發(fā)酵工業(yè)原料及其處理PPT課件

1、1,第三章,發(fā)酵工業(yè)原料及其處理,2,本章內(nèi)容,一、發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分 二、淀粉水解糖的制備 三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌,3,第一節(jié) 發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分,發(fā)酵培養(yǎng)基的作用： 滿足菌體的生長(zhǎng) 促進(jìn)產(chǎn)物的形成,4,要求 營(yíng)養(yǎng)豐富完全，有利于產(chǎn)物合成； 不能大量加入快C、快N源，應(yīng)和慢C、N源相結(jié)合； 在產(chǎn)物分泌期間，pH 穩(wěn)定； 加入適量合成所需的物質(zhì)，如前體等，進(jìn)行定向發(fā)酵； 采用中間補(bǔ)料，以提高發(fā)酵單位； 原料的考慮成本問(wèn)題,5,一、工業(yè)上常用的碳源（carbon source）,工業(yè)上常用的糖類及來(lái)源,6,谷物淀粉優(yōu)點(diǎn)： 來(lái)源廣泛、價(jià)格低，可解除葡萄糖效應(yīng)。 谷物淀粉缺點(diǎn)： a.難利用、

2、發(fā)酵液比較稠、一般2.0%時(shí)加入 一定的-淀粉酶。 b.成分較復(fù)雜，有直鏈淀粉和支鏈淀粉等。,7,有機(jī)氮： 來(lái)源：一些廉價(jià)的原料，如玉米漿、豆餅粉、花生餅粉、魚粉、酵母浸出膏等。,二、工業(yè)上常用的氮源（ nitrogen source）,8,9,1、無(wú)機(jī)鹽： 硫酸鹽、磷酸鹽、氯化物及一些微量元素。,三、發(fā)酵培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子,10,提供生長(zhǎng)因子的農(nóng)副產(chǎn)品原料: （1）玉米漿（最具代表性) （2）麩皮水解液 （3）糖蜜 （4）酵母,2、生長(zhǎng)因子（growth factor）,11,1、前體： 能直接被微生物在生物合成過(guò)程中結(jié)合到產(chǎn)物中去，而其自身的結(jié)構(gòu)并沒(méi)有多大變化，但是產(chǎn)物的產(chǎn)量有較大

3、的提高。 在生產(chǎn)中常采用少量多次地加入前體。,四、發(fā)酵生產(chǎn)的前體物質(zhì)和促進(jìn)劑、抑制劑等,12,13,2、促進(jìn)劑 所謂產(chǎn)物促進(jìn)劑是指那些非細(xì)胞生長(zhǎng)所必須的營(yíng)養(yǎng)物，又非前體，但加入后卻能提高產(chǎn)量的添加劑。,14,15,3、抑制劑 抑制某些代謝途徑的進(jìn)行，同時(shí)刺激另一代謝途徑，以致可以改變微生物的代謝途徑。,16,某些代謝產(chǎn)物的抑制劑,17,在工業(yè)生產(chǎn)中，將淀粉水解為葡萄糖（glucose）的過(guò)程稱淀粉的糖化，制得的溶液叫淀粉水解糖。,第二節(jié) 淀粉水解糖的制備,18,一、淀粉相關(guān)知識(shí),19,直鏈淀粉 100-60 000,-1，4糖苷鍵,-1，4糖苷鍵,-1，6糖苷鍵,支鏈淀粉 1 000-3 00

4、0 000,普通谷物和薯類淀粉含直鏈淀粉17%-27%，其余為支鏈淀粉；粘玉米、糯米全部為支鏈淀粉,2、淀粉的分子結(jié)構(gòu),20,二、淀粉水解糖的制備方法和原理,（一）酸解法 （二）酶解法 （三）酸酶結(jié)合水解法,21,（一）酸解法,以酸（無(wú)機(jī)酸或有機(jī)酸）為催化劑，在高溫高壓下將淀粉水解轉(zhuǎn)化為葡萄糖的方法。,22,1.水解過(guò)程： 總反應(yīng)式： (C6H10O5)n+nH2O nC6H12O6 過(guò)程：(C6H10O5)n (C6H10O5)x C12H22O11 C6H12O6 淀粉 糊精 麥芽糖 葡萄糖 H+對(duì)作用點(diǎn)無(wú)選擇性，-1,4-糖苷鍵和-1,6-糖苷鍵均被切斷。,23,2.副反應(yīng)葡萄糖的復(fù)合反

