丙氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)課程設(shè)計

1、湖 北 大 學(xué)發(fā) 酵 工 程 與 設(shè) 備 課 程 設(shè) 計題 目 丙氨酸的發(fā)酵生產(chǎn) 專業(yè)年級 09級生物工程 學(xué)生姓名 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 2012 年 6 月 20 日目錄1前言31.1 丙氨酸簡介3 1.2 丙氨酸的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀32發(fā)酵機(jī)制42.1菌種的篩選4 2.2 菌種保藏53發(fā)酵工藝及特點6 3.1丙氨酸發(fā)酵機(jī)制6 3.2丙氨酸發(fā)酵的工藝控制6 3.3丙氨酸提取工藝6 3.4相關(guān)設(shè)備74菌種的制備及種子的擴(kuò)大培養(yǎng)8 4.1菌種的制備8 4.2種子的擴(kuò)大培養(yǎng)85培養(yǎng)基的組成及制備8 5.1培養(yǎng)基的組成8 5.2培養(yǎng)基的滅菌96無菌空氣制備系統(tǒng)107工藝計算118三廢處理11 8.1活性污

2、泥法11 8.2生物濾池法11 8.3發(fā)酵后的濾渣12參考文獻(xiàn)121前言1.1丙氨酸簡介 dl-丙氨酸化學(xué)名為dl-丙氨酸（簡稱丙氨酸），分子式為ch3ch(nh2)cooh,分子量89.09，無色至白色無臭針狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末，有甜味，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚和丙酮，無旋光性【1】。 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。結(jié)構(gòu) 用途 dl-丙氨酸主要用做食品添加劑，同時也是重要的醫(yī)藥中間體。在國外已廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)，年需求量很大，且增長迅速，其主要生產(chǎn)國為日本，主要生產(chǎn)企業(yè)有武藏野化學(xué)株式會社和味之素。1.2 丙氨酸

3、的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀dl-丙氨酸不僅僅是有特殊香味的氨基酸，而且也被用來與其他呈香味的物質(zhì)混合食指顯出更高級的香味。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】。dl-丙氨酸作為營養(yǎng)強(qiáng)化劑和調(diào)味品，在國外已被普遍使用。按美國聯(lián)邦法規(guī)可安全用于食品，其主要用途為【3-5】：（1） 增強(qiáng)化學(xué)調(diào)味料的調(diào)味效果；（2）改善人工甜味劑的味感，添加110的本品可使甜味柔和，改善后味；（3）合成清酒的調(diào)味料，用量0.010.03；（4）改善有機(jī)酸的酸味，15添加量就可使酸味接近天然的味道；（5）提高腌制

4、效果，按nacl量的510添加，可縮短腌制時間；（6）提高含醇飲料的質(zhì)量，按0.11.5添加可使酒味醇和，并可防止發(fā)泡酒老化，減少酵母氣味；（7）防止油類和油類食品氧化，添加量為0.011.0；（8）改善浸漬品的風(fēng)味,添加量為0.20.3；（9）食用香料，食品中添加量小于1；（10）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，可單獨使用，也可與谷氨酸鈉等制成符合調(diào)味劑或復(fù)合甜味劑。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、

5、n-硬脂酰-dl-丙氨酸等）已投入使用，具有對人畜安全、污染小的特點【8】。2 發(fā)酵機(jī)制2.1菌種的篩選 采用以葡萄糖、氯化銨為主要成分的培養(yǎng)基,研究了20個屬、334 株好氣性細(xì)菌的氨基酸生產(chǎn)能力。結(jié)果表明,幾乎在每個屬細(xì)菌的培養(yǎng)液中都能檢出丙氨酸。 在土壤中分離出來的棒桿菌【9】屬細(xì)菌，具有產(chǎn)生丙氨酸的能力。棒桿菌屬細(xì)菌是放線菌目中一屬革蘭染色陽性、不運動、非抗酸性、無芽孢的桿菌。菌體直形、彎形或多形，常呈棒狀。一般不運動。好氧或兼性厭氧，化能有機(jī)營養(yǎng)型。進(jìn)行氧化性或發(fā)酵性代謝。 從自然界中分離菌種的一般過程：采樣 預(yù)處理 培養(yǎng) 菌落的選擇 菌種的鑒定 采樣對象：以采集土壤為主。 采土方法

