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1、制糖与发酵工艺,生 物,微生物,动物,植物,玉 米,细 菌,人、牛羊,淀粉、制糖,发酵、提取,制糖车间,将淀粉水解成葡萄糖？,许多氨基酸产生菌都不能直接利用淀粉，也不能利用糊精等多聚糖或低聚糖作为其生长繁殖或新陈代谢的碳源，因此，当以淀粉为原料进行谷氨酸发酵生产时，必须先将淀粉水解成葡萄糖，才能供发酵使用。,在工业生产上将淀粉水解成葡萄糖的过程称为淀粉制糖，所制得的糖液称为淀粉水解糖。淀粉水解糖液中主要的糖类是葡萄糖，另外，根据水解条件的不同，也有少量麦芽糖及其它一些二糖或低聚糖等复合糖类，它们不能被发酵菌利用。淀粉水解糖液质量的高低，往往直接关系到发酵菌的生长速度和产物的积累。,为什么淀粉能
2、被水解成葡萄糖,淀粉的单体是葡萄糖 蛋白质的单体是氨基酸,葡萄糖,葡萄糖即多羟基醛，是一种碳水化合物，是还原性六碳糖即己糖。葡萄糖主要是以氧环式（环状半缩醛结构）存在的。 分子式： C6H12O6 分子量：12*6+1*12+16*6=180,（C6H10O5）n+nH2O=n*C6H12O6,淀 粉,淀粉主要含在胚乳的细胞中。胚芽位于玉米基部，富有柔韧和弹性，不易破碎，加工时可完整的分离出来，脂肪含量很高。在玉米淀粉湿磨法加工中，果皮、根冠、糊粉层均属于纤维部分。,玉米淀粉分子结构式,下图为直连淀粉分子结构示意图,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,是由不分支的葡萄糖
3、链所构成，葡萄糖分子间以-1.4糖苷键聚合而成，呈直链状结构，分子比较小，聚合度1006000之间，一般为300-800个。直链淀粉的凝沉性较强，凝沉的速度和程度受分子大小、PH值、温度和盐类等因素有关，凝沉现象对淀粉液化有很大影响使淀粉溶液逐渐变得浑浊，胶粘性降低，最后出现白色沉淀。,直链淀粉,支链淀粉,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,O,下图为支连淀粉分子结构示意图,O,支链淀粉又称胶淀粉，其直链部分也是由葡萄糖分子以-1.4糖苷键连结，支链部分与直链部分的葡萄糖分子间以-1.6糖苷键连结，它的分子呈树枝状，形成分枝结构。分子较大，聚合度
4、在1000300万之间（马铃薯的枝链淀粉分子最大，聚合度达到300万），一般在15006000。比直链淀粉容易降解，但其-1.6键没有-1.4键容易降解。,支链淀粉,18,淀粉乳,调 浆,喷射升温,维持保温,闪蒸降温,层流罐保温液化,板框过滤机,喷淋降温,糖 化 罐,调PH4.8-5.0,发 酵,水、酸、碱、 -淀粉酶,糖渣蛋白,105- 110,60,成品糖液,蒸 汽,制糖车间生产工艺流程图,95-98,加糖化酶,葡萄糖液生产工艺：,双酶法,用专一性很强的液化酶和糖化酶作为催化剂，将淀粉水解成为葡萄糖的工艺 。,液化酶又称-淀粉酶，它是一种内切酶，只能切断淀粉分子内部结合的-1.4葡萄糖苷键
5、，从而使庞大的葡萄糖分子链迅速断开，变小、变短。,液化酶,作用于直链淀粉时，其液化 产物为葡萄糖、麦芽糖和麦 芽三糖；作用于支链淀粉时， 只能任意切断其-1.4键部分， 而不能切断-1.6键，但能越过-1.6键继续水解-1.4键部分，将-1.6键仍然留在水解产物中，其直链部分的液化产物仍然为葡萄糖、麦芽糖和麦芽三糖，支链部分的液化产物为620个葡萄糖单元的短链糊精、低聚糖、麦芽糖和葡萄糖。,糖化酶,它是一类外切酶，不仅能从淀粉分子的非还原性末端逐个切开-1.4葡萄糖苷键，还能切开-1.6键，生成葡萄糖。,发酵车间,通过微生物（细菌）培养，使某种特定代谢产物（谷氨酸、赖氨酸、D-核糖、L-谷氨酰
