生物化工产品培训课程(PPT83张)

二.生产工艺
1.化学合成法 上世纪60年代已经工业化生产，但缺点较多， 如产物是D-,L-型的混合物（消旋肉碱），拆 分操作复杂，产品得率低，生产成本高。 近年来，以苹果酸为原料探索出一条无需拆 分无毒的合成L-肉碱的路径。
化学合成法新工艺
2.提取法
1905年，就开始从动物浸膏中提取，但成本 较高，提取工艺复杂，收率低。 1952年，Carter等用450克牛肉浸膏提取得到 0.6克纯品肉碱。 因此不具备工业化生产的优越性，已很少使 用。
2.德国的 H o e c h s t -Uh d e（HU） 法 发酵罐为空气提升内循环的气升式罐。 将磷酸、水、盐、微量元素灭菌后加入发酵 罐，甲醇单独加入。发酵过程中加氨水维持 pH7.0左右，发酵温度40℃。 发酵结束，经离心、干燥得产品。 产品主要供人食用，也作饲料添加剂。当菌 体蛋白中含核酸＜1%，就可供人食用，如 加入面包作强化剂。
3.日本的三棱瓦斯化学法（MGC） 原料经灭菌、过滤后加入发酵罐， 发酵罐内 设置多层多孔隔板，以空气搅拌进行氧的迁 移 发酵罐出来的培养液经离心机分离，清液返 回发酵罐。 离心后的物料经预处理、混合、粒化、干燥 ( 可用气体透平的废气进行菌体干燥)后得粒 状产品。
4.法国的IFP法

在动物体内肝、肾、脑的合成路径如下：
人体必需从膳食中获取一定量L-肉碱才能最佳 健康状态，其中动物性食品中含量最丰富。 蔬菜、谷类水果中基本不含或含极少量。
3.应用
食品添加剂（奶粉、运动饮料、减肥、抗衰老）
饲料添加剂（促进素食类、食草类动物生长）
治疗用药物（助消化、降血脂、治疗血管疾病、急性氨 中毒、昏迷、神经系统疾病）
钙盐沉淀法
两性离子交 换树脂法
产品 分离
离子交换树 脂法
碱性离子交 换树脂法
溶剂萃取法
钙盐沉淀法缺点
酸化时消耗大量硫酸，产生大量难以处理的
CaSO4废渣和废糖水; 发酵过程中常有其它有机酸产生，也能形成 钙盐沉淀，所以钙盐沉淀本身不能实现苹果 酸的分离，而须借助于离子交换进行精制; 此工艺提取收率低，一般只有7 0 %左右。
生物化工产品
甲醇蛋白 苹果酸 L-肉碱 肌苷酸
甲醇蛋白
一.产品介绍 甲醇蛋白（methanol SCP）是以甲醇为原料、 利用生物技术生产的单细胞蛋白。 SCP即是微生物蛋白或菌体蛋白，是微生物 在各种原料中生长而得到的含有丰富蛋白质 的微生物。 在SCP中，能够工业化大量生产的甲醇蛋白 被称为第二代单细胞蛋白。
赫斯特-伍德法
HU法的优点： 细长结构，加大毒气扩散强度 内循环获得一定流动模型， 对压力、加料量的变化 敏感性小 循环间隔时间与培养液生长的动力学一致，明显提 高效率 罐内无死角，供料均匀 无机械传动，混合和通风的能耗仅为搅拌式一半 ， 能量散失少 如增大罐顶横截面，环形区向下流动可将附在罐壁 的泡沫冲刷下来，可以解决发酵过程中难以控制的 泡沫问题
二.生产方法与分离工艺
1.英国ICI法 采用空气提升加压外循环式发酵罐，将灭菌 后的培养液及甲醇和含氮空气从底部加入， 空气搅拌发酵。 过程中产生的CO2和过剩空气顶部放出。 重度增大后的溶液顺发酵罐一边下流，在底 部冷却器完成热交换。 培养液和空气在另一边上升循环。
Tempreture：35-40℃

3.微生物发酵法
原理:微生物普遍具有产肉碱的能力，通过筛 选高产菌株利用微生物发酵L-肉碱，从发酵 液或菌体中直接提取。 微生物：放线菌、酵母、曲霉、青霉、根霉、 醋酸杆菌、芽孢杆菌、大肠杆菌、变形杆菌、 假单胞杆菌、毛霉 主要原料：葡萄糖、可溶性淀粉（大豆粉）、 无机盐等
二.生产工艺
提取法 化学法 苹 果 酸 生 产 工 艺 化学合成法 直接发酵法（一步合成法） 混合发酵法（二步合成法） 固定化酶或细胞转化法
微生物法
1.提取法
将石灰乳直接加入富含L-苹果酸的果汁中，
形成苹果酸钙盐，再用H2SO4溶解收集到的 钙盐，然后浓缩回收苹果酸。
局限性：
果汁中含量相对较少，原料来源有限，生产 成本很高，批量生产有困难。
虑， 使得绝大多数厂子处于关停状态
6.苹果酸的测定与分离
苹果酸定性：纸层析法；或者，在试管中加
入约 5ml 待测试溶液，加入 3 滴15%三氯化 钛溶液，几分钟内出现白色沉淀，表明有L苹果酸的存在。 苹果酸定量：紫外分光光度法（α-2,7-萘二酚 法）； 富马酸测定：高锰酸钾滴定法； 总酸的测定： 酸碱滴定法 。
苹果、樱桃、葡萄、柠檬等水果中含有丰富的 苹果酸，尤其是未成熟的苹果中含有0.5%左 右的有机酸，其中苹果酸占97.2%以上 ，苹 果酸因此而得名。

