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L-赖氨酸发酵过程控制及其工艺优化研究

L-赖氨酸发酵过程控制及其工艺优化研究

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作者：王金多天津科技大学

学位级别：硕士

L-赖氨酸作为人和动物的八大必需氨基酸之一,是仅次于谷氨酸的全球产量第二的氨基酸,同时也是产量第一的必需氨基酸。在医疗、畜牧业及食品工业得到了广泛的应用。最主要的应用是作为饲料添加剂应用于畜牧业,消耗量约占总产量的90%。L-... 详细信息

L-赖氨酸作为人和动物的八大必需氨基酸之一,是仅次于谷氨酸的全球产量第二的氨基酸,同时也是产量第一的必需氨基酸。在医疗、畜牧业及食品工业得到了广泛的应用。最主要的应用是作为饲料添加剂应用于畜牧业,消耗量约占总产量的90%。L-赖氨酸发酵工业存在的主要问题为转化率较低、产量低,利润空间较小;在绿色制造的大背景下,L-赖氨酸的发酵生产产生的废水、废渣问题凸显;发酵罐溶氧供应量有限,制约菌体产酸;生物量过高,发酵液粘度大,引起菌体摄氧能力受限。为解决上述问题,开展本研究。（1）为了提高出发菌株转化率,以谷氨酸棒杆菌LS260为出发菌株,对其pyc基因进行启动子替换,提高草酰乙酸的供应量。最终获得基因工程菌株LS261。在将启动子更换为tuf之后,各个代谢支路的副产物略有减少;L-赖氨酸碳代谢通路得到提升,L-赖氨酸的摇瓶发酵产量从52.12 g/L提升到了60.01 g/L,提升了15.14%;糖酸转化率从56.15%提升到了60.09%;OD从34.32提升到38.99。（2）为解决LS261发酵产L-赖氨酸后期产率下降的问题,在发酵底料培养基浓度不变的情况下,采用流加浓度为50%底料培养基的方法,L-赖氨酸产量提升到179g/L;后通过分析在菌体生长的不同阶段流加全营养对发酵过程中产酸速率的影响,为提高菌体快速生长期的生长速率和高速产酸期的产酸速率,在发酵10 h流加50%全营养,菌体的高速产酸期延长了3 h,L-赖氨酸产量达到197 g/L,较优化前提高了17.96%,糖酸转化率为70.3%,较优化前提高了5.8%。这说明全营养流加策略能有效提升L-赖氨酸发酵的产量和糖酸转化率。（3）为了解决L-赖氨酸发酵总产酸和转化率低、高浓度产物抑制的问题,开发了L-赖氨酸循环发酵技术。结合全营养流加工艺,通过发酵罐偶联碟式离心机,增加装液量,进行循环发酵。结果表明,当菌体循环2次,离心机转速为7000 r/min时循环发酵效果最优,此时菌体回收率为70%,总产酸量为1645 g,总糖酸转化率为73.55%。这说明循环发酵能有效提高糖酸转化率和总体产酸量。（4）为了解决传统发酵工艺中大量使用复杂氮源导致的色素和蛋白含量过高的问题和提取困难,同时为解决清液发酵菌体活力过高导致发酵过程溶氧供应不足的问题,开发了L-赖氨酸清液发酵工艺,并采用增氧型生物反应器提高设备供氧能力,添加氧载体提高菌体摄氧能力,结果显示,L-赖氨酸清液发酵的产量和转化率分别达到208.36 g/L和74.1%,清液发酵上清液透光率较传统发酵工艺提升37.56%。结果表明,清液发酵的氧气供应量得到有效提升,有效提升了LS261清液发酵生产L-赖氨酸的产量和转化率,达到现有生产水平,为后提取创造有利条件。

关键词： L-赖氨酸全营养流加循环发酵清液发酵增氧型生物反应器氧载体

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