生物化工工艺实例

生物化工工艺学工业微生物部分微生物实例,第一节氨基酸生产工艺,自然界中有二十多种氨基酸，这些氨基酸构成了所有生物所需的各种各样的蛋白质。氨基酸是构成蛋白质的基本单位，它参与生物体的各种代谢，有各种生理功能。人类要维持生命活动，就必须获得各种氨基酸。但是有八种氨基酸人类自身不能合成，必须从食物中摄取。,按氨基酸在人体内是否能被合成，分为：（1）必需氨基酸指人体内不能合成或合成的速度不能满足机体需要的氨基酸。异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸为必需氨基酸。（2）非必需氨基酸除上述八种必需氨基酸外，其它均属非必需氨基酸。,提取法1820年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。1866年立好生Ritthansen利用H2SO4从小麦面筋制取Glu（名称来源于此）。1908年从海带中提取了Glu，并制取了味之素（味精，MonosodiumGlutamate，MSG）。1910年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精。1936年美国人开始从Stiffenmolasses（废糖蜜）制取味精。,（1）氨基酸生产的发展史,1、概述,过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取的，1956年，日本人首先利用发酵法生产谷氨酸后，氨基酸的发酵生产发展很快，目前绝大多数氨基酸已能用发酵法或酶法生产。见表6-1,（2）我国氨基酸生产的发展情况我国起始于1923（上海天厨），1932沈阳味精厂，当时年产量200-300T（提取法）。我国发酵法生产味精起始于1964年，2000年80万T，2005年接近100万T。中国现有氨基酸企业以谷氨酸生产为主，其次是赖氨酸，其它有几种生产规模较小的工业化产品。,2.氨基酸的应用氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业等行业有广泛用途。（1）食品工业是最早应用氨基酸的领域，消费量占总量的60，主要用于强化食品，调味调香、抗氧化剂、消除异味，防止食品色香味的变化，提高食品风味及营养价值。如苯丙氨酸和天冬氨酸制成的甜味肽，其甜味是蔗糖的200倍。,生活实例：新型甜味剂阿斯巴甜又名蛋白糖，是天冬氨酸和苯丙氨酸合成的二肽甜味剂，是一种相当蔗糖甜度200倍的低热值高甜度的新型甜味剂。它具有安全、易吸收、不致龋齿等优点，可供糖尿病患者及忌糖者的婴幼儿食用，是老年营养食品和保健食品的优良甜味剂；可以制成新型糖的替代品直接加入饮料或食品中；大量用于饮料，果酱、口香糖、乳制品、罐头、蜜饯婴幼儿食品等多种食品中，至今已有3000多种食品使用阿斯巴甜。,（2）医药工业氨基酸是构成蛋白质的基本单位，参与体内代谢和各种生理活动，因此可用于治疗各种疾病。可制成有治疗作用的药物及各种氨基酸营养制剂。-大输液和治疗药物。,（3）饲料工业及无公害农药在饲料中加入赖氨酸、苏氨酸和DL-蛋氨酸，能提高饲料中蛋白质利用率，校正配合饲料中氨基酸不全或配比失衡，增加饲料营养价值。合成氨基酸衍生物可作为锄草剂和无毒农药。（4）化工用谷氨酸可制成无刺激性能洗涤剂十二烷基谷氨酸钠肥皂，能保持皮肤湿润的润肤剂焦谷氨酸钠和质量接近天然皮革的聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料。丝氨酸用于雪花膏等。,二、谷氨酸发酵,谷氨酸可用用蛋白质水解法和合成法制取，但目前主要采用发酵法。1淀粉水解糖的制备发酵法生产谷氨酸的原料是薯类、玉米、木薯淀粉、椰子树淀粉等淀粉的水解糖或糖蜜。生产菌为短杆菌，北京棒杆菌等。淀粉-需要用酶法水解转化为葡萄糖,谷氨酸（-氨基戊二酸）OC-OH第一代鲜味剂H2N-C-HL-谷氨酸单钠盐味精H-C-HH-C-HH-COOHL-型,酶法水解过程：液化-糖化-葡萄糖,淀粉酶,糖化酶,2、生物合成机制谷氨酸的生物合成途径大致是：葡萄糖经糖酵解（EMP途径）和己糖磷酸支路（HMP途径）生成丙酮酸，一部分氧化成乙酰辅酶A（乙酰COA），一部分固定CO2生成草酰乙酸。然后进入三羧酸循环，生成酮戊二酸。酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。即，谷氨酸的生物合成途径包括EMP、HMP、TCA循环、DCA循环和CO2固定作用等。