作为人和动物的必需氨基酸,L-异亮氨酸已广泛用于医药、食品和饲料等领域,由于市场需求在不断扩大,因此,对其生产技术进行研究具有重要的现实意义。本文以代谢工程理论与生物工程下游技术为指导,L-异亮氨酸生产菌谷氨酸棒杆菌YILM为主要研究对象,针对L-异亮氨酸发酵过程控制和提取过程中的关键技术进行了较为深入的研究。谷氨酸棒杆菌发酵产L-异亮氨酸最关键的问题在于发酵后期菌种活力下降以及副产物过多,实验分别通过间接与直接手段改变胞内代谢流,从而增加L-异亮氨酸的产量、降低副产物的生成。主要研究内容如下:在发酵过程控制阶段,通过调节细胞膜的通透性和对细胞进行能量调控两个方面进行优化,首先利用生物素亚适量、表面活性剂和超声辅助转型三种方法调节细胞膜的通透性,然后通过葡萄糖亚适量流加和全营养流加两种方式进行能量调控,获得提高L-异亮氨酸产量与糖酸转化率的过程控制技术;在提取工艺中使用阴离子柱与全膜法结合的方式,提高了产品收率与纯度。本实验从超声模式、超声周期、超声功率、超声频率和超声时间5个方面,在发酵罐中增加一根超声棒,通过单因素实验和正交实验得出对菌体生物量及产酸的最优条件。结果表明,在菌体适应期、对数生长期及平稳期用80 W/L、18 k Hz超声波,超声模式设置为开10 s、停30 s,分别超声2 h、6 h和1 h,菌体发酵适应阶段缩短至2 h以内,菌体快速进入对数生长期,最终菌体干重达到了41.0 g/L,比未超声提高了74.5%;L-异亮氨酸产量达到了39.0 g/L,比未超声产酸量提升了69.6%。本实验使用表面活性剂SDS人为破坏谷氨酸棒杆菌细胞膜,增大细胞膜通透性,促使菌体分泌L-异亮氨酸能力增强。这是第一次将表面活性剂应用到谷氨酸棒杆菌发酵中。实验结果表明,优化后L-异亮氨酸产量达到43.67g/L,产酸能力提升了13.01%,副产物Val、Leu、Ala分别降低了72.30%、64.30%、71.70%。该方法在减少对菌体伤害的同时,能够促进L-异亮氨酸生成。生物素能够控制细胞膜的合成,实验通过控制生物素的添加量来控制细胞膜的合成。结果显示,在逐渐增加发酵液生物素浓度时,产酸量呈现先上升再下降的趋势,并在生物素浓度为45μg/L时,产酸达到最高,为42.5 g/L,同时表明高浓度生物素不利于L-异亮氨酸合成。在5 L发酵罐中,初始生物素浓度为30μg/L,18、32、42 h分别添加10 g/L玉米浆（15μg/L生物素）,产量达到了44.5 g/L,比初始生物素浓度为30μg/L,后期不补料产酸量高了49.8%。实验通过动态调节葡萄糖对谷氨酸棒杆菌的供应,结果表明,在添加8%（体积分数）的底糖,90%最大补糖速率的葡萄糖限量供应下,得到动态葡萄糖流加速率为0-8 h（0 g/（L·h））、8-14 h（5.40-7.47 g/（L·h））、16-24 h（7.47-7.00 g/（L·h））、24-40 h（7.00-5.20 g/（L·h））,L-异亮氨酸达到了44.32 g/L,糖酸转化率为19.63%。为解决发酵后期菌种活力下降、产酸能力低的问题,实验通过比较多形式全营养流加实验,实现最适发酵条件。首先,实验通过利用发酵中后期全营养培养基流加策略,解决L-异亮氨酸发酵中后期菌种活力下降的问题,使得L-异亮氨酸达到了33.0 g/L。其次,采用低浓度初始发酵培养基养偶联发酵过程流加全营养控制策略,解决初始发酵培养基高营养抑制问题,L-异亮氨酸达到了36.8 g/L。最后,通过清洁氮源丝肽粉替换玉米浆全营养流加实验,解决了玉米浆的高用量造成发酵染菌、起泡过多及后提取困难等产生的问题,使得副产物Val、Leu、Ala分别降低到1.4、0.8、0.5 g/L,比初始降低了82.5%、86.7%和88.9%。通过上述三阶段全营养流加策略,使得L-异亮氨酸产量提升的同时,副产物生成也得到有效的抑制。通过分析发酵液的成分,根据产品规格需求,得出了最优的分离提取工艺,包括陶瓷膜过滤除菌、阴离子交换树脂吸附蛋白、纳滤除色素、反渗透浓缩和减压浓缩结晶5步组成,最终得到高纯度L-异亮氨酸,提取收率为78.9%,产品纯度达到99%以上。