F01第一章发酵原料及其处理

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1、 发发 酵酵 工工 程程化学与生命科学学院化学与生命科学学院肖肖 长长 清清复习题1主要的发酵原料及其化学组成。主要的发酵原料及其化学组成。2发酵原料的选择原则。发酵原料的选择原则。3碳氮比、前体与产物促进剂。碳氮比、前体与产物促进剂。4淀粉的分子结构。淀粉的分子结构。5淀粉在水淀粉在水-热处理过程中的物理变化。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。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。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。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。热

2、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。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。主要的连续灭菌流程。第一节第一节 发酵工业原料发酵工业原料 主要原料组成主要原料组成 原料的预处理原料的预处理 培养基的设计培养基的设计第二节第二节 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备和和糖蜜原料的处理糖蜜原料的处理第三节第三节 非粮食生物质原料的加工非粮食生物质原料的加工第四节第四节 培养基的灭菌培养基的灭菌 湿热灭菌原理湿热灭菌原理

3、 分批灭菌过程分批灭菌过程 连续灭菌过程连续灭菌过程第一章第一章 发酵原料及其处理发酵原料及其处理1.1.1 发酵的工业原料发酵的工业原料非粮食生物质：非粮食生物质：稻草、秸秆等。稻草、秸秆等。薯类薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。粮谷类：粮谷类：玉米、大米、谷子、大麦、小麦、高梁、燕麦、黍、稷等。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：农产品加工副产物：豆粕、米糠饼、麸皮、淀粉渣等。豆粕、米糠饼、麸皮、淀粉渣等。野生植物：野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根等。橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根等。1.1.1 发酵原料的化学组成发酵原料的化

4、学组成糖糖淀粉淀粉(starch)-1,4-糖苷键糖苷键-1,6-糖苷键糖苷键1.1.1 发酵原料的化学组成发酵原料的化学组成糖糖-1,4-糖苷键糖苷键1.1.1 发酵原料的化学组成发酵原料的化学组成蛋白质蛋白质豆粕豆粕 黄豆黄豆 1.1.1 发酵原料的化学组成发酵原料的化学组成脂肪脂肪黄豆黄豆 三酰甘油三酰甘油（油脂的主要存在形式）（油脂的主要存在形式）油棕油棕蓖麻蓖麻麻疯树麻疯树1.1.1 发酵原料的选择原则发酵原料的选择原则 因地制宜，就地取材。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。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。原料资源要丰富

5、，容易收集。 原料要容易贮藏。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。对人体无毒害，影响发酵过程的杂质含量少。 原料价格低廉。原料价格低廉。1.2 原料的预处理原料的预处理图图1-1 永磁溜管示意图永磁溜管示意图 图图1-2永磁滚筒结构示意图永磁滚筒结构示意图(1) 除铁除铁 将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物，将夹杂在原料中的小铁块、螺丝等金属杂物，用用磁选设备磁选设备除去。除去。磁选设备的主要部件是磁体，多采用永久磁体。磁选设备的主要部件是磁体，多采用永久磁体。磁选设备分：磁选设备分：永磁溜管永磁溜管和和永磁滚筒永磁滚筒两种类型。两种类型。1.2 原料的预处理原料的预

6、处理(2)精选精选 按颗粒长度进行按颗粒长度进行分级分级，以除去不必要的杂粒。，以除去不必要的杂粒。常用的精选机有：常用的精选机有：滚筒精选机滚筒精选机和和碟片精选机碟片精选机两种。两种。(3)筛选筛选 生产用的发酵原料大多数都是颗粒状的，其中常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，含有各种杂质，筛选筛选是其清理除杂最常用的方法。是其清理除杂最常用的方法。该过程主要用该过程主要用气流气流-筛式分离机筛式分离机来完成。来完成。1.2 原料的预处理原料的预处理图图1-5锤式粉碎机结构示意图锤式粉碎机结构示意图图图1-6辊式粉碎机结构示意图辊式粉碎机结构示意图(4)粉碎粉碎 在发酵

7、生产中，为了加速后续的生物反应和化学在发酵生产中，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，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。常需将其粉碎。常用的粉碎设备主要有：常用的粉碎设备主要有：锤式粉碎机锤式粉碎机和和辊式粉碎机辊式粉碎机。1.3 培养基的设计培养基的设计配制培养基的配制培养基的4 4个原则个原则目的明确：明确培养对象和实验目的目的明确：明确培养对象和实验目的营养协调：营养物的浓度、营养协调：营养物的浓度、配比配比适宜适宜 理化适宜：物理化学条件适宜理化适宜：物理化学条件适宜经济节约：原料来源的选择经济节约：原料来源的