L-苹果酸无毒、酸度大、味道柔和、滞留时间长等 特点，成为继柠檬酸、 乳酸之后用量排第三位的食 品酸味剂。

苹果酸的其他应用有染料工业，化工方面可作牙膏 及烟草的调味剂、皮肤清洁剂、焊锡助焊剂、洗涤 剂、废气脱硫剂、锅炉水垢清洁剂、空气清洁剂、 除臭剂和除锈剂，还可作为饲料添加剂。
混合培养发酵苹果酸进程
FU：富马酸
LMA：L-苹果酸
RG：残糖
优势：
L-苹果酸的转化率高 缺点： 培养条件要求比较严格 发酵周期较长 产酸率对较低 副产物较多
5.固定化酶或细胞转化法
利用具有高活性富马酸酶的微生物细胞或富
马酸酶，采用固定化酶或细胞反应器，将富 马酸转化成L-苹果酸 微生物：短杆菌、产氨短杆菌、黄气短杆菌、 解脂假丝酵母及温特曲霉等 载体：藻酸钙凝胶、角叉菜胶及聚丙烯酰胺 凝胶等
我国人多地少，动、植物蛋白缺乏，开发生
产甲醇蛋白对缓解蛋白资源紧缺、促进畜牧 业发展意义重大。 国内从20世纪70年代开始投人大量的人力物 力对甲醇蛋白生产和应用进行了广泛的研究 和工作， 如中国科学院微生物研究所，等并 取得了一定进展，如北京市营养研究所已掌 握了生产甲醇蛋白的生产技术。 但目前我国还没有工业化装置,近几年随着蛋 白质饲料的日益短缺和甲醇产量的增长，国 内很多企业经过各方面论证，纷纷准备新建 大型甲醇蛋白生产装置。
生产过程
一是固定化细胞的制备：将产酶菌株培养成
熟后，收集菌体细胞，包埋菌体，制备固定 化酶或细胞。 二是L-苹果酸制备：先将富马酸和CaCO3 反 应转化成为富马酸钙，再经转化柱作用生成 苹果酸钙,经提取得L-苹果酸。
局限性
固定化酶的转化率低、半衰期短
国产富马酸质量不稳定，生产成本相对较高 L-苹果酸中残留的富马酸分离去除有困难 需要考虑细胞透性 以化工产品富马酸为原料，人们食用存有疑
非糖质原料如正构烷烃生成L-苹果酸的方法。 常用菌：黄曲霉 、米曲霉 、寄生曲霉、根霉、 顶青霉、出芽短梗霉 原理：微生物三羧酸循环中苹果酸到草酰乙 酸这一步的苹果酸脱氢酶缺失或处于低水平 使得苹果酸得以积累。
直接发酵法发酵流程
优势：
原料来源十分丰富，生产成本低； 潜力大、 产品安全性高； 发酵工艺条件温和； 产品为L-型。 缺点： L-苹果酸产生菌常常在产生L-苹果酸同时， 也产生许多杂酸，如柠檬酸、富马酸、琥珀 酸等，仍需进一步选育优良的苹果酸产生菌。
室温下将发酵液通过装填有离子交换树脂的
色谱柱，使其中的苹果酸被吸附，发酵废水 回发酵罐循环发酵，然后用热水洗脱吸附于 树脂上的苹果酸，如此反复使用。 优势: 生产收率提高，生产成本降低，几乎可完全 消除生产中的三废。
三.国内外研究进展
目前，世界上只有美国和日本采用生物技术生产该 产品。日本自二十世纪70年代开始小批量生产，发 展不快，产量至今不大，但日本扶桑公司开发的苹 果酸制剂已应用于海带养殖业 。 目前国内外正在积极研究及已经中试或批量生产的 方法主要是转化法和一步发酵法，又以一步发酵法 生产苹果酸的工艺最经济、最有发展前途。 全球整体来说，L-苹果酸还没有大规模生产，但随 着市场需求日益增加，发展潜力巨大。
苹果酸
一.产品介绍
苹果酸又名羟基琥珀酸，羟基丁二酸或1-羟
基乙烷二羧酸。英文名Malic Acid.白色结晶 颗粒或结晶粉末。
苹果酸含有一个不对称碳原子，有两个对映
体：L-苹果酸呈左旋，以S符号表示；D-苹果 酸呈右旋，以R符号表示。
易溶于水，是一种酸性很强的有机酸，自然
界存在的苹果酸均为L-苹果酸，它是三羧酸 循环的重要成员。
5.瑞典的Norprotein法
原料：甲醇、营养盐、氨、空气、水
原料
发酵 絮凝 过滤 干燥
发酵罐
产品
发酵罐排出气体的能量通过透平得到回收，与 热空气混合后用于产品干燥。
三.国内外研究进展