,谷氨酸生产菌种,2.谷氨酸的生物合成,生物素缺乏,C6H12O6+NH4+=C5H9O4N+CO2理论产率：147/180=81.7%实际产率？谷氨酸积累后不断地透过细胞膜分泌到培养基中得到积累。,谷氨酸发酵受环境条件影响很大，氧、铵、pH、生物素等若控制不当，往往会发生发酵转换现象。利用此原理可以人为地控制环境使发酵发生转换。,三、谷氨酸发酵的工艺控制（一）培养基1.碳源：淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃（1）淀粉水解糖的制备（2）糖蜜原料目前以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生物素缺陷型,2.氮源：铵盐、尿素、氨水C/N100：1521，实际高达100：28因为：1）用于调整pH。2）分解产生的NH3从发酵液中逸出。产酸阶段：NH4+不足：使-酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。NH4+过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。,3.无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中磷酸盐对发酵有显著影响。不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。过多：a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩合生成缬氨酸的前体物乙醛乳酸，使缬氨酸在发酵液中蓄积。,4.生长因子：生物素作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。（1）作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰CoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响磷酯的合成。（2）浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为：a.乙醛酸循环活跃，-酮戊二酸生成量减少。b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。,生物素：B族维生素的一种，又称维生素H或辅酶R。是合成脂肪酸所必需的。目前生产上以玉米浆、麸皮煮出汁、糖蜜等天然原料作为其来源。浓度一般为2-5g/L。若生物素缺乏菌体生长不好，谷氨酸产量低,（二）pH的影响及其控制作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。在氮源供应充分和微酸性条件下，谷氨酸发酵转向谷氨酰胺发酵。pH控制在中性或微碱性7-8。方法：流加尿素和氨水。,（三）温度的影响及其控制,菌体生长达一定程度后开始产生氨基酸，菌体生长最适温度和氨基酸合成的最适温度不同。菌体生长阶段：3034产酸阶段：3537,四、谷氨酸的生产工艺谷氨酸的生产工艺包括发酵和提纯两部分。生产工艺示意图,1、发酵方法发酵培养基：发酵培养基组成的质量分数（）如下：水解糖1214KCl：0.05MgSO47H2O0.06尿素0.50.8玉米浆0.6mlpH7.0Na2HPO20.17其种子培养基为：一级种子培养基中含糖量要低，一般在2.5左右，其配方的质量分数（）如下：葡萄糖2.5K2HPO40.1玉米浆2.53.0mlMgSO47H2O0.04pH7.0,二级培养基组成的质量分数（）水解糖3.0尿素0.6水解糖0.50.6MgSO47H2O0.10.2pH7.0培养条件：一级种子培养条件在1000ml三角烧瓶中，装入一级种子培养基180200ml，以8层纱布覆盖瓶口，并用细绳扎紧，瓶口外再用牛皮纸裹紧，同样用细绳扎牢。将三角烧瓶放在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌后接种，然后置摇床上，在3032振荡培养1012小时。,2.提取方法谷氨酸的提取方法有水解等电点法、低温等电点法、离子交换法、等电点离子交换法、盐酸盐法、锌盐法、钙盐法、电渗析法等方法。其中以等电点法和离子交换法较普遍。等电点法谷氨酸的等电点为pI=3.22故将发酵液用盐酸调节到pH=3.22，谷氨酸就可分离析出。此法操作方便，设备简单，一次收率达70左右；缺点是周期长，占地面积大。