生物工艺学培养基及制备文档格式.docx

1、而发酵培养基除需要维持微生物菌体的正常生长外，主要是要求合成预定的发酵产物，碳源物质的含量往往要高于种子培养基。如果产物是含氮物质，应相应地增加氮源的供应量。4从经济效益方面考虑选择生产原料必须以价廉、来源丰富、运输方便、就地取材以及没有毒性等为原则选择原料。三、培养基的配制原则1根据不同微生物的营养需要配制不同的培养基根据不同生产菌种的培养条件、生物合成的代谢途径、代谢产物的化学性质等确定培养基。2营养成分的恰当配比微生物所需的营养物质之间应有适当的比例，培养基中的碳氮的比例（C/N）的积累；氮源不足，则微生物菌体生长过于缓慢。碳源供应不足时，容易引起微生物菌体的衰老和自溶。不同的微生物菌种

2、、不同的发酵产物所要求的碳氮比是不同的。3渗透压营养物质的浓度太低，不仅不能满足微生物生长对营养物质的需求，而且也不利于提高发酵产物的产量，浓度过高时，培养基溶液的渗透压太大，会抑制微生物的生长。培养基中各种离子的比例需求要平衡。在发酵生产过程中，在不影响微生物的生理特性和代谢转化率的情况下，通常趋向在较高浓度下进行发酵，以提高产物产量，并尽可能选育高渗透压的生产菌株。4pH值一般霉菌和酵母菌比较适于微酸性环境，放线菌和细菌适于中性或微碱性环境。当培养基配制好后，若pH值不合适，必须加以调节。同时加入缓冲剂，以调节培养液的pH值。5氧化还原电位对于厌氧菌，由于氧的存在对其有毒害作用，因而往往在

3、培养基中加入还原剂以降低氧化还原电位。除应注意以上几条原则外，还要考虑到营养成分的加入顺序，为了避免生成沉淀而造成营养成分的损失，加入的顺序一般为先加入缓冲化合物，溶解后加入主要物质，然后加入维生素、氨基酸等生长素类的物质。4、培养基成分配比的选择1.菌体的同化能力 2.代谢物的阻碍与诱导作用 3.合适的碳氮比 发酵培养基配制时应注意的问题：有利于减少培养基原料的单耗，单位营养物质所合成产物产量数量大或产率大有利于提高培养基产物的浓度，以提高单位容积发酵罐的生产能力有利于提高产物的合成速度，缩短发酵周期；尽量减少副产物的形成，减少对发酵过程中通气搅拌的影响有利于提高氧的利用率、降低能耗有利于产

4、品的分离和纯化，并尽可能减少产生“三废”第二节 工业发酵培养基的物质。在发酵工业中，必须使用廉价的原料来配制培养基，使之尽可能地满足下列条件：消耗每克底物将产生最大的菌体得率或产物得率；能产生最高的产品或菌体的浓度；能得到产物的最大速率；副产品的得率最小；价廉并具有稳定的质量；来源丰富且供应充足；通气和搅拌、提取、纯化、废物处理等生产工艺过程都比较容易。用甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜、谷物淀粉等作为碳源，用铵盐、尿素、硝酸盐、玉米浆及发酵的残余物作为氮源。除了能满足生长和产品形成的要求外，培养基也会影响到pH值的变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态。在培养基中，有时也需要添加前体物质或代谢的抑制

5、剂，有时需加促进剂，以促进产物的形成。一、工业上常用的碳源:葡萄糖、乳糖、淀粉、蔗糖实验室常用的碳源葡糖糖、蔗糖、可溶性淀粉二、工业上常用的氮源：无机：氨水、铵盐、硝酸盐；有机：玉米浆、豆饼粉、花生饼粉、棉籽粉、鱼粉、酵母浸出液三、无机盐无机盐是微生物生命活动所不可缺少的物质。其主要功能是构成菌体成分、作为酶的组成部分、酶的激活剂或抑制剂、调节培养基渗透压、调节pH值和氧化还原电位等。微生物对无机盐的需要量很少。但无机盐含量对菌体生长和产物的生成影响很大。1磷酸盐2硫酸镁3钾盐4微量元素四、生长因子通常指微生物生长不可缺少的而且需要量很小，但微生物自身不能合成或合成不足以满足机体生长需要的有机

