菌AS1495诱变得赖氨酸产生菌F11-519,产酸574g/。再经原生质体融合和化学
2 上赖氨酸的年产量已突破 20 万吨，主要厂家列于表 4-1-1，其中 90%以上的企业采用发酵法。 表 4-1-1 世界主要赖氨酸生产厂家 公司 厂址 规模(万吨/年) 制法 味之素 日本，九州佐贺县 2.0 发酵法 协和发酵 日本，山口县防府 1.5 发酵法 哈特兰德赖氨酸公司 美国，依阿华州 2.0 发酵法 生物协和发酵 美国，蜜苏里州开普吉拉多 1.36 发酵法 ADM 公司 美国，依利诺斯州迪凯特 4.7 发酵法 亚吉诺莫托公司 美国，北卡罗来纳州罗利 不详 发酵法 欧洲赖氨酸公司 法国，亚眠 2.0 发酵法 日本味之素泰国公司 泰国，曼谷 0.2 发酵法 东丽公司 日本，名古屋 0.8 酶法 费埃尔麦克斯 墨西哥 0.6 发酵法 协和与匈联营公司 匈牙利，布达佩斯东 0.5 发酵法 塔拉戈纳化工公司 西班牙，巴伦西亚得塘湖安 0.6 发酵法 台湾糖业公司 台南市 0.4 发酵法 南斯拉夫，伏伊伏丁那日蒂什泰 2.6 发酵法 拉托维亚，利瓦尔 1.32 发酵法 合计 21.58 (二)发酵法生产赖氨酸 微生物的赖氨酸合成途径 1950 年以后逐渐被阐明。Cilvery 等首先报道了肠杆菌属的一 株代表菌结肠芽胞杆菌赖氨酸的合成途径，随后椎尾男等研究了黄色短杆菌赖氨酸的合成途 径，Tosaka 等对乳糖发酵短杆菌的赖氨酸合成途径进行了研究。对生物赖氨酸的合成途径 解析后发现：赖氨酸的合成与其它氨基酸不同，存在两条途径即二氨基二酸途径和-氨基乙 二酸途径，前者存在于细菌、绿藻、原生质、高等植物中，后者存在于酵母霉菌中。 1957 年，日本开始采用野生菌株发酵生产谷氨酸，1960 年用谷氨酸棒杆菌的高丝氨酸 缺陷型变异株生产赖氨酸。60 年代中期，我国开始赖氨酸发酵菌株和工艺条件研究。1974 年中科院微生物研究所诱变谷氨酸生产菌北京棒杆菌 AS 1.229 得到营养缺陷型变异株 AS 1.563，产酸 17.9 g/L，进一步诱变得到 AECr变异株，产酸达 50 g/L。70 年代后期，上海、 黑龙江、广西和江苏等地积极开展赖氨酸菌种筛选工作，如上海天厨味精厂得到 AECr和高 丝氨酸缺陷双突变株，产酸 36～37 g/L；中科院微生物研究所和常州味精厂合作筛选到产酸 48～53 g/L 的钝齿棒杆菌，通过发酵中试技术鉴定。上海工业微生物研究所从黄色短杆菌 2030 出发经一系列诱变筛选得到抗性和营养缺陷型双突变株，其中的 FH−128 菌株在 16 L 小罐发酵 70 h 产酸 130 g/L 以上，5 m3 罐中试发酵 65～69 h，产酸 92.2～95 g/L，转化率为 40.2 %左右，达到国际先进水平，但至今未有工业化报道。 广西南宁赖氨酸厂于 80 年代投产后，与广西生物化工研究所协作一直进行赖氨酸生产 菌改良和发酵工艺改进，得到分别以糖蜜和淀粉糖为原料的高产菌株，以淀粉糖为原料 30 L 罐发酵产酸 120～130 g/L 左右，该厂还获得了可耐高温生产菌，37 ℃下发酵，赖氨酸产量 基本不受影响。无锡轻工大学 80 年代初就开始赖氨酸生产菌选育和发酵工艺研究，从谷氨 酸产生菌 AS 1.495 诱变得赖氨酸产生菌 F11−519，产酸 57.4 g/L。再经原生质体融合和化学