下图表示等电点法提取谷氨酸的工艺流程。,等电点法提取谷氨酸工艺流程,离子交换法当发酵液的pH值低于3.22时，谷氨酸以阳离子状态存在，可用阳离子交换树脂来提取吸附在树脂上的谷氨酸阳离子，并可用碱洗下来，收集谷氨酸洗脱流分，经冷却，加盐酸调pH=3.03.2进行结晶,再用离心分离机分离即可得谷氨酸结晶.此法过程简单,周期短,设。设备省，占地少，提取总收率可达8590，缺点是酸碱用量大,废液污染环境。下图表示离子交换法提取谷按酸的工艺流程。,离子交换法提取谷氨酸的工艺流程,五、谷氨酸钠（味精）的生产谷氨酸的中和味精是谷氨酸单钠盐谷氨酸的饱和溶液加碱进行中和，中和反应的pH值应控制在第二等电点pH=6.96。当pH值太高时，生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。,中和液的除铁、除锌由于生产原料不纯、生产设备腐蚀及生产工艺等原因，使中和液中铁、锌离子超标，必须将其除去。目前除铁、锌离子的方法主要有硫化钠和树脂法两种。硫化钠法是利用硫化钠可与Fe2+、Zn2+反应生成硫化盐沉淀而除去铁、锌杂质。树脂法是利用弱酸性阳离子交换树脂，吸附铁或锌得以将其除去。这种方法不但解决了硫化法引起的环境污染问题，改善了操作条件，而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁方法,3谷氨酸中和液的脱色一般谷氨酸中和液都具有深浅不同的褐色色素，必须在结晶前将其脱除，常用的脱色方法有活性炭脱色法和离子交换树脂法两种。活性脱色主要是粉末状的药用炭和GH-15颗粒活性炭两种。粉末活性炭脱色，一种方法是在中和过程中加炭脱色后除去铁，另一种方法是中和液洗涤除铁，用谷氨回调pH=6.26.4蒸汽加热60，使谷氨酸全部溶解，再加入适量的活性炭脱色。经粉末活性炭脱色后，往往透光率达不到要求，需进入GH-15活性炭进行最后一步脱色工序。,离子交换树脂的脱色主要靠树脂的多孔表面对色素进行吸附，主要是树脂的基团与色素的某些基团形成共价健，因而对杂质起到吸附与交换作用，一般选用弱碱性阳离子交换树脂。,（4）中和液的浓缩与结晶谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想从溶液中析出结晶，必须除去大量的水，使溶液达到饱和状态。工业上为了避免温度太高，谷氨酸钠脱水变成焦谷氨酸钠，都采用减压蒸性发法来进行中和液的浓缩和结晶，真空度一般在80kPa以上，温度为6570。为了使味精结晶颗粒整齐，一般采用投晶种结晶法，完成结晶后，经离心机分离，振动床干燥、筛分，再经过包装，即成成品味精。,味精对人体的重要性,1、生物化学的研究显示，味精中的谷氨酸是生物体内氨基酸和碳水化合物代谢的重要桥梁。2、美国Reeds博士的最新研究发现，饮食中的谷氨酸进入消化道时，提供消化道表面细胞代谢所需的大部分能量，也提供其合成必需氨基酸所需的材料。3、Schiffman教授的研究证实，食物中添加味精可以增加正常老人和患病老人的摄食量，也显著地改善营养状况和身体免疫力。,1.不要在滚烫的锅中加入，而要在菜肴快出锅时加入。因为谷氨酸钠在温度高于120时，会变为焦点谷氨酸钠，食后对人体有害，且难以排出体外。2.不宜在酸性食物中添加味精，如糖醋鱼、糖醋里脊等。味精呈碱性，在酸性食物中添加会引起化学反应，使菜肴走味。3.在含有碱性的原料中不宜使用味精，味精遇碱会化合成谷氨酸二钠，会产生氨水臭味,使鲜味降低，甚至失去其鲜味。,味精的使用注意事项(5点),4.注意咸淡程度。如果太咸，味精就可能吃不出鲜味，食盐与味精的比例在3：1或4：1范围内，即可达到圆润柔和的口味，作凉拌菜时宜先溶解后再加入。因为味精的溶解温度为85，低于此温度，味精难以分解。5.高汤、鸡肉、鸡蛋、水产制出的菜肴中不用再放味精。,第二节有机酸的生产工艺,有机酸发酵工业是生物工程领域中的一个重要且较为成熟的分支,在世界经济发展中,占有一定的地位。有机酸在传统发酵食品中早已得到广泛应用,以微生物发酵法生产且达到工业生产规模的产品已有十几种。用微生物发酵法生产有机酸,以代替从水果和蔬菜等植物中提取有机酸,是近年来由于社会及市场的需要而开发出的方法。由于食品、医药、化学合成等工业的发展，有机酸需求骤增，发酵法生产有机酸逐渐发展成为近代重要的工业领域。,从消费量上来看，美国人均消费150g/年.人；日本为30g，中国仅有35g，随着生活水平的提高，无醇饮料、碳酸饮料、果汁饮料的大幅增长，有机酸的用量将明显增加。