生物化工工艺实例

1、1第一节第一节 氨基酸生产工艺氨基酸生产工艺 自然界中有二十多种氨基酸，这些氨基酸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。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，必须从是有八种氨基酸人类自身不能合成，必须从食物中摄取。食物中摄取。 2按氨基酸在人体内是否能被合成，分为：按氨基酸在人体内是否能被合成，分为：

2、（1 1）必需氨基酸）必需氨基酸 指人体内不能合成或合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。氨酸、色氨酸和缬氨酸为必需氨基酸。 （2 2）非必需氨基酸）非必需氨基酸 除上述八种必需氨基除上述八种必需氨基酸外，其它均属非必需氨基酸。酸外，其它均属非必需氨基酸。3 提取法提取法 18201820年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。年有人在实验室水解蛋白制取氨基酸。 18661866年立好生年立好生Ritthansen利用利用H

3、 H2 2SOSO4 4从小麦面筋制从小麦面筋制取取GluGlu（名称来源于此）。（名称来源于此）。 19081908年从海带中提取了年从海带中提取了GluGlu，并制取了味之素（味精，并制取了味之素（味精，Monosodium Glutamate Monosodium Glutamate ，MSGMSG）。）。 19101910年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精。年日本人开始利用小麦面筋工业化制取味精。 19361936年美国人开始从年美国人开始从Stiffen molassesStiffen molasses（废糖蜜）（废糖蜜）制取味精。制取味精。 （1）氨基酸生产的发展史）氨基酸生产

4、的发展史1 1、概述、概述4 过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取过去氨基酸都是从蛋白质水解液中分离提取的，的，19561956年，日本人首先利用发酵法生产谷氨年，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。多数氨基酸已能用发酵法或酶法生产。见表见表6-16-15（2 2） 我国氨基酸生产的发展情况我国氨基酸生产的发展情况 我国起始于我国起始于19231923（上海天厨），（上海天厨），19321932沈阳味精沈阳味精厂，当时年产量厂，当时年产量200-300T200-300T（提取法）。（提取

5、法）。 我国发酵法生产味精起始于我国发酵法生产味精起始于19641964年，年，20002000年年8080万万T T ，20052005年接近年接近100100万万T T。 中国现有氨基酸企业以谷氨酸生产为主，其次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是赖氨酸，其它有几种生产规模较小的工业化产品。产品。6 2. 2.氨基酸的应用氨基酸的应用 氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业等行业有氨基酸在食品、医药、饲料、化工、农业等行业有广泛用途。广泛用途。 （1 1）食品工业）食品工业 是最早应用氨基酸的领域，是最早应用氨基酸的领域，消费量占总量的消费量占总

6、量的6060，主要用于强化食品，调，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氨酸和天冬氨酸制成的甜味肽甜味肽，其甜味是蔗糖，其甜味是蔗糖的的200200倍。倍。 7 生活实例生活实例：新型：新型甜味剂甜味剂阿斯巴甜阿斯巴甜 又名蛋白糖，是天冬氨酸和苯丙氨酸合成的二又名蛋白糖，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肽甜味剂，是一种相当蔗糖甜度200200倍的低热倍的低热值高甜度的新型甜味剂。它具有安全、易吸收、值高甜度的

7、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、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，乳制品、罐头、蜜饯婴幼儿食品等多种食品中，至今已有至今已有30003000多种食品使用多种食品使用阿斯巴甜阿斯巴甜。8（2）医药工业）医药工业 氨基酸是构成蛋白质的基本单位，参与体内氨基酸是构成蛋白质的

8、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疾病。可制成有治疗作用的药物及各种氨基酸营养制剂。酸营养制剂。-大输液和治疗药物。大输液和治疗药物。9 （3 3）饲料工业）饲料工业 及无公害农药及无公害农药在饲料中加入赖氨酸、苏氨酸和在饲料中加入赖氨酸、苏氨酸和DL-DL-蛋氨酸，能蛋氨酸，能提高饲料中蛋白质利用率，校正配合饲料中氨基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。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。合成氨基酸衍生物可作为锄草

