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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
9.7 生化生产工艺实例简介
1 抗生素的生产工艺
抗生素是指微生物、植物和动物等产生的低相对分子质量有机物质，能在低微浓度下有选择性地抑制或杀灭其他微生物或肿瘤细胞。
目前抗生素的生产主要是用微生物发酵法来进行。少数抗生素完全采用化学法合成或采用化学法修饰。
抗生素工业生产过程如下：
菌种 孢子制备 种子制备 发酵 发酵液预处理 提取及精制 成品包装
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抗生素的分类
青霉素生产工艺介绍
1.菌种
青霉素生产常用菌株为产黄青霉菌（Penicillium chrysogenum）和点青霉（Penicillium notatum），根据深层培养中菌丝的形态，可分为球状菌和丝状菌。
2.培养基
①碳源 目前普遍采用的是淀粉水解糖液。
②氮源 玉米浆是青霉素发酵最好的碳源,由于玉米浆的质量难以控制，常选用便于保藏和质量稳定的花生饼粉和棉籽饼粉作氮源，并补加无机氮源。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
③前体 苯乙酸或苯乙酰胺等作为前体直接结合到青霉素分子中，一次加入量不能大于0.1%，通常采用间歇或连续流加低浓度的前体物质，保持前体的供应速率略大于生物合成的速率。
④无机盐 发酵中通常需要加入包括硫、磷、钙、镁、钾等无机盐类。由于铁离子对青霉菌有毒害作用，需严格控制发酵液中的Fe3+含量。
3.发酵条件控制
①加糖的控制 一般在残糖降至0.6%左右、pH上升时开始加糖。
②补氮 加入硫酸铵、氨水或尿素，补氮的标准是使发酵液的氨基氮控制在0.01%~0.05%。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
③添加前体 在发酵过程的合适阶段，添加青霉素的合成前体物质以利于青霉素的合成。
④pH控制 根据不同的菌种的要求，一般控制在6.4～6.6之间。
⑤温度控制 发酵前期温度控制在25~26℃，发酵后期温度控制在23℃，以减少发酵后期发酵液中青霉素的降解破坏，提高产量。
⑥通气和搅拌 发酵液中溶解氧量不低于饱和情况下溶解氧浓度的30%，通气比一般控制为1.25 VVM。搅拌的速度根据发酵过程中各个阶段的需要进行调整。
⑦泡沫的控制 采用豆油、玉米油等天然油脂或环氧丙烯、环氧乙烯聚醚类化学合成消泡剂进行消泡，应尽量控制其用量和加入方式，否则会影响菌体的代谢。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
4．过滤
采用鼓式真空过滤器进行过滤。
5．提取
采用溶媒萃取法，用醋酸丁酯进行2~3次萃取。
6．脱色处理
在青霉素的醋酸丁酯萃取液中按150~200g/(10亿单位)的量加入活性炭，进行脱色并过滤，去除活性炭。
7．精制
通常采用共沸蒸馏或直接结晶法进行精制，结晶经过洗涤、烘干后，就得到了青霉素的产品。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
青霉素生产工艺
2 微生物酶制剂的生产工艺
目前工业用酶大多数来自微生物发酵产生的胞外酶或胞内酶，再经过分离、提取、精制得到酶制剂。
工业上利用微生物生产的酶制剂有几十种，其中最主要的是蛋白酶、淀粉酶、糖化酶和果胶酶等，广泛应用于食品、化工、医药和纺织等方面。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
微生物酶制剂的工业生产过程如下：
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
枯草杆菌中性蛋白酶生产工艺介绍
1.菌种 枯草杆菌AS1388
2.培养基
①碳源 葡萄糖、淀粉、玉米粉、米糠、麸皮等。
②氮源 豆饼粉、鱼粉、血粉、酵母、玉米浆等作氮源。
③无机盐 磷酸盐对中性蛋白酶的生产很重要。生产培养基中添加 0.1% ~0.3%磷酸盐,可使酶活提高20%-30%。除此之外通常需要加入包括钙、镁、锌等无机盐类。
④特殊添加剂（产物促进剂）添加大豆提取物、植酸钙镁或多聚磷酸盐。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
3．发酵条件控制
①菌种培养 将菌种移入茄子瓶斜面，30℃培养26h，转入种子罐中在30℃，通风比1:0.5，搅拌转速320r/min下培养15～18h。
②温度控制 要求在0~4h期间保持30~32℃，在5～8h期间，每小时升温2℃，在9～12h期间，每小时降温2℃，12h以后保持30～32℃
③通气 控制通风量0~12h期间1:0.6；12～20h期间1:0.7；20～28h期间1:0.8。搅拌的速度根据发酵过程中各个阶段的需要进行调整。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
