发酵工程原理与技术_江南大学-陈坚-4第四章培养基及其制备

11第二篇发酵过程及相关设备22第四章培养基及其制备33本章教学内容第一节原料第二节原料的预处理第三节淀粉的水解糖的制备第四节糖蜜原料的处理第五节非粮食生物质的转化第六节前体物质、促进剂44第一节原料一、原料的定义及选择原则11，原料的定义：，原料的定义：•从工艺角度来看，凡是能被生物细胞利用并转化成所需的代谢产物或菌体的物料，都可作为发酵工业生产的原料。5522，原料选择的原则，原料选择的原则•原料价格低廉；•因地制宜，就地取材；•原料资源要丰富，容易收集；•原料要容易贮藏；•对人体无害，影响发酵过程的杂质含量因应当极少，或者几乎不含；•适合微生物的需要和吸收利用。•对生产中除发酵以外的其他方面，如通气、搅拌、精制、废弃物的处理等所带来的困难昀少。66在确定原料选择原则时需注意的问题•所选用的培养基与所使用的发酵罐的结构有关。–例如ICI公司因指定用甲醇和氨生产单细胞蛋白质而另行设计新的发酵罐。–同样的理由，在一个巳设定的发酵罐中，发酵必然会受到培养基组份改变的影响。•从实验室规模放大到实验工厂规模，以至于放大到工业生产规模，都要考虑培养基的组份的变化。•培养基的组成，除了考虑到菌体生长和产物的形成的需要外，还要考虑到培养基的pH变化、泡沫的形成、氧化还原电位和微生物的形态等，而且还有前体和代谢抑制剂的需要。77二、常用主要原料及其化学组成1，常用原料种类•薯类：甘薯、马铃薯、木薯、山药等。•粮谷类：高粱、玉米、大米、谷子、大麦、小麦、燕麦、黍和稷等。•野生植物：橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金刚头、香符子等。•农产品加工副产物：米粞、米糠饼、麸皮、高粱糠、淀粉渣等。•非粮食生物质原料：纤维素、木质素、半纤维素等。882，常用原料的化学组成•碳水化学物：主要是单糖和双糖，发酵微生物的碳源和能源。一些多糖则需转化为单糖或双糖后才被利用。•蛋白质：蛋白质经蛋白酶分解后产生的多肽或氨基酸，是糖化菌和酵母菌生长繁殖的氮源。•脂肪：针对不同的发酵产品其作用有较大差别•灰分：主要是P、Mg、K、S、Ca等元素，是微生物生长和代谢所必需的。99三、工业发酵培养基的设计1，为何要进行培养基的设计？•完善的培养基设计是实验室的试验、实验工厂和生产规模的放大中的一个重要步骤。•在发酵过程中，我们的目的产品是菌体或代谢产物。而发酵培养基是否适合于菌体的生长或积累代谢产物，对昀终产品的得率具有非常大的影响。10102，培养基设计的基本原则•培养基的组成必需满足细胞的生长和代谢产物所需的元素，并能提供生物合成和细胞维持活力所需要的能量。11113，如何进行培养基的设计（1）作出细胞生长和产物形成的化学计算的平衡碳源和能源+氮源+其他需要→细胞+产物+CO2+H2O+热量•通过计算可以获得生产一定数量的细胞时所需的营养物的昀低数量。在了解一定数量的生物体所能产生的产物数量后；就有可能计算出形成产物时所需的底物数量。–这些培养基的组份的数量仅仅是供给细胞形成产物，而不包括生成细胞所需的营养。所有上述各项数量，是不易获得其精确的数字。1212（2）组成微生物的元素包括C、H、O、N、S、P、Mg和K（见下表），这些元素都要在方程式中予以平衡–在培养基中有些元素的含量往往超过需要量，如P和K。而其它元素含量则接近昀低值(如Zn，Cu等)。在许多培养基中增加磷酸盐浓度，其用意是增加培养基的缓冲容量，这一点，在设计培养基时要引起注意。1313细菌、酵母和真菌的元素组成(按干重％计)1414（3）有些微生物无力的合成特定营养物，如氨基酸、维生素或核苷酸。一旦测出其中一种是生长因子，就要在培养基中加入适量的纯净的化合物或含有该物质的混合物。1515（4）碳源具有生物合成的底物和能源的双重作用，在需氧条件下，对碳源的需要量可以从菌体对底物的产率系数(Yx/s)推算而得。–该系数的定义是：细胞干物质的产量／碳源底物的被利用量1616下表中列出了一些Yx/s值。