發(fā)酵工業(yè)原料及其處理課件

第一篇工業(yè)微生物和發(fā)酵工業(yè)原料第三章發(fā)酵工業(yè)原料及其處理第一節(jié)發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分第二節(jié)淀粉水解糖的制備第三節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌

第1節(jié)發(fā)酵工業(yè)原料的種類和成分一、發(fā)酵培養(yǎng)基中各種成分的定量

1概念:發(fā)酵培養(yǎng)基是供微生物生長(zhǎng)繁殖和合成大量產(chǎn)物的培養(yǎng)基。（1）要求：有利于微生物的生長(zhǎng)繁殖，防止菌體過(guò)早衰老；利于產(chǎn)物的合成。（2）成分種類：碳源、氮源、無(wú)機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子、水；前體、促進(jìn)劑、抑制劑。2.氮源:在發(fā)酵培養(yǎng)基中的含量因發(fā)酵目的產(chǎn)物不同而不同。目的產(chǎn)物是否含有氮元素。（1）分類：有機(jī)氮源：豆粉、花生餅粉、棉子粉、玉米漿、蛋白胨、酵母粉、魚(yú)粉等無(wú)機(jī)氮源氨水（液氨）、硝酸鹽、銨鹽。

3.無(wú)機(jī)鹽:發(fā)酵培養(yǎng)基的必需成分之一主要有磷、硫、鐵、Mg、Zn、Co、Cu、Mn等。4.生長(zhǎng)因子:為發(fā)酵培養(yǎng)基必不可少的組分對(duì)量的控制要適當(dāng)，如生物素亞適量法的谷氨酸發(fā)酵。5.前體:概念：有些化合物被加入培養(yǎng)基后，能夠直接在生物合成過(guò)程中結(jié)合到產(chǎn)物分子中去，而自身的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生太大變化，卻能提高產(chǎn)物的產(chǎn)量，這類小分子物質(zhì)被稱為前體。前體使用濃度要適當(dāng)，濃度過(guò)高對(duì)菌體有毒害作用，一般采用流加方式，減少一次加入量。

二、工業(yè)上常用作碳源的淀粉質(zhì)原料

淀粉質(zhì)原料含淀粉量高，而且來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜。淀粉質(zhì)原料及其水解液是發(fā)酵工業(yè)常用的碳源；使用最廣泛的淀粉質(zhì)原料是工業(yè)淀粉、谷類、薯類；工業(yè)淀粉有玉米淀粉、小麥淀粉、甘薯淀粉、馬鈴薯淀粉。四、發(fā)酵培養(yǎng)基中的無(wú)機(jī)鹽和生長(zhǎng)因子

1.磷酸鹽是某些蛋白質(zhì)和核酸的組成部分；磷酸鹽有緩沖作用。2.硫酸鎂鎂是許多酶的激活劑，硫?yàn)楹虻鞍滋峁┝蛟础?.鉀鹽、鈉鹽一般以磷酸鹽的形式供給4.微量元素以有機(jī)碳氮源時(shí)可不單獨(dú)添加5.生長(zhǎng)因子發(fā)酵工業(yè)一般以農(nóng)副產(chǎn)品原料提供常用的有玉米漿、麩皮水解液、糖蜜、酵母水解液等。五、發(fā)酵生產(chǎn)的前體物質(zhì)和促進(jìn)劑、抑制劑1.前體多在氨基酸、抗生素、核苷酸發(fā)酵中添加使用2.促進(jìn)劑作用是改善細(xì)胞環(huán)境：增加滲透性、增強(qiáng)氧的傳遞速度等。如表面活性劑、甲醇、EDTA。3.抑制劑作用是抑制某些途徑而使代謝向所需要產(chǎn)物的途徑轉(zhuǎn)化。

CDEBA

第2節(jié)淀粉水解糖的制備一、淀粉水解糖的制備方法

葡萄糖是碳源中最容易利用的單糖，淀粉水解后可獲得葡萄糖；淀粉質(zhì)原料是發(fā)酵工業(yè)最常用的原料之一。在工業(yè)生產(chǎn)上將淀粉水解為葡萄糖的過(guò)程稱為淀粉的糖化，所制得的糖液為淀粉水解糖。凡是淀粉質(zhì)原料都可用于制備淀粉水解糖。水解方法有：酸水解法、酶水解法、酸酶結(jié)合水解法。二、淀粉酶水解制糖分兩步：液化和糖化，又稱為雙酶水解法。相對(duì)于化學(xué)法的酸水解法，采用專一性的酶制劑作催化劑，反應(yīng)條件溫和，副反應(yīng)較少，可提高原料的轉(zhuǎn)化率和糖液濃度，改善糖液質(zhì)量；缺點(diǎn)是反應(yīng)周期長(zhǎng)。（1）液化酶又稱為α-淀粉酶，是內(nèi)切型淀粉酶，任意切開(kāi)α-1,4糖苷鍵。（2）糖化酶，是外切型淀粉酶，從末端依次水解α-1,4糖苷鍵和α-1,6糖苷鍵，產(chǎn)生β-葡萄糖。