9、剂和无毒农药。 （4 4）化工）化工 用谷氨酸可制成无刺激性能洗涤用谷氨酸可制成无刺激性能洗涤剂剂十二烷基谷氨酸钠肥皂，能保持皮肤湿润十二烷基谷氨酸钠肥皂，能保持皮肤湿润的润肤剂的润肤剂焦谷氨酸钠和质量接近天然皮革的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。丝氨酸聚谷氨酸人造革，以及人造纤维和涂料。丝氨酸用于用于雪花膏等。雪花膏等。10二、谷氨酸发酵二、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。目前主要采用发酵法。 1 1淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备 发酵法生产谷氨酸的原料是薯类、玉米、木发酵法生

10、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。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。生产菌为短杆菌，北京棒杆菌等。 淀粉淀粉- -需要用酶法水解转化为葡萄糖需要用酶法水解转化为葡萄糖11谷氨酸谷氨酸 （ - -氨基戊二酸）氨基戊二酸） O C-OH 第一代鲜味剂第一代鲜味剂 H2N- C- H L-L-谷氨酸单钠盐谷氨酸单钠盐味精味精 H-C-H H-C-H H-C O OH L-型12 酶法水解过程：液化酶法水解过程：液化-糖化糖化-葡萄糖葡萄糖淀粉酶淀粉酶糖化酶糖化酶132 2、生物合成机制、生物合成机制 谷氨酸的生物合成途径大致是

11、：谷氨酸的生物合成途径大致是： 葡萄糖经糖酵解（葡萄糖经糖酵解（EMPEMP途径）途径）和己糖磷酸和己糖磷酸支路（支路（HMPHMP途径）生成丙酮酸，一部分氧化成途径）生成丙酮酸，一部分氧化成乙酰辅酶乙酰辅酶A A（乙酰（乙酰C CO OA A），一部分固定），一部分固定COCO2 2生成草生成草酰乙酸。然后进入三羧酸循环，生成酰乙酸。然后进入三羧酸循环，生成酮戊酮戊二酸二酸。酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及酮戊二酸在谷氨酸脱氢酶的催化及有有NH4+NH4+存在的条件下，生成谷氨酸。即，谷氨存在的条件下，生成谷氨酸。即，谷氨酸的生物合成途径包括酸的生物合成途径包括EMPEMP、HMPHMP、TC

12、ATCA循环、循环、DCADCA循环和循环和COCO2 2固定作用等。固定作用等。谷氨酸生产菌种谷氨酸生产菌种NH42.2.谷氨酸的生物合成谷氨酸的生物合成生物素缺乏生物素缺乏15lC6H12O6 + NH4+ = C5H9O4 N + CO2 l理论产率：理论产率：147 / 180 = 81.7%l实际产率？实际产率？l谷氨酸积累后不断地透过细胞膜分泌到培养基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。中得到积累。16 谷氨酸发酵受环境条件影响很大，氧、铵、谷氨酸发酵受环境条件影响很大，氧、铵、pHpH、生物素等若控制不当，往往会发生发酵、生物素等若控制不当，往往会发生发酵转换现象

13、。转换现象。 利用此原理可以人为地控制环境使发酵发生利用此原理可以人为地控制环境使发酵发生转换。转换。17三、谷氨酸发酵的工艺控制三、谷氨酸发酵的工艺控制（一）培养基（一）培养基 1. 1. 碳源：碳源：淀粉水解糖淀粉水解糖、糖蜜、乙醇、烷烃、糖蜜、乙醇、烷烃 （1 1）淀粉水解糖的制备）淀粉水解糖的制备 （2 2）糖蜜原料）糖蜜原料目前以糖质原料为碳源的谷氨酸产生菌均为生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物素缺陷型18 2. 2.氮源：铵盐、尿素、氨水氮源：铵盐、尿素、氨水 C/NC/N100100：1515 2121，实际高达，实际高达100100：2828 因为：因为：1