如以葡萄糖为底物时，其Y值为0.5g即表示每1g葡萄糖能生成0.5g细胞干物质。为要获得30gdm-3浓度的细胞，需要葡萄糖30／0.5＝60gdm-3。在发酵过程中，适当地补充碳源是必要的。将碳源转化成产物的观察值与理论上昀大值之间进行比较，才能进行深入的研究。但由于对生物合成的知识的限制而难以作出精密的分析。1717方程式中的a2、b2、c2、d2、e2、nz、p2和q2都是化学计算中的系数，PAA代表苯乙酸。解方程式．得：按上述方程式计算每1g葡萄糖能产生1.1g苄青霉素的理论值。在青霉素分批发酵的一个简单模型中，用于合成细胞、维持生命活力和转化成青霉素的葡萄糖，分别占总糖耗量的28、61和11％。在分批补料发酵时，则26％的葡萄糖用于生长、70％用于维持生命、6％用于合成青霉素。每克葡萄糖的昀大青霉素转化产量为0.0538，这个理论值数倍于实验值。Cooney(1979)以青霉素生物合成的途径为基础，通过物质和能量平衡，计算出青霉素生物合成的理论值。总的化学计算式为OHqCOpnPAAeSOHdOcNHbOHCa222222422223261262++→++++卞青霉素OHCOSNOHCOHCSOHONHOHC222418182884222136126610922++→++++18184，发酵培养基的组成成分¾水¾碳源¾氮源¾无机盐¾维生素¾缓冲剂¾前体和代谢调节剂¾消沫剂1919影响选择碳源的因素•原料成本占生产总成本的比例；•在某些发酵过程中，必须除去碳源中的杂质；•对碳源的选择，往往还受到政府政策的影响；•当地的法律条例指定了许多饮料业所使用的底物；•培养基的配制方法，特别是灭菌方法。2020缓冲剂•控制pH时对获得昀佳生产能力是十分重要的。在培养基中加入一种化合物作为缓冲剂或同时可作为营养源。许多种培养基多加入碳酸钙作为缓冲剂，以达到pH7.0左右。如果pH下降，则碳酸钙分解，如果是pH上升，可以自然地校正微生物的产酸量。在许多培养基中，也用磷酸盐作为重要的缓冲剂。•碳源和氮源的平衡，也是控制pH的一种方式。在玉米浆中的蛋白质、肽、氨基酸等也具有缓冲容量。滴加氨，氢氧化钠和硫酸，可以严格地控制pH值。2121第二节原料的预处理一、预处理的必要性1，发酵工厂在进行生产前，必须先将原料中混杂的小铁钉、杂草、泥快和石头等杂质除去，保证后续工序生产的正常和顺利进行。2，为保证后续工序生产的正常和顺利进行，还需对原料进行适当加工。3，为保证生产环境的清洁，必须采用适当的输送方式将原料从仓库运送至配料罐或反应器。2222二、预处理的方法（方式）1，原料除杂•筛选•风选•磁力除铁2323（1）筛选、风选•气流-筛式分离机这类分离机主要用于谷物原料除杂用。凡是厚度和宽度或空气动力学性质(悬浮速度)与所用谷物不同的杂质，都可用气流-筛式分离机将其分离。2424（2）磁力除铁器•永久性磁力除铁器•电磁除铁器25252，原料的粉碎（1）粉碎的目的：•增加原料受热面积•粉末状原料加水混合后容易流动输送2626•对于一些带壳的原料，如高粱、大麦，在粉碎前，则要求先把皮壳破碎–皮壳本身毫无营养价值，在发酵过程中对微生物没有好处，皮壳在醪液中会引起阻碍液体的流动。–皮壳在生产过程中，不发生变化，而大量皮壳汇集起来会占据一定的有效容积，无形中降低了设备的生产能力。–原料糖化后进行发酵时，皮壳会聚集在液面上，而引起较厚的醪盖，醪盖的形成会妨碍热量的逸散和CO2的放出，致使液体温度升高，细菌容易繁殖，特别是醋酸菌，出现这些现象，都会对发酵带来不利。–皮壳会使蒸馏塔及冷却器等设备发生阻塞。皮壳渐多，需要停机清理，会给生产带来损失。2727（2）原料粉碎的力学分析•固体物料的粉碎按其受力情况可分为：–挤压粉碎–冲击粉碎–研磨粉碎–剪切粉碎–劈裂粉碎2828（3）粉碎方法•干粉碎•湿粉碎2929干式粉碎•粗碎：原料过磅称重后，进入输送带，电磁除铁后进行粗碎。粗碎后的物料应能通过6~10mm的筛孔，然后再送去进行细粉碎。