5、應(yīng)和分解反應(yīng),水解反應(yīng),復(fù)合反應(yīng),分解反應(yīng),24,葡萄糖,葡萄糖,25,影響復(fù)合反應(yīng)的因素：,1）葡萄糖濃度,3）酸的種類和濃度,4）溫度,DE值：dextrose equivalent value （葡萄糖當(dāng)量值）表示淀粉糖的含糖量。 還原糖含量（） DE值 100 干物質(zhì)含量（）,2）淀粉乳濃度,26,影響分解反應(yīng)的因素：,1）糖化加熱時(shí)間,3）葡萄糖濃度,2）酸度,27,（1）降低了葡萄糖的收率。 （2）給產(chǎn)物的提取和糖化液的精制帶來(lái)困難。 復(fù)合反應(yīng)：生成的多數(shù)復(fù)合糖不能被微生物利用，使發(fā)酵結(jié)束時(shí)殘?zhí)歉摺?分解反應(yīng)：生成的5羥甲基糠醛是產(chǎn)生色素的根源，增加了糖化液精制脫色的困難。,不利影

6、響：,28,如何控制分解反應(yīng)和復(fù)合反應(yīng)的發(fā)生？ （1）淀粉乳濃度 （2）酸濃度 不能過(guò)高 （3）溫度,29,3.評(píng)價(jià) 優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，水解時(shí)間短，生產(chǎn)效率高，設(shè)備周轉(zhuǎn)快。 缺點(diǎn)： （1）副產(chǎn)物多，影響糖液純度，一般DE值只有90左右。 （2）對(duì)淀粉原料要求嚴(yán)格，不能用粗淀粉，只能用純度較高的精制淀粉。,30,淀粉,鹽酸,蒸汽,水,調(diào)漿,糖化,冷卻,中和脫色,壓濾,濾渣,糖液,活性炭,Na2CO3,4.酸解工藝流程,淀粉的酸水解工藝是根據(jù)淀粉在水解過(guò)程中的水解反應(yīng)和復(fù)合、分解反應(yīng)規(guī)律性來(lái)決定的。,31,1 淀粉質(zhì)量 2 淀粉乳濃度的選擇 3 酸的種類和用量 4 糖化溫度、壓力和時(shí)間 5 糖化終點(diǎn)

7、,32,（二）酶解法,用專一性很強(qiáng)的淀粉酶及糖化酶將淀粉水解為葡萄糖的工藝。,33,淀粉酶解法分兩步： （1）液化：用-淀粉酶將淀粉轉(zhuǎn)化為糊精和低聚糖（2）糖化：用糖化酶（又稱葡萄糖淀粉酶）將糊精 和低聚糖轉(zhuǎn)化為葡萄糖。,34,酶 水解位置 水解次序 水解產(chǎn)物 液化 淀粉酶 1，4糖苷鍵 無(wú)先后次序 葡萄糖、麥芽糖、麥芽三糖 異麥芽糖、低聚糖 糖化 糖化酶 1，4和1，6 從非還原性 葡萄糖 糖苷鍵 末端開始,1.酶水解特性,35,2、淀粉的液化及液化終點(diǎn)的控制 糊化：在溫水中，當(dāng)?shù)矸垲w粒無(wú)限膨脹形成均一的粘稠液體的現(xiàn)象，稱為淀粉的糊化。此時(shí)的溫度稱為糊化溫度。 老化：分子間已斷裂的氫鍵、糊化

