发酵产品及其发酵过程

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发酵产品及其发酵过程我国的发酵工业(也称工业生物技术产业),或者与发酵工业有等同意义的生物化工分属于轻工、医药、农业、化工、能源、环保等行业或部门。轻工行业下的发酵工业可分为以下几大部分:酿酒(白酒、黄酒、葡萄酒、啤酒)、淀粉糖、酵母、酶制剂、有机酸、氨基酸、乙醇和生物材料。发酵工业还涉及大量的医药生物产品(如抗生素等)、农用生物制品及化工产品的生产。除提供大量发酵产品以外,发酵工业还在环境保护等领域为社会做出贡献。我国现代发酵工业经历了几十年的发展,已成为发酵产品品种较为齐全、产业规模宏大的一个大型产业链。涉及生物技术的工业产值达4500亿元以上。酿酒产业是发酵行业中最大的产业,发展速度最快的是啤酒。啤酒产量从20世纪80年代开始大规模扩张,近年来年产量连续多年居世界第一,2011年全世界主要啤酒生产国的年产量为2亿千升,而我国年产量在4898.8万千升。淀粉糖的生产在许多发酵工厂是原料预处理的组成部分,现在已独立大规模生产。目前主要通过酶解法对玉米、小麦、木薯等进行深加工,生产系列淀粉糖(葡萄糖、果葡糖浆、啤酒专用糖浆、麦芽糖及衍生品山梨醇、麦芽糖醇等)。全球淀粉糖年产量2000万左右，其中产量最大的是果葡糖浆,其次是葡萄糖。美国是全球最大的淀粉糖生产国及消费国。我国淀粉糖的生产企业主要集中在山东省(鲁洲集团、西王集团有限公司、保龄宝公司等)。酵母产业在我国是新兴产业。2011年全国酵母总产量超过20万t。其主要产品有活性酵母(面包发酵剂及酿酒用酵母)和非活性酵母(调味品配料)。酶制剂行业年生产能力超过40万t,已实现工业化生产的酶制剂品种有20多种,主要是糖化酶、a-淀粉酶、蛋白酶3大类。此外还有果胶酶、B-葡聚糖酶、纤维素酶、青霉素酰化酶、碱性脂肪酶、木聚糖酶、a-乙酰乳酸脱氢酶、植酸酶等。当前的发展重点是饲料用酶、纺织工业用酶及生物能源产业用酶(含纤维素酶、木聚糖酶、果胶酶、植酸酶、酸性蛋白酶等）的生产。有机酸产业中产量较大的主要是柠檬酸、乳酸和衣康酸。其中柠檬酸的生产规模最大,全球年产量约140万t,其中70%用于饮料。我国是世界上柠檬酸产量最大的国家。乳酸是第二大有机酸产品,用于食品工业。近年来利用淀粉质原料发酵法生产聚乳酸(PLA),这是一种可生物降解的高分子材料,在自然条件下可被微生物彻底分解成二氧化碳和水,对环境没危害,可替代石油基产品。今后其市场潜力非常大。现在除蛋氨酸和甘氨酸外,其他氨基酸基本上都可以采用微生物发酵法生产。谷氨酸和赖氨酸是产量最大的两种氨基酸。全世界谷氨酸年产量超过200万t,主要用于调味品谷氨酸钠。赖氨酸年产量近100万t,主要用于饲料添加剂,以促进动物的生长发育。此外,苏氨酸作为饲料用氨基酸近年的发展也非常快。目前在氨基酸新品种及新工艺方面取得了长足的进步。例如,发酵法生产谷氨酰胺、L-丝氨酸、精氨酸、D-色氨酸都取得了重大进展。

