发酵工程课程设计正文.docx

1、发酵工程课程设计正文1概述1.1苹果酸简介苹果酸（Malic acid），由于分子中有一个不对称碳原子，有两种立体异构体。大自然中，以三种形式存在，即D苹果酸、L苹果酸和其混合物DL苹果酸。苹果酸是一种较强的有机酸，又名羟基丁二酸，是一种白色或荧白色粉状、粒状或结晶状固体。晶体中不含结晶水，DL-型熔点129，L-型熔点100，加热到180可以失水分解成富马酸或马来酸。在通常条件下，苹果酸是稳定的，但其纯晶体稍有吸湿性，在高湿度条件下可能液化。在相对湿度98，25下放置6天，约增重50.4. 苹果酸在催化剂存在下与醇可发生酯化反应。以三氟化硼为催化剂与醇回流可形成单酯。与多元醇、芳香多元羧酸作

2、用，可形成树脂类产品，如醇酸聚酯树脂。 在氧化银存在下，苹果酸酯与卤代烷反应可以产生醚类，如乙氧基琥珀酸。在醇溶液中，苹果酸酯与氨作用，可以生成苹果酸酰胺。苹果酸在日常生活中有着重要的作用。在食品应用行业，被生物界和营养界誉为“最理想的食品酸味剂”，目前在老年及儿童食品中正取代柠檬酸。除此之外，苹果酸可作为保鲜剂、除腥脱臭剂、面试强化剂等。在医药行业，L苹果可以用于治疗肝病、贫血、免疫力低下、尿毒症、高血压、肝衰竭等多种疾病，并能减轻抗癌药物对正常细胞的毒害作用。苹果酸主要用于食品和医药行业。 1.2苹果酸发酵机理L-苹果酸在生物体中普遍存在，它作为三羧酸循环的一员而参与细胞代谢。在一般生物中

3、它只参与循环而不会大量积累，否则会造成代谢流的阻塞。要想积累苹果酸，必须要有补充4碳酸的途径。理论上讲，补充4碳酸的途径有两条：乙醛酸循环和丙酮酸羧化支路。三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle acid cycle ，TCA cycle,TCA循环）是一个由一系列酶促反应构成的循环反应系统，在该反应过程中，首先由乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成含有3个羧基的柠檬酸，经过4次脱氢，2次脱羧，生成四分子还原当量和2分子CO2，重新生成草酰乙酸的这一循环反应过程成为三羧酸循环。乙醛酸循环（glyoxylate cycle）是在异柠檬酸裂解酶的催化下，异柠檬酸被直接分解为乙醛酸，乙醛酸

4、又在乙酰辅酶A参与下，由苹果酸合成酶催化生成苹果酸，苹果酸再氧化脱氢生成草酰乙酸的过程。1 三羧酸循环图 乙醛酸循环图1.3苹果酸发酵工艺L-苹果酸的发酵工艺大体可以分为三类：一步发酵法、两步发酵法和酶法转化。一步发酵又称为直接发酵，它用糖类为原料，用霉菌直接发酵产生苹果酸。两步发酵法也是用糖类为原料，先由根霉发酵成富马酸（或富马酸-苹果酸混合物），再由酵母或细菌转化成苹果酸。酶法转化是用富马酸（盐）或马来酸为原料，用微生物酶（包括全细胞）转化成苹果酸。发酵方法利用了微生物酶的立体异构专一性，生产的都是L-苹果酸，是生物体内所存在和可以利用的构型。2发酵工艺发酵工程是指利用微生物的生长繁殖和代

5、谢活动来大量生产人们所需产品的过程的理论和工程技术体系。发酵工程也称作微生物工程，该工程技术体系主要包括：微生物菌种选育和保藏；培养基和发酵设备的灭菌技术；空气净化除菌技术；菌种的扩大培养；微生物代谢产物的发酵生产和产品分离纯化技术；发酵过程中的补料技术；发酵过程的参数检测、分析与控制技术。2原料空气采样配料压缩材料预处理 培养基入罐冷却菌种选育与保藏灭菌减湿种子扩大培养过滤发酵生产产品分离纯化下游加工发酵工艺（需氧）流程图32.1菌种选育菌种选育包括自然育种和诱变育种。自然育种（natural screening）是利用微生物在一定条件下产生自发突变的原理，通过分离、筛选排除衰退型菌株，从中

