柠檬酸酒精等的发酵生产

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1、第一节第一节二、有机酸发酵生产二、有机酸发酵生产-柠柠 檬酸檬酸三、三、酒精发酵生产酒精发酵生产五、五、抗生素的发酵生产抗生素的发酵生产二二 柠檬酸发酵生产柠檬酸发酵生产柠檬酸酸味纯正，是食品、饮料的优良酸味剂，第一食用酸味剂。工业上应用很广泛，是合成多种工业品的原料。发酵法生产柠檬酸，总产量世界第一，大量出口。一、柠檬酸发酵生产机制一、柠檬酸发酵生产机制（一）柠檬酸合成途径（一）柠檬酸合成途径柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。柠檬酸合成途径：柠檬酸合成途径：丙丙 乙酰乙酰COACOA葡萄糖葡萄糖 酮酮 柠檬酸柠檬酸 酸酸 草酰乙酸草酰乙酸氧化脱羧氧化脱羧羧化羧化

2、EMP柠檬酸的累积黑曲霉中柠檬酸合成酶没有调节作用黑曲霉中-酮戊二酸脱氢酶酮戊二酸脱氢酶缺失或活力弱黑曲霉中顺乌头酸水合酶在催化时建立以下平衡：柠檬酸：顺乌头酸：异柠檬酸=90:3:7控制Fe2+含量，顺乌头酸水合酶活力低，当柠檬酸累积PH=2时，顺乌头酸酶和异柠檬酸脱氢酶失活，造成柠檬酸大量累积除去铁为主的金属离子以糖蜜为原料时，用阳离子交换树脂、金属螯合剂（EDTA）除去铁为主的金属离子，或加黄血盐控制糖蜜中的铁离子以淀粉（玉米、薯干）为原料，先用-淀粉酶和糖化酶将淀粉水解成糖液，再除铁离子（二）柠檬酸发酵生产工艺（二）柠檬酸发酵生产工艺 1、菌种菌种：黑曲霉。黑曲霉。2、种子培养种子培养

3、：麦芽汁琼脂斜面，麦芽汁琼脂斜面，351，培育，培育5天；天；三角瓶，三角瓶，351，培育，培育10天；天；转种子罐。转种子罐。（二）柠檬酸发酵生产工艺（二）柠檬酸发酵生产工艺3、种子罐培养种子罐培养：培养基：薯干粉碎、液化后的糖液；培养基：薯干粉碎、液化后的糖液；空消：种子罐、分过滤器，空消：种子罐、分过滤器，130，30分；分；实消：列管加热至实消：列管加热至80，直接进蒸汽至，直接进蒸汽至125，15-20分；分；接种：冷却至接种：冷却至351，接麸曲种，接麸曲种1；培养：培养：351，罐压：，罐压：0.1Mpa，通风搅拌培养，通风搅拌培养 时间时间20-30小时小时。（二）柠檬酸发酵生

4、产工艺（二）柠檬酸发酵生产工艺4、发酵发酵：机械搅拌通气式发酵罐：机械搅拌通气式发酵罐培养基：薯干淀粉水解糖；培养基：薯干淀粉水解糖；空消：发酵罐、分过滤器，空消：发酵罐、分过滤器，130，30分；分；实消：列管加热至实消：列管加热至80，直接进蒸汽至，直接进蒸汽至125，15-20分；分；接种：冷却至接种：冷却至351，接种子罐菌种，接种子罐菌种10；培养：培养：温度：温度：351，罐压：罐压：0.1Mpa，通风搅拌培养，时间：通风搅拌培养，时间：50-60小时。小时。三、柠檬酸提取生产工艺（钙盐法）三、柠檬酸提取生产工艺（钙盐法）1、发酵液过滤：、发酵液过滤：带式过滤机带式过滤机2、中和：