14、 1）用于调整）用于调整pHpH。 2 2）分解产生的）分解产生的NHNH3 3从发酵液中逸出。从发酵液中逸出。 产酸阶段：产酸阶段： NHNH4 4+ +不足：使不足：使 - -酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。酮戊二酸蓄积而很少有谷氨酸生成。 NHNH4 4+ +过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。过量：促使谷氨酸生成谷氨酰胺。193.3.无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中无机盐：磷酸盐、镁、钾、钠、铁、锰、铜，其中 磷酸盐对发酵有显著影响。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。不足：糖代谢受抑制，菌体生长不足。 过多：过多：a.a.细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸

15、排出。细胞膜磷脂生成量多，不利于谷氨酸排出。 b.b.促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩促使丙酮酸和乙醛（由丙酮酸脱羧生成）缩 合生成缬氨酸的前体物合生成缬氨酸的前体物 乙醛乳酸，乙醛乳酸， 使使缬氨酸在发酵液中蓄积。缬氨酸在发酵液中蓄积。20 4. 4. 生长因子：生物素生长因子：生物素 作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。作用：影响细胞膜通透性和代谢途径。 （1 1）作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰）作为催化脂肪酸生物合成最初反应的关键酶乙酰 CoACoA的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响的辅酶，参与脂肪酸的生物合成，进而影响 磷酯的合成。磷酯的合成。 （2 2）浓度过大：

16、促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为：）浓度过大：促进菌体生长，谷氨酸产量低。因为： a.a.乙醛酸循环活跃，乙醛酸循环活跃， - -酮戊二酸生成量减少。酮戊二酸生成量减少。 b.b.转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。转氨酶活力增强，谷氨酸转变成其它氨基酸。21 生物素：生物素：B B族维生素的一种，又称维生素族维生素的一种，又称维生素H H或辅酶或辅酶R R。是合成脂肪酸所必需的。目前生。是合成脂肪酸所必需的。目前生产上以玉米浆、麸皮煮出汁、糖蜜等天然原产上以玉米浆、麸皮煮出汁、糖蜜等天然原料作为其来源。料作为其来源。浓度一般为浓度一般为2-5g/L2-5g/L。若生物素缺乏若生物素缺乏菌

17、体生长不好，谷氨酸产量菌体生长不好，谷氨酸产量低低 22（二）（二）pHpH的影响及其控制的影响及其控制 作用机理：主要影响酶的活性和菌的代谢。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。酵转向谷氨酰胺发酵。 pHpH控制在中性或微碱性控制在中性或微碱性7-87-8。 方法：流加尿素和氨水。方法：流加尿素和氨水。23（三）温度的影响及其控制（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体生长最适温度和氨基酸合成

18、的最适温度不同。同。 菌体生长阶段：菌体生长阶段：3030 3434 产酸阶段：产酸阶段：3535 373724四、谷氨酸的生产工艺四、谷氨酸的生产工艺 谷氨酸的生产工艺包括谷氨酸的生产工艺包括发酵和提纯发酵和提纯两部分。两部分。生产工艺示意图生产工艺示意图25261 1、发酵方法、发酵方法 发酵培养基：发酵培养基组成的质量分数（）如下：发酵培养基：发酵培养基组成的质量分数（）如下：水解糖水解糖 121214 KCl14 KCl： 0.050.05MgSOMgSO4 47H7H2 2O O 0.06 0.06 尿素尿素 0.50.50.80.8玉米浆玉米浆 0.6 ml pH 7.00.6 m

19、l pH 7.0NaNa2 2HPOHPO2 2 0.17 0.17 其种子培养基为：一级种子培养基中其种子培养基为：一级种子培养基中含糖量要含糖量要低，一般在低，一般在2.52.5左右，其配方的质量分数（）如下：左右，其配方的质量分数（）如下：葡萄糖葡萄糖 2.52.5K K2 2HPOHPO4 4 0.1 0.1玉米浆玉米浆 2.52.53.0ml3.0mlMgSOMgSO4 47H7H2 2O 0.04O 0.04pH 7.0pH 7.027二级培养基组成的质量分数（）二级培养基组成的质量分数（） 水解糖水解糖 3.0 3.0 尿素尿素 0.60.6 水解糖水解糖 0.50.50.60.