6、胺、L-精氨酸）大量积累的过程,生物,动 物,植 物,微生物,饲 养,种植,发酵,圈、棚,棚、地,发酵罐,氨基酸发酵的特点： 氨基酸发酵是典型的代谢控制发酵, 由发酵所生成的产物氨基酸,都是 微生物的中间代谢产物,它的积累是建 立于对微生物正常代谢的抑制。 根据 微生物的代谢特点，改变、控制微生 物的正常代谢（异常代谢）,使有用产 物大量生成、积累。 2. 氨基酸发酵为好气性发酵 3. 菌种：细菌,典型的发酵工艺流程图,发酵罐,菌种室,摇瓶种子,种子罐,生产菌株,扩大培养,纯种培养,灭菌,培养基,无菌,混合溶解,无菌空气,精过滤器,粗过滤器,空气加热,空气预处理,空气储罐,空压机,空气,无菌,
7、灭菌,过程流加营养物,微生物的 6类 营养要素,碳源、氮源、能源、 生长因子、无机盐和水,培养基,1.碳源,一切能满足微生物生长繁殖所需碳元素的营养物，称为碳源。,微生物细胞含碳量约占干重的50，除水分外，碳源是需要量最大的营养物，又称之为大量营养物。,第六章 发酵工艺过程控制 第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数 第二节 温度对发酵的影响及其控制 第三节 pH值对发酵的影响及其控制,第六章 发酵工艺过程控制 第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制 第五节 菌体浓度与基质对发酵的影响及其控制 第六节 CO2和呼吸商,第六章 发酵工艺过程控制 第七节 补料的控制 第八节 泡沫对发酵的影响及其控制
8、第九节 发酵终点的判断 第十节 发酵过程检测与自控,第一节 发酵过程中的代谢变化与控制参数,微生物发酵有三种方式即分批发酵(batch fermentation)、补料分批发酵(fed-batch fermentation)和连续发酵(continuous fermentation)。 工业上为了防止出现菌种衰退和杂菌污染等实际问题，大都采用分批发酵或补料分批发酵这两种方式。,一、初级代谢的代谢变化 生长过程仍显示停滞期（1、2）、对数期（3、4）、稳定期（5）和衰亡期（6）等生长史的特征。,工业发酵中往往要接入处于对数期(特别是中期)的菌体，以尽量缩短停滞期。,二、次级代谢的代谢变化 次级代
9、谢产物的发酵属于菌体的生长与产物非偶联的类型，菌体生长繁殖阶段(又称生长期)与产物生成阶段(又称生产期)是分开的。,UAA可利用的氨基酸, 菌体生长阶段 菌体DNA含量达到定值，即不进行繁殖，细胞数量恒定，但多元醇、脂类等细胞内含物仍在积累，使菌体干重增加，此时开始合成产物，此刻的菌体浓度称为临界浓度。 这个阶段一般又称为菌体生长期或发酵前期，也有人称为平衡期 产物生成阶段 这阶段一般称为产物生产期或发酵中期。, 菌体自溶阶段 这个阶段一般称为菌体自溶期或发酵后期。 根据发酵过程中的参数变化绘制出的次级代谢的代谢曲线，可清楚地说明过程中的代谢变化，并反映出碳源、氮源的利用和pH值、菌体浓度和产
10、物浓度等参数之间的相互关系。 分析研究代谢曲线，还有利于掌握发酵代谢变化的规律和发现工艺控制中存在的问题，有助于改进工艺，提高产物的产量。,三、发酵过程的主要控制参数 pH值(酸碱度) 浊度（OD值） 温度() (11) 料液流量 溶氧浓度（DO值，简称溶氧） 基质含量 (12) 产物的浓度 空气流量 (13) 氧化还原电位 压力 (14) 废气中的氧含量 搅拌转速 (15) 废气中的CO2含量 搅拌功率 (16) 菌丝形态 黏度 (17) 菌体浓度（简称菌浓）,小型发酵罐,第二节 温度对发酵的影响及其控制,一、温度对发酵的影响 温度会影响各种酶反应的速率，改变菌体代谢产物的合成方向，影响微生