,1、柠檬酸发酵柠檬酸是水果中含量极为丰富的一种重要的有机酸，为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶性粉末，常含一分子结晶水，无臭，有很强的酸味。由于其结构的特殊，使他具有酸性、缓冲、络合等多种功能。柠檬酸是天然可再生的绿色产品，主要用于食品、制药、化工和水处理、无毒电镀、造纸、皮革、洗涤剂以及水泥缓凝剂等。世界各国都在利用微生物发酵法生产柠檬酸。,我国是农业大国，生产柠檬酸的原料来源丰富，2003年45万吨，其中80%的柠檬酸销售国际市场，是世界上最大的柠檬酸生产和出口国。我国柠檬酸生产基地主要集中在安徽、江苏、山东等玉米和薯类资源丰富的地区，其中安徽丰原集团是亚洲最大的柠檬酸生产基地，规模列世界第五位,CoASH,+CO2,+CO2,草酰乙酸再生阶段,柠檬酸的生成阶段,氧化脱羧阶段,柠檬酸,异柠檬酸,顺乌头酸,酮戊二酸,琥珀酸,琥珀酰CoA,延胡索酸,苹果酸,草酰乙酸,NAD+,NAD+,FAD,NAD+,三羧酸循环总观,菌种：黑曲霉存在着三羧酸循环的酶系机理：经过EMP途径、丙酮酸羧化和三羧酸循环。是菌体代谢失调的结果。原料：国内大多采用薯干为原料直接进行液体深层发酵。,（1）发酵过程发酵过程一般包括原料（薯干）粉碎处理、种子罐培养及发酵罐培养，其工艺过程如图所示。,薯干粉碎采用锤式粉碎机粉碎。粉碎要求较细，一般粒度在0.4mm左右。薯干粉的液化由外加液化酶完成，其工艺采用连续液化法，淀粉酶在拌料桶中加入，通过喷射加热器升温后进入维持罐，达到液化要求后加入培养基其它成分，泵入连消塔升温灭菌，进入维持罐，最后喷淋冷却，进入发酵。由于黑曲酶能够产生糖化酶，因而后续的糖化是由发酵菌种（黑曲霉）自动完成的。液化法是我国柠檬酸生产工艺的特色方法。,发酵中多数采用种子预培养工艺。种子罐培养基冷却到331左右接菌种，在331左右通风培养2030小时,由无菌压缩空气(经接种)通入发酵罐中,发酵培养基也冷却至331左右左右接种,发酵在341左右进行。通风搅拌培养4天，发酵度不再上升，残糖降到2g/L以下时，立即泵送到储罐中，及时进行提取。,（2）柠檬酸的提取从柠檬酸发酵液制备结晶柠檬酸一般包括三个步骤：去除菌丝和其它固形物得到滤液；用各种物理和化学方法处理滤液，得到初步纯化的柠檬酸溶液；初步纯化的柠檬酸溶液经精制后浓缩得到结晶柠檬酸。,柠檬酸的提取方法有多种：钙盐法、溶剂萃取法、电渗析法、离子交换法和逆向渗透法等。目前，国际和国内普遍采用钙盐法，即在发酵液中加石灰乳，将柠檬酸以钙盐形式从发酵液中分离出来。国内采用的钙盐方法工艺路线如下：,发酵液发酵滤液中和酸解脱色离子交换浓缩结晶干燥提取方法如图7-2所示。,第三节、酒精发酵生产,酒精（alcohol）是重要的溶剂和化工原料，在轻工、医药、食品、化学工业中有非常广泛的应用。酒精生产可以用合成法也可以采用发酵法。如可以用乙烯水合、乙醛还原或CO2加氢等石油路线进行合成，但合成酒精往往夹杂异构化高级醇类，对于人的中枢神经有麻痹作用，不适宜作饮料、食品、医药及香料等,从长远意义来看，石油的不可再生性及生物资源的可再生性，决定了发酵法生产酒精具有更为广阔的前景和战略意义。发酵法生产酒精以糖质原料（糖蜜）或淀粉质原料（甘薯、玉米）为主。纤维质原料也有一定的应用。,1、酒精发酵的微生物菌种,许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵，但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母(Saccharomycescerevisiae)，是属于子囊菌亚门酵母属的一种单细胞微生物。该种酵母菌繁殖速度快，发酵能力即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。,2、糖蜜发酵生产酒精,（1）发酵机制酵母活细胞含有丰富的蔗糖水解酶和酒化酶，能将糖蜜中的蔗糖水解为单糖，单糖透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶作用下生成酒精与CO2，然后透过细胞膜将这些产物排出体外。酒化酶：参与发酵的多种酶的总称，包括己糖磷酸化酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶及磷酸酶等。,酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，其生化过程主要由两个阶段组成。