物理诱变等手段得到多重变异株FB21,摇瓶产酸70gL,这在80年代末为国内领先水平 但未进行发酵中试和工业化 总之,国内赖氨酸发酵研究起步较早,实验室研究水平也不低,但高产菌实现工业化比 例较低;另外,研究多局限于菌种改良和优化发酵的环境条件,对各种培养条件下的优化控 制研究不多,或与实际生产脱节。 (三)我国赖氨酸发酵工业现状 20世纪80年代初,国内开始进行赖氨酸发酵中试,并兴建赖氨酸发酵厂,特点是产酸 水平和转化率低、规模小。“七五”期间,国家在广西南宁、福建泉州、湖北武汉及吉林九 站建了四套年产1000吨的赖氨酸生产装置。武汉制药厂因无原料早已改产,吉林九站的装 置长期生产不正常,已停产。广西南宁赖氨酸厂于1987年投产,现增至6000吨/年的生产 能力,并计划于“九五”期间扩大到Ⅰ万吨/的生产能力,但在近期赖氨酸销售价格大幅 度回落的情况下,其扩建计划受到了影响。福建泉州赖氨酸厂1989年与正大集团合资后改 名为“泉州大泉赖氨酸有限公司”,生产能力为5000吨/年左右,使用国外菌种和技术。四 川川化味之素公司是中日合资企业,赖氨酸生产能力为6000吨/年,使用日本菌种和技术 以上三家企业为我国最主要的饲料用赖氨酸生产厂家,其总生产能力也不过略高于1.5 万吨/年,而仅美国ADM公司年产赖氨酸就达12万吨以上;而且,其中只有广西一家是拥 有自己的菌种和技术的国内赖氨酸生产企业,该厂主要以糖蜜为生产原料,产酸达到80gL 以上,对糖转化率38%左右,在国内属先进水平,但跟日本等国的赖氨酸生产水平(日本味 之素公司发酵法生产赖氨酸盐酸盐浓度为120gL左右,转化率可达50%相比尚有很大差 距。年产赖氨酸千吨以上规模的还有上海天厨味精厂,其产品主要作药用,但目前已停产 我国赖氨酸行业的特点是:总生产能力小、企业规模小、生产水平低,因而发展困难 在这样的情况下,国内赖氨酸市场难免易受国际市场冲击,而且将来可能受外国企业的控制 目前国内主要赖氨酸生产厂家中合资企业占很大比例即是一个信号。所以应尽快发展我国的 特别是我国自己掌握全套生产技术的赖氨酸生产能力,使赖氨酸产品最终能象谷氨酸那样具 有完整、强大的工业生产体系。 、本章研究的目的和主要内容 1987年以前,我国饲料用赖氨酸全部进口,主要来自日本味之素公司。1987年8月, 广西赖氨酸厂的产品投放市场,但不能满足国内的需求。90年代以后,世界上赖氨酸产量 最大的美国ADM公司的产品进入中国市场,1992年我国进口赖氨酸9672吨。根据我国饲 料工业的发展计划,1995年需求赖氨酸12~-1.3万吨,到2000年增加至2.5万吨。这样一个 广阔的市场,其技术、产品一旦掌握在他人手里,对国家未来的发展极为不利。我国赖氨酸 生产技术虽然取得了长足的进步,但与国外先进水平相比仍有差距(表41-2)。因此实现我国 赖氨酸工业化生产的低消耗、低生产成本、高效率,建立起具有竞争力的生产体系是一个迫 切需要解决的问题。 发酵是赖氨酸工业的心脏,发酵水平的高低是工厂的命脉。提高发酵水平有两条途径: 一是筛选出优良的菌株,二是得出与目的菌株相匹配的最佳培养条件、控制手段。前者是建 立在代谢控制发酵研究上的菌种选育技术,后者是建立在生化反应工程基础上的发酵过程控 制技术。只有两者紧密地结合才能最终实现发酵的高水平,而后者正占据着越来越重要的地 位。例如,味之素公司的研究人员曾报道,乳糖发酵短杆菌变异株AJ1204在摇瓶条件下 48h产赖氨酸为43%,但在小型发酵罐中,通过控制培养条件,48h产酸水平可提高到7%。 如此类似的结果不仅在赖氨酸研究中,而且在其它发酵产品的研究中也时有报道
