第四章生物化工产品的开发及生产技术

▪ 是生物体代谢产物之一，广泛分布于自然
界、动物及人的器官中。无色透明或半透
明晶体，或粒状、微粒状粉末，无臭，具
有强烈的酸味，但令人愉快。稍有涩味。
2020/3/1极4 易溶于水，乙醇，微溶于乙醚。无旋光
1、柠檬酸的应用
（1）食品方面：柠檬酸被称为第一食用酸味剂 饮料——不仅赋予饮料水果风味，而且具有增
衣康酸等
Aspergillus terreus（土曲霉）
水杨酸
Pseudomonas aeruginosa（铜绿假单胞菌）
丙酸
Propioni bacterium shermanii(谢氏丙酸杆菌)
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二 柠檬酸的发酵生产
(一)、概述
HOOCCH2CHOHCOOHCH2COOH
▪ 柠檬酸（citric acid）又名枸橼酸，学名 3-羟基-3-羧基戊二酸(C6H8O7)
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• 而L苹果酸可用于医药工业的输液、pH调 节剂和某些药物的中间体。每吨纯品65－ 70万元人民币。生产成本高,出口数量少 。我国采用固定化菌体将富马酸转化为L 苹果酸，因技术不过关，富马酸残留高， 出口困难。而发酵法生产L－苹果酸仍处 于研究阶段。
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4、葡糖酸——有保健新用途
▪ 正烷烃为原料：
解脂假丝酵母（Candida lipolytica ） 热带假丝酵母（C. tropicalis ）
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(三)、柠檬酸发酵生产方法
▪ 对于典型的好氧发酵，工业上的生产方法：
-液体表面发酵法 -固态发酵法
利用气相中的氧
-液态深层发酵法 —— 利用液体中的溶解氧
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6、琥珀酸——产量不大
琥珀酸在食品工业中应用较少，也属医药工业的 常用原料之一。主要用于生产难溶药物的水溶性 盐——琥珀酸盐。全球琥珀酸总产销量约在1万2万吨左右。我国的琥珀酸生产仍以化学合成为 主。未见发酵法生产琥珀酸的报道。
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7、衣康酸
重要的化工原料，主要用于晴纶化纤、树脂、 橡胶、涂料、造纸、制药、农药、轻工、食品等 领域（合成树脂或在工业上用作除垢剂等）。世 界年需衣康酸5－6万吨。主要生产国美国、日本、 俄罗斯。我国以发酵法生产衣康酸，年产量 5000t。大部分内销。因技术存在问题，产品质 量不过关。外销困难。
溶、缓冲、抗氧化等作用，能是饮料中的糖、香 精、色素等成分交融协调
果酱和果冻，酿造酒，冰激淋和人造奶油（增 加乳化稳定性）、腌制品（除腥去臭、抗氧化）、 罐头食品、豆制品和调味品
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• （2）医药工业、美容、化妆品工业中作为 活性药
• 物的增溶剂，改善药物口感和清凉，解毒功 能。
• 洗发和染发剂中均有柠檬酸具有防腐，去除 头皮
✓我国在20世纪40年代初开始浅盘发酵；60年代
末开始深层发酵（先为薯干原料，后发展到精淀 粉或糖蜜原料）；1970年开始进行石油为原料发 酵柠檬酸(C10～22链烷烃等）
✓目前，我国柠檬酸生产厂已过百家，年生产能
力达80多万吨，居世界第一位。
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(二)、柠檬酸生产菌
▪ 淀粉质原料或糖质原料： 黑曲霉（ Aspergillus niger ）
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无机盐：无机盐是黑曲霉生长和柠檬酸发酵不可缺 少的物质，具有构成菌体，促进代谢，促进产酸的 作用。 我国采用诱变方法改良的菌株耐金属离子，原料与 水可不经处理用于发酵。采用薯干粉、马铃薯、木 薯和糖蜜原料发酵，其中P、K、Mg、S已够黑曲霉 生长，不需专门添加。
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5、干孢子制备工艺流程：
一级 原菌种
斜面培养30℃
二级 三角瓶培养3
三级
干孢子收集 干燥40－50℃无菌空气 培养器液态培养32－35℃
质量鉴定
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成品保藏
使用前检查 发酵用种子
6、液体表面发酵工艺流程
（总发酵时间：8～9天）
糖蜜原料
加等体积沸水， 糖蜜质量1%生石灰
• 屑功能，洗头时可增加头发的光泽，恢复头 发的
• 弹性。 2020/3/14
• • （3）金属工业中作为净化剂，可去除有色
金属表面的氧化物。在洗衣粉中作为去垢剂 ，作为磷酸盐的替代用品。电镀工业中作为 电镀缓冲剂和络合剂、治理工业废气中用于 回收SO2等等
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2、国外柠檬酸发酵技术发展的三个历史时期
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–淀粉糖：淀粉水解糖(单糖、双糖、糊精、葡萄 糖母液)
–果实，粮食加工下脚料：各种含糖果实、糖食 加工的下脚料等。
• 石油烷烃原料包括正烷烃、乙酸、乙醇等
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淀粉水解糖的制备
