第8章-乳酸發(fā)酵工藝.ppt

1、乳 酸 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 工 藝 Lactic acid Fermentation Production,一. 概述 Introduction,生產(chǎn)方法：化學(xué)合成（10%）和發(fā)酵法（90%）,廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥領(lǐng)域 目前普遍使用DL-乳酸 L-乳酸天然性，將是發(fā)展方向，特別應(yīng)用聚乳酸（可降解生物材料）,廣泛存在于人、動(dòng)物、植物及微生物體內(nèi)，旋光異構(gòu)體,細(xì)菌乳酸途徑,厭氧菌或微需氧菌，按發(fā)酵糖類過(guò)程和產(chǎn)物不同，可分為同型和異型和雙歧乳酸發(fā)酵,二. 代謝途徑及產(chǎn)乳酸微生物,1 乳酸代謝途徑,同型乳酸發(fā)酵：它們利用糖經(jīng)糖酵解途徑生成丙酮酸，丙酮酸還原產(chǎn)生乳酸。發(fā)酵產(chǎn)物中主要為乳酸的稱為同型乳酸

2、發(fā)酵，如乳鏈球菌（Streptococcus lactics）、乳酪鏈球菌（ Streptococcus cremoris）、干酪乳桿菌（lactobacillus casei）、保加利亞乳桿菌（Lac. bulgaricus）等。,2H（乳酸脫氫酶） C6H12O6 EMP 2CH3COCOOH 2CH3CHOHCOOH 同型乳酸發(fā)酵的特點(diǎn)：1mol的G產(chǎn)生2mol乳酸，理論轉(zhuǎn)化率是100%。另外有很少量的乙醇、乙酸和二氧化碳等。,同型乳酸發(fā)酵,葡萄糖,3-磷酸甘油醛,磷酸二羥丙酮,2( 1,3-二-磷酸甘油酸）,2乳酸 2丙酮酸,同型乳酸發(fā)酵,2NAD+ 2NADH,4ATP,4ADP,2

3、ATP 2ADP,Lactococcus lactis Lactobacillus plantarum,異型乳酸發(fā)酵,發(fā)酵產(chǎn)物中除乳酸外同時(shí)還有比例較高的乙酸、乙醇、二氧化碳等，稱為異型乳酸發(fā)酵。其生物合成途徑有兩種。,a 6-磷酸葡萄糖酸途徑,通過(guò)該途徑，1mol的G產(chǎn)生1mol的乳酸，乳酸對(duì)糖的理論轉(zhuǎn)化率是50%。另外有比例較高的乙醇、乙酸和二氧化碳等。 腸膜明串珠菌（Leuconostoc mesenteroides）及葡聚糖明串珠菌（Leuconostoc dextranicum）通過(guò)該途徑進(jìn)行異型乳酸發(fā)酵。,異型乳酸發(fā)酵：,葡萄糖,6-磷酸葡萄糖,6-磷酸葡萄糖酸,5-磷酸木酮糖,3

4、-磷酸甘油醛,乳酸,乙酰磷酸,NAD+ NADH,NAD+ NADH,ATP ADP,乙醇 乙醛 乙酰CoA,2ADP 2ATP,-2H,-CO2,磷酸戊糖酮解途徑PK,b Bifidus 途徑（雙歧途徑）,雙歧桿菌（Bifidobacterium bifidum)進(jìn)行的乳酸發(fā)酵也是一條磷酸解酮酶途徑。該途徑的特點(diǎn)是： 有兩個(gè)磷酸酮解酶參與； 在沒(méi)有氧化作用和脫氫作用下，2分子G分解為3分子乙酸和2分子3-磷酸甘油醛。接著，在3-磷酸甘油醛脫氫酶和乳酸脫氫酶的參與下， 3-磷酸甘油醛轉(zhuǎn)化為乳酸，轉(zhuǎn)化率為50%。,磷酸己糖解酮途徑HK,2葡萄糖 2葡萄糖-6-磷酸 6-磷酸果糖 6-磷酸-果糖,

