1、有機酸工藝學緒 論1.什么是微生物發酵1.1 概念：微生物在適宜條件下，通過分解代謝，降解有機物，同時積累簡單的有機物并產生能量的生物氧化過程。上游工程獲得發酵產品的條件發酵工程 發酵工程微生物反應過程下游工程后處理/提取純化過程發酵工程：采用現代工程技術手段，利用微生物的某些特定功能，為人類生存有用的產品，或直接把微生物應用于工業生產過程的一種新技術。工業生產上通過工業發酵來加工或制作產品，其對應的加工或制作工藝被稱為“發酵工藝” 。工廠為實驗工業化生產，就必須解決實現這些工藝的工業生產環境、設備和過程控制的工程問題。因此，就有了發酵工程。所以，發酵工程是解決按發酵工藝進行工業化生產的工程學

2、問題的學科。從工程學角度可分為三個階段：菌種、發酵、提煉，分別稱之為發酵工程的上游、中游、下游工程。微生物是發酵工程的靈魂。為什么要利用微生物？繁殖迅速、易于培養控制、容易改造1.2 微生物發酵的發展史1.1.1 自然發酵：利用自然環境中的微生物進行發酵的過程。大曲制備、白酒、黃酒、醬油、醋、醬類、泡菜、發面。1.1.2 純種發酵：在成分單一的發酵基質中，僅接入一種微生物，通過對該微生物的培養，得到純度較高的單一性產物。為使發酵順利進行，必須保持發酵的始終單菌純種，要求人工擴大的菌種不得被污染，一旦發現其它菌株出現，便稱之為發酵事故。因而對發酵設備和環境要求較高，要有嚴格的滅菌措施和空氣凈化系

3、統。酒精發酵、丙酮丁醇發酵、乳酸發酵、檸檬酸發酵（表面培養）1952 年陳聲等開始用黑曲霉發酵制取檸檬酸。1966 年后，天津市工業微生物研究所、上海市工業微生物研究所相繼開展用黑曲霉進行薯干粉原料深層發酵檸檬酸的試驗研究，并獲得成功，從而確定了中國檸檬酸生產的這一主要工藝路線。 1.1.3 深層通風發酵：在密閉通風發酵罐中，將種子接入滅菌的發酵培養基中，然后再適宜的溫度、溶氧下發酵，發酵罐中可以控溫，溶解氧的濃度可以通過調節攪拌機轉速或通入的無菌空氣的風量來控制。1941（二次世界大戰） ，青霉素生產。1943 年美英科學家和工程師把化工行業的通風攪拌技術引入發酵行業，設計了帶有通風攪拌裝置

4、和通入無菌空氣的密閉發酵罐。1.1.4 代謝控制發酵：利用遺傳學或其它生物化學的方法，人為地在脫氧核糖核酸（DNA）的分子水平上，改變和控制微生物的代謝，使有用的代謝產物大量生成、積累的發酵技術。 1957 年日本人木下祝郎，發現了谷氨酸棒桿菌，隨后谷氨酸發酵成功，氨基酸、核苷酸發酵興起。這一類屬于在 DNA 分子水平上，通過遺傳學或其其它生物化學的手段，人為地改變、控制微生物代謝，使有用產物大量生成、積累的發酵。1.1.5 發酵原料的轉變非糧食原料的轉變。隨著利用石油低碳化合物進行發酵的菌種發現，使其生產 SCP（simple cell protein） 。纖維素、半纖維素是待開發的能源。纖

5、維素：造紙的主要原料，難消化，不能被消化吸收，促進腸道蠕動，過去稱“廢物” ，如今研究，認為其在保障人類健康、延長生命方面有著重要作用，被稱為“第七元素” 。1.1.6 分子生物學時代隨著微生物遺傳學、基因工程、細胞工程等學科的發展，使人們有可能按照意志設計新的生命體。生物技術將成為 21 世紀的十大科技之一。例如胰島素、干擾素、細胞白介素、促紅細胞生長素等。2.什么是有機酸（1）概念有機酸：具有酸性的有機化合物，能夠給出 H+。自然界中常常以游離的形式或以鹽、酯的形式廣泛存在。有一元酸、二元酸、多元酸，多溶于水或乙醇，呈酸性，難溶于其他有機溶劑。狹義的通常指羧酸，即分子結構中含有-COOH

