《精编》生物化工产品培训课程

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1、生物化工产品 甲醇蛋白苹果酸L 肉碱肌苷酸 甲醇蛋白 一 产品介绍甲醇蛋白 methanolSCP 是以甲醇为原料 利用生物技术生产的单细胞蛋白 SCP即是微生物蛋白或菌体蛋白 是微生物在各种原料中生长而得到的含有丰富蛋白质的微生物 在SCP中 能够工业化大量生产的甲醇蛋白被称为第二代单细胞蛋白 营养价值高 粗蛋白含量在70 以上 含有丰富的氨基酸如赖氨酸 蛋氨酸 胱氨酸 矿物质以及维生素等 原料来源丰富 糖蜜 蔗糖渣 石油 液蜡 泥炭 甲烷 甲醇 丙酸 工业有机废水 城市垃圾等 无毒 主要用作动物饲料添加剂 目前正在研究将其用作人类食品的蛋白质添加剂和调味料 二 生产方法与分离工艺 1 英国

2、ICI法采用空气提升加压外循环式发酵罐 将灭菌后的培养液及甲醇和含氮空气从底部加入 空气搅拌发酵 过程中产生的CO2和过剩空气顶部放出 重度增大后的溶液顺发酵罐一边下流 在底部冷却器完成热交换 培养液和空气在另一边上升循环 Tempreture 35 40 pH 6 5 7 5Time 30h通过连续抽出培养液维持菌体浓度稳定 发酵结束调节发酵罐底部pH值 使菌体凝聚 絮凝 离心 闪蒸脱水 干燥等获得粗产品 粒状用作家畜 家禽 鱼等的饲料蛋白 粉状用作代奶粉 ICI法甲醇蛋白生产流程图 对发酵罐的要求 保证空气和能量利用良好能迅速供给发酵所需的大量氧气能长期稳定运转有较大容积传热良好上游操作须

3、在无菌条件下 ICI法甲醇蛋白工艺特点 氧气传递速度快搅拌效率高培养基循环良好内部无活动部件 不易被污染冷却迅速 易控制温度能迅速除去CO2 单位产品耗电少固体的分离 干燥 浓缩方方便 2 德国的Hoechst Uhde HU 法发酵罐为空气提升内循环的气升式罐 将磷酸 水 盐 微量元素灭菌后加入发酵罐 甲醇单独加入 发酵过程中加氨水维持pH7 0左右 发酵温度40 发酵结束 经离心 干燥得产品 产品主要供人食用 也作饲料添加剂 当菌体蛋白中含核酸 1 就可供人食用 如加入面包作强化剂 赫斯特 伍德法 HU法的优点 细长结构 加大毒气扩散强度内循环获得一定流动模型 对压力 加料量的变化敏感性小

4、循环间隔时间与培养液生长的动力学一致 明显提高效率罐内无死角 供料均匀无机械传动 混合和通风的能耗仅为搅拌式一半 能量散失少如增大罐顶横截面 环形区向下流动可将附在罐壁的泡沫冲刷下来 可以解决发酵过程中难以控制的泡沫问题 3 日本的三棱瓦斯化学法 MGC 原料经灭菌 过滤后加入发酵罐 发酵罐内设置多层多孔隔板 以空气搅拌进行氧的迁移发酵罐出来的培养液经离心机分离 清液返回发酵罐 离心后的物料经预处理 混合 粒化 干燥 可用气体透平的废气进行菌体干燥 后得粒状产品 4 法国的IFP法 培养基液体经喷管系统吸入需要的空气量 然后进入一段 或两段 发酵罐 发酵罐出来的物料经离心分离 过滤 干燥后得到

5、产品 该发酵罐有一特殊的双相泵使罐中心所有物高速循环 并由回路中的换热器移走热量 然将有活性的液体返回罐中 IFP升气式发酵罐 优点 适宜于酵母产生凝絮作用 系统内有不同相的混合 可迅速除去由通风和生产过程所产生的热量 5 瑞典的Norprotein法 原料 甲醇 营养盐 氨 空气 水 发酵罐 发酵 絮凝 过滤 干燥 产品 原料 发酵罐排出气体的能量通过透平得到回收 与热空气混合后用于产品干燥 三 国内外研究进展 甲醇蛋白是高营养 无毒的优质饲料蛋白添加剂 世界许多国家都在积极研究 改进其生产工艺 并已建成工业化生产装置 我国人多地少 动 植物蛋白缺乏 开发生产甲醇蛋白对缓解蛋白资源紧缺 促进

6、畜牧业发展意义重大 国内从20世纪70年代开始投人大量的人力物力对甲醇蛋白生产和应用进行了广泛的研究和工作 如中国科学院微生物研究所 等并取得了一定进展 如北京市营养研究所已掌握了生产甲醇蛋白的生产技术 但目前我国还没有工业化装置 近几年随着蛋白质饲料的日益短缺和甲醇产量的增长 国内很多企业经过各方面论证 纷纷准备新建大型甲醇蛋白生产装置 苹果酸 一 产品介绍 苹果酸又名羟基琥珀酸 羟基丁二酸或1 羟基乙烷二羧酸 英文名MalicAcid 白色结晶颗粒或结晶粉末 苹果酸含有一个不对称碳原子 有两个对映体 L 苹果酸呈左旋 以S符号表示 D 苹果酸呈右旋 以R符号表示 易溶于水 是一种酸性很强的