5、4-磷酸-赤蘚糖 乙酰磷酸,2木酮糖-5-磷酸,2甘油醛 -3-磷酸 2乙酰磷酸,2乳酸,2乙酸,乙酸,磷酸己糖解酮酶,磷酸己糖解酮酶戊,逆HMP途徑,同EMP,乙酸激酶,雙歧發(fā)酵,特別提醒：微生物的代謝途徑一般都不是單一的，不論同型乳酸發(fā)酵還是異型乳酸發(fā)酵，實(shí)際代謝產(chǎn)物都不象代謝途徑中那樣單純，兩類乳酸發(fā)酵的代謝產(chǎn)物沒(méi)有不可逾越的界限。,應(yīng)用范圍： 同型乳酸菌發(fā)酵的微生物已經(jīng)用來(lái)發(fā)酵產(chǎn)生乳酸。 異型乳酸發(fā)酵的微生物，例如雙歧桿菌，已經(jīng)用于發(fā)酵生產(chǎn)活菌飲料，,米根霉乳酸途徑,好氧異型發(fā)酵，和細(xì)菌異型發(fā)酵不同，通過(guò)糖酵解途徑，副產(chǎn)物有：乙醇、富馬酸、琥珀酸、蘋果酸、醋酸 乳酸對(duì)糖轉(zhuǎn)化率為：75%

6、,可以以淀粉為原料發(fā)酵 糖酵解成丙酮酸，存在三條途徑 1）丙酮酸脫羧酶-乙醇 2）丙酮酸羧化酶-草酰乙酸（形成三羧酸循環(huán)副產(chǎn)物：富馬酸、蘋果酸） 3）L-乳酸脫氫酶-L-乳酸,米根霉乳酸途徑,缺點(diǎn)：提取過(guò)程中雜酸較難去除，L-乳酸純度下降，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生白色沉淀,優(yōu)點(diǎn)：好氧條件下，合理控制營(yíng)養(yǎng)和環(huán)境條件，可以為同型乳酸發(fā)酵，糖轉(zhuǎn)化率接近細(xì)菌的同型乳酸發(fā)酵,注意：微生物產(chǎn)乳酸的那種光學(xué)異構(gòu)體，由胞內(nèi)乳酸脫氫酶決定 1）L-乳酸脫氫酶 2）D-乳酸脫氫酶,2 乳酸發(fā)酵微生物,乳酸細(xì)菌,1）乳酸菌分離 釀造發(fā)酸食品采樣 泡菜形式富集 碳酸鈣透明圈法分離（傾注法倒平板） 2）產(chǎn)D-乳酸細(xì)菌 德氏乳桿菌：7

7、7g/L，轉(zhuǎn)化率90%，D-乳酸比例：90% 保加利亞乳桿菌：40g/L，轉(zhuǎn)化率72%，D-乳酸比例：99% 左旋乳酸芽孢桿菌 菊糖芽孢乳桿菌： 98g/L，轉(zhuǎn)化率97%，D-乳酸比例：99%,2 乳酸發(fā)酵微生物,乳酸細(xì)菌,3）產(chǎn)L-乳酸細(xì)菌 乳桿菌、鏈球菌、芽孢桿菌 趨勢(shì)：嗜熱乳酸桿菌，厭氧高溫發(fā)酵（50以上） 部分微生物乳酸全部為L(zhǎng)型，部分含少量D-乳酸 產(chǎn)乳酸細(xì)菌較多，根據(jù)需要選擇 個(gè)別菌屬可產(chǎn)淀粉酶（嗜淀粉乳桿菌）,2 乳酸發(fā)酵微生物,米根霉,果園、菜園、花盆土壤中或谷物上分離 馬?。∕artin）培養(yǎng)基分離純化 最適溫度30，產(chǎn)酸多，副產(chǎn)物多，對(duì)糖利用效率低，但可以以淀粉為原料（分泌

8、淀粉酶、糖化酶）,三. 乳酸生產(chǎn)工藝,1 原料及預(yù)處理,碳源 1）蔗糖 2）糖蜜 3）葡萄糖 4）淀粉 輔料：麥根、麩皮、米糠、玉米漿、毛發(fā)水解液,2 發(fā)酵工藝,細(xì)菌發(fā)酵工藝,1）菌種（德氏乳桿菌） A）同型乳酸發(fā)酵的乳酸菌 B）營(yíng)養(yǎng)要求簡(jiǎn)單 C）耐高酸，反饋抑制作用小 D）耐高溫，最好在50以上 2）菌種擴(kuò)大培養(yǎng)（種量5-10%） 菌種成熟指標(biāo)：乳酸5-7g/L，細(xì)胞含量7-8*1010個(gè)/ml，鏡檢可以看到2-4個(gè)細(xì)胞排列成鏈，原生質(zhì)均勻，無(wú)大的異染顆粒，無(wú)雜菌,2 發(fā)酵工藝,細(xì)菌發(fā)酵工藝,培養(yǎng)基配方：還原糖 15%，麥根 3.75%，磷酸氫二銨 0.25%，碳酸鈣 10% 種子培養(yǎng)：50

