工业微生物 第10章 微生物在化工能源方面的应用

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1、工业微生物第十章微生物在化工能源方面的应用第一节微生物发酵生产有机酸一、柠檬酸的生产柠檬酸(Citricacid)分子式为C6H807，又名枸橼酸，外观为白色颗粒或白色结晶粉末，无臭，具有令人愉快的强烈的酸味，相对密度为1.6550。柠檬酸易溶于水和酒精，不溶于醚、酯、氯仿等有机溶剂。柠檬酸是生物体主要代谢产物之一。早期的柠檬酸生产是以柠檬、柑桔等天然果实为原料加工而成的。1784年，瑞典化学家Scheel最早从柠檬汁中提取出柠檬酸。Wehmer于1891年和1897年先后发现橘青霉和淡黄青霉及梨形毛霉有柠檬

2、酸生产能力。1913年，Zahorski利用黑曲霉生产柠檬酸。1917年，Currie通过深入研究，奠定了黑曲霉发酵法生产柠檬酸的科学基础，此后在很多国家用该菌表面培养法大规模生产柠檬酸。1952年，美国Miles公司首先用深层发酵法大规模生产柠檬酸。第一节微生物发酵生产有机酸（一）柠檬酸产生菌柠檬酸发酵是好气性发酵。通过采用不同碳源和不同发酵方式(固态或液态)，来选育柠檬酸产生菌。很多微生物都能产生柠檬酸，如黑曲霉、温氏曲霉、淡黄青霉、鲁氏橘霉等。酵母菌和细菌发酵生产柠檬酸的研究始于60年代。工业上有价值的

3、是酵母菌的正烷烃发酵，用于正烷烃(C9~20)发酵生产柠檬酸的优良菌种是解脂假丝酵母、热带假丝酵母等各种假丝酵母。目前生产上常用产酸能力强的黑曲霉作为生产菌。在固体培养基上，菌落由白色逐渐变至棕色。孢子区域为黑色，菌落呈绒毛状，边缘不整齐。菌丝有隔膜和分枝，是多细胞的菌丝体，无色或有色，有足细胞，顶囊生成一层或两层小梗，小梗顶端产生一串串分生孢子。第一节微生物发酵生产有机酸（二）柠檬酸发酵机理关于柠檬酸发酵的机制虽有多种理论，但目前大多数学者认为它与三羧酸循环有密切的关系。糖经糖酵解途径(EMP途径)，形成丙

4、酮酸，丙酮酸羧化形成C4化合物，丙酮酸脱羧形成C2化合物，两者缩合形成柠檬酸。（三）柠檬酸发酵工艺工业上发酵生产柠檬酸的方法有三种：表面发酵、固态发酵和液态深层发酵。前两种方法是利用气相中的氧，后者利用溶解氧。目前用的最多的方法是液态深层发酵。第一节微生物发酵生产有机酸液态深层发酵工艺自美国Miles公司首先在工业上使用以来，就在柠檬酸工业中占主导地位。优点是发酵体系为均一的液体，传热传质良好；设备占地小，规模大；发酵速度快，时间短；产酸高，原料消耗低等。国内液体发酵罐一般为50～80m3，可发酵蔗糖、淀粉水

5、解糖、糖蜜、薯干粉及精淀粉，工艺流程见图10-1。第一节微生物发酵生产有机酸第一节微生物发酵生产有机酸二、苹果酸的生产L-苹果酸广泛存在于生物体中，是生物体三羧酸循环的成员。许多微生物都能产生苹果酸，但能在培养液中积累苹果酸并适合于工业生产的，目前仅限于少数几种，大致有：用于一步发酵法的黄曲霉、米曲霉、寄生曲霉；用于两步发酵法的华根霉、无根根霉、短乳杆菌；用于酶转化法的短乳杆菌、大肠杆菌、产氨短杆菌、黄色短杆菌。第一节微生物发酵生产有机酸（一）一步发酵法以糖类为发酵原料，用霉菌直接发酵生产L-苹果酸的方法称为

6、一步发酵法。1．菌种一步发酵法采用黄曲霉A-114生产苹果酸。2.种子培养基组成(%)C6H12O63，豆饼粉1，FeSO40.05，K2HPO40.02，NaCl0.001，MgSO40.01，CaCO36(单独灭菌)。第一节微生物发酵生产有机酸3.种子培养将保存在麦芽汁琼脂斜面上的黄曲霉孢子用无菌水洗下并移接到装有100mL种子培养基的500mL三角瓶中，在33℃下静置培养2～4d，待长出大量孢子后，将其转入到种子罐扩大培养，接种量为5%。种子罐的培养基与三角瓶培养基的组成相同，只是另外添加0.4%(体积

7、分数)泡敌。种子罐的装液量为70%，罐压0.1MPa，培养温度33～34℃，通风量0.15～0.3m3/m3·min，培养时间18～20h。第一节微生物发酵生产有机酸4.发酵培养基组成C6H12O67%～8%，其余成分的组成及用量与种子罐培养基相同。5.发酵发酵罐的装液量为70%，接种量10%，罐压0.1MPa，培养温度33～34℃，通风量0.7m3/（m3.min），搅拌转速180r/min，发酵时间40h左右。发酵过程中由自动系统控制滴加泡敌，防止泡沫产生过多。当残糖在1%以下时，终止发酵，产苹果酸7%。

8、第一节微生物发酵生产有机酸（二）两步发酵法两步发酵法是以糖类为原料，先由根霉菌发酵生成富马酸(延胡索酸)和苹果酸的混合物，然后接入酵母或细菌，将混合物中的富马酸转化为苹果酸。前一步称富马酸发酵，后一步称转换发酵。当华根霉6508发酵4～5天后，培养基中再接入10%膜睽毕赤酵母3130培养5天，苹果酸对糖的产率可达62.5%。第一节微生物发酵生产有机酸（三）酶转化法酶转化法是国外用来生产L-苹果酸的主