收藏本站
《华中科技大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

发酵与分离耦合高强度生产L-乳酸的研究

卢正东  
【摘要】: L-乳酸是一种重要的有机酸,广泛应用于食品、医药和化工领域,作为合成可生物降解、环境友好新材料—聚乳酸(PLA)的主要原料,L-乳酸应用前景极其光明。目前存在着原料成本较高、发酵周期较长产率较低、发酵过程能耗和三废排放量较大等问题,导致L-乳酸生产成本居高不下,成为制约L-乳酸产业发展的瓶颈。为解决上述问题,本研究采用廉价的盾叶薯蓣为原料,实行分段控制培养条件和细胞回流高强度发酵,大幅提高L-乳酸产量和生产率,同时清洁联产副产物薯蓣皂苷元,增加原料附加值,力争多途径降低L-乳酸发酵生产成本。 (1)从自然界筛选出一株高光学纯度L-乳酸产生菌Lactobacillus rhamnosusHG09,以该菌株为出发菌株,先进行紫外线联合诱变剂的复合诱变,再进行5轮递推式原生质体融合(Genome shuffling),最终筛选出1株遗传性能稳定的正向突变株L.rhamnosus HG09F5-27,在含160g/L的盾叶薯蓣淀粉酶解糖和0.35mol/L薯蓣皂苷的培养基中,L-乳酸产量达到141.33±4.11g/L,生产率达到1.76±0.04g/L/h,分别是出发菌株的4.09和4.40倍,为高强度发酵奠定了菌种基础。 (2)为不与人争粮,筛选出非粮原料——盾叶薯蓣淀粉为L-乳酸发酵生产碳源,以替代较为昂贵的玉米淀粉碳源,从农副产品中筛选出廉价高效的麸皮水解液替代玉米浆等作为氮源,选择罗田甜柿汁替代极为昂贵的酵母粉提供生长因子,并采用析因实验和响应面法优化培养基,获得最大L-乳酸产量144.28±2.71g/L,其对应的麸皮水解液和甜柿汁用量分别为比优化前节约了0.75%和16.00%。 (3)建立了以盾叶薯蓣淀粉酶解糖液为底物的L.rhamnosus HG09F5-27的单批发酵动力学模型方程,发现L-乳酸产量、糖酸转化率和最大比生长速率(μmax)随培养基初糖浓度的升高而降低;研究了几种常用中和剂解除发酵产物抑制的效果,发现Ca(OH)2调节pH能力较为理想;确立了不同发酵阶段pH、温度和通风等培养条件的分段控制策略,L-乳酸产量和生产率分别达到151.27±3.15g/L和2.70±0.06g/L/h,分别比恒定条件发酵提高5.57%和32.35%。 (4)采用100 L规模的外循环式膜生物反应器,实现细胞回流式半连续发酵生产L-乳酸;发现脉冲补料能有效解除底物抑制,生产率比不补料提高了32.07%;在细胞循环发酵中,第N轮发酵末期活细胞数目愈多,第N+1轮发酵L-乳酸产量和生产率就越大;采用脉冲补料及细胞回流发酵,随着发酵轮次的增加生物量缓慢上升,L-乳酸产量、生产率及糖酸转化率先升后降,第8轮L-乳酸产量达到157.26±3.06g/L,比单批发酵提高了12.89%,生产率达到8.73±0.17g/L/h,是单批发酵的4.11倍,大大降低了能耗; (5)为获得L-乳酸发酵副产物——薯蓣皂苷元,采用蒸汽爆破及多种酶水解联合预处理盾叶薯蓣原料,使90%以上的薯蓣皂苷分配到糖液中;随后进行发酵与分离耦合的L-乳酸生产,采用纳滤浓缩发酵液,富集薯蓣皂苷,使薯蓣皂苷元的得率达到2.21±0.13g/100g,比传统酸水解法提高了6.76%,而废水和废渣排放量减少了95%以上,实现了盾叶薯蓣皂苷元生产的源头治理污染。 本研究的创新点包括:通过传统物理化学复合诱变结合原生质体融合技术,选育出一株耐L-乳酸盐和薯蓣皂苷的正向突变菌株,L-乳酸光学纯度大于98%,产量和生产率分别是出发菌株的4.09和4.40倍;筛选出一种可用于L-乳酸发酵的新非粮原料——盾叶薯蓣,使L-乳酸生产原料成本间接降低至玉米原料的1/2;采用脉冲补料和细胞回流发酵技术,使L-乳酸发酵生产半连续进行12轮次,与单批发酵相比,L-乳酸产量提高12.89%,生产率提高3倍;采用二级发酵与多级膜分离耦合技术,使L-乳酸生产废水和废渣排放量分别只有传统钙盐法的1/5和1/4,同时实现了L-乳酸的副产品——薯蓣皂苷元的清洁生产,其得率比传统酸水解法提高了6.76%,硫酸用量、废水和废渣排放减少95%以上,实现了节能减排的目标。 本研究提供的发酵与膜分离耦合系统和技术,有可能同样适用于以其它杆状、球状细菌或酵母菌等微生物为生产菌的发酵生产,筛选出的盾叶薯蓣原料有可能同样适用于琥珀酸和乙醇等产品的发酵生产。本研究为利用一种非粮原料联产多个产品提供了方法学借鉴。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TQ921.3