20、6 MgSO MgSO4 47H7H2 2O 0.1O 0.10.20.2 pH 7.0 pH 7.0 培养条件：一级种子培养条件培养条件：一级种子培养条件 在在1000ml1000ml三角烧瓶中，装入一三角烧瓶中，装入一级种子培养基级种子培养基180180200ml200ml，以，以8 8层纱布覆盖瓶口，并用细绳扎层纱布覆盖瓶口，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，在在高压蒸汽灭菌锅中灭菌。灭菌后接种，然后置摇床上，在30303232振荡培养振荡培养101012

21、12小时。小时。282.2.提取方法提取方法 谷氨酸的提取方法有水解等电点法、低温等电点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、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。其中以锌盐法、钙盐法、电渗析法等方法。其中以等电点等电点法和离子交换法法和离子交换法较普遍。较普遍。 等电点法等电点法 谷氨酸的等电点为谷氨酸的等电点为pI=3.22pI=3.22故将发酵故将发酵液用盐酸调节到液用盐酸调节到pH=3.22pH=3.22，谷氨酸就可分离析出。此，谷氨酸就可分离析出。此法操作方便，设备简单，一次收率达法操作方便，设备简

22、单，一次收率达7070左右；缺左右；缺点是周期长，占地面积大。下图表示等电点法提取点是周期长，占地面积大。下图表示等电点法提取谷氨酸的工艺流程。谷氨酸的工艺流程。29等电点法提取谷氨酸工艺流程等电点法提取谷氨酸工艺流程30 离子交换法离子交换法 当发酵液的当发酵液的pHpH值低于值低于3.223.22时时，谷氨酸以阳离子状态存在，可用阳离子交换树脂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，加盐酸洗下来，收集谷氨酸洗脱流分，经冷却，加盐酸调调pH=3.0pH=3.03.23.2

23、进行结晶进行结晶, ,再用离心分离机分离即再用离心分离机分离即可得谷氨酸结晶可得谷氨酸结晶. .此法过程简单此法过程简单, ,周期短周期短, ,设。设设。设备省，占地少，提取总收率可达备省，占地少，提取总收率可达85859090，缺点，缺点是酸碱用量大是酸碱用量大, ,废液污染环境。下图表示离子交废液污染环境。下图表示离子交换法提取谷按酸的工艺流程。换法提取谷按酸的工艺流程。31离子交换法提取谷氨酸的工艺流程离子交换法提取谷氨酸的工艺流程32 五、谷氨酸钠（味精）的生产五、谷氨酸钠（味精）的生产 谷氨酸的中和谷氨酸的中和 味精是谷氨酸单钠盐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

24、应的谷氨酸的饱和溶液加碱进行中和，中和反应的pHpH值应控制在第二等电点值应控制在第二等电点pH=6.96pH=6.96。当当pHpH值太高时，值太高时，生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。生成的谷氨酸二钠增多，而谷氨酸二钠没有鲜味。33 中和液的除铁、除锌中和液的除铁、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。钠和树脂法两种。 硫化钠法是利用硫化钠可与硫化钠法是利用硫

25、化钠可与Fe2+Fe2+、Zn2+Zn2+反反应生成硫化盐沉淀而除去铁、锌杂质。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，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而且提高了味精质量，是一种较为理想的除铁方法方法34 3 3谷氨酸中和液的脱色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一般谷氨酸中和液都具有深浅不同的褐色色素褐色色素，必须，必须在结晶前将其脱除，

