1、第二篇發(fā)酵過(guò)程及相關(guān)設(shè)備1第四章培養(yǎng)基及其制備2本章教學(xué)內(nèi)容第一節(jié)原料第二節(jié)原料的預(yù)處理第三節(jié)淀粉的水解糖的制備第四節(jié)糖蜜原料的處理第五節(jié)非糧食生物質(zhì)的轉(zhuǎn)化第六節(jié)前體物質(zhì)、促進(jìn)劑3第一節(jié)原料一、原料的定義及選擇原則1,原料的定義:從工藝角度來(lái)看,凡是能被生物細(xì)胞利用并轉(zhuǎn)化成所需的代謝產(chǎn)物或菌體的物料,都可作為發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的原料。42,原料選擇的原則原料價(jià)格低廉;因地制宜,就地取材;原料資源要豐富,容易收集;原料要容易貯藏;對(duì)人體無(wú)害,影響發(fā)酵過(guò)程的雜質(zhì)含量因應(yīng)當(dāng)極少,或者幾乎不含;適合微生物的需要和吸收利用。對(duì)生產(chǎn)中除發(fā)酵以外的其他方面,如通氣、攪拌、精制、廢棄物的處理等所帶來(lái)的困難最少。5在

2、確定原料選擇原則時(shí)需注意的問(wèn)題所選用的培養(yǎng)基與所使用的發(fā)酵罐的結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如ICI公司因指定用甲醇和氨生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白質(zhì)而另行設(shè)計(jì)新的發(fā)酵罐。同樣的理由,在一個(gè)巳設(shè)定的發(fā)酵罐中,發(fā)酵必然會(huì)受到培養(yǎng)基組份改變的影響。從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模放大到實(shí)驗(yàn)工廠規(guī)模,以至于放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模,都要考慮培養(yǎng)基的組份的變化。培養(yǎng)基的組成,除了考慮到菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物的形成的需要外,還要考慮到培養(yǎng)基的pH變化、泡沫的形成、氧化還原電位和微生物的形態(tài)等,而且還有前體和代謝抑制劑的需要。6二、常用主要原料及其化學(xué)組成1,常用原料種類(lèi)薯類(lèi):甘薯、馬鈴薯、木薯、山藥等。糧谷類(lèi):高粱、玉米、大米、谷子、大麥、小麥、燕麥、黍和稷等。野生植

3、物:橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金剛頭、香符子等。農(nóng)產(chǎn)品加工副產(chǎn)物:米粞、米糠餅、麩皮、高粱糠、淀粉渣等。非糧食生物質(zhì)原料:纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等。72,常用原料的化學(xué)組成碳水化學(xué)物:主要是單糖和雙糖,發(fā)酵微生物的碳源和能源。一些多糖則需轉(zhuǎn)化為單糖或雙糖后才被利用。蛋白質(zhì):蛋白質(zhì)經(jīng)蛋白酶分解后產(chǎn)生的多肽或氨基酸,是糖化菌和酵母菌生長(zhǎng)繁殖的氮源。脂肪:針對(duì)不同的發(fā)酵產(chǎn)品其作用有較大差別灰分:主要是P、Mg、K、S、Ca等元素,是微生物生長(zhǎng)和代謝所必需的。8三、工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)1,為何要進(jìn)行培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)?完善的培養(yǎng)基設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)工廠和生產(chǎn)規(guī)模的放大中的一個(gè)重要步驟。在發(fā)酵

4、過(guò)程中,我們的目的產(chǎn)品是菌體或代謝產(chǎn)物。而發(fā)酵培養(yǎng)基是否適合于菌體的生長(zhǎng)或積累代謝產(chǎn)物,對(duì)最終產(chǎn)品的得率具有非常大的影響。92,培養(yǎng)基設(shè)計(jì)的基本原則培養(yǎng)基的組成必需滿足細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝產(chǎn)物所需的元素,并能提供生物合成和細(xì)胞維持活力所需要的能量。103,如何進(jìn)行培養(yǎng)基的設(shè)計(jì)(1作出細(xì)胞生長(zhǎng)和產(chǎn)物形成的化學(xué)計(jì)算的平衡碳源和能源+氮源+其他需要細(xì)胞+產(chǎn)物+CO2+H2O+熱量通過(guò)計(jì)算可以獲得生產(chǎn)一定數(shù)量的細(xì)胞時(shí)所需的營(yíng)養(yǎng)物的最低數(shù)量。在了解一定數(shù)量的生物體所能產(chǎn)生的產(chǎn)物數(shù)量后;就有可能計(jì)算出形成產(chǎn)物時(shí)所需的底物數(shù)量。這些培養(yǎng)基的組份的數(shù)量?jī)H僅是供給細(xì)胞形成產(chǎn)物,而不包括生成細(xì)胞所需的營(yíng)養(yǎng)。所有上述各

