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第九章 生物化工反应单元工艺
9.1 微生物基础
9.2 酶学与酶工程
9.3 培养基与淀粉制糖工艺
9.4 培养基的灭菌和空气除菌
9.5 生物反应器
9.6 生物物质分离纯化
9.7 生化生产工艺实例简介
9.3 培养基与淀粉制糖工艺
1 培养基
微生物生长和繁殖需要六种营养要素，即碳源、氮源、能源、生长因子、无机盐和水。
培养基是指人工配置的、适合微生物生长繁殖或积累代谢产物的混合营养要素。
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1.1 培养基的分类
根据对培养基成分的了解程度不同。
天然培养基:用天然有机物配制而成的培养基。
合成培养基:用化学成分完全清楚的物质配制而成的培养基。
半合成培养基:既含有天然成分又含有纯化学试剂的培养基。
生物化工反应单元操作
——培养基与淀粉制糖工艺
根据培养基物理状态不同
固体培养基：加入一定量的凝固剂（如1.5 % ~2%的琼脂）。
半固体培养基：加入少量的凝固剂（如0.5%的琼脂）
液体培养基。
生物化工反应单元操作
——培养基与淀粉制糖工艺
根据培养基的用途不同
增殖培养基：在培养基中加入有利于某种微生物生长、繁殖的营养物质，以提高对该微生物的分离效率
选择培养基：在培养基中添加一些对某种微生物有抑制作用而对所需微生物又无影响的物质，从而把某种或某类微生物从混杂的微生物群体中分离出来。例如，马丁氏培养基(富集土壤真菌)、酵母富集培养基、Ashby无氮培养基(富集自生固氮菌)。
鉴别培养基：添加有某种指示剂的培养基，由于不同微生物代谢的不同而对指示剂反应呈现出明显的差异，从而达到鉴别的目的。例如，最常见的鉴别培养基是伊红-美蓝乳糖培养基。
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——培养基与淀粉制糖工艺
1.2 培养基的选择
从微生物的特点来选择培养基
例如，细菌采用肉汤蛋白胨培养基、放线菌采用高氏1号合成培养基、酵母采用麦芽汁培养基以及霉菌采用查氏合成培养基。
液体和固体培养基的选择
发酵工业中大多数采用液体培养基培养种子和进行发酵生产，固体培养基则常用于微生物菌种的保藏、分离、菌落特性鉴定、活细胞数测定以及固态发酵等方面。
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——培养基与淀粉制糖工艺
从生产实践和科学试验的不同要求选择
在生产过程中，从菌种的保藏、种子的扩大培养到发酵生产等各个阶段的目的和要求不同，因此所选择的培养基成分配比也应该有区别。
从经济效益和原材料供应选择生产原料
经济和原材料的供应问题，选择原料要价廉物美、来源丰富、运输方便、就地取材以及没有毒性等。
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——培养基与淀粉制糖工艺
1.3 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
② 营养成分的恰当配比：培养基中的碳、氮的比例
③ 物理化学条件适宜：营养物质浓度、各种离子的
浓度、氧化还原电位、pH
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——培养基与淀粉制糖工艺
2.淀粉制糖工艺
发酵工业所用的原料以淀粉或糖质为主，而许多微生物不能直接利用淀粉，淀粉必须被水解制成淀粉糖后才能被微生物利用。
目前由淀粉经水解制备葡萄糖除了广泛应用于氨基酸发酵上，抗生素发酵及葡萄糖的生产中也普遍使用，而且它已发展成为一门独立的工业—葡萄糖工业。
生物化工反应单元操作
——培养基与淀粉制糖工艺
2.1 淀粉水解糖的制备方法
直链淀粉：葡萄糖分子之间以α-1,4-糖苷键聚合而成。
支链淀粉：由多个较短的α-1,4-糖苷键结合而成，短直链之间以α-1,6-糖苷键连接。
淀粉水解为葡萄糖的方法有酸解法、酶解法以及酸酶结合法等三种。
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——培养基与淀粉制糖工艺
直链淀粉α-1,4-糖苷键的一部分
支链淀粉结构式的一部分
酸解法
以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。
