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生物发酵

生物发酵工程是生物工程的一个重要组成部分。

生物发酵工程是生物工程的一个重要组成部分。

发酵工程发源于家庭或作坊式的发酵制作(农产手工加工),后来借鉴于化学工程实现了工业化生产(近代发酵工程),最后返璞归真以微生物生命活动为中心研究、设计和指导工业发酵生产(现代发酵工程),跨入生物工程的行列。

利用碳水化合物发酵生产各种工业溶剂和化工原料的微生物乙醇、丙酮-丁醇、丁醇-异丙醇、丙酮-乙醇、2,3-丁二醇和甘油发酵是微生物进行溶剂发酵的几种形式。

乙醇发酵(酒精发酵)

淀粉和糖蜜做原料的乙醇发酵菌种是酿酒酵母,它能发酵葡萄糖、麦芽糖、蔗糖生产乙醇。酿酒酵母生长发酵的适宜温度约为30℃,pH为4.2~4.5。中国乙醇发酵工业主要以甘薯为原料,用含高淀粉酶活性曲霉制成的固体曲或液体曲糖化,以优良酿酒酵母发酵,乙醇产率为淀粉的92%以上。

用可动酵单胞菌进行乙醇发酵比用酵母优越,表现为高糖利用率、高乙醇生产率、耐高浓度糖和乙醇、低能量消耗、乙醇产率接近理论数字等。酵母菌和酵单胞菌也能发酵果糖产生乙醇。乳制品工业的副产品乳清含乳糖5%,现在工业上已利用乳胞壁克氏酵母或热带假丝酵母发酵乳糖产生乙醇。纤维素是廉价的碳水化合物。有些盛产木材的国家,早已在工业中采用将纤维素经酸水解成单糖后发酵生产乙醇的方法。一类发酵是用纤维素酶和酵母菌或好热纤维梭菌混合发酵用碱处理过的纤维素,使酶水解生成的糖立即被发酵成乙醇;另一类发酵是不经酶水解糖化,用好热纤维梭菌和解糖梭菌在55℃混合发酵不经碱处理的纤维素,好热纤维梭菌产生乙醇、乙酸木糖,解糖梭菌将生成的木糖再发酵成乙醇。白色瘤胃球菌也曾用于纤维素的直接发酵。直接发酵法成本较高,现在工业上还没有使用。

丙酮-丁醇发酵

在工业生产中,丙酮-丁醇发酵常用的菌种有:以淀粉发酵为主的丙酮-丁醇梭菌,细胞中具有淀粉酶,不需要预先糖化就可以直接发酵;另一种是用于糖蜜、纤维素水解液或亚硫酸纸浆废液等糖质原料发酵的糖丙酮-丁醇梭菌,为严格的厌氧细菌,特别是在芽孢出芽阶段。梭菌传代培养多次以后,菌种的发酵能力往往减弱,所以常用加热菌种芽孢悬液(100℃,1~2分钟)的办法,保持和提高菌种的发酵力。

淀粉质原料含有梭菌生长必需的全部营养物质,糖蜜原料中缺乏氮源,可用动物或植物蛋白或无机氮加以补充。碳水化合物的浓度对梭菌的生长无明显影响,但丁醇浓度达到1.5%时,对发酵产生毒害,如果把丁醇浓度不断稀释并控制在1.5%以下,发酵即可正常进行。固定化细胞生产丁醇已取得良好结果,将梭菌细胞固定在藻酸钠胶体颗粒上,进行生物化学反应,产物以丁醇为主,丁醇产率至少可保持1周不变。

丁醇-异丙醇发酵

酪酸梭菌是主要的丁醇-异丙醇发酵细菌发酵条件与丙酮-丁醇相近。发酵产物还有少量乙酸和丁酸。异丙醇化工合成的成本远比发酵便宜,因此这一发酵未用于工业生产。

丙酮-乙醇发酵

软腐芽孢杆菌是进行这一发酵的细菌,它能利用各种碳水化合物发酵。发酵中要加碳酸钙保持pH中性。温度40~43℃。发酵过程需5~6天。原料转化率较高,丙酮和乙醇产量的比例为1:3~4。这一发酵在工业上已不应用。

2,3-丁二醇发酵

许多细菌和酵母菌能发酵生产2,3-丁二醇,产量较高的有能利用蔗糖葡萄糖的产气杆菌和能利用淀粉、蔗糖、葡萄糖的多粘芽孢杆菌。前者生产的2,3-丁二醇中,90%是光学消旋异构型,10%为右旋型;后者产生的几乎全是左旋型。发酵产物还有有机酸、乙醇、二氧化碳。

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