丙氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　發(fā) 酵 工 程 與 設(shè) 備 課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　題 目 丙氨酸的發(fā)酵生產(chǎn) </p><p>　　專業(yè)年級(jí) 09級(jí)生物工程 </p><p>　　學(xué)生姓名 </p>&l

2、t;p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　2012 年 6 月 20 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1前言··

3、····································

4、3;···················3</p><p>　　1.1 丙氨酸簡(jiǎn)介············

5、;··································3 </p>

6、<p>　　1.2 丙氨酸的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀································&#

7、183;·3</p><p>　　2發(fā)酵機(jī)制······························&

8、#183;·······················4</p><p>　　2.1菌種的篩選·······

9、83;····································&

10、#183;··4 </p><p>　　2.2 菌種保藏····························&

11、#183;···················5</p><p>　　3發(fā)酵工藝及特點(diǎn)···········

12、83;····································6

13、</p><p>　　3.1丙氨酸發(fā)酵機(jī)制·······························&

14、#183;··········6</p><p>　　3.2丙氨酸發(fā)酵的工藝控制···················

15、3;················6</p><p>　　3.3丙氨酸提取工藝··············

16、3;···························6</p><p>　　3.4相關(guān)設(shè)備····&

17、#183;····································

18、;·······7</p><p>　　4菌種的制備及種子的擴(kuò)大培養(yǎng)·······················&

19、#183;···········8</p><p>　　4.1菌種的制備···················

20、83;··························8</p><p>　　4.2種子的擴(kuò)大培養(yǎng)····

21、83;····································&

22、#183;8</p><p>　　5培養(yǎng)基的組成及制備······························&

23、#183;············8</p><p>　　5.1培養(yǎng)基的組成··················&#

24、183;·························8</p><p>　　5.2培養(yǎng)基的滅菌·····

25、83;····································&

26、#183;·9</p><p>　　6無(wú)菌空氣制備系統(tǒng)·····························&#

27、183;···············10</p><p>　　7工藝計(jì)算················

28、····································

29、3;11</p><p>　　8三廢處理·······························&#

30、183;·····················11</p><p>　　8.1活性污泥法·········

31、83;····································1

32、1</p><p>　　8.2生物濾池法·······························&#

33、183;··············11 8.3發(fā)酵后的濾渣···················

34、83;························12參考文獻(xiàn)···········&

35、#183;····································

36、;·····12</p><p><b>　　1前言</b></p><p><b>　　1.1丙氨酸簡(jiǎn)介</b></p><p>　　DL-丙氨酸化學(xué)名為DL-α-丙氨酸（簡(jiǎn)稱丙氨酸），分子式為CH3CH(NH2)COOH,分子量89.09，無(wú)色至白色無(wú)臭針狀結(jié)晶或結(jié)晶性

37、粉末，有甜味，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚和丙酮，無(wú)旋光性【1】。</p><p>　　丙氨酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，是組成人體蛋白質(zhì)的21種氨基酸之一。組成蛋白質(zhì)分子的氨基酸都是L-氨基酸。</p><p>　　結(jié)構(gòu)　　 </p><p><b>　　用途</b></p><p>　　DL-丙氨

38、酸主要用做食品添加劑，同時(shí)也是重要的醫(yī)藥中間體。在國(guó)外已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，年需求量很大，且增長(zhǎng)迅速，其主要生產(chǎn)國(guó)為日本，主要生產(chǎn)企業(yè)有武藏野化學(xué)株式會(huì)社和味之素。</p><p>　　1.2 丙氨酸的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　DL-丙氨酸不僅僅是有特殊香味的氨基酸，而且也被用來(lái)與其他呈香味的物質(zhì)混合食指顯出更高級(jí)的香味。另外，DL-丙氨酸是甜味很強(qiáng)的氨基酸，比蔗糖甜，為甘氨酸的

39、1.6倍，是最甜的一種氨基酸。DL-氨基酸還有緩沖作用、螯合作用和防止其他氨基酸褐變的作用【2】。</p><p>　　DL-丙氨酸作為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑和調(diào)味品，在國(guó)外已被普遍使用。按美國(guó)聯(lián)邦法規(guī)可安全用于食品，其主要用途為【3-5】：</p><p>　　增強(qiáng)化學(xué)調(diào)味料的調(diào)味效果；</p><p>　?。?）改善人工甜味劑的味感，添加1％～10％的本品可使甜味柔和，改善