8、选择碳氮比碳氮比(C/N)：碳源和氮源的组成比例。：碳源和氮源的组成比例。前体前体：能直接通过微生物的生物合成过程结合到产物分子上去，：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。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：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：量的物质。其增产机制有：是酶的诱导物；是酶的诱导物；对微生物有某种对微生物有某种益处，使发酵过程更顺利；益处，使发酵过程更顺利；稳定发酵产物；稳定发酵产物；是表面活性剂类是表面活性剂类物质，

9、可增加传氧效率，或增加产物的溶解和分散的程度。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 前体物质前体物质异青霉素异青霉素N(L-氨基己二酰）氨基己二酰）-半胱氨酸半胱氨酸-缬氨酸缬氨酸苯乙酸苯乙酸青霉素青霉素G1.3.2 产物促进剂产物促进剂IPTG:异丙基硫代异丙基硫代-半乳糖苷半乳糖苷(-半乳糖结构类似物半乳糖结构类似物) -半乳糖半乳糖乳糖启动子乳糖启动子2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备淀粉颗粒的结构淀粉颗粒的结构淀粉淀粉(starch)淀粉分子链淀粉分子链 针状晶体针状晶体 淀粉颗粒淀粉颗粒氢键氢键 聚集聚集2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备

10、淀粉在水淀粉在水-热处理过程中的物理变化热处理过程中的物理变化膨胀膨胀破裂破裂糊化糊化溶解溶解/液化液化“反生反生”/老化老化2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备淀粉颗粒的糊化淀粉颗粒的糊化2.1.1 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备淀粉水解过程中的化学变化淀粉水解过程中的化学变化淀粉淀粉复合二糖复合二糖糊精糊精麦芽糖麦芽糖葡萄糖葡萄糖5-羟甲基糠醛羟甲基糠醛低聚糖低聚糖有机酸、有色物质有机酸、有色物质水解反应水解反应复合反应复合反应分解反应分解反应2.1.2 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备酸解法酸解法淀粉淀粉调浆调浆过筛过筛加酸加酸进料进料糖化糖化放料放料冷却冷却中和中和脱色脱色过

11、滤过滤糖液糖液盐酸或硫酸盐酸或硫酸水解压力：水解压力：0.28 MPa水解时间：水解时间：15 min左右左右终点检查：无水酒精检查终点检查：无水酒精检查尽量采用较低尽量采用较低的淀粉乳浓度的淀粉乳浓度Na2CO3或或NaOH活性碳活性碳离子交换树脂离子交换树脂新型磺化煤新型磺化煤2.1.2 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备水解终点检查水解终点检查淀粉淀粉蓝糊精蓝糊精红糊精红糊精无色糊精无色糊精麦芽糖麦芽糖葡萄糖葡萄糖碘碘蓝紫色蓝紫色蓝色蓝色红色红色无色无色无色无色无色无色无水酒精无水酒精不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶不溶微溶微溶溶溶2.1.2 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备酸解法和酶解法的比

12、较酸解法和酶解法的比较酸解法酸解法优点优点：工艺简单、水解时间短、设备生产能力大。不足不足： 高温高压及酸腐蚀；副反应多；要求淀粉颗粒大小均匀 。酶解法酶解法优点优点：反应条件温和；副反应少，糖液较纯净；淀粉液要求低。不足不足：生产周期长；设备更复杂。酸酶法酸酶法 特点：特点：先酸液化，后糖化酶糖化。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 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备双酶法制备葡萄糖双酶法制备葡萄糖-淀粉

13、酶淀粉酶(淀粉淀粉-1,4-糊精酶糊精酶)脱支酶脱支酶(淀粉淀粉-1,6-糊精酶糊精酶)-淀粉酶淀粉酶(淀粉淀粉-1,4-麦芽糖苷酶麦芽糖苷酶)-淀粉酶淀粉酶(糖化酶糖化酶)葡萄糖葡萄糖麦芽糖麦芽糖2.1.2 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备双酶法制备葡萄糖双酶法制备葡萄糖17532蒸汽水14656117108 91213141516181-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-糖化罐糖化罐 15-压滤机 16-糖化暂贮槽 18-贮糖槽液化条件液化条件 淀粉状态：先加热