8、淀粉又重新排列形成新的氫鍵的過(guò)程，也就是復(fù)結(jié)晶的過(guò)程。,36,液化方法,37, 噴射液化,該工藝的特點(diǎn)是利用噴射器將蒸汽噴入淀粉乳的薄膜，在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)噴射器快速升溫至145C完成糊化、液化，使形成的“不溶性淀粉顆?！痹诟邷叵路稚?，從而使所得的液化液既透明又易于過(guò)濾，淀粉的出糖率也高，同時(shí)采用了真空閃急冷卻，提高了液化液的濃度。,38,液化程度的控制,I2試 測(cè)定DE值 DE值高，糊精太小，不利于糖化酶作用，影響催化效率，終點(diǎn)DE值低。 DE值低，液化不徹底，糖化速度慢，酶用量大，時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)濾性能差。,39,3. 淀粉糖化及糖化終點(diǎn)的控制,（1） 糖化的溫度及p值：決定于所用的糖化劑的性質(zhì)。

9、（2）加酶量： （3）液化液DE值的影響： 在碘試本色的前提下，液化液DE值越低，則糖化液DE值越高。 （4）異淀粉酶的影響：,40,糖化終點(diǎn)： 終點(diǎn)確定：DE值達(dá)最高時(shí)，加熱滅酶 方法：無(wú)水乙醇滴入糖化液，無(wú)白色沉淀則達(dá)到糖化終點(diǎn),41,糖化工藝,液化 糖化 滅酶 過(guò)濾 成品糖液,42,4.評(píng)價(jià) 優(yōu)點(diǎn)： （1）反應(yīng)條件溫和，不需高溫、高壓設(shè)備。 （2）副反應(yīng)少，水解糖液純度高。 （3）對(duì)原料要求粗放，可用粗原料并在較高淀粉乳濃度下水解。 （4）糖液顏色淺，質(zhì)量高。,缺點(diǎn)： （1）生產(chǎn)周期長(zhǎng)，一般需要48小時(shí)。 （2）需要更多的設(shè)備，且操作嚴(yán)格。,43,（三）酸酶結(jié)合水解法,44,1）酸酶法：

10、,酸解,酶解,酸酶法特點(diǎn)： 液化速度快； 糖化是由酶來(lái)進(jìn)行的，對(duì)液化液要求不高，可采用較高的淀粉乳濃度，提高生產(chǎn)效率； 用酸較少，產(chǎn)品顏色淺，糖液質(zhì)量較高。,45,2）酶酸法：,酶酸法特點(diǎn)： 可采用粗原料淀粉，淀粉濃度也較酸法高，糖液色淺,46, 從水解糖的質(zhì)量及降低糖耗，提高原料利用率方面來(lái)考慮，則以雙酶法最好，酸酶法次之，酸法最差； 從時(shí)間來(lái)說(shuō)，則酸法最短，雙酶法最長(zhǎng),47,淀粉水解糖液質(zhì)量要求,1、色澤：淡黃色透明 2、糖液不含糊精 3、 還原糖含量：18%（酸解法）；25-38%（酶解法） 4、 DE值： 90% （酸解法） ； 95%（酶解法） 5、 透光率： 40% （酸解法） ；

11、 60%（酶解法） 6、pH:4.6-4.8 7、淀粉轉(zhuǎn)化率： 92% （酸解法，玉米淀粉糖） ； 95%(酶解法，玉米淀粉糖）； 87% （酸解法，大米糖）,48,第三節(jié) 發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌,一、消毒與滅菌的原理和方法,1、在發(fā)酵過(guò)程中夾雜其它雜菌造成的后果： 1、生產(chǎn)菌和雜菌同時(shí)生長(zhǎng)，競(jìng)爭(zhēng)培養(yǎng)基中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致生產(chǎn)能力下降； 2、雜菌及其產(chǎn)生的物質(zhì)，使提取精制發(fā)生困難； 3、雜菌大量繁殖，改變代謝途徑，使生物反應(yīng)產(chǎn)生異常變化； 4、雜菌會(huì)降解目的產(chǎn)物，使生產(chǎn)過(guò)程失??； 5、發(fā)生污染噬菌體，可使生產(chǎn)菌發(fā)生溶菌現(xiàn)象。,49,2、滅菌與消毒的區(qū)別 滅菌：用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物，