5、項(xiàng)數(shù)量,是不易獲得其精確的數(shù)字。11(2組成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K(見(jiàn)下表,這些元素都要在方程式中予以平衡在培養(yǎng)基中有些元素的含量往往超過(guò)需要量,如P和K。而其它元素含量則接近最低值(如Zn,Cu等。在許多培養(yǎng)基中增加磷酸鹽濃度,其用意是增加培養(yǎng)基的緩沖容量,這一點(diǎn),在設(shè)計(jì)培養(yǎng)基時(shí)要引起注意。12細(xì)菌、酵母和真菌的元素組成(按干重%計(jì)13(3有些微生物無(wú)力的合成特定營(yíng)養(yǎng)物,如氨基酸、維生素或核苷酸。一旦測(cè)出其中一種是生長(zhǎng)因子,就要在培養(yǎng)基中加入適量的純凈的化合物或含有該物質(zhì)的混合物。14(4碳源具有生物合成的底物和能源的雙重作用,在需氧條件下,對(duì)碳源的需要量可以從菌體

6、對(duì)底物的產(chǎn)率系數(shù)(Yx/s推算而得。該系數(shù)的定義是:細(xì)胞干物質(zhì)的產(chǎn)量/碳源底物的被利用量15下表中列出了一些Yx/s 值。如以葡萄糖為底物時(shí),其Y值為0.5g即表示每1g葡萄糖能生成0.5g細(xì)胞干物質(zhì)。為要獲得30gdm-3濃度的細(xì)胞,需要葡萄糖30/0.5=60gdm-3。在發(fā)酵過(guò)程中,適當(dāng)?shù)匮a(bǔ)充碳源是必要的。將碳源轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物的觀察值與理論上最大值之間進(jìn)行比較,才能進(jìn)行深入的研究。但由于對(duì)生物合成的知識(shí)的限制而難以作出精密的分析。1617方程式中的a2、b2、c2、d2、e2、nz 、p2和q2都是化學(xué)計(jì)算中的系數(shù),PAA 代表苯乙酸。解方程式.得:按上述方程式計(jì)算每1g 葡萄糖能產(chǎn)生1.1

7、g 芐青霉素的理論值。在青霉素分批發(fā)酵的一個(gè)簡(jiǎn)單模型中,用于合成細(xì)胞、維持生命活力和轉(zhuǎn)化成青霉素的葡萄糖,分別占總糖耗量的28、61和11%。在分批補(bǔ)料發(fā)酵時(shí),則26%的葡萄糖用于生長(zhǎng)、70%用于維持生命、6%用于合成青霉素。每克葡萄糖的最大青霉素轉(zhuǎn)化產(chǎn)量為0.0538,這個(gè)理論值數(shù)倍于實(shí)驗(yàn)值。Cooney(1979以青霉素生物合成的途徑為基礎(chǔ),通過(guò)物質(zhì)和能量平衡,計(jì)算出青霉素生物合成的理論值。總的化學(xué)計(jì)算式為OH q CO p n PAA e SO H d O c NH b O H C a 222222422223261262+卞青霉素O H CO S N O H C O H C SO H

8、O NH O H C 222418182884222136126610922+4,發(fā)酵培養(yǎng)基的組成成分水碳源氮源無(wú)機(jī)鹽維生素緩沖劑前體和代謝調(diào)節(jié)劑消沫劑18影響選擇碳源的因素原料成本占生產(chǎn)總成本的比例;在某些發(fā)酵過(guò)程中,必須除去碳源中的雜質(zhì);對(duì)碳源的選擇,往往還受到政府政策的影響;當(dāng)?shù)氐姆蓷l例指定了許多飲料業(yè)所使用的底物;培養(yǎng)基的配制方法,特別是滅菌方法。19緩沖劑控制pH時(shí)對(duì)獲得最佳生產(chǎn)能力是十分重要的。在培養(yǎng)基中加入一種化合物作為緩沖劑或同時(shí)可作為營(yíng)養(yǎng)源。許多種培養(yǎng)基多加入碳酸鈣作為緩沖劑,以達(dá)到pH7.0左右。如果pH下降,則碳酸鈣分解,如果是pH上升,可以自然地校正微生物的產(chǎn)酸量。在