粗砰常用的设备是轴向滚筒式粗碎机，也有用锤式粉碎机进行粗碎的例子•细碎：经过粗碎的原料进入细碎机，细碎后的原料颗粒一般应通过1.2~1.5mm的筛孔。也有采用1.8~2.0mm筛孔的。常用的细碎设备是锤式粉碎机3030湿法破碎工艺流程风选送料部分湿法除尘部分破碎部分预热部分3131湿法粉碎工艺的优点•彻底消除了粉尘的危害，改善了劳动条件，降低了原料的损耗•提高了原料的粉碎细度•节省了蒸煮时所消耗的蒸气•粉碎机部件（特别是刀片）的磨损减少•设备简单，对厂房要求不高3232（4）常用的粉碎机械•锤式粉碎机（瓜干、高粱、玉米）•辊式粉碎机（麦芽、大米）–两辊式–四辊式–五辊式–六辊式3333锤式粉碎机的结构3434双辊式粉碎机结构示意图（a）结构示意（b）物料受力分析3535（1）机械的输送•皮带输送机•斗式提升机•螺旋输送机3636（2）气流输送优点•设备简单•占地面积小•费用少•连续化自动化改善了劳动条件•输送能力和距离有较大的变动范围•在气流输送的同时，还可对物料进行加热、冷却、干燥等操作3737原理：•气流输送方法，是借助气流的动能，使管道中的物料被悬浮输送。可见物料在气流中的悬浮问题是很重要的。颗粒在垂直管中和水平管中的悬浮机理及运动状态是不一样的。3838气流输送的流程•吸引式流程（真空输送）•压送式流程（压力输送）•混合式气流输送流程（真空、压力输送）3939吸引（真空）输送•真空输送方式是将空气和物料吸入输料管中，在负压下输送到指定的地点，然后将物料从气流中分离出来，再经过排料器将物料卸出来。从分离器分离出来的空气，再经过净化除尘之后，用真空泵抽出。•真空输送设备出口装有分离器和能封闭空气的卸料器。•由于输送系统为真空，消除了物料的外漏，保持了室内的清洁。4040压力输送流程•这种输送方式是将空气和物料压送入输料管中，物料被送到指定位置之后，经分离器物料自动排出，分离出来的空气净化后放空。在加料处要用封闭较好的加料器，防止物料反吹，空气用鼓风机送入系统中。4141混合流程•兼有吸引式和压送式的特点，可以从数点吸入物料和压送至较远、较高的地方。4242流程的比较•吸引式流程，不需加料器，但要有封闭较好的排料器；•压送式流程，不需排料器，但要有封闭较好的加料器；•对相同输送量，压送式流程较吸引式流程采用较细的管道；•从几个不同的地方，向一个卸料点时，吸引式流程较适合；从一个加料点向几个不同地方送料时，压送式流程较适合；•具体到流程选择时，必须对输送物料的性质，形状、尺寸、输送量、输送距离等进行详细了解，结合实际综合考虑。4343采用气流输送时应注意的问题•水分含量超过16％的粉末原料，特别是鲜原料，不宜采用气流输送。•所选用风机型号一般要选择比实际需用量大1.2-1.5倍风机，风压也要比全系统压力损失的总和更大一些。•选择输送管道的直径时，要保证空气通气量有110-120％的富余量。•所用落料器性能要好，要保证既能较快分料，又能有一定的密封程度，防止落料器落料慢而引起旋风分离器出现粉料阻塞现象。•整个输送原料的管道中，要尽量减少90°的弯角和阀门。4444气流输送系统的组成设备•进料装置–吸嘴–旋转加料器•输料管道•卸料装置–离心式卸料器–沉降式卸料器•闭风器•风机•空气除尘装置•空气管道4545进料装置9吸嘴–单管形吸嘴–带二次空气进口的单管形吸嘴–喇叭形双简吸嘴–固定式吸嘴4646进料装置9旋转加料器–旋转加料器在真空输送系统中可用作卸料器，在压力输送系统中可用作加料器。因此，旋转加料器在气流输送中得到广泛应用。–旋转加料器的供料量，由下式计算：4747卸料装置9离心式卸料器–离心式卸料器实质就是旋风分离器，利用气流作旋转运动、使物料颗粒产生离心力，将悬浮于气流中的物料分离出。离心式卸料器上部为带有切线方向气流入口的圆柱壳体，下部连有倒圆锥形的壳体。4848卸料装置沉降式卸料器–沉降式卸料器实质上就是重力式分离器。带有悬浮物料的气流，进入一个较大的圆柱形空间里，气流速度大大降低，悬浮的颗粒由于自