12、包括營(yíng)養(yǎng)細(xì)胞、細(xì)菌芽孢和孢子 消毒：用物理或化學(xué)方法殺死物料、容器、器皿內(nèi)外的病源微生物。,50,3、滅菌的原理和方法 干熱滅菌法 濕熱滅菌法 射線滅菌法 化學(xué)藥品滅菌法 過(guò)濾除菌法 火焰滅菌法,51,（1）干熱滅菌,原理：利用高溫對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮作用而殺滅微生物。 常用方法：灼燒和電熱箱加熱，140-180 1-2小時(shí) 使用范圍：玻璃及金屬用具及沙土管滅菌,全自動(dòng)干熱滅菌器,52,（2）濕熱滅菌,原理：蒸汽冷凝放出大量潛熱，具有穿透力，且在高溫有水分條件下，蛋白質(zhì)易變性。 常用方法： 水煮常壓滅菌：100 飽和蒸汽滅菌：一般121，30分鐘 使用范圍：培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備滅

13、菌。,高壓蒸汽滅菌鍋,53,（3） 輻射滅菌,原理：利用高能量的電磁輻射與菌體核酸的光化學(xué)反應(yīng)造成菌體死亡。 常用：紫外線、X射線和射線。 使用范圍：用于室內(nèi)空氣及器皿表面滅菌,微波滅菌機(jī),54,（4）化學(xué)物質(zhì)滅菌 原理： 藥物與微生物細(xì)胞中的成分反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、酶失活。 使用范圍： 器皿、雙手和實(shí)驗(yàn)室、無(wú)菌室的環(huán)境滅菌， 不能用于培養(yǎng)基滅菌,55,常用的滅菌劑,56,（5）過(guò)濾除菌,原理：利用微生物不能透過(guò)濾膜除菌。 方法: 0.010.45 m孔徑濾膜， 使用范圍：用于壓縮空氣、酶溶液及其他不耐熱化合物溶液除菌。,57,（一）濕熱滅菌的原理 1、微生物的熱阻,二、培養(yǎng)基與設(shè)備的滅菌,致

14、死溫度：殺死微生物的極限溫度。 致死時(shí)間 ：在致死溫度下，殺死全部微生物所需的時(shí)間,58,某些微生物對(duì)濕熱的相對(duì)熱阻（與大腸桿菌比較）,熱阻，指微生物在某一特定條件（主要是溫度和加熱方式）下的致死時(shí)間。 相對(duì)熱阻是指某一微生物在某條件下的致死時(shí)間與另一微生物在相同條件下的致死時(shí)間的比值。,59,2. 微生物熱死定律：對(duì)數(shù)殘留定律,在一定溫度下，微生物受熱致死遵循分子反應(yīng)速度理論，微生物受熱死亡的速率-dN/dt與任何瞬間殘留的活菌數(shù)N成正比，即 當(dāng)Nt=0時(shí)， t=， 既無(wú)意義，也不可能。 一般采用Nt=0.001，即1000次滅菌中只有一次失敗。,1,2,3,可見(jiàn)滅菌時(shí)間取決于污染程度(N0

15、)、滅菌程度（殘留菌數(shù)Nt）和值,60,斜率：-k,61,非對(duì)數(shù)殘留定律：,62,：反應(yīng)速率常數(shù) （比死亡速率常數(shù)）, 死亡速率 常數(shù) 是微生物耐熱性的一種特征，它隨微生物種類和滅菌溫度而異。,反應(yīng)速率常數(shù)k與滅菌溫度T的關(guān)系： 阿累尼烏斯方程：k=Ae - E/RT,Svante August Arrhenius was a Swedish physical chemist best known for his theory that electrolytes, certain substances that dissolve in water to yield a solution tha