26、常用的脱色方法有活性炭脱色法和离在结晶前将其脱除，常用的脱色方法有活性炭脱色法和离子交换树脂法两种。子交换树脂法两种。 活性脱色主要是粉末状的药用炭和活性脱色主要是粉末状的药用炭和GH-15GH-15颗粒活性炭颗粒活性炭两种。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=6.2pH=6.26.46.4蒸汽加热蒸汽加热6060，使谷氨酸全部溶解，再加入，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，往往透光率达适量的活性炭脱色。

27、经粉末活性炭脱色后，往往透光率达不到要求，需进入不到要求，需进入GH-15GH-15活性炭进行最后一步脱色工序。活性炭进行最后一步脱色工序。 35 离子交换树脂的脱色主要靠树脂的多孔表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吸附与交换作用，一般选用弱碱性阳离子交换树脂。换树脂。36 （4 4）中和液的浓缩与结晶）中和液的浓缩与结晶 谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想从溶液中谷氨酸钠在水中的溶解度很大，要想从溶液中

28、析出结晶，必须除去大量的水，使溶液达到饱和状析出结晶，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，真空度一般在浓缩和结晶，真空度一般在80kPa80kPa以上，温度为以上，温度为65657070。为了使味精结晶颗粒整齐，一般采用投晶种。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、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。筛分，再经过包装，即成成

29、品味精。37味精对人体的重要性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代谢的重要桥梁梁。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，也提供其合成必合成必需氨基酸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摄食量，也显著地改善营养状况和身体免疫力。 383940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要且较为成熟的分支, ,在世界经济发展

30、中在世界经济发展中, ,占有一占有一定的地位。有机酸在传统发酵食品中早已得到广定的地位。有机酸在传统发酵食品中早已得到广泛应用泛应用, ,以微生物发酵法生产且达到工业生产规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。模的产品已有十几种。 用微生物发酵法生产有机酸用微生物发酵法生产有机酸, ,以代替从水果和蔬菜等以代替从水果和蔬菜等植物中提取有机酸植物中提取有机酸, ,是近年来由于社会及市场的需要而开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，发出的方法。由于食品、医药、化学合成等工业的发展，有机酸需求骤增有机酸需求骤增，发酵法生产有机酸逐渐发展成

31、为近代，发酵法生产有机酸逐渐发展成为近代重要的工业领域。重要的工业领域。41 从消费量上来看，美国人均消费从消费量上来看，美国人均消费150g/150g/年年. .人；日本为人；日本为30g30g，中国仅有，中国仅有35g35g，随着生活，随着生活水平的提高，无醇饮料、碳酸饮料、果汁水平的提高，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饮料的大幅增长，有机酸的用量将明显增加。加。42 1 1、柠檬酸发酵、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机酸，为无色半透明晶体或白色颗粒或白色结晶

32、性粉末，常含一分子结晶水，无臭，有很强晶性粉末，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、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泥缓凝剂等。世界各国都在利用微生物发酵法生产柠檬酸。生产柠檬酸。43 我国是农业大国，生产柠檬酸的原料来源我国是农业大国，生产柠檬酸的原料来源丰富，丰富，2003

33、2003年年4545万吨，其中万吨，其中80%80%的柠檬酸销的柠檬酸销售国际市场，是世界上最大的柠檬酸生产售国际市场，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在安徽、江苏、山东等玉米和薯类资源丰富的地区，其中富的地区，其中安徽丰原集团安徽丰原集团是亚洲最大是亚洲最大的柠檬酸生产基地，规模列世界第五位的柠檬酸生产基地，规模列世界第五位 OCH3-C-SCoACoASHNADH +CO2FADH2H2ONADH+CO2NADHGTP 草酰乙酸草酰乙酸 再生阶段再生阶段 柠檬酸的柠檬酸的生成阶段生成阶段 氧