11、物的代谢调控机制，影响发酵液的理化性质，进而影响发酵的动力学特性和产物的生物合成。 温度对化学反应速度的影响常用温度系数（Q10）（温度每升高10 ，化学反应速度所增加的倍数）来表示。,发酵液的黏度、基质和氧在发酵液中的溶解度和传递速率、某些基质的分解吸收速率等，都受温度变化的影响，进而影响发酵动力学特性和产物的生物合成。,二、影响发酵温度变化的因素 产热的因素有生物热(Q生物)和搅拌热(Q搅拌)；散热因素有蒸发热(Q蒸发)、辐射热(Q辐射)和显热(Q显)。产生的热能减去散失的热能，所得的净热量就是发酵热Q发酵，kJ(m3h)， 即 Q发酵=Q生物+Q搅拌-Q蒸发-Q显-Q辐射。这就是发酵温度
12、变化的主要因素。 生物热(Q生物)； 搅拌热(Q搅拌)； 蒸发热(Q蒸发) ； 辐射热(Q辐射),三、温度的控制 最适温度的选择 最适生长温度与最适生产温度往往是不一致的，可采用变温发酵。 温度的控制,通用式发酵罐,通用式发酵罐,第三节 pH值对发酵的影响及其控制,一、pH值对发酵的影响 影响酶的活性，当pH值抑制菌体中某些酶的活性时，会阻碍菌体的新陈代谢； 影响微生物细胞膜所带电荷的状态，改变细胞膜的通透性，影响微生物对营养物质的吸收和代谢产物的排泄； 影响培养基中某些组分的解离，进而微生物对这些成分的吸收； pH值不同，往往引起菌体代谢过程的不同，使代谢产物的质量和比例发生改变。,二、发酵
13、过程pH值的变化 三、发酵pH值的确定和控制 发酵pH值的确定 同一菌种，生长最适pH值可能与产物合成的最适pH值是不一样的。 同一产物的最适pH值，还与所用的菌种、培养基组成和培养条件有关。, pH值的控制 在各种类型的发酵过程中，实验所得的最适pH值、菌体的比生长速率()和产物比生成速率(Qp)等3个参数的相互关系有四种情况, 第一种情况是和Qp的最适pH值都在一个相似的较宽的适宜范围内(a)，这种发酵过程易于控制； 第二种情况是Qp (或)的最适pH值范围很窄，而(或Qp)的范围较宽(b)； 第三种情况是和Qp对pH值都很敏感，它们的最适pH值又是相同的(c)，第二、第三种情况的发酵pH
14、值应严格控制； 第四种情况更复杂，和Qp有各自的最适pH值(d)，应分别严格控制各自的最适pH值，才能优化发酵过程。,补料方法，既可以达到稳定pH值的目的，又可以不断补充营养物质，特别是能产生阻遏作用的物质。 少量多次补加还可解除对产物合成的阻遏作用，提高产物产量。 最成功的例子就是青霉素的补料工艺，利用控制葡萄糖的补加速率来控制pH值的变化范围(现已实现自动化)，其青霉素产量比用恒定的加糖速率和加酸或碱来控制pH值的产量高25。,第四节 溶解氧对发酵的影响及其控制,一、溶解氧对发酵的影响 影响耗氧的因素有以下几方面： 培养基的成分和菌浓显著影响耗氧 菌龄影响耗氧 发酵条件影响耗氧 满足微生物
15、呼吸的最低氧浓度叫临界溶氧浓度(critical value of dissolved oxygen concentration)，用c临界表示,初级代谢的氨基酸发酵，需氧量的大小与氨基酸的合成途径密切相关。 根据发酵需氧要求不同可分为三类,第一类有谷氨酸、谷氨酰胺、精氨酸和脯氨酸等谷氨酸系氨基酸，它们在菌体呼吸充足的条件下，产量才最大，如果供氧不足，氨基酸合成就会受到强烈的抑制，大量积累乳酸和琥珀酸；第二类，包括异亮氨酸、赖氨酸、苏氨酸和天冬氨酸，即天冬氨酸系氨基酸，供氧充足可得最高产量，但供氧受限，产量受影响并不明显；第三类，有亮氨酸、缬氨酸和苯丙氨酸，仅在供氧受限、细胞呼吸受抑制时，才能获得最大量的氨基酸，如果供氧充足，产物形成反而受到抑制。,第一类氨基酸是经过乙醛酸循环和磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统两个途径形成的，产生的NADH量最多。因此NADH氧化再生的需氧量为最多，供氧愈多，合成氨基酸当然亦愈顺利。第二类的合成途径是产生NADH的乙醛酸循环或消耗NADH的磷酸烯醇式丙酮酸羧化系统，产生的NADH量不多，因而与供氧量关系不明显。第三类，如苯丙氨酸的合成，