第3節(jié)發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌一、消毒與滅菌的原理和方法

發(fā)酵采用純種培養(yǎng)只有生產(chǎn)菌的存在不能有任何雜菌要求發(fā)酵過(guò)程中

純種培養(yǎng)的必要性雜菌污染所致的危害/不良后果（p73）消耗營(yíng)養(yǎng)成分；分泌代謝產(chǎn)物，或改變培養(yǎng)液的某些理化性質(zhì)，影響產(chǎn)物的提取分離；大量繁殖的雜菌改變反應(yīng)介質(zhì)的pH，使生物反應(yīng)發(fā)生異常；雜菌有可能分解產(chǎn)物；染菌嚴(yán)重者造成“倒罐”（“顆粒無(wú)收”）或污染噬菌體，導(dǎo)致細(xì)胞裂解，使生產(chǎn)失敗。引出滅菌和消毒的必要性，殺死所有非生產(chǎn)用微生物。干熱滅菌濕熱滅菌射線滅菌過(guò)濾除菌化學(xué)藥品滅菌滅菌方法其中，氧化作用是導(dǎo)致微生物死亡的主要依據(jù)。1.干熱滅菌法利用高溫產(chǎn)生的干熱對(duì)微生物有氧化、蛋白質(zhì)變性和電解質(zhì)濃縮引起的中毒等作用而殺滅微生物。微生物對(duì)干熱的耐受力比對(duì)濕熱強(qiáng)得多，因此干熱滅菌所需要的溫度較高、時(shí)間較長(zhǎng)。如121oC，需過(guò)夜滅菌。適于滅菌后要求保持干燥的物料和器具；應(yīng)用實(shí)例是灼燒滅菌。在有水分存在時(shí)，蛋白質(zhì)更易受熱而凝固變性。2.濕熱滅菌法借助蒸汽釋放的熱能使微生物細(xì)胞中的蛋白質(zhì)、酶和核酸分子內(nèi)部的化學(xué)鍵受到破壞，引起不可逆的變性，使微生物死亡。適用于培養(yǎng)基和發(fā)酵設(shè)備的滅菌；100oC，40~60min或121oC，30min。常用的射線：紫外線、高能量的電磁波或粒子輻射。其中，紫外線最常用。3.輻射滅菌法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。波長(zhǎng)260nm（與核酸的吸收波譜一致），DNA吸收后產(chǎn)生變異，引起死亡；穿透力低（不能穿透玻璃），只能用于表面殺菌。適用于熱敏感的氣體或液體的滅菌4.過(guò)濾除菌法利用微生物不能透過(guò)濾膜而達(dá)到除菌目的。膜濾器（最常用）濾膜為醋酸纖維或硝酸纖維，膜孔徑一般為0.01~0.45μm一般，實(shí)驗(yàn)室采用該法對(duì)少量的液體除菌；工業(yè)上利用小板框?qū)股氐犬a(chǎn)品滅菌處理?？捎糜谄髅?、雙手、實(shí)驗(yàn)室和無(wú)菌室的環(huán)境滅菌，但不能用于培養(yǎng)基滅菌。5.化學(xué)試劑滅菌法利用藥物與微生物細(xì)胞中的成分發(fā)生反應(yīng)，使蛋白質(zhì)變性、酶失活。方法：可采用浸泡、添加、擦拭、噴灑、氣態(tài)熏蒸等方法。常用的化學(xué)試劑：高錳酸鉀溶液、漂白粉、75%酒精溶液、過(guò)氧乙酸、甲醛、酚類、抗生素等。1.概念致死溫度：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要的時(shí)間。熱阻：表示為微生物對(duì)熱的抵抗力的方式，指微生物在某一特定條件下（主要指溫度和加熱方式）的致死時(shí)間。在致死溫度以上，溫度愈高，致死時(shí)間愈短。致死溫度和致死時(shí)間是衡量熱滅菌的指標(biāo)。不同細(xì)菌、芽孢對(duì)熱的抵抗力不同。2.微生物的熱死定律——對(duì)數(shù)殘留定律雜菌的受熱致死主要是因蛋白質(zhì)變性滅菌時(shí)間的確定屬于一級(jí)反應(yīng)活的雜菌細(xì)胞在一定溫度下受熱致死的過(guò)程與一級(jí)化學(xué)反應(yīng)中未反應(yīng)分子的減少速度類似（存活細(xì)胞與未反應(yīng)分子等價(jià)）對(duì)數(shù)殘留定律減少速率：-dN/dt殘留菌數(shù)：N速度常數(shù)：KdN/dt=-

K.