5、、中和：滤液中除含柠檬酸外，还含可溶性的残滤液中除含柠檬酸外，还含可溶性的残 糖以及蛋糖以及蛋白质、金属离子等杂质。利用柠檬酸钙难溶于水的特点，白质、金属离子等杂质。利用柠檬酸钙难溶于水的特点，与杂质分离的过程。与杂质分离的过程。3、酸解：酸解：中和所得钙盐经过滤、洗涤，与硫酸反应生成柠檬中和所得钙盐经过滤、洗涤，与硫酸反应生成柠檬酸和硫酸钙沉淀，过滤，滤液含较纯的柠檬酸。酸和硫酸钙沉淀，过滤，滤液含较纯的柠檬酸。四、柠檬酸精制生产工艺四、柠檬酸精制生产工艺 1、离子交换：、离子交换：阳离子交换：主要除钙离子、铁离子；阳离子交换：主要除钙离子、铁离子；阴离子交换：主要除硫酸根、氯离子；阴离子交

6、换：主要除硫酸根、氯离子；2、蒸发浓缩：外循环减压蒸发，、蒸发浓缩：外循环减压蒸发，65；3、结晶分离：高温连续或分批冷却结晶；、结晶分离：高温连续或分批冷却结晶；4、干燥包装：离心、沸腾干燥、质检、装袋、干燥包装：离心、沸腾干燥、质检、装袋、封口。封口。三、酒精发酵生产三、酒精发酵生产（AlcoholFermentation）12酒精制造过程原料(淀粉、纤维素)单糖发酵产物酒精水解发酵蒸馏Yeast(Saccharomyces cerevisae)酸解酶解13一、酒精生产原料一、酒精生产原料 1.淀粉质原料淀粉质原料 (1)薯类原料：甘薯、木薯和马铃薯等薯类原料：甘薯、木薯和马铃薯等 (2)

7、谷物原料：玉米、高梁、大米和小麦等谷物原料：玉米、高梁、大米和小麦等 2.糖类原料糖类原料 糖蜜、甘蔗、甜菜等糖蜜、甘蔗、甜菜等 3.纤维质原料纤维质原料 农作物秸秆、甘蔗渣农作物秸秆、甘蔗渣 我国发酵酒精的80%是用淀粉质原料生产的，其中薯类原料约占45%，玉米等谷物为原料约占35%。1415二、酒精发酵微生物二、酒精发酵微生物 1.糖化菌糖化菌（将淀粉、纤维素转化为糖）将淀粉、纤维素转化为糖）曲霉（曲霉（Aspergillus spp.）根霉（根霉（RhizopusRhizopus spp.spp.）2.酒母酒母（将糖转化为乙醇将糖转化为乙醇）啤酒酵母（啤酒酵母（Saccharomyces

8、 cerevisiae Saccharomyces cerevisiae）及其变种及其变种16三、酒精发酵生化机制 第一型发酵第一型发酵：无氧、中性或偏酸性条件无氧、中性或偏酸性条件 CH3COCOOH CH3CHO+CO2CH3CHO+NADH2 CH3CH2OH+NAD第三型发酵第三型发酵：无氧、碱性条件无氧、碱性条件乙醛发生岐化反应，磷酸二羟丙酮作为受氢体，产物为甘乙醛发生岐化反应，磷酸二羟丙酮作为受氢体，产物为甘油、乙醇、乙酸。油、乙醇、乙酸。脱羧酶脱羧酶乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶 C C6 6HH1212OO6 62CH2CH3 3COCOOHCOCOOH 2CH 2CH3 3CHOCHO

9、 2CH 2CH3 3CHCH2 2OHOHNADNADH2-2CO2EMP2ATP乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶酒精发酵：产物：产物：乙醇、乙醇、CO2发生条件：无氧条件发生条件：无氧条件 途径：途径：EMP 菌种：酵母菌菌种：酵母菌该乙醇发酵过程在该乙醇发酵过程在该乙醇发酵过程在该乙醇发酵过程在pH3.54.5pH3.54.5及厌氧的条件下发生及厌氧的条件下发生及厌氧的条件下发生及厌氧的条件下发生 。（无氧）（无氧）脱羧酶脱羧酶第一型发酵第一型发酵（还原）（还原）四、原料不同工艺不同不同生产原料，酒精发酵生化过程不同。对糖质原料，可直接利用酵母将糖转化成乙醇。对于淀粉质和纤维质原料，首先要进行淀粉和