6、化合物。生长因子不是所有微生物都必需的，它只是对于某些自己不能合成这些成分的微生物才是必不可少的营养物。1生物素生物素的作用主要影响谷氨酸产生菌细胞的通透性，同时也影响菌体的代谢途径。大量合成谷氨酸所需要的生物素浓度比菌体生长的需要量低，即为菌体生长需要的“亚适量”。一般为5g/L左右。2维生素B1（硫胺素）维生素B1对某些谷氨酸菌种的发酵有促进作用。3提供生长因子的农副产品原料（1）玉米浆 玉米浆是用亚硫酸浸泡玉米而得的浸泡液的浓缩物，也是玉米淀粉生产的副产品。一般用量为0.4%0.8%。玉米浆主要用作氮源，但它含有乳酸、少量还原糖和多糖，含有丰富的氨基酸、核酸、维生素、无机盐等，因此常用作

7、为提供生长因子的物质。（2）麸皮水解液 可以代替玉米浆，但蛋白质、氨基酸等营养成分比玉米浆少。用量一般为1%（干麸皮计）左右。（3）糖蜜 甘蔗糖蜜和甜菜糖蜜均可代替玉米浆。但氨基酸等有机氮含量较低。甘蔗糖蜜用量为0.1%0.4%。（4）酵母 可用酵母膏、酵母浸出液或直接用酵母粉。五、前体物质和促进剂为了进一步大幅度提高发酵产率，还需要添加某些特殊功用的物质。这些物质加入到培养基中有助于调节产物的形成，而并不促进微生物的生长。例如某些氨基酸、抗生素、核苷酸和酶制剂的发酵需要添加前体物质、促进剂、抑制剂及中间补料等。1前体物质某些化合物加到发酵培养基中，能直接被微生物在生物合成过程结合到产物分子中

8、去，而其自身的结构并没有多大变化，但产物的量却因加入而有较大的提高。在一定条件下前体物质可控制生产菌的合成方向和增加抗生素的产量。前体物质的利用往往与菌种的特性和菌龄有关。当前体物质是合成过程中的限制因素时，前体物质加入量越多，抗生素产量就越高。但前体物质的浓度越大，利用率越低。故一次加入量不宜过大。一般采取间隙分批添加或连续滴加的方法加入。2发酵过程中的促进剂和抑制剂在发酵培养基中加入某些对发酵起一定促进作用的物质，称为促进剂或刺激剂。诱导物、表面活性剂及其他一些产酶促进剂，可以大大增加菌体的产酶量。诱导物，一般的诱导物是相应酶的作用底物或一些底物类似物，“启动”微生物内的产酶机构。在不同的

9、情况下，不同的促进剂所起的作用也各不相同。生长因素的作用推迟菌体的自溶，有的是抑制了某些合成其他产物的途径而使之向所需产物的途径转化；降低了生产菌的呼吸，改善通气效果，与抗生素形成复盐。第3节 淀粉水解糖的制备淀粉的分类：薯类淀粉、豆类淀粉、谷类淀粉和其他类淀粉将淀粉水解为葡萄糖的过程称为淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。在淀粉水解糖液中，葡萄糖、麦芽糖和蛋白质、脂肪分解产物在发酵中易被各种菌利用；而一些低聚糖类、复合糖等杂质则不能被利用。工业原料的水解糖液，必须具备以下条件：糖液中还原糖的含量要达到发酵用糖浓度的要求。糖液洁净，是杏黄色或黄绿色，有一定的透光度。糖液中不含糊精。糖液不能变质

