【正文】 優(yōu)點：設(shè)備小，便于連續(xù)操作，原料利用率高，轉(zhuǎn)化率高，蛋白質(zhì)凝聚好。異淀粉酶或普魯藍酶與 β淀粉酶合并水解，能使支叉開裂，使 β淀粉酶繼續(xù)水解，大大提高麥芽糖的產(chǎn)率。 NH2 己糖 糖醛 ↓ 聚合 戊糖 → 羥甲基糖醛 ─→──→ 氨基糖 其他醛酮類 縮合 中間產(chǎn)物 二、淀粉的液化（糊化） 1，淀粉液化的方法 （ 1）按水解動力的不同分為： 酸法、酶法、酸酶法、機械液化法 （ 2）按工藝的不同分為： 間歇式、半連續(xù)式、連續(xù)式 （ 3）按 設(shè)備的不同分為： 管式、罐式、噴射式 （ 4）按 加酶方式的不同分為： 一次加酶、兩次加酶、三次加酶 （ 5）按 原料的精粗不同分為： 淀粉質(zhì)原料直接液化、精制淀粉液化 2，酶法液化 （ 1）酶解法液化、糖化淀粉常用的酶 α 淀粉酶 ：其作用是將淀粉迅速水解為糊精及少量麥芽糖，對淀粉的作用，可將長鏈從內(nèi)部分裂成若干短鏈的糊精，所 以也稱內(nèi)切淀粉酶。葡萄糖在 pH2～ 4 內(nèi)穩(wěn)定性最佳。 （ 2）水 熱處理的目的 淀粉原料經(jīng)過水熱處理，使淀粉從細胞中游離出來，并轉(zhuǎn)化為溶解狀態(tài)，以便淀粉酶系統(tǒng)進行糖化作用，這就是原料水 熱處理的主要目的 。 一般說來，水份含量高，蛋白少的植物，顆粒較大，形狀較 整齊，大多為圓形或卵形，如馬鈴薯、甘薯的淀粉。 如果用上述公式計算空氣管的管徑，則： – 空氣管中的氣流速度取 6~14m/s； – 壓縮空氣管路系統(tǒng)取 6~10m/s； – 低壓或負壓空氣管路取 10~14m/s。對物料不超過 880kg/m3 和顆粒體積不大于 時，表中的氣流速度是可用的。 工藝流程圖和設(shè)備流程圖 在確定好工藝流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合工廠實際情況、車間廠房的高低和與其它工序配合的情況，畫出工藝流程圖和設(shè)備流程圖。 （ 6）氣流輸送系統(tǒng)的組成設(shè)備 ① 進料裝置 吸嘴 ：包括 單管形吸嘴、帶二次空氣進口的單管形吸嘴、喇叭形雙簡吸嘴、固定式吸嘴 旋轉(zhuǎn)加料器 ： 旋轉(zhuǎn)加料器在真空輸送系統(tǒng)中可用作卸料器，在壓力輸送系統(tǒng)中可用作加料路。真空輸送設(shè)備出口裝有分離器和能封閉空氣的卸料器。這時的氣流速度又稱氣流的輸送速度。 （ 1）優(yōu)點 ? 設(shè)備簡單 ? 占地面積小 ? 費用少 ? 連續(xù)化自動化改善了勞動條件 ? 輸送能力和距離有較大的變動范圍 ? 在氣流輸送的同時，還可對物料進行加熱、冷卻、干燥等操作 （ 2）原理 氣流輸送方法，是借助氣流的動能，使管道中的物輯被懸浮輸送。 （ 2） 輥式粉碎機（麥芽、大米） 兩輥式粉碎機結(jié)構(gòu)示意圖 輥式粉碎機的計算 生產(chǎn)能力的計算 Q=60πD1nbLρφ （ kg/h） D1：扎輥直徑（ m） n：輥子轉(zhuǎn)速（ r/min） b：兩輥間距（ m） L：扎輥長度（ m） ρ：被粉碎物料的視密度（容重， kg/m3） φ：松散系數(shù)，麥芽可取 ~ – 根據(jù)生產(chǎn)實踐，扎輥長度為 100mm 的雙輥粉碎機每小時可粉碎麥芽 150~200kg，四輥式可達 200~300kg 功率估算：輥式粉碎機的功率可按下列經(jīng)驗公式估算 根據(jù)生產(chǎn)實踐，一般每小時粉碎 1000kg 的生產(chǎn)量功率消耗約為 2kW。同時在旋風分離器的內(nèi)部淋以水膜，將細顆粒的粉塵吸收。 （ 1） 干粉碎 粗碎 ：原料過磅稱重后，進入輸送帶，電磁除鐵后進行粗碎。 