10、纤维质的水解（糖化），再由酒精发酵菌将糖发酵成乙醇。201.淀粉质和纤维质原料的水解淀粉的糊化、液化 淀粉在水中经加热会吸收一部分水而发生溶胀。如果继续加热至一定温度（一般6080）,淀粉粒即发生破裂,造成黏度迅速增大,体积也随之迅速变大,这种现象称为淀粉的糊化1.淀粉质和纤维质原料的水解 不同种类淀粉糊化温度有所不同,苷薯、马铃薯、玉米和小麦淀粉的糊化温度分别为7076、5967、6472和6568。发生糊化现象称为淀粉的溶解，或称为液化。马铃薯、小麦和玉米支链淀粉完全液化的温度为132、7080、136141和146151。纤维质原料的水解强酸、强碱水解 酶水解：采用纤维素酶 里斯木霉、绿

11、色木霉由于纤维素的性能稳定,无论用酸水解还是用酶水解，都存在水解速度慢,糖得率低的问题，这是影响纤维素科学利用的难题之一纤维素生产酒精工艺纤维素生产酒精工艺24五、酒精发酵工艺五、酒精发酵工艺 淀粉质原料酒精生产的特点淀粉质原料酒精生产的特点 以薯类和谷类等为原料以薯类和谷类等为原料 原料需要蒸煮原料需要蒸煮 淀粉质原料需要进行糖化淀粉质原料需要进行糖化 25 淀粉质原料酒精生产工艺流程淀粉质原料酒精生产工艺流程 大米大米 曲霉菌曲霉菌 麸皮麸皮 淀粉质原料淀粉质原料 酵母酵母 米曲霉米曲霉米曲米曲 固体试管酵母固体试管酵母 米曲汁米曲汁 米曲汁米曲汁试管培养试管培养三角瓶培养三角瓶培养 粉碎

12、粉碎 三角瓶液体酵母三角瓶液体酵母 曲种曲种 蒸煮蒸煮 卡式罐酒母卡式罐酒母 糖化曲液糖化曲液 糖化糖化酒母糖化醪酒母糖化醪小酒母小酒母 发酵发酵 大酒母大酒母 蒸馏蒸馏 酒糟废液酒糟废液 酒精酒精 杂醇油杂醇油26淀粉颗粒淀粉颗粒淀粉分子淀粉分子可发酵性糖可发酵性糖酒精酒精9595乙醇乙醇(C6H10O5)n+nH2OnC6H12O62nC2H6O+2nCO2+2nATP主要步骤主要步骤：1.原料粉碎原料粉碎2.蒸煮糊化蒸煮糊化3.曲霉糖化曲霉糖化4.酵母发酵酵母发酵5.蒸馏提纯蒸馏提纯271.原料预处理原料预处理（1）除杂）除杂筛选、风选、磁力除铁筛选、风选、磁力除铁 原料先要通过振荡筛、

13、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。（2）粉碎）粉碎干法干法、湿法、湿法粉碎的目的是有利于淀粉颗粒的吸水膨胀、糊化,设备大多采用锤式粉碎机,采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，经细粉碎后颗粒一般小于2.0mm。湿粉碎时,将蒸煮所需水量和原料一起粉碎,原料粉末不飞扬,省去除尘通风设备,但粉碎后的粉料不能储存,宜立即用于生产。282.蒸煮蒸煮作用：作用：打破植物细胞壁的保护作用，使淀粉颗粒从细胞打破植物细胞壁的保护作用，使淀粉颗粒从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，便于糖化；中游离出来，并转化为溶解状态，便于糖化；对原料灭菌。对原料灭菌。方法：方法：连续蒸煮连续蒸煮29粉碎机分离器风