40、后味；</p><p>　　（3）合成清酒的調(diào)味料，用量0.01％～0.03％；</p><p>　?。?）改善有機(jī)酸的酸味，1％～5％添加量就可使酸味接近天然的味道；</p><p>　?。?）提高腌制效果，按NaCl量的5％～10％添加，可縮短腌制時(shí)間；</p><p>　?。?）提高含醇飲料的質(zhì)量，按0.1％～1.5％添加可使酒味醇和，

41、并可防止發(fā)泡酒老化，減少酵母氣味；</p><p>　　（7）防止油類和油類食品氧化，添加量為0.01％～1.0％；</p><p>　　（8）改善浸漬品的風(fēng)味,添加量為0.2％～0.3％；</p><p>　?。?）食用香料，食品中添加量小于1％；</p><p>　?。?0）食用防腐保鮮劑的復(fù)配組分。DL-丙氨酸用于食品添加劑時(shí)，可單獨(dú)使

42、用，也可與谷氨酸鈉等制成符合調(diào)味劑或復(fù)合甜味劑。</p><p>　　DL-丙氨酸在醫(yī)藥工業(yè)上主要用于合成氧氟沙星的原料氨基丙醇和維生素B6的主要原料【6】。DL-丙氨酸作為飼料添加劑，也收到了良好的效果【7】。用DL-丙氨酸合成的氨基酸農(nóng)藥（如DL-丙氨酸-月桂酯鹽酸鹽、N-硬脂酰-DL-丙氨酸等）已投入使用，具有對(duì)人畜安全、污染小的特點(diǎn)【8】。</p><p><b>　　2

43、 發(fā)酵機(jī)制</b></p><p><b>　　2.1菌種的篩選</b></p><p>　　采用以葡萄糖、氯化銨為主要成分的培養(yǎng)基,研究了20個(gè)屬、334 株好氣性細(xì)菌的氨基酸生產(chǎn)能力。結(jié)果表明,幾乎在每個(gè)屬細(xì)菌的培養(yǎng)液中都能檢出丙氨酸。</p><p>　　在土壤中分離出來(lái)的棒桿菌【9】屬細(xì)菌，具有產(chǎn)生丙氨酸的能力。棒桿菌屬細(xì)菌

44、是放線菌目中一屬革蘭染色陽(yáng)性、不運(yùn)動(dòng)、非抗酸性、無(wú)芽孢的桿菌。菌體直形、彎形或多形，常呈棒狀。一般不運(yùn)動(dòng)。好氧或兼性厭氧，化能有機(jī)營(yíng)養(yǎng)型。進(jìn)行氧化性或發(fā)酵性代謝。</p><p>　　從自然界中分離菌種的一般過(guò)程：</p><p>　　采樣→ 預(yù)處理→ 培養(yǎng)→ 菌落的選擇→ 菌種的鑒定</p><p>　　采樣對(duì)象：以采集土壤為主。</p><p

45、>　　采土方法：選擇適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)、鏟除表土、取土樣數(shù)十克，盛入事先準(zhǔn)備的無(wú)菌防水紙袋中，其上記錄采土?xí)r間、地點(diǎn)、植被情況等。</p><p>　　菌落的選擇方法見(jiàn)下圖：</p><p>　　a.稀釋倒平板法 b.涂布平板法</p><p><b>　　菌種鑒定</b></p><p>　　經(jīng)典分類鑒定方法：形態(tài)

46、特征、生理生化特征、血清學(xué)試驗(yàn)等。</p><p>　　現(xiàn)代分類鑒定方法：遺傳特性、細(xì)胞化學(xué)組分、計(jì)算機(jī)數(shù)值分析。</p><p><b>　　2.2菌種保藏</b></p><p>　　菌種保藏主要是根據(jù)菌種的生理生化特點(diǎn)人工創(chuàng)造條件使孢子或菌體的生長(zhǎng)代謝活動(dòng)盡量降低，以減少其變異。一般可通過(guò)保持培養(yǎng)基營(yíng)養(yǎng)成分在最低水平缺氧狀態(tài)，干燥和低溫，

47、使菌種處于“體眠”狀態(tài)，抑制其繁殖能力。</p><p><b>　　斜面冰箱保藏法</b></p><p>　　斜面保藏是一種短期、過(guò)渡的保藏方法，用新鮮斜面接種后，置最適條件下培養(yǎng)到菌體或孢子生長(zhǎng)豐滿后，放在4℃冰箱保存。一般保存期為三個(gè)月到六個(gè)月。</p><p><b>　　3發(fā)酵工藝及特點(diǎn)</b></p&g