手机知网App
【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 魏蜜;微生物法清洁生产黄姜皂素新技术及工程化研究[D];华中科技大学;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 李坤朋;大肠杆菌工程菌HBUT-L的构建、发酵及其乳酸分离研究[D];湖北工业大学;2013年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈西伟;;pH值对柠檬酸深层发酵的影响与调节控制探讨[J];现代农业科技;2009年05期
2 樊福成;刘亚平;李磊;;黄姜皂素的清洁生产[J];环境科学与技术;2005年S2期
3 钱志良,胡军,雷肇祖;乳酸的工业化生产、应用和市场[J];工业微生物;2001年02期
4 徐国谦;储炬;王永红;庄英萍;张嗣良;彭华琼;邱伙琴;;不同的中和剂对L(+)-乳酸发酵的影响[J];工业微生物;2007年04期
5 许庆龙;刘立明;史仲平;堵国成;陈坚;;基于动力学模型的丙酮酸分批发酵温度控制策略[J];化工学报;2008年08期
6 刘国兴;王元好;孙丽慧;戴建英;孙亚琴;董悦生;修志龙;;盾叶薯蓣糖化液发酵生产2,3-丁二醇[J];过程工程学报;2009年01期
7 张延平;李寅;马延和;;细胞工厂与生物炼制[J];化学进展;2007年Z2期
8 潘鹤林;陈晨;;黄姜资源清洁高效利用研究进展[J];上海化工;2009年06期
9 吴昊;姚忠;姜岷;刘辉;陈可泉;韦萍;;丁二酸发酵液的膜分离过程研究[J];食品与发酵工业;2007年05期
10 张宁 ,彭志英;中空纤维超滤膜浓缩胞外多糖PS-9415发酵液的研究[J];食品工业科技;2003年02期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘立明;光滑球拟酵母中糖酵解效率与丙酮酸合成的调控研究[D];江南大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 龙晋明,樊爱民,司云森;PP和R-PVC耐衣康酸腐蚀性能研究[J];工程塑料应用;1999年01期
2 仲松;张庆庆;孙平平;;紫外诱变原生质体选育高产L-乳酸菌株的研究[J];安徽工程大学学报;2011年01期
3 许鹏;张庆庆;汤文晶;吕闻闻;;复合诱变原生质体选育高抑菌活性纳豆菌[J];安徽工程大学学报;2011年04期
4 张继民,钟成义,骆春华;草酸的分光光度法测定[J];安徽机电学院学报(自然科学版);1997年04期
5 李市场;葛春梅;古绍斌;潘仁瑞;余增亮;;低能离子修饰技术在L-乳酸菌诱变中的应用[J];安徽农业科学;2007年15期
6 蒲洋;丁涓;李静;张玉霞;;不同中和剂对L-乳酸发酵的影响[J];安徽农业科学;2009年11期
7 徐俭;石贵阳;张梁;丁重阳;;陶瓷膜在聚合级L-乳酸纯化工艺中的应用[J];安徽农业科学;2009年27期
8 徐颖;;杜马斯燃烧法在进出口谷物和油料检测中的应用[J];安徽农业科学;2010年25期
9 潘声龙;;玉米清液发酵生产柠檬酸的工艺研究[J];安徽农业科学;2010年29期
10 孙晶;朱学伸;王苑;杨爱丽;;食品中L-乳酸检测方法及其研究进展[J];安徽农业科学;2010年31期
中国重要会议论文全文数据库 前5条
1 黄万抚;叶茜;;电渗析的分离机理及应用[A];第二届中国膜科学与技术报告会论文集[C];2005年
2 ;Genome shuffling of Megasphaera elsdenii for improving acid-tolerance and propionate production[A];中国畜牧兽医学会家畜内科学分会第七届代表大会暨学术研讨会论文集(上册)[C];2011年
3 杨晶凡;韩茹;;酶反应技术在中药提取中的应用综述[A];第一届全国中药商品学术大会论文集[C];2008年
4 卫强;徐世民;白冬梅;韩振为;;乳酸的精制工艺研究[A];第三届全国传质与分离工程学术会议论文集[C];2002年
