生物化工工艺学--第11章--生化生产工艺实例简介

1第十一章生化生产工艺实例2啤酒生产工艺啤酒是以大麦经发芽制成的大麦芽为主要原料，经糖化、添加酒花煮沸、过滤、啤酒酵母发酵等过程，酿制成含二氧化碳、低酒精度的酿造酒。中国第一家现代化啤酒厂是1903年在青岛由德国酿造师建立的英德啤酒厂（青岛啤酒厂前身）。发展至今，中国已成为世界第二啤酒生产大国。简介3一啤酒生产原辅料大麦是酿造啤酒的主要原料。酒花是啤酒生产的香料。酒花中的酒花树脂、酒花酒和多酚物质赋予啤酒特有的香味和爽口的苦味，酒花树脂还有防腐能力，多酚物质中的单宁则具有澄清麦汁的作用。水是啤酒生产的重要原料。大米、玉米、小麦、糖。4将在原料大麦制成麦芽的过程称为制麦，其目的在于使大麦发芽产生多种水解酶类，并使胚乳达到适度的溶解，便于糖化，使大分子淀粉、蛋白质等得以分解溶出。制麦全过程分为：原料清洗、浸麦、发芽、干燥、除根和贮存等。----干燥的目的在于除去多余的水分，终止酶形成和作用，产生麦芽特有的色、香、味。二麦芽制造5麦芽汁的制备是将固态的麦芽、非发芽谷物、酒花用水调制再加工成澄清透明的麦芽汁的过程。制备过程包括：原辅料的粉碎、糊化、糖化、糖化醪过滤、混合麦汁加酒花（hop）煮沸、煮沸后麦汁的澄清、冷却、通氧等一系列物理、化学、生物化学加工过程。三麦汁制备6冷麦汁接种啤酒酵母，发酵产生酒精和CO2、高级醇、挥发酯、醛类和酸类、连二酮类、含硫化合物等一系列代谢产物。酵母的选择麦汁的组成接种量发酵工艺控制（温度7~15℃、罐压和CO2浓度）四啤酒发酵燃料乙醇—绿色能源革命8石油危机环境污染可再生能源具有优良性能发展燃料乙醇原因由于经济的发展和人口的迅猛增加,使得能源的消耗呈不断上升趋势,而煤、石油等化石能源的储量有限。20世纪70年代发生的石油危机,使各国政府和人们意识到寻找新的能源替代品的重要性.目前全球面临的环境问题直接或间接与矿物燃料的加工有关。矿物燃料燃烧时释放出大量的C、N、S的氧化物气体，是产生酸雨、温室效应等地区性环境问题的根源。燃料乙醇大都是利用来源于植物的淀粉质和纤维原料发酵制得，因此属于可再生能源。用乙醇代替或部分代替汽油作为汽车燃料可提高燃烧值，改善防爆性能，并能缓和温室效应和降低环境污染。9燃料乙醇生产中碳循环10MonthlyEthanolandGasolinePrices,1999-200300.20.40.60.811.21.41.61.819992000200120022003DollarspergallonsGasolineEthanol石油与乙醇价格比较11世界乙醇产量12燃料乙醇主要生产国家13巴西的燃料酒精工业:二十世纪70年代开始”国家酒精发展计划”80年代研制出乙醇专用发动机目前世界年产燃料酒精最多的国家法定的车用燃料酒精浓度20%～24%主要原料:甘蔗美国的燃料酒精工业:70年代末制订”乙醇发展计划”1990年通过的”空气清净法”世界上第二大酒精生产国目前30%汽车使用汽油醇主要是汽油中添加10%无水乙醇(E10)生产原料:90%以上是玉米世界燃料酒精工业发展状况14欧洲的燃料酒精工业:主要生产国:法国、德国和意大利燃料酒精产量：2003年是37.5万吨，预计2010年300万吨我国的燃料酒精工业：2001年4月国家计委宣布我国全面推广使用汽油醇2002年6月我国在河南、黑龙江、吉林、安徽部分地区开展汽油醇试点，目前8个省开始使用汽油醇（E10）目前原发酵酒精生产能力达450～500万吨，生产厂家1100多家2003年改造和建成了年生产能力为102万吨的4个大型项目吉林燃料乙醇公司：30万吨/年（一期）河南天冠集团：30万吨/年安徽丰原公司：32万吨/年黑龙江华润公司：10万吨/年生产原料：主要是淀粉质原料（玉米、小麦、甘薯、木薯等）糖蜜类原料（甘蔗、甜菜等）世界燃料酒精工业发展状况15生产方法：化学合成法、发酵法生产原料：糖蜜类、淀粉类、植物纤维类生产方法与原料5%合成法95%发酵法16目前燃料酒精生产原料17酒精发酵原理葡萄糖6-磷酸葡萄糖磷酸丙糖丙酮酸乙醇+C02戊糖磷酸戊糖C02+H2O乙酰辅酶AC02+H2OEMP途径HMP循环TCA循环18淀粉质原料生产工艺:原料预处理蒸煮糖化发酵蒸馏糖质原料生产工艺:糖蜜预处理发酵蒸馏纤维质原料生产工艺：纤维原料预处理水解发酵蒸馏发酵酒精生产工艺流程成品酒精杂醇油醛酯馏分酒糟水蒸汽糖化剂酒母蒸汽CO2成品酒精杂醇油醛酯馏分酒糟水、酸、营养盐、防腐剂酒母蒸汽CO2成品酒精杂醇油醛酯馏分酒糟酶或酸酒母蒸汽CO219发酵制乙醇典型设备流程20原料预处理淀粉质原料:传统采取干法处理,许多成分未有效利用现在多研究湿法浸泡工艺,燃料乙醇与其它发酵产品相耦合。