7、有机酸 自然界存在的苹果酸均为L 苹果酸 它是三羧酸循环的重要成员 苹果 樱桃 葡萄 柠檬等水果中含有丰富的苹果酸 尤其是未成熟的苹果中含有0 5 左右的有机酸 其中苹果酸占97 2 以上 苹果酸因此而得名 L 苹果酸无毒 酸度大 味道柔和 滞留时间长等特点 成为继柠檬酸 乳酸之后用量排第三位的食品酸味剂 苹果酸的其他应用有染料工业 化工方面可作牙膏及烟草的调味剂 皮肤清洁剂 焊锡助焊剂 洗涤剂 废气脱硫剂 锅炉水垢清洁剂 空气清洁剂 除臭剂和除锈剂 还可作为饲料添加剂 二 生产工艺 苹果酸生产工艺 化学法 微生物法 提取法 化学合成法 直接发酵法 一步合成法 混合发酵法 二步合成法 固定化酶

8、或细胞转化法 1 提取法 将石灰乳直接加入富含L 苹果酸的果汁中 形成苹果酸钙盐 再用H2SO4溶解收集到的钙盐 然后浓缩回收苹果酸 局限性 果汁中含量相对较少 原料来源有限 生产成本很高 批量生产有困难 2 化学合成法 在催化剂存在下 苯氧化生成富马酸或马来酸 然后加压与水蒸汽共热形成L D 苹果酸 也可以糠醛为原料 经双氧水处理 在超声波作用下转变而成 局限性 生产工艺比较复杂 工艺条件要求高 分离精制技术难度大 加之原料为化工产品 3 直接发酵法 定义 一种采用微生物直接发酵糖质原料或非糖质原料如正构烷烃生成L 苹果酸的方法 常用菌 黄曲霉 米曲霉 寄生曲霉 根霉 顶青霉 出芽短梗霉原理

9、 微生物三羧酸循环中苹果酸到草酰乙酸这一步的苹果酸脱氢酶缺失或处于低水平使得苹果酸得以积累 直接发酵法发酵流程 优势 原料来源十分丰富 生产成本低 潜力大 产品安全性高 发酵工艺条件温和 产品为L 型 缺点 L 苹果酸产生菌常常在产生L 苹果酸同时 也产生许多杂酸 如柠檬酸 富马酸 琥珀酸等 仍需进一步选育优良的苹果酸产生菌 4 混合发酵法 采用两种不同功能的微生物 其中之一先将糖质或其他原料转化生成富马酸 另一种微生物将富马酸转化成L 苹果酸 两种微生物可先后加入 也可同时加入 常用菌先用少根根霉或华根霉把糖质原料转化成富马酸 然后利用膜醭毕赤酵母普通变形杆菌及宛氏拟青霉之一 把富马酸转化成

10、苹果酸的研究 混合培养发酵苹果酸进程 FU 富马酸LMA L 苹果酸RG 残糖 优势 L 苹果酸的转化率高缺点 培养条件要求比较严格发酵周期较长产酸率相对较低副产物较多 5 固定化酶或细胞转化法 利用具有高活性富马酸酶的微生物细胞或富马酸酶 采用固定化酶或细胞反应器 将富马酸转化成L 苹果酸微生物 短杆菌 产氨短杆菌 黄气短杆菌 解脂假丝酵母及温特曲霉等载体 藻酸钙凝胶 角叉菜胶及聚丙烯酰胺凝胶等 生产过程 一是固定化细胞的制备 将产酶菌株培养成熟后 收集菌体细胞 包埋菌体 制备固定化酶或细胞 二是L 苹果酸制备 先将富马酸和CaCO3反应转化成为富马酸钙 再经转化柱作用生成苹果酸钙 经提取得

11、L 苹果酸 局限性 固定化酶的转化率低 半衰期短国产富马酸质量不稳定 生产成本相对较高L 苹果酸中残留的富马酸分离去除有困难需要考虑细胞透性以化工产品富马酸为原料 人们食用存有疑虑 使得绝大多数厂子处于关停状态 6 苹果酸的测定与分离 苹果酸定性 纸层析法 或者 在试管中加入约5ml待测试溶液 加入3滴15 三氯化钛溶液 几分钟内出现白色沉淀 表明有L 苹果酸的存在 苹果酸定量 紫外分光光度法 2 7 萘二酚法 富马酸测定 高锰酸钾滴定法 总酸的测定 酸碱滴定法 产品分离 钙盐沉淀法 溶剂萃取法 离子交换树脂法 两性离子交换树脂法 碱性离子交换树脂法 钙盐沉淀法缺点 酸化时消耗大量硫酸 产生大