14、糊化淀粉状态：先加热糊化 温度：温度：8090 pH：6.07.0液化程度控制：碘液显色液化程度控制：碘液显色糖化条件糖化条件 温度：温度：5060 pH：4.05.0 终点检查：无水酒精检查终点检查：无水酒精检查2.1.2 淀粉水解糖的制备淀粉水解糖的制备水解糖液质量要求水解糖液质量要求DE=还原糖量（以葡萄糖计）值（葡萄糖值）干物质量 色泽：浅黄色泽：浅黄 透光率：透光率：60% 糊精反应：无糊精反应：无 还原糖含量：还原糖含量：18%左右左右 DE值：值： 90% pH:4.64.8 其他：无杂菌、不变质、杂质少其他：无杂菌、不变质、杂质少2.3.1 糖蜜原料的处理糖蜜原料的处理糖蜜的来

15、源糖蜜的来源2.3.2 糖蜜原料的处理糖蜜原料的处理糖蜜的特点糖蜜的特点成分成分锤度锤度oBx全糖分全糖分 蔗糖蔗糖转化糖转化糖纯度纯度pH胶体胶体硫酸灰分硫酸灰分总氮量总氮量总磷量总磷量甘蔗糖蜜甘蔗糖蜜亚硫酸法亚硫酸法83.8349.77 29.7720.0059.386.0 5.8710.450.4650.595碳酸法碳酸法82.00 54.80 35.8019.0059.006.27.511.10.540.12甜菜糖蜜甜菜糖蜜79.649.449.27 0.1362.07.410.0010.002.160.035锤度：可溶性固形物的百分率。锤度：可溶性固形物的百分率。 如锤度为如锤度为6

16、0%60%，即表示，即表示100100公斤糖液中含公斤糖液中含6060公斤固形物，含公斤固形物，含4040公斤水。公斤水。2.4 糖蜜原料的处理糖蜜原料的处理糖蜜前处理的方法糖蜜前处理的方法1加酸通风沉淀法加酸通风沉淀法 此法又称为冷酸通风处理法冷酸通风处理法，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加热加酸沉淀法加热加酸沉淀法 此法又称为热酸处理法热酸处理法。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

17、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非粮食生物质的组成纤维素纤维素(Cellulose)半纤维素半纤维素(Hemicellulose)木质素木质素(Lignin)3.1 非粮食生物质的组成非粮食生物质的组成类别类别纤维素纤维素基质多糖基质多糖木质素木质素结构蛋白结构蛋白果胶果胶半纤维素半纤维素主要成分主要成分(14)-D-葡聚糖微纤

18、丝葡聚糖微纤丝同聚半乳糖醛酸同聚半乳糖醛酸聚鼠李糖半乳糖醛酸聚鼠李糖半乳糖醛酸阿拉伯聚糖阿拉伯聚糖半乳聚糖半乳聚糖木葡聚糖木葡聚糖木聚糖木聚糖葡甘露聚糖葡甘露聚糖阿拉伯糖基木聚糖阿拉伯糖基木聚糖(13)-D-葡聚糖葡聚糖(13, 14)-D-葡聚糖葡聚糖苯基丙烷聚合物苯基丙烷聚合物植物细胞壁的结构成分植物细胞壁的结构成分3.1 非粮食生物质的组成非粮食生物质的组成木质素木质素木质素木质素3.1 非粮食生物质的组成非粮食生物质的组成果胶果胶 果胶质是直线型高聚体，以果胶质是直线型高聚体，以D-半乳糖醛酸半乳糖醛酸为基本结构单位，为基本结构单位，通过通过-1,4糖苷键连接。糖苷键连接。 3.1 非

19、粮食生物质的组成非粮食生物质的组成半纤维素半纤维素 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。最丰富的多糖。 木聚糖的结构是一种多聚五碳糖，由木聚糖的结构是一种多聚五碳糖，由-D-1,4-木糖苷键连接起木糖苷键连接起来，并带有多种取代基。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，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。其中以木糖为主。3.1 非粮食生物质的组成非粮食生物质的组成纤维素纤维素3.2 纤维质原料的预处理纤维质原料的预处理图图1-13 预处理和

20、未预处理玉米秸秆酶解效果的比较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纤维质原料的预处理l物理方法物理方法 (1)机械法机械法 (2)高温液态法高温液态法 (3)高温分解高温分解 (4)微波处理微波处理 (5)高能辐射高能辐射2化学方法化学方法 (1)臭氧分解法臭氧分解法 (2)酸水解法酸水解法 (3)碱水解法碱水解法 (4)氧化脱木素法氧化脱木素法 (5)有机溶剂法有机溶剂法3物理化