尤其最近较为流行的超临界CO2萃取用于处理玉原料可得到高附加值的胚芽蛋白。※植物纤维原料：目前燃料乙醇研究热点预处理方法物理方法：机械破碎、高能辐射及超声波、微波处理化学方法：酸水解、碱水解、氨解、氧化处理等物理化学方法：水蒸气爆破、CO2蒸汽爆破、氨冷冻爆破生物方法：木素酶、纤维素酶在实际中对植物原料进行预处理，单一的方法很难达到预期效果，往往采用各种组合方法，目前比较多是先采用机械破碎，然后采用蒸汽爆破，再利用生物方法进行处理。21发酵工艺:1发酵前处理和后处理a蒸煮工艺:以往淀粉原料生产酒精需在发酵前进行高温蒸煮,需消耗大量热能。目前正在开发无蒸煮工艺特别是生淀粉发酵工艺、低温液化(80℃)与酒糟回收相结合的工艺、挤压膨化技术。b精馏酒精技术:传统酒精蒸馏和提纯耗能大，约占整个生产过程30%。目前多采取共沸精馏、萃取精馏，正在研究的渗透汽化膜分离技术可降能耗50%以上。目前燃料乙醇研究热点222发酵工艺研究a产物抑制的消除：真空发酵、萃取发酵、吸附剂吸附法、气提藕联、连续发酵与膜分离耦合、反应器的串联组合。b连续发酵:反应中连续流加新鲜培养液,连续排出发酵液,使微生物生长始终处于旺盛状态,发酵环境稳定。c同步糖化发酵（SSF）d固体发酵：固体占40%以上目前燃料乙醇研究热点23菌种选育方面1直接发酵生淀粉的菌株：选育和构建生淀粉糖化酶产生菌（曲霉菌）2耐高温酵母和细菌：如运动细胞单胞菌（Zymomonasmobilis)3耐高浓度酒精酵母：可降低产物抑制效应，提高发酵液中酒精浓度度，降低乙醇蒸馏时能耗。4自絮凝酵母:5戊糖发酵菌种目前燃料乙醇研究热点24酵母的固定化※传统的酒精发酵工艺,采取游离细胞发酵,酵母随发酵醪不断流走,造成发酵罐中酵母浓度不够大,使发酵速度慢,发酵时间长,设备利用率不高。固定化酵母机理：将高活性的酒精酵母高度密集于载体上，并不断繁殖，形成高浓度的生物催化剂—酵母酒化酶体系，大大加快酒精发酵速度，使设备的生产能力大幅提高。目前燃料乙醇研究热点25目前燃料乙醇研究热点固定化酵母分类有载体固定化吸附法包埋法共价或交联法凝胶包埋法:聚丙烯酰胺凝胶微囊化：壳聚糖卡拉胶海藻酸钙凝胶琼脂糖凝胶无载体固定化：自絮凝酵母（粟酒裂殖酵母）目前国内外主要的研究工作：（1）固定化载体的选择及其影响条件的选择（2）固定化酵母反应器：填充床、流化床等多种反应器（3）自絮凝酵母的研究：酵母自絮凝影响因素、筛选和构建酒精产量高的自絮凝酵母。26戊糖发酵※地球上每年大约形成1000亿吨植物有机物，在我国仅农业生产中形成的农业废弃物，每年约有７亿吨。在植物纤维原料中，半纤维素的主要成分戊聚糖占20%—30%；在植物纤维原料水解液中戊糖占30%左右。利用微生物转化可植物纤维原料为乙醇，其关键问题是戊糖的转化。目前燃料乙醇研究热点27目前燃料乙醇研究热点木糖木糖醇木酮糖木糖还原酶（XR）木糖醇脱氢酶（XDH）这两步反应需要辅酶I（NAD+、NADH）或辅酶II（NADP+、NADPH）的参与1微生物发酵戊糖产生酒精的代谢机理木糖在不同微生物细胞中主要有两种途径被异构成木酮糖。绝大多数细菌和放线菌是通过木糖异构酶一步完成的，木糖异构酶需要Mg2+、Co2+、Mn2+等作辅基。在真菌和酵母菌中，木糖通过二步氧化还原反应生成木酮糖：28目前燃料乙醇研究热点木糖木糖醇木酮糖5-磷酸木酮糖3-磷酸甘油醛丙酮酸乙醛乙醇NAD(P)HNAD(P)+NAD+NADHATPADP磷酸戊糖途径糖酵解途径丙酮酸脱羧酶乙醇脱氢酶木糖代谢机理292木糖发酵菌种及选育（1）自然筛选木糖一直被认为不能被微生物发酵生产酒精。直到1980年wang等人发现木糖可被一些微生物发酵产生酒精。至今,人们发现能发酵木糖产生酒精的微生物包括：细菌：主要是兼性厌氧菌真菌：目前主要研究集中在尖镰孢菌（Fusariumoxysporum)、粗糙脉孢菌（Neurosporacrassa)酵母菌：主要有假丝酵母（Candida)、毕赤酵母（Picha)、管囊酵母（Pachysolen)三个属（2）戊糖发酵酵母工程菌的构建目前燃料乙醇研究热点构建方法原生质体融合转基因技术30目前燃料乙醇研究热点主要木糖代谢工程菌细菌工程菌:Z.mobilis(导入木糖代谢基因xylA、xylB、tal、tktA)E.coli（导入催化形成乙醇基因PDC、ADHII）酿酒酵母工程菌表达XYL1、XYL2基因（来自于Picha)表达细菌木糖酶基因xylA31THEENDTHANKS