6、：選擇適當(dāng)?shù)攸c、鏟除表土、取土樣數(shù)十克，盛入事先準(zhǔn)備的無菌防水紙袋中，其上記錄采土?xí)r間、地點、植被情況等。 菌落的選擇方法見下圖：a.稀釋倒平板法 b.涂布平板法菌種鑒定經(jīng)典分類鑒定方法：形態(tài)特征、生理生化特征、血清學(xué)試驗等。現(xiàn)代分類鑒定方法：遺傳特性、細(xì)胞化學(xué)組分、計算機(jī)數(shù)值分析。2.2菌種保藏 菌種保藏主要是根據(jù)菌種的生理生化特點人工創(chuàng)造條件使孢子或菌體的生長代謝活動盡量降低，以減少其變異。一般可通過保持培養(yǎng)基營養(yǎng)成分在最低水平缺氧狀態(tài)，干燥和低溫，使菌種處于“體眠”狀態(tài)，抑制其繁殖能力。斜面冰箱保藏法 斜面保藏是一種短期、過渡的保藏方法，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

7、豐滿后，放在4冰箱保存。一般保存期為三個月到六個月。3發(fā)酵工藝及特點3.1丙氨酸發(fā)酵機(jī)制 葡萄糖經(jīng)過糖酵解途徑生成的丙酮酸，通過轉(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。( 1 ) 轉(zhuǎn)氨反應(yīng)丙酮酸+ l-氨基酸l-丙氨酸+ -酮酸( 2 ) 還原氨基化反應(yīng)丙酮酸+ nh4+ + nadhl-丙氨酸+ nad+ + h20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】.3.2丙氨酸發(fā)酵的工藝控制3.2.1 ph 丙氨酸生產(chǎn)菌的最適ph一般是中型或微堿性，ph7.67.8條件下積累丙氨酸。3.2.2 溫度 丙氨酸發(fā)酵前期應(yīng)采取菌體生長最適溫度為3032。對數(shù)生

8、長期維持溫度30-32。谷氨酸合成的最適溫度為303.2.3 通風(fēng)量 由于發(fā)酵過程中有谷丙轉(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。3.2.4 泡沫 丙氨酸發(fā)酵時好氣性發(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，但泡沫過多不僅使氧在發(fā)酵液中的擴(kuò)散受阻，影響菌體的呼吸代謝，也會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】。3.3丙氨酸提取工藝丙氨酸提取【12】的基本方法有：

9、等電點結(jié)晶法、特殊沉淀法、離子交換法、溶劑萃取法、液膜萃取法。 3.4相關(guān)設(shè)備丙氨酸發(fā)酵罐見下圖。4菌種的制備及種子的擴(kuò)大培養(yǎng)4.1菌種的制備種子培養(yǎng)過程：斜面菌種一級種子培養(yǎng)二級種子培養(yǎng)發(fā)酵罐斜面菌種制備培養(yǎng)基：蛋白胨 1%，牛肉膏1%，氯化鈉 0.5%，瓊脂 2%， ph 7.0-7.2培養(yǎng)條件：32，生長18-24小時培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，原料比較精細(xì)生長斜面要求：生長良好，所使用斜面連續(xù)傳代不超過3次4.2種子的擴(kuò)大培養(yǎng)1.一級種子（搖瓶）培養(yǎng)基：葡萄糖2%，尿素0.5%，玉米漿 2.5%，k2hpo4 0.1%培養(yǎng)條件：于1000ml三角瓶中，裝液200-250ml,32培養(yǎng)