1利用L-氨基酸转化为D-氨基酸也是当前氨基酸行业的新的增长点。但与日本等先进国家相比,我国的氨基酸行业产品主要是谷氨酸,价格较高的氨基酸品种偏少,主要的生产指标如产酸率、糖酸转化率、提取率等明显较低,高附加值的医药级产品较少,生产成本较高。燃料乙醇是可再生能源,由于石油、天然气和煤的逐渐枯竭,燃料乙醇成为全世界关注的热点之一。美国和巴西是世界上最大的乙醇生产和消费国,美国以玉米为原料,巴西则主要以甘蔗为原料。目前全世界乙醇每年的产能约3000万t。我国也形成了年产600万t的生产能力。但目前我国的乙醇主要用于白酒、医药及化工等行业。我国乙醇的生产原料主要是木薯、玉米和地瓜干。但我国人多地少,发展燃料乙醇虽然列为国家能源战略的一部分,但关键是发展新型的绿色生物能源,以“绿金”代替“黑金”,缓解能源短缺压力。例如,以秸秆为原料或以甜高粱为原料生产乙醇。我国在酱油、食醋等传统发酵产品方面也向来走在世界的前列。酱油年产量600多万1占全世界产量的一半左右。二、发酵过程的主要单元操作在发酵工厂,可以看到整齐的车间和厂房,由各种设备组成的生产流水线等硬件设施和设备,甚至还可看到具体的生产操作。从事发酵工程的专业人员掌握扎实的发酵工程专业理论知识,能够在更高层次上对发酵生产进行整体或局部的构思,能制订合理的发酵生产工艺条件,制订切实可行的生产操作规则,能进行有效的生产管理,并能应对生产中的各种突发事件。发酵工厂以追求高产率、高效益为目的。而要达到这个目的,必须在微生物菌种、生产原料、生产工艺等环节上提高水平。发酵工厂生产的各个环节组成一套复杂的系统工程,它们相互影响。为了达到整体的高产率和高效益,各个环节之间的协调性也是非常重要的。1、微生物及种子培养微生物菌种是高效率发酵的根本所在,用于大规模工业化生产的微生物菌种,必须是目的产物的高产菌株。人们通过微生物的筛选、基因克隆及基因改造,获得高产菌种。为了避免菌种退化,要通过育种、复壮等技术保持菌种的优势性能。因此,熟练掌握微生物基因工程理论、技术及其代谢理论是非常重要的。通过菌种的逐级扩大培养,在短期内获得足够数量的微生物,供给发酵罐使用。从种子罐利用压力差将种子液压到发酵罐。接种后则进行发酵阶段的控制。种子培养阶段需要重点关注的是微生物的生长速率、比生长速率、死亡速率等。在培养液中微生物的生长遵守自身繁殖的有关规律,同时也与培养基组成及培养环境有关。但即使有了高产菌株,也必须在原料预处理、菌种扩大培养、发酵、提炼等环节进行工艺条件的优化,才能达到高产的目的。2、原料预处理

2原料预处理的任务是将生产原料经过适当的处理,使之成为微生物发酵培养基的组成部分。对于许多发酵产品来说,原料成本在总生产成本中所占比例很高。选择合适的原料及合适的预处理方法,并尽可能降低能源消耗,是发酵技术人员重点考虑的内容之一。原料预处理包括原料的输送、粉碎(制浆)、蒸煮、制糖、灭菌等工序。3、培养基的配制培养基是提供微生物生长、繁殖和生物合成各种代谢产物所需要的多种营养物质的混合物。培养基包括菌种扩大培养基和发酵培养基。培养基的成分和配比,对微生物的生长、发育、代谢及产物积累,甚至对发酵生产工艺都有很大的影响。培养基成分及配比的确定必须按照生产菌种的特性及发酵的要求(并兼顾产品的提炼要求)进行最优化设计。4、无菌操作除传统发酵外,大多数发酵是纯种发酵,即发酵必须在无杂菌状态下进行。因此,培养基、培养设备及管道都必须经过彻底灭菌,通入的空气或中途的补料也必须是无菌的。无菌操作还包括生产过程中不得将微生物排放在环境中去。尤其是对于含抗性基因的基因工程菌,在未经严格杀菌的情况下,更不得随意排放。灭菌是指用化学的或物理学的方法杀灭或除掉物料和设备中所有有生命的有机体的技术或工艺过程。通常利用饱和蒸汽对空罐、管道及培养基进行灭菌。灭菌方式根据操作方式分为间歇灭菌和连续灭菌;根据灭菌温度和压力分为常压蒸煮、高压高温蒸煮、高温瞬时蒸煮等。为节约能源,有的产品的发酵原料也可采用低温蒸煮或无蒸煮工艺。培养基灭菌的关键条件主要是温度和时间。例如,液态培养基一般是120℃(约0.1MPa表压)维持20~30min;而固态培养基的灭菌温度和时间则一般较高和较长。培养基灭菌时,对其营养成分会造成一定的损失,故在满足灭菌的要求下尽可能顾及营养成分不被破坏。通过本书的学习,要重点掌握蒸汽加热灭菌的原理、微生物的热死规律(对数残留定律)、营养成分的破坏规律、影响培养基灭菌的因素等内容。5、无菌空气制备在好氧发酵过程中,必须供给充足的无菌空气,同时进行搅拌。搅拌的作用是打碎空气气泡,并使物料混合、流动。不同菌种及不同发酵阶段的菌体的需氧量是不同的,发酵液的溶氧浓度(DO)直接影响微生物的酶的活性、代谢途径及产物产量。通风类型的发酵工厂,应具备无菌空气制备系统。空气除菌常采用介质过滤的方法,可用定期灭过菌的干燥介质来阻截流过的空气中所含的微生物,从而制得无菌空气。在不同的地区,由于温度和湿度的差别,空气质量的差别,应有针对性地选择无菌空气制备流程和相关的设备。要掌握过滤除菌的机制,影响过滤除菌效率的因素,并掌握过滤除菌方面的计算。