10、。 淀粉水解：淀粉糊精低聚糖麦芽糖葡萄糖糖化过程：淀粉吸水溶胀糊化糖化一、淀粉水解糖的制备方法：酸解法、酸酸法、酸酶法、双酶法淀粉水解糖的原料很多，主要有薯类、玉米、小麦、大米等含淀粉原料。水解淀粉为葡萄糖的方法有下列三种。1酸解法它是以酸（无机酸或有机酸）为催化剂，在高温高压下将淀粉水解转化为葡萄糖的方法。具有生产方便、设备要求简单、水解时间短、设备生产能力大等优点。要求有耐腐蚀、耐高温、耐高压的设备。尚有副反应的发生，这将造成葡萄糖的损失而使淀粉的转化率降低。淀粉颗粒不宜过大，大小要均匀。颗粒大，易造成水解不透彻；淀粉乳浓度也不宜过高，浓度高，淀粉转化率低。2酶解法是用专一性很强的淀粉酶及

11、糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的工艺。利用-淀粉酶将淀粉液化转化为糊精及低聚糖，使淀粉的可溶性增加，这个过程称为液化。利用糖化酶将糊精及低聚糖进一步水解转化为葡萄糖，这个过程在生产中称为糖化。优点如下：酶解反应条件较温和。不需耐高温、高压、耐酸的设备。微生物酶作用的专一性强，淀粉水解的副反应少，因而水解糖液的纯度高，淀粉转化率（出糖率）高。可在较高淀粉乳浓度下水解，而且可采用粗原料。用酶解法制得的糖液颜色浅，较纯净，无异味，质量高，有利于糖液的充分利用。但酶解反应时间较长（48h），需要的设备较多，需要具有专门培养酶的条件。3酸酶结合法酸酶结合水解法是集中酸法和酶解法制糖的优点而采用的结合生产工艺。

12、（1）酸酶法 是先将淀粉酸水解成糊精或低聚糖，然后再用糖化酶将其水解成葡萄糖的工艺。此法的优点是酸液化速度快，糖化时可采用较高的淀粉乳浓度，提高生产效率。酸用量少，产品颜色浅，糖液质量高。DE值表示淀粉水解的程度，指的是葡萄糖（所测的还原糖都以葡萄糖计算）占干物质的百分比。（2）酶酸法 将淀粉乳先用-淀粉酶液化到一定的程度，然后用酸水解成葡萄糖的工艺。可采用粗原料淀粉，淀粉浓度较酸法要高，生产易控制，时间短，而且酸水解时pH值可稍高些，以减轻淀粉水解副反应的发生。从水解糖液的质量和降低糖耗、提高原料利用率方面来考虑，酶解法最好，其次是酸酶法，酸法最差。时间来看，酸法最短，酶解法最长。3葡萄糖的

13、复合反应在淀粉的酸水解过程中，水解生成的葡萄糖受到酸和热的催化影响，能通过糖苷键相聚合，失掉水分，生成二糖、三糖和其他低聚糖，这种反应称为复合反应。复合反应相聚合，并不是经过a-1，4键聚合成麦芽糖，而是经过a-1，6键聚合成异麦芽糖和经过-1，6键聚合成龙胆二糖。复合反应是有害的，它降低葡萄糖的收率，而且水解液中多数复合糖并不能被微生物利用。2淀粉酸水解条件的控制及对糖液质量的影响（1）淀粉乳浓度的选择 淀粉乳的浓度越低，水解液的葡萄糖值越高，色泽越淡。（2）酸的种类和用量 许多酸对淀粉的水解反应均有催化作用，但工业上普遍使用的是催化效率较高的盐酸、硫酸及草酸。一般用盐酸量占干淀粉的0.6%

14、0.7%，pH值调至1.5左右。（3）糖化的压力和时间 淀粉水解是用蒸汽直接进行加热的，温度与压力为相同的指标，温度随压力升高而升高。压力与水解反应速率成正比，压力升高，水解反应速度加快。为要加快水解速度，可采用增大水解反应压力的方法。当糖液的葡萄糖值达到最高点后既不再上升，相反会随着糖化时间的延长而稍有下降。如果不及时放料，势必事倍功半。3糖化设备结构对糖液质量的影响糖化锅的容量一般不宜过大。不宜锅体太高，不宜锅体太矮。糖化锅径高比1:1.5左右。糖化锅的附属管道应保证进出料迅速，物料受热均匀，有利于升压，有利于消灭死角，尽量缩短加料、放料、升温、升压等辅助时间。4水解糖液的中和脱色除杂（1

