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(五)通气量对纤维素酶形成影响: 最适通气量——10~50 m3/min 通气量偏低——酶产量低; 通气量偏高——酶产量低。 (六)表面活性剂对酶形成影响 木霉纤维素酶是胞外酶。因此,纤维素酶在菌体内合成以后必须分泌到菌体外面。纤维素酶的分泌与细胞膜透性有密切的关系。 实验证明,固体发酵液加入0.1%表面活性剂——吐温80,能提高纤维素酶产量。但提高幅度较小。 另外,在发酵基质中添加其它一些促进剂,也能提高纤维素酶产量。 如:醋酸钠和抗坏血酸盐能显著提高酶产量,两者同时使用,可表现迭加的效果,使纤维素酶产量提高近1倍。而赤霉酸、吲哚乙酸和复合维生素B等没有明显效果。 四)、纤维素酶提取 发酵工业生产纤维素酶粗酶制剂,常用离心分离、硫酸铵盐析、酒精沉淀和喷雾干燥等方法提取和精制。 第二节 纤维素酶液体发酵 一、工艺流程(木霉): 液体发酵自动控制过程概图 液体深层发酵产生泡沫(原因): ①蛋白胨部分水解产生; ②蛋白质与纤维素结合,产生稳定泡沫; ③发酵产生大量可溶性蛋白质——纤维素酶 泡沫控制: 泡沫严重时影响发酵进行,并且大量泡沫会引起酶变性,所以选择适宜的消泡方法和消泡剂是生产关键问题之一。 目前纤维素酶发酵控制泡沫主要方法是添加表面活性剂,如木霉QM9414发酵加入65 ppm聚丙二醇(分子量 2000)作消泡剂。 固体发酵和液体发酵比较: 液体深层发酵——相对密闭、培养条件容易控制,不易染杂菌,生产效率高; 固体发酵——设备比较简单、粗放,易于推广,容易污染杂菌,生产效率低。 石油开采. 目前石油开采中用纤维素酶(β-甘露聚糖酶、β-葡萄糖苷酶)主要是将酶制剂加入石油压裂液中,应用于石油破胶和油田增产,降低黄原胶、瓜尔胶及改性瓜尔胶等。石油开采:石油生产为提高出油率,使用高粘稠的凝胶压裂液,压入地 层使之形成宽容量的裂缝,将石油压出,必须在一定时间内使胶体降粘并返排地 面,使用a-淀粉酶和纤维素酶作为降粘剂。 目前各行业广泛运用的国产普通纤维素酶大多数来自于真菌或霉菌,其工作温度在60oC以下,耐高温性能差。 即使是价格昂贵的进口耐高温纤维素酶的工作温度也不超过70oC。而我们的发明,新型纤维素酶,能达到90oC的工作温度。 工作温度的提高可以极大地提高纤维素的分解效率,简化工艺流程,降低生产成本。对于啤酒工业而言,这一新型纤维素酶如果能广泛应用,带来的将是里程碑式的产业革新。因为发酵过程中分解纤维素变成葡萄糖的瓶颈在于,天然纤维素结构紧密(木质素和半纤维素包裹纤维素)而导致对结晶区的破坏速度慢产出低,影响了整个分解效率。在实际操作中需要进行高温酸性水解和纤维素酶共同作用. 例如生物石油生产过程中降解纤维素(麦秸等)需要以自然界复杂的纤维素为原料(需要多种酶进行分解),并且常常需要90度以上的高温和强酸性条件。因此耐高温和耐酸性的纤维素酶才能满足高效降解纤维素的需要。 * 表面活性剂消泡原理很简单,减小“泡”的表面的张力,使其表面成分向张力更高的液相周边移动,从而起到撕裂的效果,导致泡的破灭。 * 第五章 纤维素酶发酵 大连大学科学与技术学院 第一节 纤维素酶固体发酵 第二节 纤维素酶液体发酵 纤维素酶:能降解纤维素生成纤维二糖和葡萄糖等小分子物质一组酶的总称;是复合诱导酶。包括多种水解酶,按其性质一般分为三类。 纤维素分子结构 (1)葡聚糖内切酶 又称CMC酶或CX酶。 作用于纤维素分子内部的非结晶区,随机水解β一1.4糖苷键,将长链纤维素分子截短,产生大量带非还原性末端的小分子纤维素。 (2)葡聚糖外切酶 又称纤维二糖水解酶或微晶纤维素酶或C1酶, 作用于纤维素线糖苷键,每次切割下来一个纤维二糖分子。 (3)β一葡萄糖苷酶 又称纤维二糖酶。 这类酶将纤维二糖水解成葡萄糖分子。 除此之外,木霉等微生物发酵生产的纤维素酶,还具有果胶酶、半纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶组分。 纤维素酶降解纤维素的作用机制模型 纤维素酶应用: 食品加工、酿造、饲料、中草药提取、环保、纺织、造纸业、石油开采等领域广泛应用。 