以廉價(jià)生物質(zhì)生產(chǎn)L-乳酸新方法研究.pdf

1、L-乳酸作為生物基大宗化學(xué)品已被廣泛應(yīng)用，但是在我國(guó)糧食安全問(wèn)題凸顯，環(huán)境保護(hù)需求不斷增強(qiáng)的大背景下，探索使用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品作為非糧原料發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸已成為維護(hù)國(guó)家糧食戰(zhàn)略儲(chǔ)備水平，降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，落實(shí)環(huán)保政策的重要途徑之一。探究高效地利用農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸，并為進(jìn)一步的放大化生產(chǎn)提供實(shí)用可靠的技術(shù)支持是本文的研究重點(diǎn)。主要工作如下:
　　1、作為米糠提油后的重要副產(chǎn)品，脫脂米糠富含淀粉、蛋白和無(wú)機(jī)鹽。在脫脂米糠水解液發(fā)酵

2、生產(chǎn)L-乳酸的過(guò)程中，搖瓶實(shí)驗(yàn)證明，脫脂米糠水解液作為唯一底物產(chǎn)酸可以有效替代mMRS培養(yǎng)基。在5L罐水平的批次發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，L-乳酸的時(shí)空產(chǎn)率為3.63 g L-1 h-1，產(chǎn)量為142 g L-1，糖酸轉(zhuǎn)化率為94.5％。對(duì)以脫脂米糠為原料發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的工藝過(guò)程進(jìn)行了初步的經(jīng)濟(jì)核算，L-乳酸的發(fā)酵成本為玉米淀粉&酵母浸粉培養(yǎng)基的57.72％，為玉米淀粉&玉米漿粉培養(yǎng)基的87.8％。此外，飼料蛋白作為該工藝過(guò)程中的重要副產(chǎn)品，可在以

3、上基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低成本支出的64.0％。
　　2、研究了以脫脂米糠和玉米糠為代表的糠類淀粉質(zhì)為原料采用同步糖化發(fā)酵的方式生產(chǎn)L-乳酸，產(chǎn)量分別達(dá)到了82.7 g Kg-1和85.5g Kg-1下罐漿液。進(jìn)一步地，以白糠為原料，采用耐熱凝結(jié)芽孢桿菌B.coagulans LA-15-2，在開(kāi)放式同步糖化條件下發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸。在批次發(fā)酵過(guò)程中，采用分段控pH的抑菌策略，乳酸產(chǎn)量為117 g L-1，時(shí)空產(chǎn)率和糖酸轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了2.7

4、9 g L-1 h-1和98.75％，由于避免了滅菌和復(fù)雜的原料預(yù)處理過(guò)程，蒸汽消耗量較以脫脂米糠水解清液發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸工藝下降了41％，在發(fā)酵成本上是玉米淀粉&酵母浸粉培養(yǎng)基的36.2％，為玉米淀粉&玉米漿粉培養(yǎng)基的56.7％。
　　3、基于纖維質(zhì)原料甜高粱桿，采用耐熱凝結(jié)芽孢桿菌B.coagulans LA1507開(kāi)放式同步糖化發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸的過(guò)程中，研究了不同纖維素酶用量和秸稈濃度對(duì)批次發(fā)酵的影響。確定了纖維素酶用量為25

5、FPU g-1堿解處理后的甜高粱桿，初始秸稈濃度為10％(w/v)。在補(bǔ)料-批次發(fā)酵過(guò)程中，采用了分段式控制pH抑菌策略，L-乳酸的時(shí)空產(chǎn)率為1.59 g L-1 h-1，產(chǎn)量為111 gL-1?；趯?shí)驗(yàn)過(guò)程的物料衡算表明，L-乳酸的得率為0.437 g g-1甜高粱秸稈。
　　4、采用甜高粱秸稈作為L(zhǎng).Rhamnosus LA-04-1的固定化載體，在固定化纖維床反應(yīng)器中進(jìn)行了L-乳酸的反復(fù)批次發(fā)酵過(guò)程。反復(fù)批次發(fā)酵過(guò)程共包含了