15、）中和 需经冷却才能进行中和。调节pH值，使糖液中胶体物质析出，便于过滤除去。生产中使用的中和剂有纯碱和烧碱。纯碱（Na2CO3）温和，糖液质量好，但产生的泡沫多，使用烧碱，浓度过高易造成局部过碱，葡萄糖焦化而产生焦糖。保持pH值在4.65.0之间。中和温度为6070。（2）脱色、除杂 方法有活性炭吸附法、离子交换法、新型磺化煤脱色。a.活性炭表面积大，有无数微小的孔隙，它可将杂质、尘埃、色素吸附掉；同时，活性炭也有过滤作用。活性炭吸附工艺简单，脱色效果好，操作容易。一般活性炭用量相当干淀粉量的0.6%0.8%。脱色温度一般为65。b.离子交换树脂，具有选择性强，脱色效果较好，便于管道化、连续

16、化及自动化操作，减轻劳动强度的优点。c.新型磺化煤不同于一般的磺化煤，它具有粒度细（40120目）、脱色力强的特点。这种磺化煤尚可直接用于淀粉糖化。在淀粉加酸糖化时，加入淀粉量1.8%的磺化煤粉一起糖化。滤液透光率达97%98%。（3）压滤 压滤温度不宜过高，蛋白质等胶体物质沉淀不完全。而采用低温过滤，由于糖液黏度增大，又会发生过滤困难。一般采用6070温度压滤为适宜。四、双酶水解法制糖酶法制糖以作用专一性的酶制剂作为催化剂将淀粉转化为糖的工艺。反应条件温和、复合和分解反应减少，不仅可以提高淀粉的转化率及糖液的浓度，而且还可大幅度地改善糖液的质量。主要包括液化和糖化两个步骤。双酶法制糖的工艺流

17、程：淀粉乳 一次液化 二次液化 糖化 一次脱色 一次过滤 二次脱色二次过滤 低糖 阳离子 交换柱 三次浓缩蒸发 高糖（1）液化液化原因：淀粉晶体结构对酶作用的抵抗力很强，故需先破坏其晶体结构。1淀粉酶的水解作用淀粉双酶水解法包括液化和糖化两个步骤，均是在酶的作用下完成的。淀粉的液化是在a-淀粉酶的作用下完成的。水解中间地段的a-1，4键，断裂发生在C1O之间。直链淀粉分子水解产物为葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖。枝链淀粉还有异麦芽糖及含有a-1，6糖苷键的低聚糖。2淀粉液化的条件及液化程度的控制（1）淀粉的糊化与老化淀粉的老化实际上是分子间氢键已断裂的糊化淀粉又重新排列形成新的氢键的过程，也就是复结

18、晶过程。淀粉酶很难进入老化淀粉的结晶区起作用，必须采用相应的措施控制糊化淀粉的老化。（2）液化的方法与选择液化的分类方法很多，分为酸法、酸酶法、酶法，间歇式、半连续式和连续式，管式、罐式、喷射式。糖液，其黏度的高低会直接影响或决定后道发酵、提取工艺的难易，因此这种糖液的过滤速度一定要求特别快。通常选用一次加酶或两次加酶的蒸汽喷射液化法较为合适。3蒸汽喷射液化工艺及条件（1）工艺流程调浆配料一次喷射液化液化保温二次喷射高温维持二次液化 9597 145 9597 酶解 灭酶 酶解冷却（糖化）利用喷色器将蒸汽喷入淀粉乳的薄膜，在短时间内通过喷色器快速升温至145完成糊化、液化，使形成的不溶性淀粉颗

19、粒在高温下分散，从而使所得的液化液既透明又易于过滤，淀粉的出糖率也高，同时采用真空闪急冷却，提高了液化液的第浓度。酶活力的稳定性还与保护剂有关，一般控制钙离子浓度0.01mol/L。钠离子为了加速淀粉液化速度，多采用较高温度液化，8590或者更高，但是温度升高时，酶活力损失加快。（3）液化程度控制液化程度太低，液化液的黏度就大，难于操作。淀粉易老化，不利于糖化，过滤性相对较差。液化程度也不能太高，不利于糖化酶与液化淀粉生成络合结构，使糖化液的最终DE值偏低。底物分子过大或过小都会妨碍酶的结合和水解速度。控制淀粉水解程度在葡萄糖值为1020之间为好（即此时保持较多量的糊精及低聚糖，较少量的葡萄糖