48、t;<p>　　3.1丙氨酸發(fā)酵機(jī)制</p><p>　　葡萄糖經(jīng)過(guò)糖酵解途徑生成的丙酮酸，通過(guò)轉(zhuǎn)氨反應(yīng)和還原氨基化反應(yīng)生成L-丙氨酸。發(fā)酵周期60小時(shí)。</p><p>　　( 1 ) 轉(zhuǎn)氨反應(yīng)</p><p>　　丙酮酸+ L-氨基酸→L-丙氨酸+ α-酮酸</p><p>　　( 2 ) 還原氨基化反應(yīng)</p>

49、<p>　　丙酮酸+ NH4+ + NADH→L-丙氨酸+ NAD+ + H20</p><p>　　由于菌體具有消旋酶活性, 結(jié)果發(fā)生消旋化，生成了DL-丙氨酸【10】.</p><p>　　3.2丙氨酸發(fā)酵的工藝控制</p><p><b>　　3.2.1 pH</b></p><p>　　丙氨酸生產(chǎn)

50、菌的最適pH一般是中型或微堿性，pH7.6～7.8條件下積累丙氨酸。</p><p><b>　　3.2.2 溫度</b></p><p>　　丙氨酸發(fā)酵前期應(yīng)采取菌體生長(zhǎng)最適溫度為30～32℃。對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期維持溫度30-32℃。谷氨酸合成的最適溫度為30℃</p><p><b>　　3.2.3 通風(fēng)量</b></p

51、><p>　　由于發(fā)酵過(guò)程中有谷丙轉(zhuǎn)氨酶作用，而有氧才能產(chǎn)生谷氨酸，所以丙氨酸發(fā)酵也是有氧發(fā)酵。應(yīng)在長(zhǎng)菌期間低風(fēng)量，產(chǎn)酸期間高風(fēng)量，發(fā)酵成熟期低風(fēng)量。</p><p><b>　　3.2.4 泡沫</b></p><p>　　丙氨酸發(fā)酵時(shí)好氣性發(fā)酵，因通風(fēng)和攪拌和菌體代謝產(chǎn)生的CO2，使培養(yǎng)液產(chǎn)生泡沫是正常的，但泡沫過(guò)多不僅使氧在發(fā)酵液中的擴(kuò)散受阻

52、，影響菌體的呼吸代謝，也會(huì)影響正常代謝以及染菌。因此，要控制好泡沫是關(guān)鍵。消泡方法有機(jī)械消泡（靶式、離心式、刮板式、蝶式消泡器）和化學(xué)消泡（天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等化學(xué)消泡劑）兩種方法【11】。</p><p>　　3.3丙氨酸提取工藝</p><p>　　丙氨酸提取【12】的基本方法有：等電點(diǎn)結(jié)晶法、特殊沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法、液膜萃取法。 </p><

53、p><b>　　3.4相關(guān)設(shè)備</b></p><p>　　丙氨酸發(fā)酵罐見(jiàn)下圖。</p><p>　　4菌種的制備及種子的擴(kuò)大培養(yǎng)</p><p><b>　　4.1菌種的制備</b></p><p>　　種子培養(yǎng)過(guò)程：斜面菌種→一級(jí)種子培養(yǎng)→二級(jí)種子培養(yǎng)→發(fā)酵罐</p><

54、;p><b>　　斜面菌種制備</b></p><p>　　培養(yǎng)基：蛋白胨 1%，牛肉膏1%，氯化鈉 0.5%，瓊脂 2%， pH 7.0-7.2</p><p>　　培養(yǎng)條件：32℃，生長(zhǎng)18-24小時(shí)</p><p>　　培養(yǎng)基特點(diǎn)：有利于菌體的生長(zhǎng)，原料比較精細(xì)</p><p>　　生長(zhǎng)斜面要求：生長(zhǎng)良好，所

55、使用斜面連續(xù)傳代不超過(guò)3次</p><p>　　4.2種子的擴(kuò)大培養(yǎng)</p><p>　　1.一級(jí)種子（搖瓶）</p><p>　　培養(yǎng)基：葡萄糖2%，尿素0.5%，玉米漿 2.5%，K2HPO4 0.1%</p><p>　　培養(yǎng)條件：于1000ml三角瓶中，裝液200-250ml,32℃培養(yǎng)12小時(shí)。</p><p&g

56、t;　　培養(yǎng)基特點(diǎn)：有利于菌體的生長(zhǎng)，所使用的原料已經(jīng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基</p><p><b>　　二級(jí)種子(種子罐)</b></p><p>　　培養(yǎng)基：和一級(jí)種子相似，其中葡萄糖用水解糖代替，濃度為2.5%</p><p>　　培養(yǎng)條件：在種子罐中培養(yǎng)（容積為發(fā)酵罐的1%），32℃培養(yǎng)7-10個(gè)小時(shí)</p><p&g

