蘋果酸工藝學(xué)

前言

　　蘋果酸是一種非常重要的有機(jī)酸，具有旋光性，存在L－蘋果酸和D－蘋果酸兩個(gè)手性對(duì)映體。其中L－蘋果酸作為三羧酸循環(huán)和乙醛酸循環(huán)中的一種成分，在生命體的代謝調(diào)控中起著樞紐作用，而D－蘋果酸是一種極其重要的四碳有機(jī)手性源，長期以來它們?cè)诨?、食品及醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域均有著廣泛的用途。目前蘋果酸在國際市場(chǎng)需求量持續(xù)保持增長。在食品業(yè)中，L－蘋果酸已成為目前用量最大的有機(jī)酸之一。　　近年來，國內(nèi)外在研究、開發(fā)和應(yīng)用蘋果酸方面取得了重大發(fā)展，蘋果酸工業(yè)正成為一個(gè)朝氣蓬勃的新興有機(jī)酸工業(yè)體系。而目前國內(nèi)尚缺乏一些系統(tǒng)的書籍來總結(jié)近幾十年來蘋果酸生產(chǎn)技術(shù)所取得的進(jìn)步，這也是筆者著手撰寫本書的出發(fā)點(diǎn)。為全面系統(tǒng)地介紹蘋果酸生產(chǎn)技術(shù)的研究成果、先進(jìn)工藝及實(shí)用技術(shù)，加強(qiáng)本書的實(shí)用性，筆者參照國內(nèi)外近幾十年來的發(fā)展成果，并結(jié)合自己在L－蘋果酸生產(chǎn)方面的研究經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐體會(huì)，撰寫此書，以供從事蘋果酸生產(chǎn)、科研和教學(xué)的同行們參考，為我國蘋果酸生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展盡綿薄之力?！　”緯喴榻B蘋果酸的理化性質(zhì)、用途，蘋果酸生產(chǎn)路線的發(fā)展歷程和產(chǎn)業(yè)化概況，通過研究實(shí)例分別介紹了發(fā)酵法生產(chǎn)L－蘋果酸、固定化法生產(chǎn)L－蘋果酸以及過程集成技術(shù)在Ｌ?蘋果酸生產(chǎn)中的應(yīng)用，全面系統(tǒng)地將L－蘋果酸的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)尤其是將反應(yīng)分離耦合技術(shù)介紹給讀者；此外還著重介紹L－蘋果酸的分離提取工藝及相關(guān)設(shè)備。最后簡要介紹了L－蘋果酸的生產(chǎn)工藝和D－蘋果酸的制備工藝，蘋果酸的質(zhì)量檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)，以及L－蘋果酸的衍生物性質(zhì)及其工業(yè)應(yīng)用。希望能夠通過各種實(shí)例加深讀者對(duì)蘋果酸生產(chǎn)過程的認(rèn)識(shí)?！　≡诒緯蓵^程中，管珺、楊文革、陳曉、王丹丹、李玲、陳林、雷子瑜、鄭小菊、付珊等人為此書收集資料，協(xié)助繪圖、排版等，謹(jǐn)此致謝?！　∮捎诂F(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展迅速，加上筆者水平有限，不妥之處懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正，不勝感激！　　編者　　2009年5月于南京工業(yè)大學(xué)

內(nèi)容概要

　　《蘋果酸工藝學(xué)》簡要介紹蘋果酸的理化性質(zhì)、用途，蘋果酸生產(chǎn)路線的發(fā)展歷程和產(chǎn)業(yè)化概況，并通過研究實(shí)例分別介紹發(fā)酵法生產(chǎn)L－蘋果酸、固定化法生產(chǎn)L－蘋果酸以及過程集成技術(shù)在L?蘋果酸生產(chǎn)中的應(yīng)用，全面系統(tǒng)地介紹了L－蘋果酸的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)尤其是反應(yīng)與分離耦合技術(shù)；此外還著重介紹了L－蘋果酸的分離提取工藝及相關(guān)設(shè)備。最后簡要介紹了DL?蘋果酸的生產(chǎn)工藝和D－蘋果酸的制備工藝，蘋果酸的質(zhì)量檢驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)以及L－蘋果酸的衍生物性質(zhì)及其工業(yè)應(yīng)用?！