20、）。为避免液化酶对糖化酶的影响，一般液化结束，升温到100保持10min即可完成，然后降低温度。（二）糖化1糖化酶的水解作用 糖化酶对底物的作用是从非还原性末端开始，属于外酶，产生葡萄糖。糖化酶对-1，4和-1，6糖苷键都能进行水解。糖化酶制剂用量决定于酶活力高低。酶活力高，则用量少；液化液浓度高，加酶量要多。生产上采用30%淀粉时，用酶量按80100U/g淀粉计。当葡萄糖值达到最高时，应当停止酶反应（可加热至80，20min灭酶），否则葡萄糖值将由于葡萄糖经-1，6糖苷键起复合反应而降低。复合反应发生的程度与酶的浓度及底物浓度有关。酶浓度过高反而能促使复合反应的发生，底物浓度（既液化液浓度）

21、大，也使复合反应增强。必须控制糖化酶的用量及糖化底物的性质。糖化的温度和pH值决定于所用糖化剂的性质。曲霉糖化酶，温度为60，pH值4.05.0；根霉糖化酶一般在55，pH值5.0。根据酶的特性，尽量选用较高的温度糖化，这样糖化速度快些，也可减少杂菌污染的可能性。采用较低的pH值可使糖化液颜色浅，便于脱色。黑曲霉3912-12的酶制剂，糖化在5064，pH值4.34.5下进行；根霉3092糖化酶，糖化在5458，pH值4.35.0下进行，UV-11糖化酶，在pH值3.54.2，5560温度下糖化。在糖化过程中加入能水解1,6糖苷键的葡萄糖苷酶，并选用较高的糖化pH值（6.06.2），抑制糖化酶

22、催化复合反应的作用，可提高葡萄糖的产率。2糖化工艺条件及控制其工艺过程如下：液化糖化灭酶过滤贮糖计量发酵酸调pH值至4.24.5，降温至60，加入糖化酶，60保温数小时后。用无水酒精检验无糊精存在时，pH值调至4.85.0，同时加热到90，保温30min，温度较低到6070时开始过滤，滤液进入贮罐备用。五、水解糖液的质量要求现用现制备，以保证水解糖液的新鲜、纯净。糖液贮桶一定要保持清洁，防止酵母菌等浸入滋生。贮糖桶内设置加热管加热，使水解糖液保持5060，防止酵母菌等的滋生。1 淀粉水解糖的质量对发酵的影响淀粉水解不完全，有糊精存在，不仅造成浪费，发酵过程中产生大量泡沫，甚至引起染菌的危险。若

23、淀粉水解过度，葡萄糖发生复合反应生成龙胆二糖、异麦芽糖，葡萄糖分解反应生成羟甲基糠醛，与氨基酸作用生成类黑素。不仅造成浪费，而且还抑制菌体生长。当糖液中和、过滤时除去不彻底，培养基中含有蛋白质及水解产物时，会使发酵液产生大量泡沫，造成逃液和染菌。水解糖液中含生物素量不同会影响发酵过程中生物素量的控制。2淀粉制糖过程考察指标第四节 糖蜜原料一、糖蜜原料的分类指制糖工业上的废糖蜜，它是甘蔗糖厂或甜菜糖厂的一种副产品。糖蜜是一非结晶糖分，本身含有相当数量的发酵性糖，因此是生物工业大规模生产的良好原料。糖蜜分为甘蔗糖蜜、甜菜糖蜜和高级糖蜜等。甘蔗糖蜜中含有30%36%的蔗糖和20%转化糖。甜菜糖蜜含蔗