14、机拌料罐泵蒸煮罐1蒸煮罐2蒸煮罐3汽液分离器原料二次蒸汽糖化蒸汽粉尘水洗3.糖化曲的制备糖化曲的制备（1）菌种）菌种 木霉（木霉（Trichoderma spp.）、曲霉（）、曲霉（Aspergillus spp.）根霉（根霉（Rhizopus spp.）、芽孢杆菌（）、芽孢杆菌（Bacillus spp.）（2）方法）方法 固体曲固体曲 液体曲液体曲314.糖化糖化方法分成间歇糖化和连续糖化两类。目前我国大多数酒精厂采用后者。(1)间歇糖化工艺间歇糖化在糖化锅内进行。蒸煮醪放入并冷却到6162时，加入糖化剂，搅拌均匀后静止糖化30min，再冷却至30后供发酵用。4.糖化(2)连续糖化工艺 5

15、.酒母制备菌种储存酵母菌分离接种扩大培养35菌种培养卡氏罐接种366.发酵工艺发酵工艺（1 1）方式：）方式：间歇式、半连续式、连续式。间歇式、半连续式、连续式。（2 2）过程：）过程：前发酵期前发酵期酒母迅速繁殖，酒母迅速繁殖，10h 10h 主发酵期主发酵期乙醇发酵，乙醇发酵，12h12h 后发酵期后发酵期发酵作用弱，发酵作用弱，40h40h 总时间：总时间：6072h37387.蒸馏与精馏蒸馏与精馏（1）蒸馏塔（粗馏塔、醪塔）蒸馏塔（粗馏塔、醪塔）粗酒精、酒糟粗酒精、酒糟（2）精馏塔）精馏塔成品酒精、杂醇油成品酒精、杂醇油 头级杂质：乙醛、甲醇等（工业酒精）头级杂质：乙醛、甲醇等（工业酒

16、精）中间级杂质：异丁酸乙酯、异戊酸乙酯等中间级杂质：异丁酸乙酯、异戊酸乙酯等 尾级杂质：杂醇油尾级杂质：杂醇油39六、固定化细胞生产酒精六、固定化细胞生产酒精 使用固定化酵母，可以以一个反应塔代替多个使用固定化酵母，可以以一个反应塔代替多个 发酵罐，发酵时间由发酵罐，发酵时间由30h 3h,3h,乙醇生产能力大大乙醇生产能力大大提高提高40 五、抗生素的发酵生产五、抗生素的发酵生产41 抗生素是微生物产生的具有生物活性的物质抗生素是微生物产生的具有生物活性的物质，这类物，这类物质质能在低浓度下抑制或杀灭活细胞能在低浓度下抑制或杀灭活细胞，这种作用又有很强的，这种作用又有很强的选择性。选择性。抗

17、生素是人们使用最多的药物抗生素是人们使用最多的药物，也是制药工业，也是制药工业中利润最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素约中利润最高的产品。世界各国由发酵法生产的抗生素约400种，广泛应用的仅种，广泛应用的仅120种，其他主要是毒性大、成本种，其他主要是毒性大、成本高，无商业应用价值。高，无商业应用价值。青霉素是最早发现并用于临床的青霉素是最早发现并用于临床的种抗生素，种抗生素，19281928年年为英国人为英国人A.FlemingA.Fleming发现，发现，4040年代投入工业生产。我们年代投入工业生产。我们就以青霉素为例简单介绍抗生素的发酵生产过程。就以青霉素为例简单介绍抗生素的发酵

18、生产过程。一一 抗生素的生产方法抗生素的生产方法生产方法：生产方法：1 1、生物合成法：、生物合成法：传统方法传统方法 “工程菌工程菌”制造法制造法 细胞融合技术法细胞融合技术法 2 2、化学合成法；、化学合成法；3 3、生物合成加化学合成法。、生物合成加化学合成法。1 1、生物合成法：、生物合成法：传统方法传统方法 大多数抗生素是由大多数抗生素是由放线菌和霉菌产生放线菌和霉菌产生的。一般采的。一般采用深层液体培养、通风搅拌发酵罐生产。用深层液体培养、通风搅拌发酵罐生产。最初由弗莱最初由弗莱明分离的点青霉，只能产生明分离的点青霉，只能产生2 U2 Umlml的青霉素。的青霉素。人们采用人们采用