6、15個(gè)批次發(fā)酵過(guò)程，在每批次發(fā)酵中，L-乳酸的產(chǎn)量在80-90 g L-l，時(shí)空產(chǎn)率維持在3.8-4.0 g L-1 h-1，糖酸轉(zhuǎn)化率在80％左右。
　　5、以甜高粱汁為原料，采用產(chǎn)蔗糖轉(zhuǎn)化酶的菌株L.rhamnosusLA-04-1，以反復(fù)批次發(fā)酵的方式產(chǎn)L-乳酸，菌體回用采用中空纖維膜過(guò)濾實(shí)現(xiàn)。工藝過(guò)程中克服了菌體的碳代謝抑制效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了蔗糖，葡萄糖和果糖的同步利用。最終的菌體密度(OD620)達(dá)42.3，L-乳酸的時(shí)空產(chǎn)率

7、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。各個(gè)批次L-乳酸的產(chǎn)量維持在60 g L-1，糖酸轉(zhuǎn)化率達(dá)到0.954 g g-1。
　　6、為了實(shí)現(xiàn)以甜高粱汁為原料開(kāi)放式發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸，采用B.coagulans LA1507& L.rhamnosus LA-04-1混合發(fā)酵產(chǎn)酸，對(duì)批次發(fā)酵過(guò)程中的pH控制方式，原料液糖濃度和發(fā)酵培養(yǎng)基組成進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化條件下，L-乳酸的產(chǎn)量和得率分別達(dá)

8、到121 g L-1和94.6％，時(shí)空產(chǎn)率為2.18 g L-1 h-1。此外，通過(guò)金屬元素，磷元素和氨基酸成分分析，證明了玉米漿粉結(jié)合甜高粱汁替代酵母浸粉&無(wú)機(jī)鹽培養(yǎng)基的可行性，在玉米漿粉&甜高粱汁培養(yǎng)基下，L-乳酸產(chǎn)量，糖酸轉(zhuǎn)化率和時(shí)空產(chǎn)率分別達(dá)到了118 g L-1，92.1％和1.84 g L-1 h-1。
　　7、以玉米秸稈為底物采用兩段式發(fā)酵的方式聯(lián)產(chǎn)乙醇和L-乳酸，實(shí)現(xiàn)了玉米秸稈水解液中可發(fā)酵糖向發(fā)酵產(chǎn)品的高效轉(zhuǎn)化，

9、克服了天然酵母菌無(wú)法利用木糖的弊端，提高了底物利用率。以含有120 g L-1葡萄糖和33 g L-1木糖的玉米秸稈水解液為底物，乙醇和L-乳酸產(chǎn)量分別達(dá)到了50.3 g L-1和24.25 g L-1。
　　8、研究了基于乳酸鎂結(jié)晶的包含產(chǎn)品在線移除的反復(fù)批次發(fā)酵過(guò)程，乳酸鎂結(jié)晶沉淀可在發(fā)酵溫度(42℃)下進(jìn)行，且無(wú)需添加晶種。L-乳酸濃度為143 g L-1，時(shí)空產(chǎn)率和糖酸轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到2.41g L-1 h-1和94.3％。

10、在四個(gè)結(jié)晶循環(huán)中，發(fā)酵液回用率和乳酸移除率的平均值分別為64.0％和77.7％。此外，與補(bǔ)料批次發(fā)酵相比，此工藝過(guò)程節(jié)省了40％的水，41％的無(wú)機(jī)鹽和43％的酵母浸粉用量?；谌樗徭V結(jié)晶的反復(fù)批次發(fā)酵過(guò)程在降低發(fā)酵原料用量的同時(shí)，降低了發(fā)酵廢水排放量，為推動(dòng)L-乳酸的綠色環(huán)保生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。
　　9、研究了以脫脂米糠為底物發(fā)酵生產(chǎn)L-乳酸的工藝放大過(guò)程，在150 L發(fā)酵罐水平上進(jìn)行的米糠糖解清液發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，L-乳酸產(chǎn)量為145 g