F01第一章发酵原料及其处理2015.ppt

发 酵 工 程,化学与生命科学学院 肖 长 清,复习题,1主要的发酵原料及其化学组成。 2发酵原料的选择原则。 3碳氮比、前体与产物促进剂。 4淀粉的分子结构。 5淀粉在水-热处理过程中的物理变化。 6淀粉分子在水解过程中的化学变化。 7双酶法水解淀粉制备糖液的原理及其工艺。 8非粮食生物质的组成，以及酶法水解的原理。 9热死动力学方程与灭菌时间的计算。 10为什么采用高温短时间灭菌既有利于杀灭微生物又有利于减少营养物质的破坏? 11分批灭菌与连续灭菌优缺点的比较。 12主要的连续灭菌流程。,第一节 发酵工业原料 主要原料组成 原料的预处理 培养基的设计 第二节 淀粉水解糖的制备和糖蜜原料的处理 第三节 非粮食生物质原料的加工 第四节 培养基的灭菌 湿热灭菌原理 分批灭菌过程 连续灭菌过程,第一章 发酵原料及其处理,1.1.1 发酵的工业原料,非粮食生物质：稻草、秸秆等。,薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。,粮谷类：玉米、大米、谷子、大麦、小麦、高梁、燕麦、黍、稷等。,农产品加工副产物：豆粕、米糠饼、麸皮、淀粉渣等。,野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根等。,1.1.1 发酵原料的化学组成糖,淀粉(starch),1.1.1 发酵原料的化学组成糖,1.1.1 发酵原料的化学组成蛋白质,豆粕,黄豆,1.1.1 发酵原料的化学组成脂肪,黄豆,三酰甘油 （油脂的主要存在形式）,油棕,蓖麻,麻疯树,1.1.1 发酵原料的选择原则, 因地制宜，就地取材。 要求原料内糖类含量较多，蛋白质含量适当。 原料资源要丰富，容易收集。 原料要容易贮藏。 对人体无毒害，影响发酵过程的杂质含量少。 原料价格低廉。,1.2 原料的预处理,图1-1 永磁溜管示意图,图1-2永磁滚筒结构示意图,(1) 除铁 将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物，用磁选设备除去。 磁选设备的主要部件是磁体，多采用永久磁体。 磁选设备分：永磁溜管和永磁滚筒两种类型。,1.2 原料的预处理,(2)精选 按颗粒长度进行分级，以除去不必要的杂粒。 常用的精选机有：滚筒精选机和碟片精选机两种。 (3)筛选 生产用的发酵原料大多数都是颗粒状的，其中常含有各种杂质，筛选是其清理除杂最常用的方法。 该过程主要用气流-筛式分离机来完成。,1.2 原料的预处理,图1-5锤式粉碎机结构示意图,图1-6辊式粉碎机结构示意图,(4)粉碎 在发酵生产中，为了加速后续的生物反应和化学反应等过程的反应速度，对于使用的固体颗粒或块状原料，常需将其粉碎。 常用的粉碎设备主要有：锤式粉碎机和辊式粉碎机。,1.3 培养基的设计,配制培养基的4个原则 目的明确：明确培养对象和实验目的 营养协调：营养物的浓度、配比适宜 理化适宜：物理化学条件适宜 经济节约：原料来源的选择,碳氮比(C/N)：碳源和氮源的组成比例。 前体：能直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子上去，自身结构基本不变，而产物产量却因此有较大提高。 产物促进剂：既不是营养物又不是前体物质，但是却能提高产量的物质。其增产机制有：是酶的诱导物；对微生物有某种益处，使发酵过程更顺利；稳定发酵产物；是表面活性剂类物质，可增加传氧效率，或增加产物的溶解和分散的程度。