19、基因工程和细胞融合技术基因工程和细胞融合技术，对抗生素产，对抗生素产生菌进行了改造和重新设计，不仅可以制造出许多高生菌进行了改造和重新设计，不仅可以制造出许多高效低毒的新型抗生素，还可使抗生素产量成倍地增长。效低毒的新型抗生素，还可使抗生素产量成倍地增长。青霉素工业发酵生产水平已达青霉素工业发酵生产水平已达85 000U85 000Umlml以上。以上。1 1、生物合成法：、生物合成法：“工程菌工程菌”制造法制造法 第一次由第一次由“工程菌工程菌”制造的全新抗生素制造的全新抗生素麦迪紫红麦迪紫红素素A，是美国报道的。他们将产放线紫红素的部分基因，是美国报道的。他们将产放线紫红素的部分基因插入产

20、麦迪霉素的放线菌中，构建的插入产麦迪霉素的放线菌中，构建的“工程菌工程菌”产生产生了全新的抗生素。了全新的抗生素。我国新构建的生产丁胺卡那霉素的我国新构建的生产丁胺卡那霉素的“工程菌工程菌”，就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。就是把酰化酶基因克隆到卡那霉素产生菌中获得的。新的新的“工程菌工程菌”生产的新抗生素毒副作用小，对耐卡生产的新抗生素毒副作用小，对耐卡那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效显著。那霉素、庆大霉素致病菌临床疗效显著。1 1、生物合成法：、生物合成法：细胞融合技术细胞融合技术 对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出。对抗生素产生菌采用细胞融合技术的成果更为突出。目前

21、目前DNA重组技术已广泛用于红霉素、链霉素等重组技术已广泛用于红霉素、链霉素等20多种多种抗生素的育种工作，可以预见不久将来会有更多的由抗生素的育种工作，可以预见不久将来会有更多的由“工程菌工程菌”生产的新型抗生素问世生产的新型抗生素问世。2 2、化学合成法、化学合成法 根据某种根据某种抗生素的化学组成和结构，通过抗生素的化学组成和结构，通过化化学合成的方法，可生产部分学合成的方法，可生产部分抗生素。抗生素。如：氯霉素、磷霉素等。如：氯霉素、磷霉素等。经过经过化学合成方法和控制条件的不断深入研化学合成方法和控制条件的不断深入研究，越来越多的究，越来越多的抗生素可用抗生素可用化学合成法生产。化学

22、合成法生产。3 3、生物合成加化学合成法、生物合成加化学合成法 许多细菌逐渐出现了许多细菌逐渐出现了抗药性抗药性，已经证实某些抗药性因子位于，已经证实某些抗药性因子位于细菌内的质粒上，质粒可以在细菌之间转移，结果抗性菌日益增细菌内的质粒上，质粒可以在细菌之间转移，结果抗性菌日益增多，抗生素疗效就越来越低。多，抗生素疗效就越来越低。为了对付细菌的抗药性，科学家对原有的抗生素进行了为了对付细菌的抗药性，科学家对原有的抗生素进行了“整整容手术容手术”，细菌因再无法识别改头换面的抗生素而被抑制或杀死。，细菌因再无法识别改头换面的抗生素而被抑制或杀死。现在已能使用克隆了酰化酶基因的现在已能使用克隆了酰化

23、酶基因的“工程菌工程菌”（大肠杆菌）（大肠杆菌）高效率的生产半合成抗生素。临床现在使用的先锋霉素（头孢菌高效率的生产半合成抗生素。临床现在使用的先锋霉素（头孢菌素类）、氨苄青霉素，就是这类素类）、氨苄青霉素，就是这类半合成抗生素类药物半合成抗生素类药物。二、青霉素生产工艺二、青霉素生产工艺1、菌种：产黄青霉、菌种：产黄青霉生长发育分六个阶段：生长发育分六个阶段：期：菌丝生长期，适宜做种子；期：菌丝生长期，适宜做种子；期：青霉素分泌期；期：青霉素分泌期；期：菌丝体自溶期。期：菌丝体自溶期。2、培养基：、培养基：碳源：普遍采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液进碳源：普遍采用淀粉经酶水解的葡萄糖糖化液进行