9、許多培養(yǎng)基中,也用磷酸鹽作為重要的緩沖劑。碳源和氮源的平衡,也是控制pH的一種方式。在玉米漿中的蛋白質(zhì)、肽、氨基酸等也具有緩沖容量。滴加氨,氫氧化鈉和硫酸,可以嚴(yán)格地控制pH值。20第二節(jié)原料的預(yù)處理一、預(yù)處理的必要性1,發(fā)酵工廠在進(jìn)行生產(chǎn)前,必須先將原料中混雜的小鐵釘、雜草、泥快和石頭等雜質(zhì)除去,保證后續(xù)工序生產(chǎn)的正常和順利進(jìn)行。2,為保證后續(xù)工序生產(chǎn)的正常和順利進(jìn)行,還需對(duì)原料進(jìn)行適當(dāng)加工。3,為保證生產(chǎn)環(huán)境的清潔,必須采用適當(dāng)?shù)妮斔头绞綄⒃蠌膫}(cāng)庫(kù)運(yùn)送至配料罐或反應(yīng)器。21二、預(yù)處理的方法(方式1,原料除雜篩選風(fēng)選磁力除鐵22(1篩選、風(fēng)選氣流-篩式分離機(jī)這類(lèi)分離機(jī)主要用于谷物原料除雜用

10、。凡是厚度和寬度或空氣動(dòng)力學(xué)性質(zhì)(懸浮速度與所用谷物不同的雜質(zhì),都可用氣流-篩式分離機(jī)將其分離。23(2磁力除鐵器永久性磁力除鐵器電磁除鐵器242,原料的粉碎(1粉碎的目的:增加原料受熱面積粉末狀原料加水混合后容易流動(dòng)輸送2526對(duì)于一些帶殼的原料,如高粱、大麥,在粉碎前,則要求先把皮殼破碎皮殼本身毫無(wú)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值,在發(fā)酵過(guò)程中對(duì)微生物沒(méi)有好處,皮殼在醪液中會(huì)引起阻礙液體的流動(dòng)。皮殼在生產(chǎn)過(guò)程中,不發(fā)生變化,而大量皮殼匯集起來(lái)會(huì)占據(jù)一定的有效容積,無(wú)形中降低了設(shè)備的生產(chǎn)能力。原料糖化后進(jìn)行發(fā)酵時(shí),皮殼會(huì)聚集在液面上,而引起較厚的醪蓋,醪蓋的形成會(huì)妨礙熱量的逸散和CO2的放出,致使液體溫度升高,細(xì)菌

11、容易繁殖,特別是醋酸菌,出現(xiàn)這些現(xiàn)象,都會(huì)對(duì)發(fā)酵帶來(lái)不利。皮殼會(huì)使蒸餾塔及冷卻器等設(shè)備發(fā)生阻塞。皮殼漸多,需要停機(jī)清理,會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)?yè)p失。(2原料粉碎的力學(xué)分析固體物料的粉碎按其受力情況可分為:擠壓粉碎沖擊粉碎研磨粉碎剪切粉碎劈裂粉碎27(3粉碎方法干粉碎濕粉碎28干式粉碎粗碎:原料過(guò)磅稱(chēng)重后,進(jìn)入輸送帶,電磁除鐵后進(jìn)行粗碎。粗碎后的物料應(yīng)能通過(guò)610mm的篩孔,然后再送去進(jìn)行細(xì)粉碎。粗砰常用的設(shè)備是軸向滾筒式粗碎機(jī),也有用錘式粉碎機(jī)進(jìn)行粗碎的例子細(xì)碎:經(jīng)過(guò)粗碎的原料進(jìn)入細(xì)碎機(jī),細(xì)碎后的原料顆粒一般應(yīng)通過(guò)1.21.5mm的篩孔。也有采用1.82.0mm篩孔的。常用的細(xì)碎設(shè)備是錘式粉碎機(jī)29濕法

12、破碎工藝流程風(fēng)選送料部分濕法除塵部分破碎部分預(yù)熱部分30濕法粉碎工藝的優(yōu)點(diǎn)徹底消除了粉塵的危害,改善了勞動(dòng)條件,降低了原料的損耗提高了原料的粉碎細(xì)度節(jié)省了蒸煮時(shí)所消耗的蒸氣粉碎機(jī)部件(特別是刀片的磨損減少設(shè)備簡(jiǎn)單,對(duì)廠房要求不高31(4常用的粉碎機(jī)械錘式粉碎機(jī)(瓜干、高粱、玉米輥式粉碎機(jī)(麥芽、大米兩輥式四輥式五輥式六輥式32錘式粉碎機(jī)的結(jié)構(gòu)33雙輥式粉碎機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(b物料受力分析(a結(jié)構(gòu)示意34(1機(jī)械的輸送皮帶輸送機(jī)斗式提升機(jī)螺旋輸送機(jī)35(2氣流輸送優(yōu)點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單占地面積小費(fèi)用少連續(xù)化自動(dòng)化改善了勞動(dòng)條件輸送能力和距離有較大的變動(dòng)范圍在氣流輸送的同時(shí),還可對(duì)物料進(jìn)行加熱、冷卻、干燥等操作