57、t;　　培養(yǎng)基的特點(diǎn)：長(zhǎng)菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基</p><p>　　種子的質(zhì)量要求：108-109個(gè)/ml；大小均勻，呈單個(gè)或八字排列；活力旺盛；</p><p>　　PH 7.0-7.2時(shí)結(jié)束，6.8→8→7.0-7.2。</p><p>　　5培養(yǎng)基的組成及制備</p><p><b>　　5.1培養(yǎng)基的組成</b>

58、;</p><p>　　發(fā)酵罐培養(yǎng)基成分：葡萄糖 13％</p><p>　　KH2PO4 0.1％</p><p>　　MgSO4.7H2O 0.04％</p><p><b>　　酵母膏 0.1％</b></p><p><b>　　玉米漿 0.4％</b></p

59、><p><b>　　尿素 1.8％</b></p><p>　　pH 7.6～7.8</p><p><b>　　5.2培養(yǎng)基的滅菌</b></p><p>　　培養(yǎng)基的滅菌：指用物理或化學(xué)方法殺死或除去環(huán)境中所有微生物。工業(yè)滅菌方法：1．連續(xù)滅菌（連消）：是采用專一滅菌設(shè)備—連消塔，在高溫下對(duì)液

60、體培養(yǎng)基進(jìn)行短時(shí)間加熱滅菌。 優(yōu)點(diǎn)：（1）培養(yǎng)基受熱時(shí)間短（可在20～30s達(dá)到預(yù)定滅菌溫度），營(yíng)養(yǎng)成分破壞少；（2）質(zhì)量均勻；（3）適用于自動(dòng)控制。 適用條件：大規(guī)模生產(chǎn)，培養(yǎng)基中不含有固體顆粒或泡沫較少。連續(xù)滅菌流程圖:</p><p>　　2. 分批滅菌(實(shí)消): 指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐中滅菌。</p><p>　　優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需專一滅菌設(shè)備，但易發(fā)生局部過(guò)熱而破壞營(yíng)

61、養(yǎng)成分的現(xiàn)象。</p><p>　　適用條件：當(dāng)培養(yǎng)基中含有固體顆?；蚺囵B(yǎng)基有較多泡沫時(shí)，以采用分批滅菌為好。對(duì)于容積小的發(fā)酵罐，連續(xù)滅菌的優(yōu)點(diǎn)不明顯，而采用分批滅菌比較方便。</p><p><b>　　設(shè)備滅菌 ：</b></p><p>　　實(shí)罐滅菌時(shí)，發(fā)酵罐與培養(yǎng)基一起滅菌。培養(yǎng)基采用連續(xù)滅菌時(shí)，發(fā)酵罐需在培養(yǎng)基滅菌前，直接用蒸汽進(jìn)行空

62、罐滅菌，用無(wú)菌空氣保壓，待培養(yǎng)基流入罐后，開始冷卻。其他設(shè)備一般采用蒸汽滅菌。</p><p><b>　　6無(wú)菌空氣制備系統(tǒng)</b></p><p>　　發(fā)酵對(duì)空氣的要求是：無(wú)菌，無(wú)灰塵，無(wú)雜質(zhì)，無(wú)水，無(wú)油，正壓等幾項(xiàng)指標(biāo)。</p><p>　　兩級(jí)冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程：</p><p>　　適合于各種氣候條

63、件，能充分地分離空氣中的水分，提高過(guò)濾效率。油霧和水霧的分離去除比較完全，保證干過(guò)濾。</p><p><b>　　7工藝計(jì)算</b></p><p><b>　　年產(chǎn)1000t</b></p><p><b>　　產(chǎn)率40g/L</b></p><p><b>　　

64、發(fā)酵周期60h</b></p><p><b>　　發(fā)酵罐數(shù) 2個(gè)</b></p><p>　　發(fā)酵罐裝料系數(shù)0.7</p><p>　　發(fā)酵罐公稱體積V=106/40/146/2/0.7=122m3</p><p>　　種子罐公稱體積V`=122*1%=1.2m3</p><p>&

65、lt;b>　　種子罐數(shù) 30個(gè)</b></p><p><b>　　8三廢處理</b></p><p>　　丙氨酸發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的主要是廢水。其主要來(lái)源有：廢母液，反應(yīng)罐廢殘液，設(shè)備清洗液，廢氣吸收液，廢渣稀釋，物料事故跑料液等。這些廢水污染物種類繁多，濃度很高，分子量一般很大，生化處理時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。</p><p>