短O果酸工藝學(xué)》可供從事蘋果酸生產(chǎn)、科研和教學(xué)的技術(shù)人員、研究人員以及大中專高校師生作為參考書使用。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 蘋果酸的發(fā)展歷程11.2 蘋果酸的理化性質(zhì)31.2.1 蘋果酸的物理性質(zhì)31.2.2 蘋果酸的化學(xué)性質(zhì)51.3 蘋果酸的生理特點(diǎn)71.4 蘋果酸的應(yīng)用91.4.1 醫(yī)藥工業(yè)方面的應(yīng)用101.4.2 食品工業(yè)方面的應(yīng)用101.4.3 日用化工方面的應(yīng)用111.5 蘋果酸的生產(chǎn)途徑121.5.1 直接提取法121.5.2 化學(xué)合成法121.5.3 微生物發(fā)酵法131.5.4 固定化酶與固定化細(xì)胞轉(zhuǎn)化法151.5.5 集成技術(shù)生產(chǎn)蘋果酸18參考文獻(xiàn)21第2章 微生物發(fā)酵法生產(chǎn)L－蘋果酸242.1 L－蘋果酸發(fā)酵機(jī)理242.2 L－蘋果酸發(fā)酵微生物272.2.1 L－蘋果酸生產(chǎn)菌的主要特征272.2.2 菌種的保藏322.2.3 菌種的退化預(yù)防、復(fù)壯與活化362.2.4 誘變育種及實(shí)例382.2.5 菌種擴(kuò)大培養(yǎng)412.3 L－蘋果酸發(fā)酵工藝432.3.1 直接發(fā)酵工藝432.3.2 兩步發(fā)酵工藝522.3.3 酶轉(zhuǎn)化法542.3.4 其他發(fā)酵方法582.4 發(fā)酵過程中滅菌技術(shù)及染菌的防治592.4.1 滅菌與空氣凈化592.4.2 雜菌的檢查與防治692.4.3 噬菌體的檢查與防治712.5 蘋果酸發(fā)酵生產(chǎn)設(shè)備722.5.1 機(jī)械攪拌通風(fēng)發(fā)酵罐732.5.2 氣升式發(fā)酵罐752.5.3 自吸式發(fā)酵罐76參考文獻(xiàn)78第3章 固定化法生產(chǎn)L－蘋果酸803.1 固定化方法803.1.1 吸附法813.1.2 共價(jià)結(jié)合法813.1.3 交聯(lián)法823.1.4 包埋法833.1.5 膜間隔包埋法853.1.6 絮凝固定化技術(shù)863.1.7 組合固定化技術(shù)873.2 細(xì)胞固定化載體材料903.2.1 天然高分子材料903.2.2 合成高分子材料933.2.3 傳統(tǒng)載體材料的改性943.2.4 仿生膜的制備及改性研究943.3 固定化細(xì)胞菌株的篩選和培養(yǎng)1003.3.1 延胡索酸酶產(chǎn)生菌的篩選1013.3.2 培養(yǎng)條件對(duì)延胡索酸酶產(chǎn)生菌發(fā)酵的影響1043.3.3 反應(yīng)器條件的優(yōu)化及發(fā)酵條件的控制1073.3.4 菌株在不同發(fā)酵罐中生長動(dòng)力學(xué)的比較1113.4 延胡索酸酶的性質(zhì)1123.4.1 延胡索酸酶的作用機(jī)理1123.4.2 延胡索酸酶的結(jié)構(gòu)1143.5 固定化細(xì)胞法生產(chǎn)L－蘋果酸1163.5.1 表面活性劑對(duì)產(chǎn)延胡索酸酶細(xì)胞的影響1173.5.2 不同處理方法對(duì)菌體延胡索酸酶活力的影響1183.5.3 富馬酸鈉轉(zhuǎn)化體系下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)1233.5.4 富馬酸銨轉(zhuǎn)化體系下的轉(zhuǎn)化反應(yīng)1253.6 固定化細(xì)胞生物反應(yīng)器1283.6.1 攪拌罐式反應(yīng)器1283.6.2 鼓泡塔式反應(yīng)器1283.6.3 填充床反應(yīng)器1293.6.4 流化床反應(yīng)器1293.6.5 膜反應(yīng)器130參考文獻(xiàn)132第4章 集成技術(shù)生產(chǎn)L－蘋果酸1354.1 反應(yīng)與反應(yīng)耦合技術(shù)生產(chǎn)L－蘋果酸1374.1.1 