34、化脱氧化脱 羧阶段羧阶段柠檬酸柠檬酸异柠檬酸异柠檬酸顺乌头酸顺乌头酸 酮戊二酸酮戊二酸琥珀酸琥珀酸琥珀酰琥珀酰CoA延胡索酸延胡索酸苹果酸苹果酸草酰乙酸草酰乙酸NAD+NAD+FADNAD+ 三羧酸循环总观三羧酸循环总观45 菌种：黑曲霉菌种：黑曲霉存在着三羧酸循环的酶系存在着三羧酸循环的酶系 机理：经过机理：经过EMPEMP途径、丙酮酸羧化和三羧途径、丙酮酸羧化和三羧酸循环。是菌体代谢失调的结果。酸循环。是菌体代谢失调的结果。 原料：国内大多采用原料：国内大多采用薯干薯干为原料直接进行为原料直接进行液体深层发酵。液体深层发酵。46 （1 1）发酵过程）发酵过程 发酵过程一般包括原料（薯干）粉

35、碎处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。理、种子罐培养及发酵罐培养，其工艺过程如图所示。47 薯干粉碎采用锤式粉碎机粉碎。粉碎要求较细，一薯干粉碎采用锤式粉碎机粉碎。粉碎要求较细，一般粒度在般粒度在0.4mm0.4mm左右。薯干粉的液化由外加液化酶完左右。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，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，进入维加入培养基其它成分，泵入连消塔升温灭菌

36、，进入维持罐，最后喷淋冷却，进入发酵。由于黑曲酶能够产持罐，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）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。自动完成的。液化法是我国柠檬酸生产工艺的特色方液化法是我国柠檬酸生产工艺的特色方法。法。48 发酵中多数采用种子预培养工艺。种子罐培养基发酵中多数采用种子预培养工艺。种子罐培养基冷却到冷却到333311左右接菌种，在左右接菌种，在333311左右左右通风培养通风培养20203030小时小时, ,由无菌压缩空气由无菌压缩空气( (经接种经接种) )通入发酵罐中通入发酵罐中, ,发酵培养基也冷却至

37、发酵培养基也冷却至333311左右左右接种左右左右接种, ,发酵在发酵在343411左右进行。通风搅拌培养左右进行。通风搅拌培养4 4天，发酵度不再上天，发酵度不再上升，残糖降到升，残糖降到2g/L2g/L以下时，立即泵送到储罐中，及时以下时，立即泵送到储罐中，及时进行提取。进行提取。 49（2 2）柠檬酸的提取）柠檬酸的提取 从柠檬酸发酵液制备结晶柠檬酸一从柠檬酸发酵液制备结晶柠檬酸一般包括三个步骤：般包括三个步骤： 去除菌丝和其它固形物得到滤液；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；纯化的柠檬酸溶液；

38、初步纯化的柠檬酸溶液经精制后浓缩得到结初步纯化的柠檬酸溶液经精制后浓缩得到结晶柠檬酸。晶柠檬酸。50 柠檬酸的提取方法有多种：钙盐法、溶剂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萃取法、电渗析法、离子交换法和逆向渗透法等。等。 目前，国际和国内普遍采用钙盐法，即在目前，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酵液中分离出来。国内采用的钙盐方法工艺路线如下：线如下： 51发酵液发酵液发酵滤液发酵滤液中和中和酸解酸解脱色脱色离离子交换子交换浓缩浓缩结晶结

39、晶干燥干燥 提取方法如图提取方法如图7-27-2所示。所示。52第三节、酒精发酵生产第三节、酒精发酵生产l酒精（酒精（alcoholalcohol）是重要的溶剂和化工原）是重要的溶剂和化工原料，在轻工、医药、食品、化学工业中有料，在轻工、医药、食品、化学工业中有非常广泛的应用。非常广泛的应用。l酒精生产可以用合成法也可以采用发酵法。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、乙醛还原或如可以用乙烯水合、乙醛还原或CO2CO2加氢加氢等石油路线进行合成，但合成酒精往往夹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杂异构化高级醇类，对于人的中枢神经有麻痹作用