21、学方法物理化学方法 (1)蒸汽爆破法蒸汽爆破法 (2)氨纤维爆破法氨纤维爆破法 (3)CO2爆破法爆破法 (4)蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法蒸汽爆裂与乙醇抽提结合法 (5)氨冷冻爆破法氨冷冻爆破法4生物方法生物方法3.3.1 纤维质原料的水解纤维质原料的水解酸法水解酸法水解3.3.2 纤维质原料的水解纤维质原料的水解纤维素的酶法水解纤维素的酶法水解3.3.2 纤维质原料的水解纤维质原料的水解半纤维素的酶法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典型生长曲线的数学模型t0lnN0t1lnNt4.1.1 典型生长曲线的数学模型典型生长曲线的数学模型t0lnN0t1lnNt4.1.1 湿

22、热灭菌原理湿热灭菌原理热死动力学方程热死动力学方程0tlnNN01lntNKtN=K：比热死速率常数：比热死速率常数t0lnNNt001lntNKtN-=4.1.1 湿热灭菌原理湿热灭菌原理灭菌时间的计算灭菌时间的计算t0lnNNt-K1t10N0：实际测量获得：实际测量获得Nt ：技术指标，：技术指标， Nt =0.00100.001lnN4.1.1 湿热灭菌原理湿热灭菌原理灭菌时间的计算灭菌时间的计算【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

23、为0.1时所需要的灭菌时间，lge=0.4343)。 4.1.2 湿热灭菌原理湿热灭菌原理影响比热死速率常数影响比热死速率常数K的因素的因素t0lnNNt-K1-K2t1t2000.001lnNK值越小值越小灭菌时间越长灭菌时间越长微生物越耐热微生物越耐热菌种特性菌种特性环境条件环境条件灭菌温度灭菌温度4.1.2 湿热灭菌原理湿热灭菌原理温度对温度对K值的影响值的影响图图1-18 嗜热脂肪芽孢杆菌营养体细胞及孢子的热死速率嗜热脂肪芽孢杆菌营养体细胞及孢子的热死速率 4.1.2 湿热灭菌原理湿热灭菌原理温度对温度对K值的影响值的影响t0lnNNt-Km-Kn 营养物比破坏率营养物比破坏率tm-K

24、n-Kmtm高温短时灭菌，可以减少对营养物质的破坏高温短时灭菌，可以减少对营养物质的破坏00.001lnN营养物营养物破坏率破坏率4.2.1 分批灭菌分批灭菌操作过程操作过程4.2.2 分批灭菌分批灭菌影响因素影响因素(1)培养基成分的影响培养基成分的影响 油脂、糖类及一定浓度的蛋白质可增加微生物的耐热性；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。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培养基物理状态的影响 颗粒大灭菌难；颗粒小灭菌易。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培养基中微生物数量的影响 营养丰富

25、或变质的原料中含菌量远比化工原料的含菌量多，因此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。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。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。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微生物细胞菌龄的影响 幼龄细胞更易杀灭。幼龄细胞更易杀灭。(7)空气排除情况的影响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。如果罐内空气

26、未能排除彻底，温度将达不到要求。(8)泡沫的影响泡沫的影响 泡沫中的空气能形成隔热层，而影响热量发挥杀菌作用。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。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 分批灭菌分批灭菌影响因素影响因素4.3 连续灭菌过程连续灭菌过程分批灭菌与连续灭菌分批灭菌与连续灭菌4.3 连续灭菌过程连续灭菌过程分批灭菌分批灭菌优点优点：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。不足不足：

27、 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。连续灭菌连续灭菌优点优点：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，易于实现自动化操作。不足不足：对设备与蒸汽的质量要求较高；操作复杂，染菌机会多；不适合含有大量固体物料培养基的灭菌。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，易于实现自动化操作。 对设备与蒸汽的质量要求较高；操作复杂，染菌机会多；不适合含有大量固体物料培养基的灭菌。4.3.1 连消塔连消塔喷淋冷却流程喷淋冷却流程图图1-22 连消塔连消塔喷淋冷却流程示意图喷淋冷却流程示意图4.3.1 连消塔与连消器连消塔与连消器图图1-26 连消器的结构示意图连消器的结构示意图 图图1-25 连消塔的结构示意图连消塔的结构示意图 4.3.2 喷射加热喷射加热真空冷却流程真空冷却流程图图1-23 喷射加热喷射加热-真空冷却流程示意图真空冷却流程示意图 图图1-28 喷射加热器结构示意图喷射加热器结构示意图4.3.3 薄板换热器灭菌流程薄板换热器灭菌流程图图1-24 薄板换热器连续灭菌流程示意图薄板换热器连续灭菌流程示意图 薄板换热器薄板换热器