36、发酵控制及优化(1)物料衡算可根据物质不灭定律,用物料平衡的方法对发酵过程中的主要物质(菌体,发酵原料中的碳、氮源物质,空气用量,代谢中间产物,产物,副产物,ATP,甚至电子数)的变化进行计算。(2)热量衡算发酵时细胞在生长过程中异化代谢碳源等物质,这个过程会释放能量,部分能量存在于化合物中,部分能量以高能物质(如ATP)的形式储存,部分能量以热量的形式释放。部分化合物合成为新的化合物时需要消耗能量。但总体来说,大部分发酵是放热的过程。发酵过程为维持一定的温度,必须通过冷却的方式降温。在培养基加热灭菌等过程中,则需要外部提供能量。这都需要通过热量平衡计算有关热量及冷却剂的用量。热量平衡计算是从事发酵工程科技人员的基本功之一。(3)发酵动力学发酵过程是微生物在一定的时间及空间内利用培养基中的营养物质,进行自身的生长、繁殖,并合成产物的过程。发酵动力学以研究发酵过程的反应速率和环境因素对速率的影响为主要内容。通过发酵动力学的研究,可进一步了解微生物的生理特征、菌体生长和产物形成的合适条件及各种发酵参数之间的关系,为发酵过程的工艺控制、发酵罐的设计放大和用计算机对发酵过程进行控制创造条件。发酵动力学包括菌体生长动力学、基质消耗动力学和产物合成动力学。以菌体生长动力学为例,它是以研究菌体浓度、限制性基质(培养基中该物质浓度的高低会极大地影响菌体的生长,其他组分对于菌体生长都是过量的)浓度、抑制剂浓度、温度、溶解氧和pH等对菌体生长速率的影响为内容的。例如,在分批发酵中,菌体浓度X、产物浓度P和限制性基质浓度S均随时间变化而变化,但在连续发酵过程中,当营养基质的流加速度和消耗速度达到某种平衡时,菌体浓度X、产物浓度P和限制性基质浓度S则保持不变。连续培养过程中发酵液中基质的消耗速率虽然是一个可测定的参数,但基质的消耗与许多因素有关。研究发酵动力学,要熟悉地掌握比速率(菌体比生长速率、菌体比死亡速率、营养物质的比消耗速率、产物的比生成速率)及得率(以底物消耗为基准的菌体得率系数、以底物消耗为基准的产物得率系数等)等概念。因此,要重点关注发酵过程中菌体的生长、营养物质的消耗及产物的生成的内在规律,要掌握这三者之间是如何相互影响,又如何受到发酵环境条件的影响。用数学模型定量地表达发酵过程中各种与菌体生长、基质代谢、产物生成有关的因素,是发酵动力学研究的重要方法。(4)发酵过程的优化

4发酵过程优化是指在已经获得高产菌种或基因工程菌的基础上,在发酵罐中通过操作条件的控制或发酵装备的改型改造,实现目标代谢产物生产的高产量、高转化率与高生产强度。(5)发酵过程的检测和控制发酵过程的检测和控制内容主要是菌体量、培养基主要营养成分、主要的中间产物、产物、发酵温度、湿度、pH、罐压、溶解氧、进气流量、损拌转速、流加培养基速度、消泡、液位、杂菌。特殊的分析和控制还包括CO,、发酵液密度、葡萄糖、氨等。发酵工厂的许多检测项目已实现在线(或离线)检测,一些控制项目可实现人工和自动控制。采用计算机技术自动控制发酵在我国起步较晚,普及率较低。在部分发酵行业,以计算机为核心,测、管、控一体化的自动控制技术需求量很大。(6)杂菌污染的检测与控制防止菌种培养及发酵过程中杂菌及噬菌体污染,是发酵工厂极其重要的工作。这不仅直接影响到经济效益,还影响到环境保护。要系统地分析染菌的原因,并采取相应地防止污染的措施。(7)发酵与分离的耦合有的发酵产物对发酵会产生不利的影响,欲得到最大的生产效率,必须及时将有抑制作用的发酵产物分离,故形成了一系列发酵和分离的耦合技术,分离方法可采用离心、过滤、萃取、吸附等。7、产品的提取精制发酵结束后,通过产品提取和精制两个阶段制得最终产品。产品的提取一般是指将产品从发酵液中提取出来,所得到的半成品中还含有各种杂质;在产品精制(或称纯化)阶段,再将杂质逐步分离,得到高纯度的最终产品。有的发酵产品也无需经过提取、精制,但必须经过一定的后处理,如采用灭菌、烘干、粉碎。在化学工程中所学到的各项单元操作技术,不能生搬硬套于发酵产品的分离纯化。一定要根据发酵液的特性及产品的特性,并根据经济效益与环境效益的最佳化原则,设计好产品分离纯化工艺流程,并选择好合适的单元操作。例如,将发酵液中的菌体与发酵液分离,可选用的分离操作方法很多,如可采用选择絮凝沉淀、过滤、离心。但哪种方法最好,需要通过实验确定。8、发酵工厂生产技术指标衡量发酵工厂的生产性能的主要指标包括以下5个。（1）产物浓度(产品质量/单位体积)。

5（2）发酵体积产率(发酵强度)[产品质量/单位时间·单位体积):计算时不仅应把发酵所用的时间考虑进去,还应计人与生产相关的其他时间,即发酵罐的维修、清洗、准备所用的时间,灭菌时间,以及接种后的延滞期时间,这样才能全面、客观地评估出工艺过程的成本效益。