12、量难以处理的CaSO4废渣和废糖水 发酵过程中常有其它有机酸产生 也能形成钙盐沉淀 所以钙盐沉淀本身不能实现苹果酸的分离 而须借助于离子交换进行精制 此工艺提取收率低 一般只有70 左右 溶剂萃取法 将发酵液中的有机酸用萃取剂三烷基氧化膦 TRPO 将其全部萃入有机相 在反萃过程中 利用反萃分配比之间的差异 使苹果酸与杂酸相分离 溶剂萃取法缺点 萃取剂在食品级苹果酸生产产品中的残留毒害 苹果酸萃取过程的乳化及污染 连续化生产时萃取剂难以循环使用 离子交换树脂法 室温下将发酵液通过装填有离子交换树脂的色谱柱 使其中的苹果酸被吸附 发酵废水回发酵罐循环发酵 然后用热水洗脱吸附于树脂上的苹果酸 如此

13、反复使用 优势 生产收率提高 生产成本降低 几乎可完全消除生产中的三废 三 国内外研究进展 目前 世界上只有美国和日本采用生物技术生产该产品 日本自二十世纪70年代开始小批量生产 发展不快 产量至今不大 但日本扶桑公司开发的苹果酸制剂已应用于海带养殖业 目前国内外正在积极研究及已经中试或批量生产的方法主要是转化法和一步发酵法 又以一步发酵法生产苹果酸的工艺最经济 最有发展前途 全球整体来说 L 苹果酸还没有大规模生产 但随着市场需求日益增加 发展潜力巨大 L 肉碱 一 产品介绍 1 性质L 肉碱又称肉毒碱 左旋肉碱 维生素BT 化学名为L 羟基 三甲铵丁酸 分L D 型两种光学旋光体 只有L

14、型有生理活性 分子式为C7H15NO3 相对分子质量161 20 结构式如下 呈白色吸水性结晶 易溶于水和乙醇 稳定性较好 2 生理功能脂肪酸代谢中脂酰基团在线粒体内膜上的载体 缓冲线粒体酰基CoA和CoA的比率 捕捉酰基基团 排除有毒的多余酰基 参与膜修复过程中膜磷脂的去酰化 重酰化 利于膜的稳定 抗细胞凋亡等 在动物体内肝 肾 脑的合成路径如下 人体必需从膳食中获取一定量L 肉碱才能最佳健康状态 其中动物性食品中含量最丰富 蔬菜 谷类水果中基本不含或含极少量 3 应用 食品添加剂 奶粉 运动饮料 减肥 抗衰老 饲料添加剂 促进素食类 食草类动物生长 治疗用药物 助消化 降血脂 治疗血管疾病

15、 急性氨中毒 昏迷 神经系统疾病 二 生产工艺 1 化学合成法上世纪60年代已经工业化生产 但缺点较多 如产物是D L 型的混合物 消旋肉碱 拆分操作复杂 产品得率低 生产成本高 近年来 以苹果酸为原料探索出一条无需拆分无毒的合成L 肉碱的路径 化学合成法新工艺 2 提取法 1905年 就开始从动物浸膏中提取 但成本较高 提取工艺复杂 收率低 1952年 Carter等用450克牛肉浸膏提取得到0 6克纯品肉碱 因此不具备工业化生产的优越性 已很少使用 3 微生物发酵法 原理 微生物普遍具有产肉碱的能力 通过筛选高产菌株利用微生物发酵L 肉碱 从发酵液或菌体中直接提取 微生物 放线菌 酵母 曲

16、霉 青霉 根霉 醋酸杆菌 芽孢杆菌 大肠杆菌 变形杆菌 假单胞杆菌 毛霉主要原料 葡萄糖 可溶性淀粉 大豆粉 无机盐等 生产工艺的关键在于如何筛选稳定的L 肉碱高产菌株和提取工艺 肠杆菌 霉菌 酵母菌 4 酶法转化 A DL 肉碱衍生物的酶法拆分 DL 肉碱 微生物 产酯酶 酰胺酶或腈水解酶 高产菌株 酰胺 乙酰肉碱 腈 L 肉碱 筛选 催化 乙酰化 选择性水解 Charles筛选到一株在含DL 肉碱20g L D L 1 1 的培养基中于25 培养44h D 肉碱全部消失 L 肉碱剩下38 的菌株 在含DL 肉碱50g L D L 2 8 的培养基中于25 培养69h D 肉碱全部消失 L 肉碱剩下75 由于合成DL 肉碱的过程复杂 而DL 肉碱衍生物容易通过环氯丙烷制得 所以工业上主要是DL 肉碱衍生物的酶法拆分来生产L 肉碱 Joers用DL 肉碱酞胺作为碳源和氮源筛选出含有肉碱酞胺酶的菌株 该酶能水解肉碱酞胺得到L 肉碱 产物纯度达97 Kula用旋光性的肉碱筛选到1株专一性水解L 肉碱酞胺的酶 制得光学纯度为99 的L 肉碱 B 巴豆甜菜碱的酶法转化 原理 利用微生物含有水解