40、，不适宜作饮料、食品、医药及麻痹作用，不适宜作饮料、食品、医药及香料等香料等53l从长远意义来看，石油的不可再生性及生从长远意义来看，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。精具有更为广阔的前景和战略意义。l发酵法生产酒精以糖质原料（糖蜜）或淀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。纤维质原粉质原料（甘薯、玉米）为主。纤维质原料也有一定的应用。料也有一定的应用。541 1、酒精发酵的微生物菌种、酒精发酵的微生物菌种l许多微生物都能利用已糖化进行酒精发酵，许多微生物都能利用已糖化进行酒精发

41、酵，但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是但在实际生产中用于酒精发酵的几乎全是酒精酵母，俗称酒母酒精酵母，俗称酒母。利用淀粉质原料的。利用淀粉质原料的酒母在分类上叫啤酒酵母酒母在分类上叫啤酒酵母( (Saccharomyces Saccharomyces cerevisiaecerevisiae) )，是属于子囊菌亚门酵母属，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，并具有度快，发酵能力即产酒精能力强，并具有较强的耐酒精能力。较强的耐酒精能力。552 2、糖蜜发酵生产酒精、糖蜜发酵生产酒精l（1 1）发酵机制）发酵

42、机制 酵母活细胞含有丰富的蔗糖水解酶和酒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，在酒化酶作用糖透过细胞膜进入细胞内，在酒化酶作用下生成酒精与下生成酒精与CO2CO2，然后透过细胞膜将这，然后透过细胞膜将这些产物排出体外。些产物排出体外。酒化酶酒化酶：参与发酵的多种酶的总称，包括己：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、脱糖磷酸化酶、氧化还原酶、烯醇化酶、脱羧酶及磷酸酶等。羧酶及磷酸酶等。56酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成乙醇，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

43、由两个阶段组成。第一阶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段己糖通过糖酵解途径(EMP(EMP途径途径) )分解成丙分解成丙酮酸。第二阶段丙酮酸由脱羧酶催化生成酮酸。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，整个过程由图所示。葡萄糖发酵成乙醇的总反应式为：醇的总反应式为： C C6 6H H1212O O6 62C2C2 2H H5 5OH+2COOH+2CO2 2+ +能量能量5758l发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的发酵过程中除主要生成乙醇外，还生成少量的其他副产

44、物，包括甘油、有机酸（主要是琥珀其他副产物，包括甘油、有机酸（主要是琥珀酸）、杂醇油（高级醇）、醛类、酯类酸）、杂醇油（高级醇）、醛类、酯类等。等。l理论上理论上1mol1mol葡萄糖可产生葡萄糖可产生2mol2mol乙醇；即乙醇；即180180克克葡萄糖产生葡萄糖产生9292克乙醇，的率为克乙醇，的率为51.5%51.5%，可是实，可是实际得率没有这么高。因酵母菌体的积累约需际得率没有这么高。因酵母菌体的积累约需2% 2% 的葡萄糖，另外的葡萄糖，另外2%2%的葡萄糖用于形成甘油，的葡萄糖用于形成甘油，0.5%0.5%用于形成有机酸，用于形成有机酸，0.2%0.2%用于形成杂醇油。用于形成杂

45、醇油。因此实际上只有约因此实际上只有约4747的葡萄糖转化成乙醇。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，所乙醇发酵中大部分能量仍储存于乙醇之中，所释放的释放的226kJ226kJ自由能中除自由能中除67kJ(2967kJ(29) )用于形成用于形成ATPATP外，其余能量以热的形式散发外，其余能量以热的形式散发 l 59l（2 2）发酵工艺）发酵工艺 糖蜜酒精发酵工艺过程包括糖蜜酒精发酵工艺过程包括前处理、酒前处理、酒母制备、乙醇发酵和蒸馏母制备、乙醇发酵和蒸馏四个工序。前四个工序。前处理包括的内容有：将糖蜜稀释至糖浓度处理包括的内容有：将糖蜜稀释至糖浓度为为2025Bx2