反應(yīng)與反應(yīng)耦合技術(shù)生產(chǎn)L－蘋果酸原理1374.1.2 反應(yīng)與反應(yīng)耦合技術(shù)與傳統(tǒng)反應(yīng)工藝的比較1374.1.3 反應(yīng)與反應(yīng)耦合過程中的影響因素1394.1.4 富馬酸銨轉(zhuǎn)化體系中固定化細(xì)胞反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究1414.1.5 殘留富馬酸銨反應(yīng)生成L－天冬氨酸動(dòng)力學(xué)研究1454.2 反應(yīng)與分離耦合技術(shù)生產(chǎn)L－蘋果酸1474.2.1 反應(yīng)與分離耦合技術(shù)及其應(yīng)用1474.2.2 反應(yīng)與分離耦合技術(shù)生產(chǎn)L－蘋果酸原理1504.2.3 反應(yīng)與分離耦合技術(shù)路線與固定化細(xì)胞生產(chǎn)工藝的比較1514.2.4 反應(yīng)與分離耦合反應(yīng)的影響因素1514.2.5 富馬酸鈣與蘋果酸鈣的溶解動(dòng)力學(xué)研究1534.2.6 反應(yīng)與分離耦合過程中游離細(xì)胞中延胡索酸酶反應(yīng)動(dòng)力學(xué)156參考文獻(xiàn)159第5章 L－蘋果酸的提取、精制與干燥1625.1 提取工藝1625.1.1 鹽酸酸化法1625.1.2 鈣鹽轉(zhuǎn)晶工藝1635.2 中和1645.2.1 中和原理1645.2.2 中和工藝流程1655.2.3 中和主要設(shè)備1655.3 過濾1675.3.1 影響過濾的因素1675.3.2 過濾操作類型1675.3.3 過濾設(shè)備1675.4 酸解1705.4.1 酸解原理1705.4.2 酸解工藝流程1715.4.3 酸解主要設(shè)備1725.4.4 酸解操作規(guī)程1735.5 蘋果酸溶液的凈化1745.5.1 吸附凈化原理1745.5.2 離子交換凈化原理1765.5.3 凈化工藝流程1795.5.4 凈化設(shè)備及材料1805.5.5 凈化操作規(guī)程1815.5.6 注意事項(xiàng)1825.6 濃縮1835.6.1 蒸發(fā)流程1845.6.2 蒸發(fā)設(shè)備1855.6.3 操作規(guī)程1875.6.4 注意事項(xiàng)1875.7 結(jié)晶1875.7.1 蘋果酸結(jié)晶理論1885.7.2 工藝流程1925.7.3 結(jié)晶主要設(shè)備1925.8 干燥與包裝1965.8.1 干燥操作原理1965.8.2 干燥設(shè)備1965.8.3 蘋果酸干燥操作規(guī)程2005.8.4 干燥操作的要點(diǎn)2005.9 其他提取方法2015.9.1 絡(luò)合萃取法2015.9.2 電滲析技術(shù)203參考文獻(xiàn)205第6章 DL－蘋果酸的生產(chǎn)工藝2066.1 DL－蘋果酸的合成方法2066.2 生產(chǎn)路線及評(píng)價(jià)2076.3 生產(chǎn)路線的發(fā)展2096.3.1 微波法制備蘋果酸2106.3.2 順丁烯二酸酐水合制成DL－蘋果酸210參考文獻(xiàn)211第7章 D－蘋果酸制備工藝2137.1 不對(duì)稱合成法2137.2 DL－蘋果酸拆分法2157.2.1 物理拆分法2157.2.2 化學(xué)拆分法2167.2.3 微生物拆分法2167.2.4 酶拆分法2177.2.5 基因工程方法在拆分DL－蘋果酸中的應(yīng)用2187.3 生物轉(zhuǎn)化法2197.3.1 馬來酸水合酶轉(zhuǎn)化法2197.3.2 反應(yīng)與分離耦合技術(shù)生產(chǎn)D－蘋果酸220參考文獻(xiàn)226第8章 蘋果酸的質(zhì)量檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)2288.1 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)2288.1.1 外觀性狀2288.1.2 含量檢驗(yàn)2288.1.3 熔點(diǎn)測(cè)定2318.1.4 比旋光度測(cè)定2328.1.5 灼燒殘?jiān)?328.1.6 水不溶物2328.1.7 