對于一些帶殼的原料，如高粱、大麥，在粉碎前，則要求先把皮殼破碎，除去皮殼后在形粉碎。 （ 7）前體和代謝調(diào)節(jié)劑 （ 8）消沫劑 OHqCOpnPAAeSOHdOcNHbOHCa 222222422223261262 ??????? 卞青霉素 OHCOSNOHCOHCSOHONHOHC 222418182884222136126610 922 ??????? 第二節(jié) 原料處理 一、預處理的必要性 1，發(fā)酵工廠在進行生產(chǎn)前，必須先將原料中混雜的小鐵釘、雜草、泥快和石頭等雜質(zhì)除去，保證后續(xù)工序生產(chǎn)的正常和順利進行。 （ 3） 氮源 （ 4） 無機鹽 （ 5） 維生素 （ 6） 緩沖劑 控制 pH 時對獲得最佳生產(chǎn)能力是十分重要的。但由于對生物合成的知識的限制而難以作出精密的分析。 （ 3）有些微 生物無力的合成特定營養(yǎng)物，如氨基酸、維生素或核苷酸。 2，培養(yǎng)基設(shè)計的基本原則 培養(yǎng)基的組成必需 滿足 細胞的生長和代謝產(chǎn)物所需的元素，并能 提供 生物合成和細胞維持活力所需要的能量。有些原料所含蛋白質(zhì)有時不能滿足微生物生長和繁殖的要求，則應(yīng)從外界加入氮源。 3， 野生植物 橡子仁、葛根、土茯苓、蕨根、石蒜、金剛頭、香符子等。另外，利用石油原料化學合成制造酒精，也是發(fā)展酒精的主要途徑。 （ 2）要求原料內(nèi)碳水化合物含量較多，蛋白質(zhì)含量要適當，適合與微生物的需要和吸收利用。 紫色細菌在生物合成中需要 NAD(P)H。把這類光合作用稱為放氧型光合作用。以上固定 CO2 的途徑可歸納如圖 6— l0。從理論上來講，利用 1 分子草酰乙酸就可以不斷地推動 TCA 環(huán)的運行 (因為草酰乙酸可通 過 TCA 環(huán)再生 )。大量的能量消耗在由 3磷酸甘油酸被還原成 3磷酸甘油醛的還原階段，共計消耗 12 分子 ATP 和 12 分子 NADPH2，在還原階段所生成的 12 分子 3磷酸甘油醛中，有 2分子被用以縮合成 1 分子葡萄糖，其余 10 分子 3磷酸甘油醛與參與 CO2受體分子再生的復雜反應(yīng)系列，最終又組建成 6 分子的 1， 5二磷酸核酮糖，在這個復雜的反應(yīng)系列中，除最后一步反應(yīng)，由 5磷酸核酮糖生成 1， 5二磷酸核酮糖，需要 ATP 外 (共需要 6 分子 ATP)，其它反應(yīng)都不需要外加能量。后者經(jīng)磷酸酯酶催化，水解掉 Cl 位上的磷酸基團，而生成 7磷酸景天庚酮糖，這是一個不可 逆反應(yīng)，保證卡爾文環(huán)沿合成方向進行。應(yīng)該指出，磷酸甘油醛脫氫酶是糖酵解 (BMP)途徑和二磷酸核酮糖環(huán)中所共有的酶。 （ 5）暗發(fā)酵制氫 厭氧細菌利用有機底物進行暗發(fā)酵產(chǎn)生氫氣；溫度范圍 2580℃ ，或超高溫 80 ℃ ① 當乙酸為終產(chǎn)物時： C6H12O6 + 2H2O→ 2CH3COOH + 4H2 + 2CO2 ② 當丁酸為終產(chǎn)物時： C6H12O6 + 2H2O→ CH3CH2CH2COOH + 2H2 + 2CO2 當 H CO2 分壓增加，產(chǎn)氫速率明顯降低，合成更多與產(chǎn)氫競爭的底物 二、 CO2 的微生物代謝 Calvin 循環(huán)的三個階段 自養(yǎng)微生物，包括光能自養(yǎng)和化能自養(yǎng)，固定 CO2的途徑有以下三條。 2，合成代謝 （ 1）直接光解技術(shù)（綠藻） 在厭氧條件下，綠藻既可以利用氫作為電子供體用于二氧化碳的固定或釋放氫氣 由于氧對氫酶的嚴重抑制，必須將光合放氧和光合放氫在時間上或空間上分開，可以通過部分抑制 PSII 光化學活性來實現(xiàn)：元素調(diào)控，如：硫、磷。 