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(xué)生姓名 </p>&l

2、t;p>　　學(xué) 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(xué)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(xué)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(xué)調(diào)味料的調(diào)味效果；</p><p>　?。?）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>　?。?）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>　?。?）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(fēng)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>　?。?0）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(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。</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(xué)試驗等。</p><p>　　現(xiàn)代分類鑒定方法：遺傳特性、細胞化學(xué)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(fēng)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(fēng)量，產(chǎn)酸期間高風(fēng)量，發(fā)酵成熟期低風(fēng)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(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(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】。</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(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

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?；蚺菽^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(dāng)培養(yǎng)基中含有固體顆粒或培養(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(biāo)。</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(yán)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(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：

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(xué)品手冊，有機卷（上）[M].北京：化學(xué)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

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