16、t conducts electricity, are separated, or dissociated, into electrically charged particles, or ions, even when there is no current flowing through the solution. In 1903 he was awarded the Nobel Prize for Chemistry.,63,121某些細(xì)菌芽孢的值,64,（二）滅菌溫度與時(shí)間的計(jì)算和選擇,培養(yǎng)基成分受熱破壞是化學(xué)分解反應(yīng)，為一級(jí)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)：,- dC / d = C,培養(yǎng)基滅菌過(guò)程中，除

17、微生物被殺死外，還伴隨著培養(yǎng)基成分被破壞，在加熱下氨基酸、維生素等受破壞。,65,ln(2 /1),ln(2 /1),E,E,ln2/1ln2/1,當(dāng)滅菌溫度升高時(shí)，微生物死亡速率大于培養(yǎng)基成分破壞的速率。,66,根據(jù)這一理論，培養(yǎng)基滅菌采用高溫短時(shí)的方法，有利于減少營(yíng)養(yǎng)成分的破壞。,67,（三）影響培養(yǎng)基滅菌的因素,在影響培養(yǎng)基滅菌的因素中，除了滅菌溫度和時(shí)間外，還有以下影響因素： 1.培養(yǎng)基成分： 油脂、糖類、蛋白質(zhì)增加耐熱性，滅菌時(shí)間長(zhǎng)； 高濃度的鹽類、色素等則削弱其抗性 2.培養(yǎng)基物理狀態(tài)： 固體培養(yǎng)基的滅菌時(shí)間要比液體培養(yǎng)基的滅菌時(shí)間長(zhǎng),68,3、pH, 微生物在pH6.08.0范圍

18、內(nèi)耐熱性最大 pH低于6.0時(shí)，氫離子極易滲入微生物細(xì)胞，從而改變細(xì)胞的生理反應(yīng)而促進(jìn)其死亡，故培養(yǎng)基酸度愈高，則所需的殺菌時(shí)間愈短。,69,4、培養(yǎng)基中微生物數(shù)量,數(shù)量越多，所需滅菌時(shí)間越長(zhǎng),例如： 如肉毒梭狀芽孢桿菌，在105濕熱滅菌時(shí)間 芽孢桿菌數(shù)/ml 時(shí)間 (min) 9108 48 9106 36 9104 20 9102 14 9 2,70,5.微生物細(xì)胞含水量： 一定范圍含水越多蛋白質(zhì)凝固溫度越低，越易被殺死。 6.微生物細(xì)胞菌齡： 7.耐熱性： 8.泡沫： 泡沫中的空氣形成隔熱層，對(duì)滅菌極為不利，可加入少量消泡劑 。,71,（一）間歇滅菌,三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝,間歇滅菌就是

19、將配制好的培養(yǎng)基放入發(fā)酵罐或其他裝置中，通入蒸汽將培養(yǎng)基和所用設(shè)備一起進(jìn)行滅菌的操作過(guò)程，也稱分批滅菌或?qū)嵐逌缇?72,過(guò)程包括： 升溫、保溫和冷卻三階段。 各階段對(duì)滅菌的貢獻(xiàn)： 20%、75%、5%。,培養(yǎng)基間歇滅菌過(guò)程中的溫度變化情況,1. 間歇滅菌的溫度變化,73,例： 有一發(fā)酵罐內(nèi)裝40m3培養(yǎng)基，在121溫度下進(jìn)行實(shí)罐滅菌。原污染程度為每ml有2105個(gè)耐熱細(xì)菌芽孢， 121時(shí)滅菌速度常數(shù)為1.8min1。求滅菌失敗幾率為0.001時(shí)所需的滅菌時(shí)間。,2. 滅菌時(shí)間的估算,74,1、在進(jìn)行培養(yǎng)基滅菌之前，通常應(yīng)先把發(fā)酵罐的 空氣分過(guò)濾器滅菌并用無(wú)菌空氣吹干。 2、預(yù)熱：向夾套或蛇管中通入蒸汽，間接將培養(yǎng)基加熱至70左右 作用： 利于糊化；減少冷凝水的生成；減輕噪音,3