6、的化合物及其衍生物。廣泛分布在植物的果實、根、葉中。（2）有機酸的分類脂肪族有機酸：抗壞血酸、酒石酸、蘋果酸、草酸、檸檬酸、乳酸等；芳香族有機酸：苯甲酸、水楊酸等。3.什么是有機酸發酵工藝學有機酸發酵是生物體內的基本代謝過程，像傳統的發酵：食醋發酵、腌制食品等。1949 年之前，我國有機酸發酵工業幾乎是空白，目前檸檬酸、乳酸發酵產品已進入了國際市場。近年來，由于社會及市場的需要而研發出發酵法生產有機酸，由于食品、醫藥、化學合成等工業的發展，有機酸需求驟增，發酵法生產有機酸成為近代重要領域。眾多有機酸發酵產品中，就目前市場占有率而言，其規模和發展速度仍以檸檬酸為最，占酸味劑市場 70%，聚乳酸塑

7、料的問世使得 L-聚乳酸應用領域擴大到化工、環保等方面。有機酸發酵工藝學：利用微生物代謝活動積累人類所需的有機酸的方法和技術的學科。包括：目的產物的積累；（發酵過程，代謝控制發酵）目的產物的分離提取。 （提取工藝流程、操作要點）教材主要內容有檸檬酸工藝學、乳酸工藝學、醋酸工藝學、葡糖酸工藝學、衣康酸工藝學、蘋果酸工藝學，主要講授檸檬酸、乳酸、醋酸，重點是三種有機酸的發酵機理、工藝學原理、工藝流程等。第一節 有機酸的來源與用途一、有機酸發酵工藝學研究內容本課程涉及到的有機酸：檸檬酸、乳酸、衣康酸、蘋果酸、醋酸；已通過發酵法工業化生產的有機酸：檸檬酸、乳酸、衣康酸、葡萄糖酸、蘋果酸、丙酮酸、丙酸等

8、。二、有機酸的來源與用途1.檸檬酸：（1）用于食品行業：酸味劑，一水合物主要用于清涼飲料、果汁、果醬、水果糖和罐頭等的酸性調味料，也可用作食用油的抗氧化劑，無水的主要用于固體飲料，檸檬酸 80具有良好殺滅細菌芽孢的作用。（2）化妝品：屬果酸的一種，作用加快角質更新，常用于乳液、乳霜、洗發精、美白用品、抗老化用品、青春痘用品等（3）用于制藥工業，醫藥清涼劑。2.乳酸40%用于香精行業，主要用于生產乳酸乙酯作為香料，用于調制各種酒類；啤酒行業用來代替磷酸調 pH 值，提高檔次；（1）制藥業：可直接配成藥，乳酸鹽可用作消毒劑，乳酸具有親水性，能溶解蛋白質、角質及許多難溶藥物，且對病變組織腐蝕作用相當

9、敏感，能增加藥物吸收量，防止副作用；（2）食品行業：可代替苯甲酸鈉作為防霉、防腐、抗氧化劑和果蔬保鮮劑等。乳酸作為酸味劑，既能使食品具有微酸性，又不掩蓋水果和蔬菜的天然風味與芳香，常和糖類及甜味劑并用改善食品風味；（3）日化行業：在配置清潔霜、嫩膚霜、浴液時，可用于調節 pH，并對消除皺紋有明顯效果。衍生物 L-聚乳酸，高分子無毒新材料，在環境中可自動降解。大力開發環境友好的可生物降解材料，已成為研究熱點。如可降解纖維（用于服裝及非服裝領域） 、醫用材料（手術縫合線在外科手術中用，手術紗布） 、食品包裝及器具（一次性餐盒、餐具等） 。3.醋酸公認的食醋內酸味及刺激性氣味的來源。家庭生活中，醋酸

10、稀溶液常被用作除垢劑，除去茶、果汁、咖啡等造成的黃漬；化工方面，可用于合成纖維、涂料、染織等。4.L-蘋果酸口感更接近天然果汁，并具有天然香味，產熱低，味道柔和，有逐漸取代檸檬酸的勢頭，發展前景良好。第二節 有機酸工業的產業現狀與發展趨勢1.發酵有機酸工業的產業現狀與發展趨勢目前主要產品檸檬酸、乳酸、衣康酸、葡萄糖酸、蘋果酸、丙酮酸、丙酸等 10 多種有機酸采用微生物發酵法工業化生產。我國有機酸的生產狀況：200 萬噸/年，產值 100 億人民幣/年。全球各類有機酸生產比例我國今年來有機酸產量2.國內有機酸研究現狀和建議（1）國內有機酸研究現狀存在問題生產成本高：高耗（耗糧、耗水、耗能）純度低：提取方面（整體裝置水平過低，工藝技術較落后）整體表現為：高投入、高消耗、高污染、低產出、低效率。（2）對國內有機酸研究的建議生產廠家不要盲目擴建或