3 物理诱变等手段得到多重变异株 FB21，摇瓶产酸 70 g/L，这在 80 年代末为国内领先水平， 但未进行发酵中试和工业化。 总之，国内赖氨酸发酵研究起步较早，实验室研究水平也不低，但高产菌实现工业化比 例较低；另外，研究多局限于菌种改良和优化发酵的环境条件，对各种培养条件下的优化控 制研究不多，或与实际生产脱节。 (三)我国赖氨酸发酵工业现状 20 世纪 80 年代初，国内开始进行赖氨酸发酵中试，并兴建赖氨酸发酵厂，特点是产酸 水平和转化率低、规模小。“七五”期间，国家在广西南宁、福建泉州、湖北武汉及吉林九 站建了四套年产 1000 吨的赖氨酸生产装置。武汉制药厂因无原料早已改产，吉林九站的装 置长期生产不正常，已停产。广西南宁赖氨酸厂于 1987 年投产，现增至 6000 吨/年的生产 能力，并计划于“九五”期间扩大到 1 万吨/年的生产能力，但在近期赖氨酸销售价格大幅 度回落的情况下，其扩建计划受到了影响。福建泉州赖氨酸厂 1989 年与正大集团合资后改 名为“泉州大泉赖氨酸有限公司”，生产能力为 5000 吨/年左右，使用国外菌种和技术。四 川川化味之素公司是中日合资企业，赖氨酸生产能力为 6000 吨/年，使用日本菌种和技术。 以上三家企业为我国最主要的饲料用赖氨酸生产厂家，其总生产能力也不过略高于 1.5 万吨/年，而仅美国 ADM 公司年产赖氨酸就达 12 万吨以上；而且，其中只有广西一家是拥 有自己的菌种和技术的国内赖氨酸生产企业，该厂主要以糖蜜为生产原料，产酸达到 80 g/L 以上，对糖转化率 38%左右，在国内属先进水平，但跟日本等国的赖氨酸生产水平(日本味 之素公司发酵法生产赖氨酸盐酸盐浓度为 120 g/L 左右，转化率可达 50 %)相比尚有很大差 距。年产赖氨酸千吨以上规模的还有上海天厨味精厂，其产品主要作药用，但目前已停产。 我国赖氨酸行业的特点是∶总生产能力小、企业规模小、生产水平低，因而发展困难。 在这样的情况下，国内赖氨酸市场难免易受国际市场冲击，而且将来可能受外国企业的控制， 目前国内主要赖氨酸生产厂家中合资企业占很大比例即是一个信号。所以应尽快发展我国的 特别是我国自己掌握全套生产技术的赖氨酸生产能力，使赖氨酸产品最终能象谷氨酸那样具 有完整、强大的工业生产体系。 三、本章研究的目的和主要内容 1987 年以前，我国饲料用赖氨酸全部进口，主要来自日本味之素公司。1987 年 8 月， 广西赖氨酸厂的产品投放市场，但不能满足国内的需求。90 年代以后，世界上赖氨酸产量 最大的美国 ADM 公司的产品进入中国市场，1992 年我国进口赖氨酸 9672 吨。根据我国饲 料工业的发展计划，1995 年需求赖氨酸 1.2~1.3 万吨，到 2000 年增加至 2.5 万吨。这样一个 广阔的市场，其技术、产品一旦掌握在他人手里，对国家未来的发展极为不利。我国赖氨酸 生产技术虽然取得了长足的进步，但与国外先进水平相比仍有差距(表 4-1-2)。因此实现我国 赖氨酸工业化生产的低消耗、低生产成本、高效率，建立起具有竞争力的生产体系是一个迫 切需要解决的问题。 