优点：生产方便、设备要求简单、水解时间短、设备周转快。
缺点：要求设备需耐腐蚀、耐高温和耐高压，存在一些副反应，导致淀粉转化率较低。
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——培养基与淀粉制糖工艺
酶解法
利用专一性很强的淀粉酶及糖化酶将淀粉水解为葡萄糖的方法。分两步：利用α-淀粉酶将淀粉液化；利用糖化酶将糊精或低聚糖进一步水解转化为葡萄糖。
优点：反应条件较温和，不需要耐高温、耐高压或耐酸腐蚀；水解糖液纯度高，淀粉转化率高；可在较高的淀粉乳浓度下水解；制得的糖液较纯净、颜色浅、无苦味、质量高。
缺点：酶反应时间较长，生产周期长，设备要求较多，且酶是蛋白质，易引起糖液过滤困难。
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酸酶结合法
集中了酸解法和酶解法制糖的优点而采用的生产方法，它又可分为酸酶法和酶酸法二种。
酸酶法：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为葡萄糖的工艺。
酶酸法：将淀粉乳先用淀粉酶液化到一定程度后，再用酸水解成葡萄糖的工艺。
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——培养基与淀粉制糖工艺
2.2 酸解法制糖工艺
淀粉糖化过程中，三种化学反应的关系：
淀粉的酸水解工艺是根据淀粉在水解过程中的水解反应和复合反应规律性来决定的，既要保证淀粉的彻底水解，达到较高的葡萄糖含量，又要尽可能减少葡萄糖复合、分解反应的发生程度。
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——培养基与淀粉制糖工艺
酸法水解工艺流程图
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——培养基与淀粉制糖工艺
酸水解糖化工艺流程
1-调浆槽 2-糖化锅 3－冷却罐 4-中和罐 5-过滤机 6-糖液暂贮罐
7-糖液贮罐 8-盐酸计量器 9-水力喷射器 10-水槽
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——培养基与淀粉制糖工艺
CPR式连续糖化流程图
1-淀粉乳贮罐 2-淀粉乳调节槽 3-硫酸稀释槽 4-粗滤器 5-定量泵
6-蒸汽喷射加热器 7-维持罐 8-蛇管 9-控制阀 10-分离器 11-贮罐
12-等压管 13-分离器 14-流量计 15-压力表 16-温度计
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——培养基与淀粉制糖工艺
间歇式与连续式糖化方式的比较
间歇式 连续式
设备投资 糖化罐较贵 蛇管加热器及计量器较贵
对淀粉质量的要求 可用不同质量的淀粉 要求淀粉质量稳定
操作 简单 操作条件确定后，比较简单
糖化温度 134~144℃ 144~151℃
糖化时间 15~30min 10~15min
蒸汽量 较多 比间歇式少一半
产品质量 糖化不均匀，易产生分解反应 产品质量均匀，分解产物少
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——培养基与淀粉制糖工艺
2.3 酶解法制糖工艺
淀粉酶水解包括液化和糖化两个步骤
液化: -淀粉酶水解淀粉及其产物中的 -1,4-糖苷键。
糖化: 葡萄糖淀粉酶(糖化酶) 水解 -1,4和 -1,6-糖苷键，使淀粉液化产物糊精及低聚糖进一步水解成葡萄糖。
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——培养基与淀粉制糖工艺
双酶法制糖工艺流程如下：调浆—配料—一次喷射液化—液化保温—二次喷射—高温维持—冷却—糖化—灭酶—过滤—贮糖计量—发酵。
双酶法制糖工艺流程图
1-调浆配料池 2、8-过滤器 3、9、14、17-泵 4、10-喷射加热器
5-缓冲器 6-液化层流罐 7-液化液贮槽 11-灭酶罐 12-板式换热器
13-糖化罐 15-压滤机 16-糖液暂贮槽 18-贮糖罐
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——培养基与淀粉制糖工艺

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