Nt=(2.303/K)lg(No/Nt)例題有發(fā)酵培養(yǎng)基40m3，原始污染程度為105個(gè)菌/ml，要求無(wú)菌程度為10-3個(gè)菌/批，若滅菌溫度125oC使滅菌速度常數(shù)為1min，求所需要的滅菌時(shí)間。No=40×106×105=4×1012

Nt=0.001K

=1min-1t=(2.303/K)lg(No/Nt)=(2.303/1)lg(4×1012/10-3)=20.8（min）3.培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇：滅菌溫度與菌死亡的反應(yīng)速度常數(shù)k關(guān)系：阿累尼烏斯方程k=Ae-(E/RT)k-比死亡速率常數(shù)；A-比例常數(shù)，又稱為阿累尼烏斯常數(shù)；e-2.718；

R-氣體常數(shù)；E-殺死該微生物所需的活化能；T-絕對(duì)溫度。反應(yīng)分子必須達(dá)到活化態(tài)才能參加反應(yīng)或指獲得活化能該微生物才能被殺死。3.培養(yǎng)基滅菌溫度的選擇：隨溫度上升，微生物的死亡速率常數(shù)增加倍數(shù)要大于培養(yǎng)基成分的破壞速率的增加倍數(shù)；即殺死微生物速率的提高超過(guò)培養(yǎng)基成分破壞速率的增加。滅菌過(guò)程中，微生物被殺滅的過(guò)程中也伴隨著培養(yǎng)基成分破壞。達(dá)到相同滅菌效果時(shí)，溫度T越高，所需的滅菌時(shí)間t越短。因此可通過(guò)提高滅菌溫度，縮短滅菌的時(shí)間。k=Ae-(E/RT)4.影響培養(yǎng)基滅菌效果的因素：除滅菌時(shí)間和滅菌溫度外，還有：培養(yǎng)基成分；培養(yǎng)基的物理狀態(tài)；培養(yǎng)基的pH；培養(yǎng)基中的微生物數(shù)量；微生物細(xì)胞中的水分含量；微生物細(xì)胞的菌齡；微生物的耐熱性；空氣排除情況；攪拌；泡沫。三、發(fā)酵培養(yǎng)基滅菌工藝

實(shí)罐滅菌空罐滅菌連續(xù)滅菌間歇滅菌將培養(yǎng)基裝入發(fā)酵罐內(nèi)直接通入蒸汽進(jìn)行滅菌。1、實(shí)罐滅菌特點(diǎn)：不需另外的設(shè)備，操作簡(jiǎn)便，滅菌效果可靠，工業(yè)上廣泛應(yīng)用。不足：升溫和降溫的時(shí)間較長(zhǎng)。工藝流程裝料高壓蒸汽加熱升溫關(guān)小排氣閥保溫打開(kāi)各管道閥門(mén)放氣冷卻2、空罐滅菌通入飽和蒸汽于未加培養(yǎng)基的罐體內(nèi)進(jìn)行濕熱滅菌。罐壓和罐溫可稍高于實(shí)罐滅菌。發(fā)酵過(guò)程中若罐染菌（尤其是芽孢桿菌），必須先進(jìn)行空消。結(jié)合甲醛熏消（用量為罐體積的0.001%）滅菌結(jié)束后加大進(jìn)風(fēng)量，延長(zhǎng)吹干時(shí)間吹凈甲醛滅菌徹底3、連續(xù)滅菌培養(yǎng)基的連續(xù)滅菌就是將配制好的培養(yǎng)基經(jīng)過(guò)專用的消毒設(shè)備，在向發(fā)酵罐等培養(yǎng)裝置輸送的同時(shí)進(jìn)行加熱、保溫和冷卻而進(jìn)行滅菌。1.滅菌溫度高可在較高溫度滅菌，降低滅菌時(shí)間，減少營(yíng)養(yǎng)破