9、,24h，接種量 1-10% 發(fā)酵操作： 填料系數(shù)0.8 碳酸鈣分批添加，控制pH不低于5.0 溫度： 50 發(fā)酵罐敞口，利于二氧化碳逸出 殘?zhí)堑陀?g/L發(fā)酵結(jié)束 周期：5-6d 發(fā)酵結(jié)束，加石灰乳調(diào)pH10.0，提溫至90 ，澄清后進(jìn)入提取工段。,米根霉發(fā)酵工藝,斜面孢子：30,4d 種子培養(yǎng)基：葡萄糖 11%，尿素 0.2%，KH2PO4 0.06%，MgSO4 0.025%，ZnSO4 0.088%, CaCO3 1%,pH自然， 34,24h 發(fā)酵培養(yǎng)基：葡萄糖 15%，尿素 0.2%，KH2PO4 0.02%，MgSO4 0.025%，ZnSO4 0.044%, CaCO3 6.7

10、%(單獨(dú)滅菌),pH自然，34,32-34h 發(fā)酵結(jié)束，氫氧化鈣中和至pH7.0，壓濾或離心去除菌體,3 提取工藝,發(fā)酵液-預(yù)處理（堿化）-提取-粗乳酸-精制-成品乳酸,1）細(xì)菌發(fā)酵預(yù)處理 發(fā)酵結(jié)束，5水合乳酸鈣，發(fā)酵液變粘，糖濃度高固化 發(fā)酵結(jié)束升溫至90-100，加入石灰乳，pH調(diào)至9.5-10.0，靜置4-6h（維持溫度55 ），沉渣清液分離 活性炭60-70 脫色，去除色素,3 提取工藝,發(fā)酵液-預(yù)處理（堿化）-提取-粗乳酸-精制-成品乳酸,2）米根霉發(fā)酵預(yù)處理 發(fā)酵結(jié)束，氫氧化鈣中和pH至7.0, 升溫至80-90 ，板框壓濾機(jī)過(guò)濾，去除菌體和過(guò)量碳酸鈣， 濾餅熱水洗滌壓干濾餅，合并

11、,乳酸鈣結(jié)晶酸解工藝,濾液-濃縮-冷卻結(jié)晶-離心洗滌-加熱溶晶-酸解（硫酸）-過(guò)濾（去除硫酸鈣）-脫色（活性炭）-粗乳酸,乳酸鈣常溫下溶解度：5%，水溶液pH6.07.0，乳酸鈣濃度達(dá)1114波美度可自然結(jié)晶,1）濃縮：12-13波美度（乳酸鈣2628%） 雜質(zhì)影響（雜質(zhì)增加1%，乳酸鈣溶解度增加10%），濃縮前要除雜,乳酸鈣結(jié)晶酸解工藝,2）結(jié)晶 初始溫度30- 23 （1h），投放67%晶種 23 -18 （1.5h） 后溫度每1h降低2 終溫10 ，保持35h,晶核形成：不能攪動(dòng)或震動(dòng)，否則會(huì)形成粥狀結(jié)晶，無(wú)法和母液分離 影響結(jié)晶因素：起晶誘導(dǎo)時(shí)間、晶核形成速度、晶體成長(zhǎng)速度,針形珊瑚狀

12、結(jié)晶-精制原料 球形珊瑚狀結(jié)晶-粗原料,3）離心洗晶 晶體經(jīng)粉碎機(jī)打散成小顆粒晶體，甩慮離心機(jī)加水洗滌粘附在晶體上的母液,乳酸鈣結(jié)晶酸解工藝,4）溶晶酸解 乳酸鈣晶體-溶解槽（通蒸汽升溫溶解）-酸解槽（50%濃硫酸酸解） 酸解時(shí)放熱，需冷卻使料溫不超80，防止乳酸鈣分解 0.1%甲基紫檢測(cè)：合適，菊黃色；酸過(guò)量，綠色；乳酸鈣過(guò)量，紫色 注意：控乳酸濃度不超22%，溫度80 內(nèi)，硫酸過(guò)量0.5%以下，溶液中石膏的過(guò)飽和系數(shù)為1.31.4，石膏晶體成熟1h,乳酸鈣結(jié)晶酸解工藝,5）過(guò)濾脫色 0.5-3%粉末活性炭脫色30min，可得20%左右濃度的乳酸溶液 注意：乳酸鈣溶解度大，約30%乳酸鈣存在于母液不能