66、;　　8.1活性污泥法【13】</p><p>　　利用活性污泥對(duì)污水進(jìn)行好氧生物處理的方法，其基本工藝流程是曝氣池和二次沉淀池依次串聯(lián)，并有回流污泥管將二次沉淀池沉淀下來(lái)的污泥又送回到曝氣池中。</p><p>　　活性污泥處理流程圖：</p><p>　　8.2生物濾池法 原理：利用需氧微生物對(duì)污水或有有機(jī)性廢水進(jìn)行生物氧化處理的方法。以淬石、焦炭、礦渣

67、或人工濾襯等作為先填層，然后將污水以點(diǎn)滴狀噴灑在上面，并充分供給氧氣和營(yíng)養(yǎng)，此時(shí)在濾材表面生成一層凝膠狀生物膜（細(xì)菌類、原生動(dòng)物、藻類、茵類等），當(dāng)污水沿此膜流下時(shí)，污水中的可溶性、膠性和懸浮性物質(zhì)吸附在生物膜上而被微生物氮化分解。為使生物濾池有效地處理污水：（1）微生物的繁殖，必需有足夠的表面積。（2）必需充分供給微生物氧氣。（3）污水需具有適于生物處理的水質(zhì)。生物濾池法有標(biāo)準(zhǔn)濾池法和高速生物濾池法兩種方式。生物濾池法工藝流程圖：

68、</p><p>　　8.3發(fā)酵后的濾渣 一般是制作成其他產(chǎn)品進(jìn)行再次利用，轉(zhuǎn)化為飼料，很多濾渣可以喂魚，作為食餌，并且食物中的微生物還有凈化水體的作用。對(duì)于一些不可以直接使用的固體廢棄物我們可以使用堆肥法 堆肥法【14】是指用于處理有機(jī)垃圾。其原理是利用微生物對(duì)垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行代謝分解，在高溫下進(jìn)行無(wú)害化處理，并能產(chǎn)生有機(jī)肥料。</p><p><b>　

69、　堆肥法原理圖：</b></p><p><b>　　9參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】章思規(guī).實(shí)用精細(xì)化學(xué)品手冊(cè)，有機(jī)卷（上）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996,89.</p><p>　　【2】毛建衛(wèi)，崔艷麗，王桂仙.DL-α-丙氨酸合成工藝的新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].科技通訊，2002,18（2）：93-95.&l

70、t;/p><p>　　【3】凌關(guān)庭.食品添加劑手冊(cè)（第三冊(cè)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003,47-48.</p><p>　　【4】俞長(zhǎng)鑾，莫爾品（譯）.發(fā)展中的氨基酸工業(yè)（三）[J].氨基酸雜志，1984，（3）：53-55.</p><p>　　【5】趙建國(guó).氨基酸在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].氨基酸雜志，1984，（3）：32-37.</p&g

71、t;<p>　　【6】楊得本（譯）.氨基酸在工業(yè)上的應(yīng)用途徑[J].氨基酸通訊，1981,11:3-18.</p><p>　　【7】余傳隆.努力開發(fā)氨基酸在飼料工業(yè)中的應(yīng)用[J].氨基酸雜志，1984，（2）：24-33.</p><p>　　【8】余楊坤.氨基酸農(nóng)藥國(guó)外研究情況[C].武漢大學(xué)氨基酸研究室.氨基酸學(xué)術(shù)論文集（1973-1983）.武漢：氨基酸雜志社，198

72、3:29-34.</p><p>　　【9】張克旭.氨基酸發(fā)酵工藝學(xué)[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1992,723-725.</p><p>　　【10】郭四化.L-丙氨酸的消旋和D-丙氨酸的制備及L-丙氨酸的合成工藝研究[D].杭州：浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.</p><p>　　【11】寇天平.發(fā)酵生產(chǎn)中泡沫的消除[J].發(fā)酵科技通訊，2006年01期.

73、</p><p>　　【12】劉菊湘,劉國(guó)棟,閻虎生,程曉輝,何炳林,姜根華,楊國(guó)英.用低交換容量聚苯乙烯型強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂柱色譜分離中性氨基酸[J].高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào)，2001年12期.</p><p>　　【13】姚汝華，周世水.微生物工程工藝原理.華南理工大學(xué)出版，2005,9：377-380</p><p>　　【14】梁世中.生物工程設(shè)備.中國(guó)輕工業(yè)出