6、选出维持或高于原有生产菌种的过程，已达到稳定和提高生产能力的目的。诱变育种（mutation screening）是利用物理或化学诱变剂处理均匀分散的微生物细胞群体，促进其突变率大幅度提高，然后采用简便高效的筛选方法，从中选出少数具有优良性状的菌种。2采样材料的预处理分离所需菌种培养菌种一般菌种分离纯化和筛选的步骤如下：菌种保藏性能鉴定菌种复筛菌种初筛菌落选择优良菌种的选择是发酵法生产苹果酸的技术关键，产品收率及分离纯化都与菌种密切相关。能产生苹果酸的微生物的种类很多，有黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉、华根霉、无根根霉、温特曲霉、膜瞨毕赤酵母、短乳杆菌、产氨短杆菌等。2.1.1苹果酸菌种选育L-苹果

7、酸的发酵工艺大体可以分为三类：一步发酵法、两步发酵法和酶法转化。以糖蜜为原料的一步发酵法关键在于筛选到高效菌种，而两步法由于涉及到两种微生物，培养条件要求比较严格，发酵周期较长，产酸率相对较低，副产物较多。近年来，一种以苹果酸为底物利用微生物菌体的富马酸合成L-苹果酸的技术，以其产酸水平高、发酵周期短、能耗少、操作程序简单等优势引起国内外研发人员的青睐。4-7试验证明, 用富马酸为原料经微生物发酵生产L-苹果酸的转化率已高达98%以上，因此用富马酸为原料生产L-苹果酸的技术得到广泛采用。国内近期研究以及工业化生产多以富马酸法为主。经研究发现温特曲霉所需培养温度为20-30摄氏度，PH2025-

8、3030种子生产情况滚大球良好滚小球表1表明豆饼粉粒度过大或过细都会引起菌种培养过程中的滚球现象，不利于种子的生长， 因此豆饼粉的粒度必须控制在25-30目。2.8.2培养温度对菌种生长的影响不同培养温度下菌种的生长状况如表2。表2 菌种在不同温度下的生长状况Table 1 Growing state of strain under different temperatures培养温度（）2830323436生长周期（h）25242840生长极慢温特曲霉菌株本身不耐高温，经诱变后耐温性又有所下降。由表2可见，当温度超过36后，种子几乎不生长，适宜的培养温度为30。在此温度下的种了培养周期为1d

9、。2.8.3通气量与搅拌转速保持搅拌轴恒定转速300rmin，考察了不同通气量(VVm)对产酸的影响，结果如图I(富马酸初始浓度115.8gL(下同)；温度30)。由图1可见本菌种以富马酸为底物发酵产L-苹果酸，在整个发酵产酸过程中各阶段对耗氧量需求是不同的。发酵前4 8h，产酸受通气量改变影响很小，但在进入发酵中期随着通气量的提高，产酸速率明显加快，当通气量增加到1：1.3时，在48108h间产酸速率上升很快，产酸峰值在120h。说明发酵前期即048h主要是培菌过程，在此过程中体系内的富马酸、L-苹果酸及pH值的变化均较小；48h以后为产酸阶段，富马酸的浓度速率下降和L苹果酸产酸速率增加很快，即产酸过程中耗氧速率迅速增加，因此必须加大通气量。在这两个阶段控制不同的通气量进行试验，结果见表3。表3表明培菌阶段通气量应控制在1：105，而一进入产酸阶段要将通气量增加至1：1.3。较高的搅拌速度能增加培养基的溶氧量并可以稀释培养基中的大分子9-10。产酸阶段适当降低通气量，而提高搅拌转速，考察350、400rmin转速下的发酵试验，结果如表4发