,1.3.1 前体物质,异青霉素N,(L-氨基己二酰）- 半胱氨酸-缬氨酸,青霉素G,1.3.2 产物促进剂,IPTG:异丙基硫代-半乳糖苷 (-半乳糖结构类似物),-半乳糖,乳糖启动子,2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉颗粒的结构,淀粉(starch),2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉在水-热处理过程中的物理变化,2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉颗粒的糊化,2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉水解过程中的化学变化,淀粉,复合二糖,糊精,麦芽糖,葡萄糖,5-羟甲基糠醛,低聚糖,有机酸、有色物质,水解反应,复合反应,分解反应,2.1.2 淀粉水解糖的制备酸解法,淀粉 调浆 过筛 加酸 进料 糖化, 放料 冷却 中和 脱色 过滤 糖液,盐酸或硫酸,水解压力：0.28 MPa 水解时间：15 min左右 终点检查：无水酒精检查,尽量采用较低的淀粉乳浓度,Na2CO3或NaOH,活性碳 离子交换树脂 新型磺化煤,2.1.2 淀粉水解糖的制备水解终点检查,2.1.2 淀粉水解糖的制备酸解法和酶解法的比较,工艺简单；水解时间短； 设备生产能力大。,高温高压及酸腐蚀；副反应多； 要求淀粉颗粒大小均匀 。,反应条件温和；淀粉液要求低； 副反应少，糖液较纯净 。,生产周期长；设备更复杂。,先酸液化，后糖化酶糖化。,先-淀粉酶液化，后酸糖化。,2.1.2 淀粉水解糖的制备双酶法制备葡萄糖,-淀粉酶 (淀粉-1,4-糊精酶),脱支酶 (淀粉-1,6-糊精酶),-淀粉酶 (淀粉-1,4-麦芽糖苷酶),-淀粉酶 (糖化酶),葡萄糖,麦芽糖,2.1.2 淀粉水解糖的制备双酶法制备葡萄糖,17,5,3,2,蒸汽,水,1,4,6,5,6,11,7,10,8 9,12,13,14,15,16,18,1-调浆配料槽 2,8-过滤器 3,9,14,17-泵 4,10-喷射加热器 5-缓冲器 6-液化层流罐 7-液化液贮罐 11-灭酶罐 12-板式换热器 13-糖化罐 15-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽,液化条件 淀粉状态：先加热糊化 温度：8090 pH：6.07.0 液化程度控制：碘液显色,糖化条件 温度：5060 pH：4.05.0 终点检查：无水酒精检查,2.1.2 淀粉水解糖的制备水解糖液质量要求,色泽：浅黄 透光率：60% 糊精反应：无 还原糖含量：18%左右 DE值： 90% pH:4.64.8 其他：无杂菌、不变质、杂质少,2.3.1 糖蜜原料的处理糖蜜的来源,2.3.2 糖蜜原料的处理糖蜜的特点,锤度：可溶性固形物的百分率。 如锤度为60%，即表示100公斤糖液中含60公斤固形物，含40公斤水。,2.4 糖蜜原料的处理糖蜜前处理的方法,1加酸通风沉淀法 此法又称为冷酸通风处理法，是将糖蜜加水稀释至50 oBx左右，加入0.2%0.3%浓硫酸，通入压缩空气1 h，静止澄清8 h，取出上清液用于制备糖液。 2加热加酸沉淀法 此法又称为热酸处理法。工艺上在稀释原糖蜜时采用阶段稀释法，第一阶段先用60温水将糖蜜稀释至5558 oBx，同时添加浓硫酸调整酸度至5o6o，进行酸化，然后静止56 h；第二阶段则将已酸化的糖液再稀释到发酵所需的浓度。 3添加絮凝剂澄清处理法 先将糖蜜加水稀释至3040 oBx，加一定硫酸调pH至33.8，加热至90，添加810-6 g/L 聚丙烯酰胺(PAM) ，搅拌均匀，澄清静止1 h，取清液即可用于制备稀糖液。,3.1 非粮食生物质的组成,纤维素(Cellulose),半纤维素 (Hemicellulose),木质素(Lignin),3.1 非粮食生物质的组成,植物细胞壁的结构成分,3.1 非粮食生物质的组成木质素,木质素,3.1 非粮食生物质的组成果胶,果胶质是直线型高聚体，以D-半乳糖醛酸为基本结构单位，通过-1,4糖苷键连接。