5 姚晔;余沐洋;邓宁;何建波;;高效毛细管电泳分离检测5种β-内酰胺类抗生素[A];中国化学会第27届学术年会第09分会场摘要集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张相洋;杂质存在条件下的乳酸锌结晶行为研究[D];华东理工大学;2010年
2 董宏伟;运动发酵单胞菌基因操作体系的改进及其在生物炼制过程中的应用[D];华东理工大学;2011年
3 张益波;新型β-葡萄糖苷酶菌株syzx4筛选、发酵及酶纯化表征和应用[D];吉林大学;2011年
4 刘模;米根霉发酵液中乳酸酯化水解精制工艺、机理研究[D];合肥工业大学;2011年
5 刘芸;苹果渣固态发酵高蛋白产量菌株筛选及发酵条件研究[D];陕西师范大学;2011年
6 周冠武;杨树木材木质素含量快速评价及漆酶活化木质素制备纤维板的研究[D];中国林业科学研究院;2011年
7 于冰;产絮菌的差异表达蛋白质及其功能解析研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
8 周祥;井冈霉素生物合成限速步骤解析及高产[D];上海交通大学;2011年
9 俞志敏;啤酒超高浓酿造中酵母代谢的分析与调控[D];华南理工大学;2011年
10 庞宗文;发酵木糖产乙醇真菌的分离鉴定及产乙醇代谢特性的研究[D];广西大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 陈若雯;高产胞外多糖乳酸乳杆菌的选育及其发酵条件的优化[D];华中农业大学;2010年
2 刘辉;红曲霉发酵提高γ-氨基丁酸含量的研究[D];安徽工程大学;2010年
3 赵紫薇;色褐链霉菌产磷脂酶D的发酵条件优化及诱变育种研究[D];河南工业大学;2010年
4 梁晓磊;溶液聚合法制备聚乳酸的研究[D];哈尔滨理工大学;2010年
5 王雷;盾叶薯蓣皂苷元制备新工艺研究[D];暨南大学;2009年
6 胡彬;洱海沉积物无机氮释放特征及其通量研究[D];南昌大学;2010年
7 袁向利;嗜酸氧化亚铁硫杆菌浸出低品位磷矿技术研究[D];武汉科技大学;2010年
8 赵国振;马铃薯为原料发酵制备L-乳酸的研究[D];昆明理工大学;2010年
9 汪军;提升光滑球拟酵母酸耐受性加强丙酮酸合成[D];江南大学;2010年
10 张勤;耐酸酵母的选育及初步应用[D];江南大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 钟惠民,袁瑾,辛宝玲,于永良,张玉冰;黄山药中氨基酸及营养成分[J];氨基酸和生物资源;2002年04期
2 张志扬,李江华,贾丽云,谭丁;UASB-生物接触氧化-絮凝沉淀法处理皂素废水[J];城市环境与城市生态;2003年S1期
3 万金荣,丁志遵,周太炎;叉蕊薯蓣和粉背薯蓣根茎中游离氨基酸的比较[J];西北植物学报;1990年02期
4 曹玉芳,胡正海;盾叶薯蓣实生苗根状茎的形态发生及薯蓣皂甙积累的研究[J];西北植物学报;2003年07期
5 周振起,封玉贤;薯蓣皂甙元分离工艺的研究及其综合利用[J];西北植物学报;1995年03期
6 张勇,祁恩成,张守诚,叶兴刚,林宏伟;黄姜—皂素废水综合处理技术的探讨[J];环境科学与技术;2004年S1期
7 杨雪芬;罗泽娇;信欣;;PVA固定化厌氧污泥处理皂素废水试验研究[J];环境科学与技术;2007年02期
8 李耀辰;周旋;刘超;蔡鹤生;焦珍;;黄姜皂素清洁生产工艺试验研究[J];环境科学与技术;2008年01期
9 汪多仁;;乳酸生产的发展与市场开拓[J];甘肃化工;2000年04期
10 胡晓莲;王西峰;;电—Fenton氧化法处理皂素生产废水[J];工业水处理;2009年04期
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 张秋卓;稻草秸秆降解中生物表面活性剂的增效作用及发酵新工艺[D];哈尔滨工业大学;2008年
2 余君;不同预处理工艺对稻壳纤维素酶酶解效果的影响[D];华中农业大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 卫强;L-乳酸发酵及精制工艺研究[D];天津大学;2004年