13、36原理:氣流輸送方法,是借助氣流的動(dòng)能,使管道中的物料被懸浮輸送。可見(jiàn)物料在氣流中的懸浮問(wèn)題是很重要的。顆粒在垂直管中和水平管中的懸浮機(jī)理及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不一樣的。37氣流輸送的流程吸引式流程(真空輸送壓送式流程(壓力輸送混合式氣流輸送流程(真空、壓力輸送38吸引(真空輸送真空輸送方式是將空氣和物料吸入輸料管中,在負(fù)壓下輸送到指定的地點(diǎn),然后將物料從氣流中分離出來(lái),再經(jīng)過(guò)排料器將物料卸出來(lái)。從分離器分離出來(lái)的空氣,再經(jīng)過(guò)凈化除塵之后,用真空泵抽出。真空輸送設(shè)備出口裝有分離器和能封閉空氣的卸料器。由于輸送系統(tǒng)為真空,消除了物料的外漏,保持了室內(nèi)的清潔。39壓力輸送流程這種輸送方式是將空氣和物料壓送

14、入輸料管中,物料被送到指定位置之后,經(jīng)分離器物料自動(dòng)排出,分離出來(lái)的空氣凈化后放空。在加料處要用封閉較好的加料器,防止物料反吹,空氣用鼓風(fēng)機(jī)送入系統(tǒng)中。40混合流程兼有吸引式和壓送式的特點(diǎn),可以從數(shù)點(diǎn)吸入物料和壓送至較遠(yuǎn)、較高的地方。41流程的比較吸引式流程,不需加料器,但要有封閉較好的排料器;壓送式流程,不需排料器,但要有封閉較好的加料器;對(duì)相同輸送量,壓送式流程較吸引式流程采用較細(xì)的管道;從幾個(gè)不同的地方,向一個(gè)卸料點(diǎn)時(shí),吸引式流程較適合;從一個(gè)加料點(diǎn)向幾個(gè)不同地方送料時(shí),壓送式流程較適合;具體到流程選擇時(shí),必須對(duì)輸送物料的性質(zhì),形狀、尺寸、輸送量、輸送距離等進(jìn)行詳細(xì)了解,結(jié)合實(shí)際綜合考慮

15、。42采用氣流輸送時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題水分含量超過(guò)16%的粉末原料,特別是鮮原料,不宜采用氣流輸送。所選用風(fēng)機(jī)型號(hào)一般要選擇比實(shí)際需用量大1.2-1.5倍風(fēng)機(jī),風(fēng)壓也要比全系統(tǒng)壓力損失的總和更大一些。選擇輸送管道的直徑時(shí),要保證空氣通氣量有110-120%的富余量。所用落料器性能要好,要保證既能較快分料,又能有一定的密封程度,防止落料器落料慢而引起旋風(fēng)分離器出現(xiàn)粉料阻塞現(xiàn)象。整個(gè)輸送原料的管道中,要盡量減少90的彎角和閥門(mén)。43氣流輸送系統(tǒng)的組成設(shè)備進(jìn)料裝置吸嘴旋轉(zhuǎn)加料器輸料管道卸料裝置離心式卸料器沉降式卸料器閉風(fēng)器風(fēng)機(jī)空氣除塵裝置空氣管道44進(jìn)料裝置9吸嘴單管形吸嘴帶二次空氣進(jìn)口的單管形吸嘴喇叭形雙簡(jiǎn)吸嘴固定式吸嘴45進(jìn)料裝置9旋轉(zhuǎn)加料器旋轉(zhuǎn)加料器在真空輸送系統(tǒng)中可用作卸料器,在壓力輸送系統(tǒng)中可用作加料器。因此,旋轉(zhuǎn)加料器在氣流輸送中得到廣泛應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)加料器的供料量,由下式計(jì)算:46卸料裝置9離心式卸料器離心式卸料器實(shí)質(zhì)就是旋風(fēng)分離器,利用氣流作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、使物料顆粒產(chǎn)生離心力,將懸浮于氣流中的物料分離出。離心式卸料器上部為帶有切線方向氣流入口的圓柱殼體,下部連有倒圓錐形的殼體。47卸料裝置沉降式卸料器沉降式卸料器實(shí)質(zhì)上就是重力式分離器。帶有懸浮物料的氣流,進(jìn)入一個(gè)較大的圓柱形空間里,氣流速度大大降低,懸浮的顆粒由于自身的重力而沉降,氣體由上部排出。48空