,3.1 非粮食生物质的组成半纤维素,木聚糖是主要的半纤维素成分，是自然界中除纤维素之外含量最丰富的多糖。,木聚糖的结构是一种多聚五碳糖，由-D-1,4-木糖苷键连接起来，并带有多种取代基。 彻底降解得到的五碳单糖有：木糖、阿魏糖、阿拉伯糖等，其中以木糖为主。,3.1 非粮食生物质的组成纤维素,3.2 纤维质原料的预处理,图1-13 预处理和未预处理玉米秸秆酶解效果的比较 A未预处理的玉米秸秆，酶解3 h后，表面光滑，仅有个别微孔，仅有11%的纤维素转化为葡萄糖； B190处理15 min的玉米秸秆，酶解3 h后，表面有大量的微孔，40%的纤维素转化为葡萄糖。,3.2 纤维质原料的预处理,l物理方法 (1)机械法 (2)高温液态法 (3)高温分解 (4)微波处理 (5)高能辐射 2化学方法 (1)臭氧分解法 (2)酸水解法 (3)碱水解法 (4)氧化脱木素法 (5)有机溶剂法,3物理化学方法 (1)蒸汽爆破法 (2)氨纤维爆破法 (3)CO2爆破法 (4)蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法 (5)氨冷冻爆破法 4生物方法,3.3.1 纤维质原料的水解酸法水解,3.3.2 纤维质原料的水解纤维素的酶法水解,3.3.2 纤维质原料的水解半纤维素的酶法水解,4.1.1 典型生长曲线的数学模型,4.1.1 典型生长曲线的数学模型,4.1.1 湿热灭菌原理热死动力学方程,K：比热死速率常数,4.1.1 湿热灭菌原理灭菌时间的计算,-K1,t1,0,N0：实际测量获得 Nt ：技术指标， Nt =0.001,4.1.1 湿热灭菌原理灭菌时间的计算,【例5-1】某发酵罐内装培养基40 m3，在121 下进行分批灭菌。设每毫升培养基中含耐热芽孢杆菌为2105 个，121 时的灭菌速度常数为1.8 min-1。求理论灭菌时间 (即灭菌失败几率为0.1时所需要的灭菌时间，lge=0.4343)。,4.1.2 湿热灭菌原理影响比热死速率常数K的因素,-K1,t1,t2,0,K值越小 灭菌时间越长 微生物越耐热,菌种特性 环境条件 灭菌温度,4.1.2 湿热灭菌原理温度对K值的影响,图1-18 嗜热脂肪芽孢杆菌营养体细胞及孢子的热死速率,4.1.2 湿热灭菌原理温度对K值的影响,-Km,tm,tm,高温短时灭菌，可以减少对营养物质的破坏,营养物 破坏率,4.2.1 分批灭菌操作过程,4.2.2 分批灭菌影响因素,(1)培养基成分的影响 油脂、糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生物的耐热性； 高浓度的盐类、色素等可削弱其耐热性。 (2)培养基物理状态的影响 颗粒大灭菌难；颗粒小灭菌易。 (3)培养基中微生物数量的影响 营养丰富或变质的原料中含菌量远比化工原料的含菌量多，因此灭菌时间要适当延长。 (4)培养基中氢离子浓度的影响 培养基的酸碱度越大，所需杀灭微生物的温度越低。,(5)微生物细胞中水分的影响 细胞含水越多，蛋白质变性的温度越低。 (6)微生物细胞菌龄的影响 幼龄细胞更易杀灭。 (7)空气排除情况的影响 如果罐内空气未能排除彻底，温度将达不到要求。 (8)泡沫的影响 泡沫中的空气能形成隔热层，而影响热量发挥杀菌作用。 (9)投料结束后发酵罐的清洗 残留的固形物，在灭菌过程中易形成死角，导致灭菌不彻底。,4.2.2 分批灭菌影响因素,4.3 连续灭菌过程,分批灭菌与连续灭菌,4.3 连续灭菌过程,设备要求低；操作技术含量低； 适用范围广，适合于含有固体颗粒或较多泡沫培养基的灭菌； 适合于小的发酵罐。,对培养基营养成分破坏较大； 灭菌周期长，发酵罐的利用率低。,营养成分得到了最大限度的保护，适宜大规模生产； 发酵设备的利用率高，易于