重金屬的測(cè)定2328.1.8 砷鹽的測(cè)定2328.1.9 富馬酸和馬來酸含量的測(cè)定2328.1.1 0硫酸鹽測(cè)定2338.1.1 1鐵鹽測(cè)定2338.1.1 2氯化物測(cè)定2348.1.1 3pH的測(cè)定2348.2 產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)234參考文獻(xiàn)235第9章 蘋果酸衍生物及其工業(yè)應(yīng)用2369.1 L－蘋果酸脲2369.1.1 L－蘋果酸脲晶體的制備2379.1.2 L－蘋果酸脲的晶體生長研究2389.1.3 L－蘋果酸脲晶體的二次諧波（SHG）效應(yīng)2419.1.4 L－蘋果酸脲分析2429.1.5 L－蘋果酸脲薄膜制備2459.2 L－蘋果酸銨2469.3 L－蘋果酸鉀2469.4 氨基酸?蘋果酸復(fù)合鹽2479.4.1 L－組氨酸?蘋果酸氫鹽2479.4.2 L－瓜氨酸?蘋果酸2479.5 蘋果酸金屬絡(luò)合物2489.6 聚蘋果酸的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)2489.6.1 聚蘋果酸的結(jié)構(gòu)2489.6.2 聚蘋果酸的制備方法2509.6.3 聚蘋果酸的應(yīng)用2539.7 營養(yǎng)強(qiáng)化劑——檸檬酸蘋果酸鈣螯合物及蘋果酸鈣2549.7.1 檸檬酸蘋果酸鈣螯合物2549.7.2 蘋果酸鈣2559.8 蘋果酸酯2559.9 熒光增白劑DT257參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　1.1 蘋果酸的發(fā)展歷程　　蘋果酸是非常重要的有機(jī)酸之一，廣泛地應(yīng)用于化工、食品及醫(yī)藥工業(yè)等領(lǐng)域。因其分子結(jié)構(gòu)中含有一個(gè)不對(duì)稱碳原子，所以具有旋光性，即存在L-蘋果酸和D-蘋果酸兩個(gè)手性對(duì)映體（圖1—1）。L一蘋果酸呈左旋，常以L（—）或符號(hào)S表示，廣泛存在于生物體中，作為三羧酸循環(huán)的一員參與細(xì)胞代謝；D-蘋果酸呈右旋，常以D（+）或符號(hào)R表示，人體不易代謝，吸入或吞咽其對(duì)人體有害，作為手性合成的手性源，可以合成許多重要的有機(jī)化合物；等量L-蘋果酸和D-蘋果酸的混合物為外消旋體DL-蘋果酸，在化學(xué)工業(yè)方面用途廣泛?！　≡缭?928年，Yuill就報(bào)道在培養(yǎng)黃曲霉時(shí)有少量蘋果酸伴隨琥珀酸和富馬酸產(chǎn)生。隨后世界各國陸續(xù)開展了對(duì)蘋果酸的研究，日本從1959年開始迄今從未中斷過對(duì)菌種直接發(fā)酵淀粉（或糖質(zhì)）一步轉(zhuǎn)化為L-蘋果酸的研究，并于20世紀(jì)五六十年代取得了較大突破。除日本外，泰國、以色列等國也有報(bào)道采用葡萄糖、淀粉水解糖發(fā)酵來生產(chǎn)L-蘋果酸的。我國已見報(bào)道的進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)L-蘋果酸的單位有無錫輕工業(yè)大學(xué)（現(xiàn)為江南大學(xué)）、山西省生物研究所、福建師范大學(xué)、廣東微生物研究所、山東食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計(jì)院、華僑大學(xué)和南通大學(xué)等。金其榮教授建議采取類似我國的檸檬酸發(fā)酵工藝，使用單一純菌種一步法直接發(fā)酵淀粉（或糖質(zhì)原料），并于1986年通過了技術(shù)鑒定。山西省生物研究所利用篩選的無根根霉R25和普通變形桿菌Pl混合發(fā)酵生成L-蘋果酸，曾經(jīng)于20世紀(jì)80年代末期在南通發(fā)酵廠進(jìn)行中試，當(dāng)時(shí)建成了800t規(guī)模的L-蘋果酸車間并列入國家計(jì)劃，準(zhǔn)備投入大生產(chǎn)，后因發(fā)酵時(shí)間長、產(chǎn)酸率低以及成本高等諸多原因，無法與固定化細(xì)胞及酶轉(zhuǎn)化法相比而擱淺。

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