2 周剑;L-乳酸生产菌株的诱变选育及发酵条件初步优化[D];南京工业大学;2005年
3 朱克卫;L-乳酸高产菌株的选育及低成本玉米浆发酵培养基的优化[D];吉林大学;2006年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李祥锴,安志东,朱非;林肯链霉菌双亲灭活原生质体融合的研究[J];氨基酸和生物资源;2001年04期
2 向纪明,李金灿;黄姜中提取薯蓣皂素的新工艺研究[J];安康师专学报;2003年01期
3 王竞,周集体,曹文伟,王栋,项学敏,曲天明,徐和利;超滤浓缩担子菌发酵液聚合物的研究[J];大连理工大学学报;1999年03期
4 周振起,封玉贤;薯蓣皂甙元分离工艺的研究及其综合利用[J];西北植物学报;1995年03期
5 杨志华;谢雄;王晖;李华才;;膜分离技术处理皂素酸性废水的试验研究[J];地质科技情报;2007年01期
6 席鹏彬,李德发,龚丽敏;菜籽饼粕营养品质及其在猪日粮中的应用[J];饲料工业;2002年06期
7 张勇,祁恩成,张守诚,叶兴刚,林宏伟;黄姜—皂素废水综合处理技术的探讨[J];环境科学与技术;2004年S1期
8 吴成昌,田杰,戴军发;黄姜产业可持续发展对策研究[J];环境科学与技术;2005年02期
9 袁道凌;发展黄姜产业循环经济探讨[J];环境科学与技术;2005年04期
10 洪厚胜,顾亚军;黄原胶发酵液纯化精制研究[J];工业微生物;2000年02期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李真金;任丹;苏文涛;姬超宏;葛绍荣;;L-乳酸高产菌选育及其发酵条件的优化[J];四川大学学报(自然科学版);2011年02期
2 高江婧;严群;阮文权;;一株产L-乳酸菌株的筛选、鉴定及营养条件的初步研究[J];食品与生物技术学报;2010年03期
3 赵国振;熊向峰;陈朝银;;应用统计学方法优化L-乳酸发酵培养基[J];食品科技;2010年12期
4 周邦荣;;美国乳酸产量在迅速扩大[J];金山油化纤;1993年01期
5 袁原,李贤柏,邹在柏,刘晓华,赵万华,胡尚勤;乳酸粪链球菌对氨基酸和生物素的需要与乳酸产量的研究[J];重庆师范学院学报(自然科学版);1996年03期
6 田康明;石贵阳;王正祥;;嗜热菌合成乳酸的研究[J];食品研究与开发;2009年08期
7 李检秀;孙靓;吴军华;郭铃;孙菲菲;黄艳燕;;一株耐高温L-乳酸高产菌的选育及其发酵特征[J];广西科学;2011年03期
8 洪安安;程可可;孙燕;陈珍;彭枫;刘灿明;刘德华;;代谢甘油高产乳酸的菌种选育及培养基优化[J];微生物学通报;2009年08期
9 胡晶高;赵耿;方柏山;;戊糖乳杆菌发酵废甘油生产乳酸的条件优化在[J];化学工程与装备;2011年08期
10 姜坤妤;苏喆;王勇;潘超强;朱燕;郑秀;高强;;产L-乳酸的运动发酵单胞菌代谢工程菌株的构建[J];生物技术通报;2011年06期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 卢正东;发酵与分离耦合高强度生产L-乳酸的研究[D];华中科技大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 朱朝阳;L-乳酸高产菌株的诱变选育[D];河南科技大学;2011年
2 赖超凤;嗜热厌氧杆菌产乳酸的代谢调控研究[D];华南理工大学;2011年
3 闫征;L-乳酸高产菌株的选育及其代谢的研究[D];天津科技大学;2003年
4 储春才;L-乳酸菌的发酵及优化条件的研究[D];吉林大学;2010年
5 孙晓雯;细菌L-乳酸发酵培养基及发酵条件的优化[D];天津科技大学;2008年
6 赵国振;马铃薯为原料发酵制备L-乳酸的研究[D];昆明理工大学;2010年
7 刘云;Lb.paracasei HD1.7合成L-乳酸的发酵条件优化及代谢流分析[D];黑龙江大学;2008年
8 李银镝;D-乳酸高产菌株的选育、发酵条件的优化及代谢通量分析[D];天津大学;2007年
9 侯艳梅;L-乳酸产生菌的太空诱变及发酵条件的研究[D];湖南农业大学;2008年
10 高江婧;产L-乳酸菌种的选育和发酵条件的研究[D];江南大学;2009年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026