當氫細菌以無機化能營養(yǎng)方式生長時， H2 的存在能阻抑菌體對有機物 (如對果糖 )的利用，這種現(xiàn)象稱為氫效應(yīng)。它的主要功能是為菌體生長提供固定 CO2 的還原力。 （ 1）顆粒狀氫化酶 (particulate hydrogenase) 如真養(yǎng)產(chǎn)堿菌 (A． eutrophus)的顆粒狀氫化酶是由兩個亞基組成的，一個亞基分子量為37000，另一個亞基分子量為 37000，二者之比為 1： 1。如果有環(huán)已烷同時存在，則環(huán)己烷披共氧化為環(huán)已醇，然后環(huán)已醉被混合培養(yǎng)物中的另一種微生物所降解。進一步分解則得琥珀酸、乙酰輔酶A 和丙酮酸、乙醛，再由 TCA環(huán)完全氧化或進入其他生物合成途徑。 苯轉(zhuǎn)化成鄰苯二酚：苯的氧化首先是生成二羥基已二烯，再轉(zhuǎn)化為鄰苯二酚，其過程見下圖。例如氯霉素在天然培養(yǎng)基中是菌體繁殖期合成，而在合成培養(yǎng)基中，它的合成與生長平行。例如三羧酸循環(huán)可以調(diào)節(jié)四環(huán)素的合成。如新生霉素的幾個組分， 4甲氧基 5’， 5’ 二甲基 L來蘇糖 (noviose)、香豆素和對經(jīng)基苯甲酸等形成后，再經(jīng)裝配成新生霉素，圖示如下。多肽類抗生素由合成酶催化，由氨基酸生成多肽鏈。 色素：不少微生物在代謝過程中產(chǎn)生各種有色的產(chǎn)物。例如赤霉菌 (Gibberella fujikuroi)產(chǎn)生的赤霉素。 （ C）由三個以上氨基酸縮合而成的次級產(chǎn)物，氨基酸之間多以肽鍵結(jié)合成直鏈狀，例如鐮刀菌 (Fusarium)產(chǎn)生的恩鐮孢菌素 (enniatine)。 （ 4）與 TCA 環(huán)有關(guān)的類型 與 TCA 環(huán)相連的次級代謝產(chǎn)物也可以分為兩類： 一類是從 TCA 環(huán)得 到的中間產(chǎn)物進一步合成次級產(chǎn)物，例如由 a— 酮戊二酸還原生成戊烯酸，由烏頭酸脫羧生成衣康酸。這種次級物質(zhì)多在高等植物中存在。有的研究者按照次級代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生菌不同來區(qū)分；有的根據(jù)次級代謝產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)或作用來區(qū)分；有的則根據(jù)次級代謝產(chǎn)物合成途徑來區(qū)分。 一、 次級代謝的概念及類型 （一）次級代謝的概念 次級代謝的概念是 1958 年由植物學家 Rohland 首先提出來的。本節(jié)將概述次級代謝的概念及其類型。這一過程的產(chǎn)物即為次級代謝產(chǎn)物。 （ C）由磷酸戊糖合成的次級代謝物質(zhì)較多。例如四環(huán)素抗生素類 。 （ B）由二個氨基酸形成的曲霉酸、支霉粘毒 (gliotoxin)。 抗生素：這是微生物所產(chǎn)生的，具有特異抗菌作用的一類次級產(chǎn)物。放線菌，真 菌也產(chǎn)生毒素。 第一步，前體聚合。 RH+O2+NADPH2→ ROH+H2O 十 NADP 次級代謝中的氯化反應(yīng)，可以看作是特征性的反應(yīng)，在氯過氧化物酶催化下進行。纈氨酸、半胱氨酸是合成青霉素，頭孢霉素的前體。因此，此類微生物的生長和次級代謝過程可以區(qū)分為兩個階段，即菌體生長階段和代謝產(chǎn)物合成階段。若在菌體生長階段接近終了或終了后立即加入蛋白質(zhì)、核酸抑制劑，這些酶便不能合成，次級代謝過程將不能進行。