第一阶段己糖通过糖酵解途径(EMP途径)分解成丙酮酸。第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成乙醛和二氧化碳，乙醛进一步被还原成乙醇，整个过程由图所示。葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为：C6H12O62C2H5OH+2CO2+能量,发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其他副产物，包括甘油、有机酸（主要是琥珀酸）、杂醇油（高级醇）、醛类、酯类等。理论上1mol葡萄糖可产生2mol乙醇；即180克葡萄糖产生92克乙醇，的率为51.5%，可是实际得率没有这么高。因酵母菌体的积累约需2%的葡萄糖，另外2%的葡萄糖用于形成甘油，0.5%用于形成有机酸，0.2%用于形成杂醇油。因此实际上只有约47的葡萄糖转化成乙醇。乙醇发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中，所释放的226kJ自由能中除67kJ(29)用于形成ATP外，其余能量以热的形式散发,（2）发酵工艺糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。前处理包括的内容有：将糖蜜稀释至糖浓度为2025Bx（依不同的发酵工艺而异)。糖蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添加一些氮源、营养盐(如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等)以及生长素(如酵母菌自溶物)等。调节pH值到4-4.5，防止杂菌污染,Bx表示100ml溶液中含干固物的质量g,乙酵发酵所用工艺主要是间歇法和连续法，国内外大型糖蜜酒精厂都采用连续法。糖蜜经上述前处理后，接入酒母，于3035发酵，成熟醪酒精度为6%9%(V/V)。连续发酵由一组（9-10个）串联的发酵罐组成，发酵的每个阶段在各个不同容器中进行，每个容器的醪液浓度等相对固定，使酵母更快的适应环境且便于连续生产。,（3）提取方法,发酵成熟醪中除含酒精外，还含其他杂质，需要进行蒸馏及精馏才能得到酒精成品。经过蒸馏可得到粗酒精和酒精，所用设备为醪塔，又称蒸馏塔、粗馏塔，粗酒精再经精馏即可得到各级成品酒精和杂醇油等副产物，所用设备为精馏塔,发酵成熟醪的成分随原料的种类、加式方示、菌种性能不同而不同，分成不挥发性成分和挥发性成分两大类。不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸、无机盐、酵母菌体、不发酵性及未发酵完完的糖、皮壳、纤维等。这些成分易与酒精等挥发性成分分离，在精馏中它们和大部分水一起进入精馏塔。挥发性杂质共有50多种，分成醇类、醛类、酸类和酯类等四大类。,在精馏中，沸点比酒精低的杂质先被蒸馏出，称为中间杂质，包括乙醛、乙酸乙酯和甲酸甲酯等；有些杂质沸点高的杂质出现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为尾级杂质，又称杂醇油酒精蒸馏有单塔、两塔、三塔和多塔蒸馏等多种蒸馏工艺。,3、淀粉质原料酒精发酵工艺,淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原料蒸煮、糖化剂制备、糖化、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏等工艺，工艺流程如下图.,（1）.原料预处理原料先要通过振荡筛、吸铁器等将其中的混杂的小铁钉、泥块、杂草、石块等杂质除去然后粉碎，粉碎的目的主要是增加原料受热面积。,（2）蒸煮淀粉质原料吸水后在高温高压下蒸煮，可以破坏植物组织和细胞，使淀粉彻底糊化、液化，使蒸煮物料成为均一的糊化醪，为进一步的淀粉转化为糖创造良好的条件；其次蒸料还有灭菌的作用。,蒸煮工艺看，20世纪50年代前期我国酒精厂大多采用整粒原料间歇蒸煮工艺。为了提高蒸煮醪质量和减轻劳动强度，目前我国各酒精厂广泛采用连续蒸煮的工艺，方法有多种，常用有罐式(锅式)连续蒸煮、管道式连续蒸煮、塔式(柱式)连续蒸煮等三种方法。罐式连续蒸煮工艺流程简图如图所示，,（2）蒸煮工艺,（3）糖化曲制备糖化曲分成固体曲和液体曲两种，用麸皮为主要原料制成的固体曲叫麸曲，采用液体深层通风培养的称为液体曲。制曲常用霉菌。,制曲过程实际