10、12小時。培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，所使用的原料已經(jīng)基本接近于發(fā)酵培養(yǎng)基2. 二級種子(種子罐)培養(yǎng)基：和一級種子相似，其中葡萄糖用水解糖代替，濃度為2.5%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個小時培養(yǎng)基的特點：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基種子的質(zhì)量要求：108-109個/ml；大小均勻，呈單個或八字排列；活力旺盛；ph 7.0-7.2時結(jié)束，6.887.0-7.2。5培養(yǎng)基的組成及制備5.1培養(yǎng)基的組成發(fā)酵罐培養(yǎng)基成分：葡萄糖 13kh2po4 0.1mgso4.7h2o 0.04酵母膏 0.1玉米漿 0.4尿素 1.8ph 7.67.85.2培養(yǎng)基的滅菌 培

11、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，在高溫下對液體培養(yǎng)基進(jìn)行短時間加熱滅菌。 優(yōu)點：（1）培養(yǎng)基受熱時間短（可在2030s達(dá)到預(yù)定滅菌溫度），營養(yǎng)成分破壞少；（2）質(zhì)量均勻；（3）適用于自動控制。 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:2. 分批滅菌(實消): 指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐中滅菌。 優(yōu)點：無需專一滅菌設(shè)備，但易發(fā)生局部過熱而破壞營養(yǎng)成分的現(xiàn)象。 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，以采用分批滅菌為好。對于容積小的發(fā)酵罐，連續(xù)滅菌的優(yōu)點不明顯，而采用分批滅菌比

12、較方便。 設(shè)備滅菌 ： 實罐滅菌時，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，發(fā)酵罐需在培養(yǎng)基滅菌前，直接用蒸汽進(jìn)行空罐滅菌，用無菌空氣保壓，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。6無菌空氣制備系統(tǒng)發(fā)酵對空氣的要求是：無菌，無灰塵，無雜質(zhì)，無水，無油，正壓等幾項指標(biāo)。兩級冷卻、分離、加熱的空氣除菌流程：適合于各種氣候條件，能充分地分離空氣中的水分，提高過濾效率。油霧和水霧的分離去除比較完全，保證干過濾。7工藝計算年產(chǎn)1000t產(chǎn)率40g/l發(fā)酵周期60h發(fā)酵罐數(shù) 2個發(fā)酵罐裝料系數(shù)0.7發(fā)酵罐公稱體積v=106/40/146/2/0.7=122m3種子罐公稱體積v=122*

13、1%=1.2m3種子罐數(shù) 30個8三廢處理 丙氨酸發(fā)酵過程中產(chǎn)生的主要是廢水。其主要來源有：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，生化處理時間長，對環(huán)境污染嚴(yán)重。8.1活性污泥法【13】 利用活性污泥對污水進(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的污泥又送回到曝氣池中。 活性污泥處理流程圖：8.2生物濾池法 原理：利用需氧微生物對污水或有有機(jī)性廢水進(jìn)行生物氧化處理的方法。以淬石、焦炭、礦渣或人工濾襯等作為先填層，然后將污水以點滴狀噴灑在上面，并充分

14、供給氧氣和營養(yǎng)，此時在濾材表面生成一層凝膠狀生物膜（細(xì)菌類、原生動物、藻類、茵類等），當(dāng)污水沿此膜流下時，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：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

15、原理是利用微生物對垃圾中的有機(jī)物進(jìn)行代謝分解，在高溫下進(jìn)行無害化處理，并能產(chǎn)生有機(jī)肥料。 堆肥法原理圖：9參考文獻(xiàn)【1】章思規(guī).實用精細(xì)化學(xué)品手冊，有機(jī)卷（上）m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1996,89.【2】毛建衛(wèi)，崔艷麗，王桂仙.dl-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.【3】凌關(guān)庭.食品添加劑手冊（第三冊）m.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003,47-48.【4】俞長鑾，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.【5】趙建國.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.【6】

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