据不完全统计,各领域年使用量: 饲养——5万吨;酿造——5千吨;洗涤——6千吨;……。总使用量40万吨。 纤维素酶生产: ——固体和液体发酵 固体发酵——浅盘和厚层。 液体发酵——深层培养。 第一节 纤维素酶固体发酵 我国——帘子、浅层曲盘和厚层通风。 目前——厚层通风为主。 一、工艺流程(木霉): 二、工艺说明: 一)、菌种制备 1.菌种——具有优良性状; 2.斜面活化; 3.茄瓶菌种; 4.一级液体种子,二级… …液体种子。 二)、发酵基质制备 1.碳源: 含有纤维素的原料大多都可以。 我国——稻草、玉米芯、甘蔗渣等。 碳源种类——决定酶产量。 本案为稻草(水上部分,无霉变、无污染、干燥)。 2.稻草粉:1.5~2mm。 3.氮源: 木霉培养——硫酸铵、尿素、蛋白胨等。 单一氮源没有复合氮源酶产量高。 总氮0.2%,(NH4)2SO4:KNO3:CO(NH2)2=2:1:1。 4.麸皮: 是纤维素酶的诱导合成剂,用量为0.5~1.0%。 纤维素酶是诱导酶;在麸皮诱导下,在含有纤维素(包括含有β-1,4糖苷键的葡聚糖和少数寡糖)基质上培养才能产生纤维素酶。 5.无机盐: 木霉对无机盐没有特殊要求,是一般真菌所需要的无机盐(镁、钾、磷和钙等)。 微量元素(铬、铁、锌和锰等)能提高木霉纤维素酶产量。 采用粗纤维素原料做碳源时,一般可以不加无机盐。 6.水: 北方自然风干稻草含水量为6.0%左右,用这种稻草经固体发酵生产纤维素酶时,加水量是关键环节之一, 不论孢子发芽,菌丝生长,酶形成都需要适当水分。 最适水料比—2.5~3.0倍。 水分过多——酶产量低; 水分太少——酶产量低; 水料比适当——酶产量高。 各种营养基质充分混合均匀,呈松散状态(不能成球、结块、成饼)。 三)、影响纤维素酶产量其它因素 纤维素酶生产,除控制主要营养源、诱导剂等条件外,pH、温度、接种量、通风量,表面活性剂和其它促进剂等都能影响纤维素酶产量。 一)pH值对酶形成影响 1.起始PH值对酶形成影响 木霉发酵产酶最适起始pH值为6.0。 2.发酵过程pH值变化 (二) 温度对纤维素酶形成的影响 温度低——酶活性低(产量低); 温度高——酶活性低(产量低); 温度适宜——酶产量大。 (三)接种量对纤维素酶形成影响 接种量小: ——菌体生长出现阶段性,…,→酶产量低。 接种量大: ——初期菌体生长营养消耗大→后期营养不足,…,→酶产量低; ——初期菌体生长快→品温上升较快,…,→酶产量低。 (四)种龄对酶形成影响 最适种龄为48h(生物量最高)。 心 善 业 盛 根 固 叶 茂 ——围炉夜话 石油开采. 目前石油开采中用纤维素酶(β-甘露聚糖酶、β-葡萄糖苷酶)主要是将酶制剂加入石油压裂液中,应用于石油破胶和油田增产,降低黄原胶、瓜尔胶及改性瓜尔胶等。石油开采:石油生产为提高出油率,使用高粘稠的凝胶压裂液,压入地 层使之形成宽容量的裂缝,将石油压出,必须在一定时间内使胶体降粘并返排地 面,使用a-淀粉酶和纤维素酶作为降粘剂。 目前各行业广泛运用的国产普通纤维素酶大多数来自于真菌或霉菌,其工作温度在60oC以下,耐高温性能差。 即使是价格昂贵的进口耐高温纤维素酶的工作温度也不超过70oC。而我们的发明,新型纤维素酶,能达到90oC的工作温度。 工作温度的提高可以极大地提高纤维素的分解效率,简化工艺流程,降低生产成本。对于啤酒工业而言,这一新型纤维素酶如果能广泛应用,带来的将是里程碑式的产业革新。因为发酵过程中分解纤维素变成葡萄糖的瓶颈在于,天然纤维素结构紧密(木质素和半纤维素包裹纤维素)而导致对结晶区的破坏速度慢产出低,影响了整个分解效率。在实际操作中需要进行高温酸性水解和纤维素酶共同作用. 例如生物石油生产过程中降解纤维素(麦秸等)需要以自然界复杂的纤维素为原料(需要多种酶进行分解),并且常常需要90度以上的高温和强酸性条件。因此耐高温和耐酸性的纤维素酶才能满足高效降解纤维素的需要。 * 表面活性剂消泡原理很简单,减小“泡”的表面的张力,使其表面成分向张力更高的液相周边移动,从而起到撕裂的效果,导致泡的破灭。 *
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