46、025Bx（依不同的发酵工艺而异（依不同的发酵工艺而异) )。糖。糖蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添蜜中常缺乏酵母必需的营养物质，需要添加一些氮源、营养盐加一些氮源、营养盐( (如硫酸铵、硫酸镁、如硫酸铵、硫酸镁、磷酸盐等磷酸盐等) )以及生长素以及生长素( (如酵母菌自溶物如酵母菌自溶物) )等。等。调节调节pHpH值到值到4-4.54-4.5，防止杂菌污染，防止杂菌污染BxBx表示表示100ml100ml溶液中含干固物的质量溶液中含干固物的质量g g60l乙酵发酵所用工艺主要是间歇法和连续法，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。糖国内外大型糖蜜酒精厂

47、都采用连续法。糖蜜经上述前处理后，接入酒母，于蜜经上述前处理后，接入酒母，于30303535发酵，成熟醪酒精度为发酵，成熟醪酒精度为6%6%9%(V/V)9%(V/V)。l连续发酵由一组（连续发酵由一组（9-109-10个）串联的发酵罐个）串联的发酵罐组成，发酵的每个阶段在各个不同容器中组成，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，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。使酵母更快的适应环境且便于连续生产。61（3 3）提取方法）提取方法l发酵成熟醪中除含酒精外，还含其他杂质，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

48、得到酒精成品。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，所用设备为副产物，所用设备为精馏塔精馏塔 62l发酵成熟醪的成分随原料的种类、加式方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。成分和挥发性成分两大类。l不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、不挥发性成分包括甘油、琥珀酸、乳酸、脂肪酸、无机

49、盐、酵母菌体、不发酵性及脂肪酸、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。挥发性它们和大部分水一起进入精馏塔。挥发性杂质共有杂质共有5050多种，分成醇类、醛类、酸类多种，分成醇类、醛类、酸类和酯类等四大类。和酯类等四大类。63l在精馏中，沸点比酒精低的杂质先被蒸馏在精馏中，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和甲酸甲酯等；有些杂质沸点高的

50、杂质出现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为现在蒸馏酒尾中，呈油状浮在液面，称为尾级杂质，又称杂醇油尾级杂质，又称杂醇油l酒精蒸馏有单塔、两塔、三塔和多塔蒸馏酒精蒸馏有单塔、两塔、三塔和多塔蒸馏等多种蒸馏工艺。等多种蒸馏工艺。643 3、淀粉质原料酒精发酵工艺、淀粉质原料酒精发酵工艺l 淀粉质原料生产酒精分为原料预处理、原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，工艺流程如下图醇发酵和蒸馏等工艺，工艺流程如下图. .65l（1）.原料预处理l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

51、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。 66l（2）蒸煮l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。67l蒸煮工艺看，蒸煮工艺看，2020世纪世纪5050年代前期我国酒精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，常用有罐式法有多种，常用有罐式( (锅式锅

52、式) )连续蒸煮、连续蒸煮、管道式连续蒸煮、塔式管道式连续蒸煮、塔式( (柱式柱式) )连续蒸煮等连续蒸煮等三种方法。三种方法。l罐式连续蒸煮工艺流程简图如图所示，罐式连续蒸煮工艺流程简图如图所示， 68（2）蒸煮工艺69l（3 3）糖化曲制备）糖化曲制备l糖化曲分成固体曲和液体曲两种，用麸皮为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。层通风培养的称为液体曲。l制曲常用霉菌。制曲常用霉菌。70l制曲过程实际上是将制曲过程实际上是将糖化菌扩大培养糖化菌扩大培养，并，并让糖化菌产生高活力的、质量合格的各种让糖化菌产生高活力的、质量合格的各种淀粉酶等酶类的过程。为此，需要提供让淀粉酶等酶类的过