发酵是赖氨酸工业的心脏，发酵水平的高低是工厂的命脉。提高发酵水平有两条途径： 一是筛选出优良的菌株，二是得出与目的菌株相匹配的最佳培养条件、控制手段。前者是建 立在代谢控制发酵研究上的菌种选育技术，后者是建立在生化反应工程基础上的发酵过程控 制技术。只有两者紧密地结合才能最终实现发酵的高水平，而后者正占据着越来越重要的地 位。例如，味之素公司的研究人员曾报道，乳糖发酵短杆菌变异株 AJ11204 在摇瓶条件下 48 h 产赖氨酸为 4.3%，但在小型发酵罐中，通过控制培养条件，48 h 产酸水平可提高到 7%。 如此类似的结果不仅在赖氨酸研究中，而且在其它发酵产品的研究中也时有报道
表4-1-2我国与日本发酵法赖氨酸生产(商业规模)技术指标对照 生产技术指标 日本 我国 产酸水平/% 4.5~6.5 转化率/% 提取率/% 86~95 工厂最大规模/万吨年11.5 0.3 生产成本比值 电耗/ kwh.t-I 1600~22009117 我国学者对赖氨酸的研究长期以来都把工作重点放在高产菌株的选育上,有关如何对发 酵过程进行优化与控制的研究较少。实际生产中所需的一些培养控制条件、技术指标往往在 摇瓶条件下获得,这种低水平的研究方法客观上制约了菌种潜力的进一步发挥。不仅如此 由于在摇瓶条件下无法对目的微生物生理生化特性、营养供给及操作、发酵设备三者之间建 立起有机的联系,当反应器规模发生变化时发酵结果常常不能重复。而这一点正是国内发酵 法生产赖氨酸从60年代中期开始研究至今,多次出现随生产规模扩大(从摇瓶到中试至大生 产)过程中发酵水平降低的根本原因所在。 实现发酵过程的最优化,使菌种的潜力充分发挥,是发酵技术的一个最高境界。国外有 关发酵过程最优化的研究非常活跃,这在我国还几乎是一个空白,不能不说是一个遗憾。在 赖氨酸发酵的最优化硏究方面,虽然1973年就有了关于流加发酵最优化的硏究报道,1985 年Lim等进一步完善了最优化理论,并针对赖氨酸发酵进行了讨论,但所有这些研究所讨 论的问题仅仅是最优控制的数学求解,而对赖氨酸发酵过程的动力学解析相对缺乏,由此所 得出的控制方法的适用性值得怀疑。发酵过程的最优化的研究。必须从微生物反应过程的定 量解析入手,由于其中所涉及的理论问题非常广泛,从文献资料报道来看,目前真正针对某 具体发酵产品进行过程控制最优化的研究,并成功用于指导实践的报道几乎没有 考虑到国内赖氨酸的髙产菌株多集中于黄色短杄菌,我们选用黄色短杆菌作为研究菌 株,在小型反应器上对黄色短杄菌发酵生产赖氨酸的过程进行定量的解析,以实现流加发酵 的最优化为目的展开研究,具体分为以下几部分: 在所提供出发菌株的基础上,通过常规诱变获得一株赖氨酸产生菌FB42,并在摇瓶 条件下对可能影响起代谢的环境因子进行了考察,对发酵条件进行了优化。 (2)以连续培养作为研究手段,考察了微生物的菌体生长、产物形成及基质消耗特性。 通过对代谢途径进行定量的质、能衡算,得出了赖氨酸的理论转化率。进一步比较理论转化 率和FB42真实转化率之间的差异,对FB42的代谢流进行分析,据此得出对工艺研究有指 导的一些理论依据 (3)在小型反应器中对影响赖氨酸形成的一些重要环境因子进行定量的考察,找出目的 微生物的生理生化特性、营养源供给与反应器特性之间的内在联系,得出最适的操作条件。 在此基础上进一步对发酵过程的动力学进行研究,建立出合理的动力学模型,为流加发酵的 最优化研究打下基础 (4)在动力学研究的基础上对发酵进行最优化操作。包括:状态方程的建立、目标泛函 的确定、最优化流加方式的求解。并通过实验对最优化操作进行检验,达到理论和实践的统
