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以廉价生物质生产L-乳酸新方法研究

王勇  
【摘要】:L-乳酸作为生物基大宗化学品已被广泛应用,但是在我国粮食安全问题凸显,环境保护需求不断增强的大背景下,探索使用农业副产品作为非粮原料发酵生产L-乳酸已成为维护国家粮食战略储备水平,降低产品生产成本,落实环保政策的重要途径之一。探究高效地利用农业副产品发酵生产L-乳酸,并为进一步的放大化生产提供实用可靠的技术支持是本文的研究重点。主要工作如下:1、作为米糠提油后的重要副产品,脱脂米糠富含淀粉、蛋白和无机盐。在脱脂米糠水解液发酵生产L-乳酸的过程中,摇瓶实验证明,脱脂米糠水解液作为唯一底物产酸可以有效替代mMRS培养基。在5L罐水平的批次发酵实验中,L-乳酸的时空产率为3.63 gL-1 h-1,产量为142 gL-1,糖酸转化率为94.5%。对以脱脂米糠为原料发酵生产L-乳酸的工艺过程进行了初步的经济核算,L-乳酸的发酵成本为玉米淀粉酵母浸粉培养基的57.72%,为玉米淀粉玉米浆粉培养基的87.8%。此外,饲料蛋白作为该工艺过程中的重要副产品,可在以上基础上进一步降低成本支出的64.0%。2、研究了以脱脂米糠和玉米糠为代表的糠类淀粉质为原料采用同步糖化发酵的方式生产L-乳酸,产量分别达到了 82.7 g Kg-1和85.5 g Kg-1下罐浆液。进一步地,以白糠为原料,采用耐热凝结芽孢杆菌B.coagulans LA-15-2,在开放式同步糖化条件下发酵产L-乳酸。在批次发酵过程中,采用分段控pH的抑菌策略,乳酸产量为117 gL-1,时空产率和糖酸转化率分别达到了 2.79 g L-1 h-1和98.75%,由于避免了灭菌和复杂的原料预处理过程,蒸汽消耗量较以脱脂米糠水解清液发酵产L-乳酸工艺下降了 41%,在发酵成本上是玉米淀粉酵母浸粉培养基的36.2%,为玉米淀粉玉米浆粉培养基的56.7%。3、基于纤维质原料甜高粱杆,采用耐热凝结芽孢杆菌B.coagulans LA1507开放式同步糖化发酵产L-乳酸的过程中,研究了不同纤维素酶用量和秸秆浓度对批次发酵的影响。确定了纤维素酶用量为25FPU g-1碱解处理后的甜高粱杆,初始秸秆浓度为10% (w/v)。在补料-批次发酵过程中,采用了分段式控制pH抑菌策略,L-乳酸的时空产率为1.59 g L-1 h-1,产量为111 g L-1。基于实验过程的物料衡算表明,L-乳酸的得率为0.437g g-1甜高粱秸秆。4、采用甜高粱秸秆作为L.RhamnosusLA-04-1的固定化载体,在固定化纤维床反应器中进行了 L-乳酸的反复批次发酵过程。反复批次发酵过程共包含了 15个批次发酵过程,在每批次发酵中,L-乳酸的产量在80-O0gL-1,时空产率维持在3.8-4.0gL-1 h-1,糖酸转化率在80%左右。5、以甜高粱汁为原料,采用产蔗糖转化酶的菌株L. rhamnosus LA-04-1,以反复批次发酵的方式产L-乳酸,菌体回用采用中空纤维膜过滤实现。工艺过程中克服了菌体的碳代谢抑制效应,实现了蔗糖,葡萄糖和果糖的同步利用。最终的菌体密度(OD620)达42.3, L-乳酸的时空产率由批次1的1.45 g L-1 h-1提高到批次6的17.55 g L-1 h-1。各个批次L-乳酸的产量维持在60 g L-1,糖酸转化率达到0.954 g g-1。6、为了实现以甜高粱汁为原料开放式发酵生产L-乳酸,采用B.coagulansLA1507 rhamnosus LA-04-1 混合发酵产酸,对批次发酵过程中的pH控制方式,原料液糖浓度和发酵培养基组成进行了优化。在优化条件下,L-乳酸的产量和得率分别达到121 gL-1和94.6%,时空产率为2.18gL-1 h-1。此外,通过金属元素,磷元素和氨基酸成分分析,证明了玉米浆粉结合甜高粱汁替代酵母浸粉无机盐培养基的可行性,在玉米浆粉甜高粱汁培养基下,L-乳酸产量,糖酸转化率和时空产率分别达到了 118 gL-1,92.1%和1.84g L-1 h-1。7、以玉米秸秆为底物采用两段式发酵的方式联产乙醇和L-乳酸,实现了玉米秸秆水解液中可发酵糖向发酵产品的高效转化,克服了天然酵母菌无法利用木糖的弊端,提高了底物利用率。以含有120gL-1葡萄糖和33 g L-1木糖的玉米秸秆水解液为底物,乙醇和L-乳酸产量分别达到了 50.3 g L-1 和 24.25g L-L。8、研究了基于乳酸镁结晶的包含产品在线移除的反复批次发酵过程,乳酸镁结晶沉淀可在发酵温度(42 ℃)下进行,且无需添加晶种。L-乳酸浓度为143 g L-1,时空产率和糖酸转化率分别达到2.41 gL-1 -1和94.3%。在四个结晶循环中,发酵液回用率和乳酸移除率的平均值分别为64.0%和77.7%。此外,与补料批次发酵相比,此工艺过程节省了 40%的水,41%的无机盐和43%的酵母浸粉用量。基于乳酸镁结晶的反复批次发酵过程在降低发酵原料用量的同时,降低了发酵废水排放量,为推动L-乳酸的绿色环保生产奠定了基础。9、研究了以脱脂米糠为底物发酵生产L-乳酸的工艺放大过程,在150 L发酵罐水平上进行的米糠糖解清液发酵实验中,L-乳酸产量为145 g L-1,时空产率和糖酸转化率分别达到2.38 g L-1 h-1和94.9%,进一步的中试平台建设为实现工业化生产奠定了基础。在500 L发酵罐水平上基于脱脂米糠的同步糖化发酵实验中,最终L-乳酸产量为88 g L-1,时空产率和糖酸转化率分别达到2.46 g L-1 h-1和87.65%。此外,对两种发酵方式在年产2000 t L-乳酸规模水平上进行了工艺过程评价。


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