➢淀粉质原料是发酵工业常用的原料，大 多数发酵生产菌不能直接利用或仅微弱 利用淀粉，因此淀粉质原料必须转化为 葡萄糖等可发酵性糖，才能被生产菌利 用。
第四章 生物化工产品的开发
及生产技术
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• 有机酸 • 氨基酸 • 生物可降解塑料 • 功能性食品添加剂 • 生物农药与生物肥料 • 生物药物及其他生物产品
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第一节 有机酸
一、重要的有机酸
1、柠檬酸：
–柠檬酸(“枸椽酸”)：第一有机酸，2019年全 球柠檬酸总销量高达115万吨，食品用途约占6 成，医药和其它工业用途（化妆品，洗涤剂等 ）约占4成。我国是世界主要柠檬酸生产国与 出口国，出口量高达15万吨以上 。
–发酵盘经常受到酸液、高温蒸 汽、甲醛、微生物的侵蚀，所 以材料和涂料要求严格。
–为了防止蒸发过快和天花板冷 凝水滴入盘中，每个发酵盘上 有一盘罩
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3、发酵室：
具有良好的通风系统，保证温度、 湿度和风量能满足不同阶段的发酵要求 ，并且保证无菌。每个发酵室装两排发 酵架，每架放10个发酵盘。发酵架连接 通风管道、排风管道和进料，出料管道 ，接种喷雾管道。
最大通风量 (15～18m3/m2·h，
湿度75%以上)
(五)、柠檬酸的深层发酵工艺
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1 柠檬酸发酵的原料
原料 • 糖质原料和石油烷烃。 • 糖质原料包括
–薯类：甘薯、薯干、木薯、木薯干、马铃薯、 薯渣。
–谷类：玉米、小麦、面粉、大米。 –淀粉：谷类与薯类加工的淀粉。 –砂糖：白砂糖、赤砂糖、糖蜜。 –
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•
• 发酵法生产的乳酸有L－乳酸和D－乳酸。我 国用德氏杆菌厌氧发酵生产的乳酸96％为D 型，L型只有4％。化学合成法生产的乳酸D 型和L型个50％。称DL乳酸。
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3、苹果酸——生产成本较高
• 苹果酸在饮料中使用较多。但由于价格较 贵，故苹果酸的用途受到了一定的限制。 全球苹果酸的年产销量约在3万吨左右。 苹果酸有清除牙齿色斑和牙垢(牙石)的美 容作用。故日本花王等日化产品厂商均已 在牙膏、牙粉等洁齿产品中添加苹果酸。
➢工业生产将淀粉水解为葡萄糖的过程称 2020/3/1为4 淀粉的糖化，所制得的糖液称为淀粉
2 培养基
• 碳源：黑曲霉能利用的碳源很多，淀粉和 二糖，单糖大多能利用。从生产角度看， 葡萄糖、蔗糖、糊精是最好的碳源。但为 了降低成本，多用廉价的甘薯、玉米、小 麦及其淀粉、糖蜜。高糖浓度是柠檬酸深 层发酵的特征，薯干粉深层发酵，粉浆浓 度可达16－20％。淀粉质粉浆浓度25%。
(四)、柠檬酸的静止浅盘发酵工艺
1、简介：将接种后的发酵液分装入发酵 盘进行发酵的方法。 传统方法，设备投资少，动力消耗 低，原料粗放、价廉，生产易控制，目 前已实现全部自动化操作。缺点是设备 占地大，劳动强度大，能耗高，产率和 回收率低，副产物多。
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2、2m×0.15m。其 次还有铁盘、铝盘、耐酸塑料 盘。
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常见有机酸发酵生产菌种
柠檬酸
Aspergillus niger（黑曲霉）
葡萄糖酸
Aspergillus niger（黑曲霉）
醋酸
Acetobacter aceti（醋化醋杆菌）
乳酸
Lactobacilus delbrackii（德氏乳杆菌）
-酮戊二酸
Candida sp. （一种假丝酵母）
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5、酒石酸——八成产自欧洲
主要来源是葡萄酒生产厂。酒石酸在食品工 业中应用远远不如柠檬酸那样广泛，但它却是 医药工业的重要原料。许多难溶药物均可加工 成为水溶性极佳的酒石酸盐(如经典药物“酒 石酸锑钾”)。欧洲各大葡萄酒厂是世界最大 的酒石酸生产基地，全球80%的酒石酸产自欧 洲 。发酵法生产酒石酸仍在研究中。
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4、菌种的扩大培养
（1）目的：获取大量高质量的分生孢子（孢子或干孢子 ），所以又称为“干孢子生产”。 对孢子的质量要求： – 形态整齐均一，无杂菌混入，发芽率高，发芽后生 长速率适当，产酸活力高，无退化现象。 黑曲霉的扩大培养一般经过三个阶段，相应的阶段 依次称为一级、二级、和三级种子培养。扩大培养 的工艺流程和各级的培养方法因地而异，按照最终 成品的形式可以区分为麸曲生产和孢子生产。
硫酸或硫酸钠
搅拌煮沸15～30min 静止4h取上清
pH值3～4.5
入室装盘 （40～45 ℃
液层深8～20㎝ ）
加营养盐 和抗菌剂
冷却至 60～70℃
糖蜜浓度 12～16% （以蔗糖计）
冷却至35℃
接种
通风培养 （35℃，3天）
控温发酵至结束 26～28 ℃，pH2.5
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黑曲霉干孢子 （100mg/m2表面积）
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柠檬酸的消费领域： 饮料行业占40～45％ 食品添加剂等占15～20％ 洗涤剂占20～30％ 医药占5％ 其它占10％