24、糖5%，转化糖1%。高级糖蜜，硫酸或酵母转化酶处理，可使糖浓度提高70%85%。粗糖蜜；葡萄糖蜜。二、糖蜜原料的性质和组成糖蜜的外观是一种黏稠、黑褐色、呈半流动状的物体，pH值5.5左右，相对密度1.43。除含有发酵性的糖分外，还含有胶体物质、灰分、维生素、氨基酸。甘蔗糖蜜中的生物素较甜菜糖蜜中高。（见表3-16）三、糖蜜的预处理预处理是指澄清处理和脱钙处理。1糖蜜澄清处理的目的糖蜜中由于含有大量的灰分和胶体，不但影响菌体生长，也影响产品的纯度，致使发酵中产生大量的泡沫。一般有加酸法、加热加酸法和添加絮凝剂澄清处理法几种。2谷氨酸发酵中糖蜜的预处理谷氨酸发酵中，使用生物素缺陷型菌株，发酵培养基

25、中的生物素为5g/L左右，而糖蜜中特别是甘蔗糖蜜中的生物素含量为110g/g，必须想方设法降低糖蜜中生物素含量。一般有活性炭处理法、树脂法以吸附生物素；用化学药剂拮抗生物素，添加青霉素，改变细胞的渗透性。处理目的：澄清 脱钙 脱除生物素待处理物质：胶体成分 钙盐 生物素处理方法：活性炭处理方法、树脂处理法、亚硝酸处理法第五节 石油代粮发酵的原料一、石油代粮发酵的特点不耗粮食 反应不需要高温高压耐腐蚀的设备 耗氧产热，因此要求菌种耐高温 需保证产物安全无毒第六节 其他原料发酵植物生物体（biomass）是地球上各类植物利用阳光的能量进行光合作用的产物。生成量高达1.551011t干物质。是当前全

26、世界能耗总量的10倍，是一种再生资源，永远不会枯竭。植物生物体主要组成是纤维素。目前用于发酵产品生产的纤维素原料可分为：农作物纤维下脚料，森林和木材加工工业下脚料，工厂纤维和半纤维下脚料及城市生活纤维物质等四类。一、农作物纤维下脚料每生产1kg谷物就会产生11.5kg的纤维质下脚料。常用的纤维质下脚料如麦草、稻草、玉米杆、玉米蕊、高粱杆、花生壳、棉籽壳、稻壳等。天然纤维原料是由纤维素、半纤维素和木质素三大成分组成。植物体中半纤维素的含量接近或略少于纤维素。半纤维素的开发利用对整个植物纤维素利用的意义将更为重要。二、森林和木材加工工业的下脚料森林采伐时，有许多纤维素下脚料产生，如树枝、树梢、树桩

27、，不成材的树木和枯杆，三者相加达木材贮量的23%32%。下脚料都是制造发酵产品的纤维素原料，有用木才直接加工制酒精的例子。三、工厂纤维和半纤维素下脚料糖厂的甘蔗渣、纸厂的废纸浆、编织厂的废花等是主要的工厂纤维素下脚料；甘蔗渣、废甜菜丝、造纸用草料等中的纤维素则是主要的半纤维素下脚料。我国年产约6106t甘蔗渣，至少可生产7105t酒精。用于造纸的草料约588104t，至少可生产近35104t酒精。是一个竞争性问题。利用下脚料中半纤维素生产酒精。四、城市废纤维物质城市生活垃圾中，有相当一部分是纤维垃圾，它也是一种再生资源。它又不是天然纤维素，容易接受酶和酸水解。其缺点是纤维素垃圾要经过机械分离或其他手段才能从生活垃圾中分离出来，而且容易污染到有害物质或昆虫。五、亚硫酸盐废液为了从木材中将纤维素分离出来，可以采用各种方法，亚硫酸盐法即是其中之一。该法用亚硫酸盐在130140和一定压力下蒸煮木材碎片，将半纤维素、木质素、树脂、油脂和无机盐等都转入溶液。将纤维素和蒸煮液体分开，所得的蒸煮液就是亚硫酸盐废液，它可用于生产酒精、酶母等。六、食品加工业下脚料1乳清乳清是奶酪加工工业的副产品，含有4.5%5.0%的乳清。乳清是一种由一个葡萄糖和一个半乳糖构成的双糖，大多数酵母不能利用，则能很容易地发酵乳糖为酒精。2甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣甘薯淀粉渣和马铃薯淀粉渣是淀粉工业的下脚料，甘薯淀