24、行流加流加或或分批补料加入，分批补料加入，葡萄糖加速菌体呼吸，溶葡萄糖加速菌体呼吸，溶解氧浓度低，解氧浓度低，PH下降，对生物合成酶系阻遏和抑下降，对生物合成酶系阻遏和抑制。制。氮源：玉米浆、麸皮粉、无机氮源；氮源：玉米浆、麸皮粉、无机氮源；前体：苯乙酸或苯乙酰胺；（前体：苯乙酸或苯乙酰胺；（0.1，多次加入，多次加入，减少对菌体的毒害）减少对菌体的毒害）无机盐：无机盐：S、P、Ga、Mg、K等。等。铁离子铁离子有毒害，有毒害，控制在控制在30g/mLg/mL。3、发酵条件控制、发酵条件控制补糖：残糖降至补糖：残糖降至0.6（PH上升）；上升）；补氮：氨氮补氮：氨氮0.05，补硫铵、氨水或尿素

25、；，补硫铵、氨水或尿素；PH：6.46.6，加葡萄糖、加酸、加碱调节；，加葡萄糖、加酸、加碱调节；温度：前期，温度：前期，25-26；后期，；后期，23，减少对青霉，减少对青霉素的降解破坏；素的降解破坏；通气搅拌，溶氧：通气搅拌，溶氧：氧饱和溶解度的氧饱和溶解度的30；消沫剂：玉米油、豆油或化学合成消沫剂。消沫剂：玉米油、豆油或化学合成消沫剂。4、青霉素的分离纯化、青霉素的分离纯化 过滤：板框、真空转鼓；过滤：板框、真空转鼓；萃取：醋酸丁脂，萃取：醋酸丁脂，2-3次；次；脱色：活性碳，脱色：活性碳，150-200g/10亿单位；亿单位；结晶：浓缩结晶或直接结晶；结晶：浓缩结晶或直接结晶；洗涤洗

26、涤 干燥干燥(1)(1)过滤：絮凝，采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并过滤：絮凝，采用鼓式真空过滤器，过滤前加去乳化剂并降温降温(2)(2)提炼提炼用溶媒萃取法。用溶媒萃取法。低温操作。低温操作。将发酵滤液酸化至将发酵滤液酸化至pH 2，加加1/3体积的醋酸丁酯（体积的醋酸丁酯（BA），混合后以碟片式离心机分离，），混合后以碟片式离心机分离，得一次得一次BA提取液。然后以提取液。然后以1.3%1.9%NaHCO3在在pH 6.8 7.1条件下将青霉素从条件下将青霉素从BA中提取到缓冲液中。再调中提取到缓冲液中。再调pH至至2.0，将青霉素从缓冲液再次转入到，将青霉素从缓冲液再次转入到BA中

27、，方法同上，中，方法同上，二次二次BA提取液。提取液。(3)(3)脱色脱色 在二次在二次B AB A提取液中加活性炭提取液中加活性炭150 150 一一300g300g1010亿单位，亿单位，脱色、过滤。脱色、过滤。(4)(4)结晶结晶 用丁醇共沸结晶法。将二次用丁醇共沸结晶法。将二次BABA萃取以萃取以0.5 mol/L NaOH 0.5 mol/L NaOH 液萃取，调液萃取，调pHpH至至6.4 6.4 6.86.8，得青霉素钠盐水浓缩液。加，得青霉素钠盐水浓缩液。加3 34 4倍体积的丁醇，在倍体积的丁醇，在16162626，5 510 mmHg10 mmHg下真空蒸馏，下真空蒸馏，将水与丁醇共沸物蒸出，并随时补加丁醇。当浓缩到原来水将水与丁醇共沸物蒸出，并随时补加丁醇。当浓缩到原来水浓缩体积，蒸出馏分中含水达浓缩体积，蒸出馏分中含水达2 2 4 4 时，即停止蒸馏。时，即停止蒸馏。青霉素钠盐结晶析出，过滤，将晶体洗涤后进行干燥得成青霉素钠盐结晶析出，过滤，将晶体洗涤后进行干燥得成品。可在品。可在6060，20mmHg20mmHg真空中烘真空中烘16 h16 h，然后磨粉、装桶。，然后磨粉、装桶。