④泡沫的控制 通常采用豆油、玉米油等天然油脂或环氧丙烯环氧乙烯聚醚类化学合成消泡剂。
4．酶的提取
根据对酶产品的用途等要求不同，采用相应的提取方法制成工业用酶、食品用酶和药用酶。
枯草杆菌生产中性蛋白酶的工艺流程图
3 氨基酸发酵生产工艺
氨基酸的生产方法起始于从水解液中提取氨基酸，后来发明了用化学法合成氨基酸，20世纪又出现了微生物发酵法、酶法、化学合成与酶法相结合等多种氨基酸生产方法。
目前为止，绝大部分氨基酸已能用发酵法或酶法生产，仅少数氨基酸用提取或合成法生产。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
以淀粉为原料生产谷氨酸和味精的工艺介绍
1.淀粉水解糖的制备
2. 菌种
棒状杆菌属、短杆菌属、小杆菌属及节杆菌属中的细菌。
目前国内各味精厂所使用的谷氨酸生产菌主要是天津短杆菌（T613）、钝齿棒杆菌AS1.542及北京棒状杆菌AS1.229。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
3．菌种扩大培养
菌种扩大培养的工艺流程如下：斜面培养 一级种子培养 二级种子培养 发酵。
一级种子培养基：葡萄糖、玉米浆、尿素、磷酸氢二钾、硫酸锰、硫酸铁及硫酸锰。
二级种子培养基：与一级相仿，主要区别是用淀粉水解糖代替葡萄糖。
4．发酵条件控制
进入对数生产期后，流加尿素及控制培养液的pH为7.5～8.0，控制发酵温度在30～32℃；
进入稳定期，流加尿素及控制培养液的pH为7.2～7.4，加大通气量，发酵温度提高至34～37℃。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
5．谷氨酸分离提纯
等电点沉淀法、离子交换法和电渗析法。
新技术：电渗析和反渗透、浓缩等电点法、离子硅藻土过滤等电点法。
6．谷氨酸精制味精
从发酵液提取的谷氨酸与适量的碱（如Na2CO3）发生中和反应，生成谷氨酸单钠（味精），其溶液经过除铁、脱色，最后经过减压浓缩、结晶分离，得到谷氨酸单钠晶体。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
味精的生产工艺流程
4 有机酸发酵生产工艺
柠檬酸、乳酸、葡糖酸、衣康酸和苹果酸等有机酸都是微生物的初级代谢产物。在现代有机酸的生产过程中，有机酸发酵工业受到来自石油化工行业的竞争，但由于它们的原料是可再生的生物资源，并且石油价格不断上涨，有机酸发酵工业仍具有强大的生命力。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
衣康酸发酵工艺介绍
衣康酸又称为亚甲基丁二酸、亚甲基琥珀酸，是一种不饱和的二元酸，分子式为CH2＝C(COOH)－CH2－COOH。
纯衣康酸是一种白色粉末状结晶或无色晶体，衣康酸及其酯类广泛应用于塑料工业和涂料工业。
微生物中衣康酸的代谢途径有两条：
EMP途径，即葡萄糖 丙酮酸 柠苹酸 柠康酸 衣酒石酸 衣康酸；另一条是从异柠檬酸出发，经反式乌头酸脱羧得到。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
发酵生产衣康酸的菌种采用土曲霉（Aspergillus terrus）
衣康酸较易结晶，目前主要采用浓缩结晶法提取衣康酸。
主要工艺步骤是发酵液预处理、脱色过滤、浓缩、结晶和重结晶、干燥等步骤。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
衣康酸发酵生产工艺流程
5 多糖发酵生产工艺
微生物多糖又称为微生物代谢胶或生物合成胶，是细菌、真菌、蓝藻等微生物在代谢过程中产生的对微生物有保护作用的生物高聚物。
微生物多糖可分为胞外型、构成型和胞内贮藏型。
应用：微生物絮凝剂、微生物采油中的调剖剂、食品添加剂、保鲜剂、抗癌医药品、包装材料等。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
多糖 来源微生物 发酵底物 多聚体中糖残基
黄原胶 野油菜黄单孢菌 葡萄糖 葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸
结冷胶 少动鞘氨醇单胞菌 葡萄糖 鼠李糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖
面包酵母葡聚糖 啤酒酵母 葡萄糖 葡萄糖、甘露糖
热凝多糖 琼脂杆菌属，粪产碱杆菌 葡萄糖 葡萄糖
右旋糖苷 肠膜状串珠菌 蔗糖 葡萄糖
短梗霉多糖 出芽短梗霉 葡萄糖浆 葡萄糖
硬化葡聚糖 葡聚糖核盘菌 葡萄糖
黄单胞菌多糖 甘蓝黑腐病黄单胞菌 葡萄糖、葡萄糖浆 葡萄糖、甘露糖等
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
多糖 来源微生物 发酵底物 多聚体中糖残基
黄原胶 野油菜黄单孢菌 葡萄糖 葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛酸
结冷胶 少动鞘氨醇单胞菌 葡萄糖 鼠李糖、葡萄糖醛酸、葡萄糖
面包酵母葡聚糖 啤酒酵母 葡萄糖 葡萄糖、甘露糖
热凝多糖 琼脂杆菌属，粪产碱杆菌 葡萄糖 葡萄糖
右旋糖 肠膜状串珠菌 蔗糖 葡萄糖
短梗霉多糖 出芽短梗霉 葡萄糖浆 葡萄糖
硬化葡聚糖 葡聚糖核盘菌 葡萄糖
黄单胞菌多糖 甘蓝黑腐病黄单胞菌 葡萄糖、葡萄糖浆 葡萄糖、甘露糖等
临床用右旋糖生产工艺流程图
6 类胡萝卜素发酵生产工艺
类胡萝卜素色素是一类呈黄色、橙红色或红色的多烯类化合物，包括β－胡萝卜素、虾青素、叶黄素和蕃茄红素等。
功能：可转化为维生素A，具有防治血管硬化和抑制癌细胞的生理功能。
类胡萝卜素已被FAO和WHO等国际组织认定为营养、着色双重功用的食品添加剂。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
β-胡萝卜素发酵生产工艺
分子式为C40H56，相对分子质量约536.88，β-胡萝卜素在动物、人体中不能合成，只能靠高等植物或微生物提供。
发酵法生产天然β-胡萝卜素，菌体中所含β-胡萝卜素含量是胡萝卜中含量的100倍，我国73%的该产品用发酵法生产，工业上常用三孢布拉霉（Blakeslea trispora）来生产β-胡萝卜素。
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——生化生产工艺实例简介
三孢布拉霉生产β-胡萝卜素的工艺过程
7 维生素发酵生产工艺
维生素是一种维持人体正常生理生化功能不可缺少的低分子有机化合物。维生素一般不能由人和动物自身合成，只能从外界摄取。
维生素的生产方法主要有提取法、化学合成法、酶法和发酵法。目前，采用发酵法、酶法和化学-酶耦合法生产维生素已成为发展方向。
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——生化生产工艺实例简介
维生素B2发酵生产工艺
培养基：2%的葡萄糖、1.8 % ～2.1%的玉米浆、1%的动物胶液和少量的消泡剂。
接种量 0.5％～1.0%，通气量 0.25VVM，发酵温度 29℃，发酵培养96～120h。
维生素B2回收时，先将发酵液在121℃加热1h，以溶出菌体中的维生素B2组分，然后离心除去不溶物。上清液中的维生素B2再通过化学法或微生物法转化成不溶的形式，沉淀物再溶解于水、极性溶剂或碱溶液中，通过氧化，最后结晶回收维生素B2。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
棉阿舒囊霉生产维生素B2的工艺流程
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8 丙酮丁醇发酵生产工艺
丙酮丁醇是人类第一次用发酵法生产的化学品，在生物技术发展中具有里程碑的意义。
目前为止，丙酮丁醇梭状芽孢杆菌是最好的丙酮-丁醇生产菌种。
丙酮丁醇生物合成的途径是以葡萄糖为碳源时，首先经EMP途径形成乙酰辅酶A，一部分脱羧生成丙酮，另一部分还原成丁醇。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
淀粉为原料的丙酮丁醇发酵工艺流程图
9 葡萄酒酿造生产工艺
以新鲜葡萄或葡萄汁为原料，经酒精发酵酿制而成的酒精含量不低于8.5%的饮料酒称为葡萄酒。
葡萄酒中的醛类、醇类、酯类等众多的挥发性化合物构成了葡萄酒的风味。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
葡萄酒酿造生产工艺过程如下：选择原料 破碎、除梗 葡萄浆调糖调酸 二氧化硫、果胶酶处理 加入酵母 发酵 分离皮糟 后发酵 贮存 杀菌 装瓶 成品。
酿制红葡萄酒一般采用皮红肉白或皮、肉皆红的葡萄品种，如赤霞珠、佳丽酿、蛇龙珠、黑品乐等。
由于葡萄酒是用新鲜的葡萄或葡萄汁通过酵母的发酵作用而制成，因此在葡萄酒生产中酵母占有很重要的作用。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
优良的葡萄酒酵母具有以下特性：
① 酵母具有产生良好的果香和酒香的能力；
② 能将糖分全部发酵，残糖在4 g/L以下；
③ 具有较高的对二氧化硫的抵抗力；
④ 具有较高的发酵能力，一般可使酒精含量达到16%以上；
⑤ 有较好的凝集力和较快的沉降速度；
⑥ 能在低温或果酒适宜温度下发酵，以保持果香和新鲜清爽的口味。
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介
葡萄酒的传统发酵包括前发酵和后发酵两个阶段。
前发酵的主要目的是进行酒精发酵、浸提色素物质和芳香物质。前发酵是决定葡萄酒质量的关键。
后发酵的目的是进行残糖的继续发酵，并起澄清、陈酿和降酸作用。
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——生化生产工艺实例简介
红葡萄酒的生产工艺流程图
生物化工反应单元操作
——生化生产工艺实例简介

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