甲醇蛋白是高营养、无毒的优质饲料蛋白添 加剂，世界许多国家都在积极研究、改进其 生产工艺，并已建成工业化生产装置。
溶剂萃取法
将发酵液中的有机酸用萃取剂三烷基氧化膦
(TRPO)将其全部萃入有机相。
在反萃过程中，利用反萃分配比之间的差异，
使苹果酸与杂酸相分离 。
溶剂萃取法缺点
萃取剂在食品级苹果酸生产产品中的残留毒
害; 苹果酸萃取过程的乳化及污染; 连续化生产时萃取剂难以循环使用。
离子交换树脂法
2.化学合成法
在催化剂存在下，苯氧化生成富马酸或马来
酸，然后加压与水蒸汽共热形成L-,D-苹果酸， 也可以糠醛为原料，经双氧水处理，在超声 波作用下转变而成。 局限性： 生产工艺比较复杂，工艺条件要求高，分离 精制技术难度大，加之原料为化工产品。
3.直接发酵法
定义：一种采用微生物直接发酵糖质原料或
能迅速供给发酵所需的大量氧气 能长期稳定运转 有较大容积 传热良好 上游操作须在无菌条件下
I C I 法甲醇蛋白工艺特点
氧气传递速度快
搅拌效率高 培养基循环良好 内部无活动部件，不易被污染 冷却迅速，易控制温度 能迅速除去CO2，单位产品耗电少 固体的分离、干燥、浓缩方方便
pH：6.5-7.5
Time：30h 通过连续抽出培养液维持菌体浓度稳定，发 酵结束调节发酵罐底部pH值，使菌体凝聚、 絮凝。 离心、闪蒸脱水、干燥等获得粗产品。 粒状用作家畜、家禽、鱼等的饲料蛋白，粉 状用作代奶粉。
ICI法甲醇蛋白生产流程图
对发酵罐的要求
保证空气和能量利用良好
4.混合发酵法
采用两种不同功能的微生物,其中之一先将糖
质或其他原料转化生成富马酸，另一种微生 物将富马酸转化成L-苹果酸，两种微生物可 先后加入，也可同时加入。 常用菌先用少根根霉或华根霉把糖质原料转 化成富马酸，然后利用膜醭毕赤酵母普通变 形杆菌及宛氏拟青霉之一，把富马酸转化成 苹果酸的研究。
培养基液体经喷管系统吸入需要的空气量，
然后进入一段 ( 或两段)发酵罐; 发酵罐出来的物料经离心分离、过滤、干燥 后得到产品。 该发酵罐有一特殊的双相泵使罐中心所有物 高速循环，并由回路中的换热器移走热量， 然将有活性的液体返回罐中。
IFP升气式发酵罐
优点
①适宜于酵母产生凝絮作用;
②系统内有不同相的混合，可迅速除去由通风 和生产过程所产生的热量。
营养价值高，粗蛋白含量在70%以上，含有
丰富的氨基酸如赖氨酸、蛋氨酸、胱氨酸， 矿物质以及维生素等。 原料来源丰富，糖蜜、 蔗糖渣、 石油、 液 蜡、 泥炭、 甲烷、 甲醇、 丙酸、 工业有机 废水、 城市垃圾等。 无毒，主要用作动物饲料添加剂。目前正在 研究将其用作人类食品的蛋白质添加剂和调 味料。

L-肉碱
一、产品介绍
1.性质 L-肉碱又称肉毒碱、左旋肉碱、维生素BT， 化学名为L-β-羟基-γ-三甲铵丁酸。分L-，D型两种光学旋光体，只有L-型有生理活性。 分子式为C7H15NO3，相对分子质量161.20， 结构式如下：
呈白色吸水性结晶，易溶于水和乙醇，稳定 性较好。 2.生理功能 脂肪酸代谢中脂酰基团在线粒体内膜上的载 体。 缓冲线粒体酰基CoA和CoA的比率。 捕捉酰基基团，排除有毒的多余酰基。 参与膜修复过程中膜磷脂的去酰化-重酰化， 利于膜的稳定。 抗细胞凋亡等。