這是 1971 年 Reiner 等才弄清其確切的反應(yīng)順序。目前已知一種微生物能以環(huán)己烷作為唯一的碳源和能源而生長。 在有分子氫和氧的條件下，氫細菌在生長過程中實際上包括兩個過程：①分子氫氧化成水，放出能量；②分子氫還原 CO2 成為細胞物質(zhì)，總的結(jié)果是以 6： 2： l 的比例消耗 H2，O2 和 CO2，其反應(yīng)如下： 四分子氫 氧化成水所放出的能量可產(chǎn)生一分子 ATP，用于還原 CO2 構(gòu)成細胞物質(zhì)和維持細菌的生長。 可溶性氫化酶催化氫的氧化，能直接還原 NAD+，還能還原 Cytb、 Cytc 等，它不與氧、NAD+和甲烯藍起反應(yīng)，它受 ADP 相 ATP 相對濃 度的控制，當 ADP 缺少， ATP 過量時，酶的活性受抑制。在氧限量時， CoQ 明顯減少，當氧過量時， VK2 含量極微。由于果糖分解脫下的氫不能交給 NAD(P)+(因消耗于環(huán)境中氫的還原 )故在這種情況下不能利用果糖等有機物。 （ 4）光合異養(yǎng)微生物水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)產(chǎn)生氫氣 一些光合異養(yǎng)微生物在暗條件下能夠利用 CO 做為 單一碳源，產(chǎn)生 ATP 的同時釋放出H CO2 CO(g) + H2O(l) → CO2(g) + H2(g) ① Rubrivivax gelatinosus CBS 不僅可以 在暗條件下進行 CO水 氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，而且能利用光能固定 CO2 將 CO 同化為細胞質(zhì)；即使在有其 他有機底物的情況下，其也能夠很好利用CO ② Rubrivivax gelatinosus CBS 能夠 100%轉(zhuǎn) 換氣態(tài)的 CO 成 H2。 3P甘油酸是 CO2固定過程中的第一個穩(wěn)定中間產(chǎn)物。另一部分則轉(zhuǎn)化 (異構(gòu) )為磷酸二羥丙酮，后者再與另一分子 3磷酸甘油醛縮合成 l， 6二磷酸果糖，并經(jīng)水解脫磷酸生成 6磷酸果糖。由于這些酶存在，保證卡爾文能沿合成方向運行。 另外還有還原的三羧酸環(huán)和還原的單羧酸環(huán)兩條途徑，感興趣的同學可參閱相關(guān)參考書。 6，異檸檬酸脫氫酶：它催化 α酮戊二酸還原羧化成異檸檬酸，需要 NAD(P)H2。這種固定 CO2方式的特點是 CO2 被固定在某種有機物 (主 要是有機酸 )中，結(jié)果是加長了碳鏈，使來自 CO2的碳原子也可用于某些物質(zhì)的生物合成。 紫色細菌的光能轉(zhuǎn)化 紫色細菌的光能電子傳遞見下圖。 第四章 培養(yǎng)基及其制備 第一節(jié) 原料 一 、 原料的 定義及選擇 （一）原料的定義 從工藝角度來看，凡是能被生物細胞利用并轉(zhuǎn)化成所需的代謝產(chǎn)物或菌體的物料，都可作為發(fā)酵工業(yè)生產(chǎn)的原料。 （ 5）對人民的身體無尋損害，影響發(fā)酵過程的雜質(zhì)含量因應(yīng)當極少，或者幾乎不含。 （ 3）培養(yǎng)基的組成，除了考慮到菌體生長和產(chǎn)物的形成的需要外，還要考慮到培養(yǎng)基的 pH 變化、泡沫的形成、氧化還原電位和微生物的形態(tài)等，而且還有前體和代謝抑制劑的需要。纖維素雖屬于碳水化合物，但不被淀粉水解，只起填充作用，對于發(fā)酵沒有什么直接影響。 三、工業(yè)發(fā)酵培養(yǎng)基的設(shè)計 1，為何要進行培養(yǎng)基的設(shè)計？ 完善的培養(yǎng)基設(shè)計是實