发酵法生产丙酸钙中试及提取工艺研究

发布时间：2020-07-19 19:01

【摘要】：丙酸是一种理想的食品防腐剂和重要的精细化工原料,随着人们观念的提升,对绿色食品、天然防腐的要求越来越高,生物发酵法生产丙酸受到的关注越来越多,发展也越来越快。目前,发酵法生产丙酸的研究主要集中于实验室以及小规模试验阶段,工业放大及成果转化率不高,在提取过程上也面临诸多问题。微生物发酵是一个复杂的过程,在放大过程中任何一个因素的改变都可能引起发酵过程复杂的变化。产酸丙酸杆菌生长需要一定的营养物质和培养条件,发酵结束后,发酵液中会含有残留的营养物质以及菌体代谢产物。从发酵液中提取丙酸需要对丙酸发酵液进行分离以及脱色处理,提高其纯度和产品色泽。实现发酵法生产丙酸的产业化及建立经济高效、纯度又符合使用标准的丙酸提取工艺是现阶段面临的迫切需要解决的问题。本论文在本研究室前人研究发酵法生产丙酸的基础上,对发酵规模进行逐级的放大。在放大过程中对发酵工艺做一个系统的优化及完善,探索出一条可直接用于工业上发酵法生产丙酸的工艺路线。之后采用蒸馏法、钙酸碱中和法、离子交换法、活性炭脱色法等方法,根据不同方法的特性建立提取制备高纯度丙酸的提取工艺。论文的主要研究如下:1产酸丙酸杆菌发酵法生产丙酸钙中试的研究在本研究室已经优化的发酵工艺基础上,进一步比较发酵方式分批发酵与分批补料发酵的优劣,发酵规模由摇瓶培养扩大至7 L罐发酵罐培养,之后再在150 L罐对发酵法生产丙酸工艺进一步优化调整,在2 T罐发酵培养验证发酵工艺的发酵水平。得到如下结论:1)发酵方式的比较中,分批发酵与分批补料发酵的方式各有优劣。分批发酵过程中最终的产酸量要低于分批补料的发酵方式,原因是分批发酵的葡萄糖以及玉米浆初始浓度比较高,对产酸丙酸杆菌的生产有抑制作用,故产酸率略低,但是发酵过程中不需要补料,减少了染菌的机率,且操作简单,这是分批发酵的优势;分批补料发酵方式最终产酸浓度要比分批发酵高10%左右,但操作相对比较复杂,考虑到发酵水平和产业化放大的需求,选取产酸量高的分批补料发酵方式作为主要的培养方式。2)发酵规模由500 ml摇瓶培养扩大到7 L罐发酵,再逐级放大到150 L罐,最后放大至2 T罐进行中试生产发酵培养,通过逐级的放大培养不断优化调整出一条工艺路线。发酵水平的高低主要用产酸总量、糖酸转化率、生产效率来衡量,故在不同的发酵规模测定这些相关的指标。相较于摇瓶培养,发酵罐培养具有pH实时调控、菌体分散均匀、菌体生长较快等优势,所以产酸量升高,糖酸转化率较高,发酵周期变短。优化出了一条可直接用于工业发酵法生产丙酸的工艺路线。此工艺路线在中试试2 T规模发酵中产酸浓度39.67 g·L~(-1)、糖酸转化率0.461 g·g~(-1)、生产效率为0.331 g·L~(-1)·h~(-1),发酵水平基本与小规模实验相同,但未达到最高发酵水平,需做进一步的优化。2提取制备高纯度丙酸的研究利用离子交换法、蒸馏浓缩法、活性炭脱色法以及钙盐沉淀法等方法建立提取制备高纯度丙酸的提取工艺,主要结果如下1)使用001x7H型树脂,利用离子交换法将发酵液中的氨根离子等阳离子用氢离子置换出来,达到发酵液酸化的目的。001x7H型树脂的酸化处理量为树脂体积的3倍,酸化后发酵液pH可达到2.35。蒸馏法可以将丙酸从酸化的发酵液中蒸馏出来,最佳蒸馏条件为温度60℃,真空度-0.1 MPa,转速27rpm,蒸发效率1.2 L/h,蒸出的丙酸浓度与发酵液中丙酸浓度持平,将蒸出丙酸液进行钙化,浓缩至原体积的1/3,离心洗涤进一步纯化,喷雾干燥得到产品丙酸钙含量为为82.38%,色泽为纯白色。2)利用活性炭对发酵液进行脱色研究。结果发现,影响脱色效果的主要因素为活性炭使用量、脱色温度以及脱色时间,活性炭吸附对丙酸的损失影响不大,丙酸保留率基本维持在85%以上,通过正交试验得出的最佳脱色工艺为活性炭用量2.0%,温度50℃,脱色时间90 min。丙酸钙的溶解度要大于发酵液中某些有机酸盐的溶解度,利用钙盐沉淀法将发酵液中某些有机酸除去,达到进一步纯化的目的。经过活性炭脱色和钙盐沉淀法提纯,得到的产品丙酸钙含量为54.14%,颜色为白色或淡黄色。3)根据已优化的发酵液丙酸条件和活性炭脱色条件,对从发酵液中提取丙酸的工艺进一步优化和调整,将活性炭脱色环节调整到发酵液浓缩后,调整后的优势为活性炭的使用量降低为原来的20%~30%,且脱色效果良好。除此之外,活性炭吸附后,将活性炭分离与浓缩后纯化合为一步,简化了整个工艺路线。利用钙盐沉淀法将发酵液中某些有机酸除去,达到进一步纯化的目的。经过活性炭脱色和钙盐沉淀法提纯,得到的产品丙酸钙含量为62.35%,颜色为白色或淡黄色。
【学位授予单位】：河北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ929;TQ262.2
【图文】：

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图 1.1 丙酸杆菌的丙酸合成途径Fig 1.1 Propionic acid synthesis pathway of Propionibacterium.2.2 影响发酵法生产丙酸产量的因素影响 PA 发酵的几个因素包括微生物种类，培养方式，pH 值，温度，碳源，发酵等，主要因素有：）培养方式已经通过应用各种培养方式如分批发酵、分批补料发酵和连续发酵等方式实现A 的生产[1,22]。为了达到以低成本高产 PA 的目的，对每种方法的优点和缺点进行了。分批发酵是生产 PA 最常用的系统，生产过程需要 2 周才能完成[10]。分批发酵过的主要限制因素是细菌生长比较缓慢和终产物对菌体抑制作用[23]。传统的 PA 生物

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第 2 章发酵法生产丙酸中试放大工艺研究论准曲线绘制为横标，峰面积为纵标作标准曲线。得回归方程 y=73线性范围（2～10 g·L-1）。/分批补料发酵产酸对比

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河北大学工学硕士学位论文A、B 指的是使用两种不同的发酵培养基而导致的不同的发酵方式的生产丙酸过程曲线。由图显示，用 A 发酵培养基分批补料发酵培养的最终产酸浓度为 45.12 g·L-1，而B 发酵培养基分批发酵产酸浓度仅为 40.96 g·L-1。原因是 A 培养基相较于 B 来说葡萄糖初始浓度较低，没有抑制，有利于菌体生长，除此之外，葡萄糖单独灭菌，温度低，利于代谢葡萄糖，所以产酸较高。B 培养基葡萄糖初始浓度较高，对菌体有较强的抑制，整个发酵过程糖代谢慢，没有补糖，产酸低。所以以下实验均采用分批补料发酵方式为最适发酵培养方式。2.3.3 摇瓶规模发酵生产丙酸过程曲线

【参考文献】