4 表 4-1-2 我国与日本发酵法赖氨酸生产(商业规模)技术指标对照 生产技术指标 日本 我国 产酸水平 / % 10 4.5~6.5 转化率 / % 50 35 提取率 / % 86~95 71~90 工厂最大规模 / 万吨年-1 1.5 0.3 生产成本比值 1 2 电耗 / kwht -1 1600~2200 9117 我国学者对赖氨酸的研究长期以来都把工作重点放在高产菌株的选育上，有关如何对发 酵过程进行优化与控制的研究较少。实际生产中所需的一些培养控制条件、技术指标往往在 摇瓶条件下获得，这种低水平的研究方法客观上制约了菌种潜力的进一步发挥。不仅如此， 由于在摇瓶条件下无法对目的微生物生理生化特性、营养供给及操作、发酵设备三者之间建 立起有机的联系，当反应器规模发生变化时发酵结果常常不能重复。而这一点正是国内发酵 法生产赖氨酸从 60 年代中期开始研究至今，多次出现随生产规模扩大(从摇瓶到中试至大生 产)过程中发酵水平降低的根本原因所在。 实现发酵过程的最优化，使菌种的潜力充分发挥，是发酵技术的一个最高境界。国外有 关发酵过程最优化的研究非常活跃，这在我国还几乎是一个空白，不能不说是一个遗憾。在 赖氨酸发酵的最优化研究方面，虽然 1973 年就有了关于流加发酵最优化的研究报道，1985 年 Lim 等进一步完善了最优化理论，并针对赖氨酸发酵进行了讨论，但所有这些研究所讨 论的问题仅仅是最优控制的数学求解，而对赖氨酸发酵过程的动力学解析相对缺乏，由此所 得出的控制方法的适用性值得怀疑。发酵过程的最优化的研究。必须从微生物反应过程的定 量解析入手，由于其中所涉及的理论问题非常广泛，从文献资料报道来看，目前真正针对某 一具体发酵产品进行过程控制最优化的研究，并成功用于指导实践的报道几乎没有。 考虑到国内赖氨酸的高产菌株多集中于黄色短杆菌，我们选用黄色短杆菌作为研究菌 株，在小型反应器上对黄色短杆菌发酵生产赖氨酸的过程进行定量的解析，以实现流加发酵 的最优化为目的展开研究，具体分为以下几部分： (1)在所提供出发菌株的基础上，通过常规诱变获得一株赖氨酸产生菌 FB42，并在摇瓶 条件下对可能影响起代谢的环境因子进行了考察，对发酵条件进行了优化。 (2)以连续培养作为研究手段，考察了微生物的菌体生长、产物形成及基质消耗特性。 通过对代谢途径进行定量的质、能衡算，得出了赖氨酸的理论转化率。进一步比较理论转化 率和 FB42 真实转化率之间的差异，对 FB42 的代谢流进行分析，据此得出对工艺研究有指 导的一些理论依据。 (3)在小型反应器中对影响赖氨酸形成的一些重要环境因子进行定量的考察，找出目的 微生物的生理生化特性、营养源供给与反应器特性之间的内在联系，得出最适的操作条件。 在此基础上进一步对发酵过程的动力学进行研究，建立出合理的动力学模型，为流加发酵的 最优化研究打下基础。 (4)在动力学研究的基础上对发酵进行最优化操作。包括：状态方程的建立、目标泛函 的确定、最优化流加方式的求解。并通过实验对最优化操作进行检验，达到理论和实践的统 一