丙氨酸的發(fā)酵生產(chǎn)課程設(shè)計

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

2、t;p>　　學 號 </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 丙氨酸簡介············

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

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

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

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···········

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

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

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無菌空氣制備系統(tǒng)·····························&#

27、183;···············10</p><p>　　7工藝計算················

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···········&

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

36、;·····12</p><p><b>　　1前言</b></p><p><b>　　1.1丙氨酸簡介</b></p><p>　　DL-丙氨酸化學名為DL-α-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

37、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】。</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)有武藏野化學株式會社和味之素。</p><p>　　1.2 丙氨酸的國內(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-丙氨酸作為營養(yǎng)強化劑和調(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】：</p><p>　　增強化學調(diào)味料的調(diào)味效果；</p><p>　　（2）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，可縮短腌制時間；</p><p>　　（6）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>　?。?）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>　　（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

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，具有對人畜安全、污染小的特點【8】。</p><p><b>　　2

43、 發(fā)酵機制</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個屬、334 株好氣性細菌的氨基酸生產(chǎn)能力。結(jié)果表明,幾乎在每個屬細菌的培養(yǎng)液中都能檢出丙氨酸。</p><p>　　在土壤中分離出來的棒桿菌【9】屬細菌，具有產(chǎn)生丙氨酸的能力。棒桿菌屬細菌

44、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，化能有機營養(yǎng)型。進行氧化性或發(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>　　采樣對象：以采集土壤為主。</p><p

45、>　　采土方法：選擇適當?shù)攸c、鏟除表土、取土樣數(shù)十克，盛入事先準備的無菌防水紙袋中，其上記錄采土時間、地點、植被情況等。</p><p>　　菌落的選擇方法見下圖：</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、血清學試驗等。</p><p>　　現(xiàn)代分類鑒定方法：遺傳特性、細胞化學組分、計算機數(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，

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)到菌體或孢子生長豐滿后，放在4℃冰箱保存。一般保存期為三個月到六個月。</p><p><b>　　3發(fā)酵工藝及特點</b></p&g

48、t;<p>　　3.1丙氨酸發(fā)酵機制</p><p>　　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。</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)采取菌體生長最適溫度為30～32℃。對數(shù)生長期維持溫度30-32℃。谷氨酸合成的最適溫度為30℃</p><p><b>　　3.2.3 通風量</b></p

51、><p>　　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)在長菌期間低風量，產(chǎn)酸期間高風量，發(fā)酵成熟期低風量。</p><p><b>　　3.2.4 泡沫</b></p><p>　　丙氨酸發(fā)酵時好氣性發(fā)酵，因通風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)酵液中的擴散受阻

52、，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。消泡方法有機械消泡（靶式、離心式、刮板式、蝶式消泡器）和化學消泡（天然油脂、聚酯類、醇類、硅酮等化學消泡劑）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)酵罐見下圖。</p><p>　　4菌種的制備及種子的擴大培養(yǎng)</p><p><b>　　4.1菌種的制備</b></p><p>　　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</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18-24小時</p><p>　　培養(yǎng)基特點：有利于菌體的生長，原料比較精細</p><p>　　生長斜面要求：生長良好，所

55、使用斜面連續(xù)傳代不超過3次</p><p>　　4.2種子的擴大培養(yǎng)</p><p>　　1.一級種子（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。</p><p&g

56、t;　　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</p><p><b>　　二級種子(種子罐)</b></p><p>　　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%</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個小時</p><p&g

57、t;　　培養(yǎng)基的特點：長菌體，更接近于發(fā)酵培養(yǎng)基</p><p>　　種子的質(zhì)量要求：108-109個/ml；大小均勻，呈單個或八字排列；活力旺盛；</p><p>　　PH 7.0-7.2時結(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

60、體培養(yǎng)基進行短時間加熱滅菌。 優(yōu)點：（1）培養(yǎng)基受熱時間短（可在20～30s達到預(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:</p><p>　　2. 分批滅菌(實消): 指培養(yǎng)基在發(fā)酵罐中滅菌。</p><p>　　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

61、養(yǎng)成分的現(xiàn)象。</p><p>　　適用條件：當培養(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，而采用分批滅菌比較方便。</p><p><b>　　設(shè)備滅菌 ：</b></p><p>　　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，直接用蒸汽進行空

62、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。</p><p><b>　　6無菌空氣制備系統(tǒng)</b></p><p>　　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。</p><p>　　兩級冷卻、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，提高過濾效率。油霧和水霧的分離去除比較完全，保證干過濾。</p><p><b>　　7工藝計算</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</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</b></p><p><b>　　8三廢處理</b></p><p>　　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)境污染嚴重。</p><p>

66、;　　8.1活性污泥法【13】</p><p>　　利用活性污泥對污水進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。</p><p>　　活性污泥處理流程圖：</p><p>　　8.2生物濾池法 原理：利用需氧微生物對污水或有有機性廢水進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，然后將污水以點滴狀噴灑在上面，并充分供給氧氣和營養(yǎng)，此時在濾材表面生成一層凝膠狀生物膜（細菌類、原生動物、藻類、茵類等），當污水沿此膜流下時，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)。生物濾池法有標準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】是指用于處理有機垃圾。其原理是利用微生物對垃圾中的有機物進行代謝分解，在高溫下進行無害化處理，并能產(chǎn)生有機肥料。</p><p><b>　

69、　堆肥法原理圖：</b></p><p><b>　　9參考文獻</b></p><p>　　【1】章思規(guī).實用精細化學品手冊，有機卷（上）[M].北京：化學工業(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（第三冊）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003,47-48.</p><p>　　【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.</p><p>　　【5】趙建國.氨基酸在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及進展[J].氨基酸雜志，1984，（3）：32-37.</p&g

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