聚乳酸单体L-乳酸由米根霉固定化发酵玉米秸秆水解物的生产研究

发布时间：2020-05-10 08:18

【摘要】：生物材料聚乳酸是受到广泛关注的生物相容性良好和全生物降解材料，由乳酸聚合而成。如果聚乳酸单体乳酸能够从廉价的生物质资源通过生物炼制转化而来，则无论对医学发展、环境保护还是资源节约都具有重要意义。乳酸是基本的有机酸之一，是一种重要的平台化合物，实现生物炼制生产也是未来生物基经济代替石油基经济的重要产业组成。要实现生物炼制生产乳酸目前尚有一些技术瓶颈需要被攻克，最主要的有两点，一是将木质纤维素原料低成本、高效率的转化成可生物利用的小分子糖类；二是生物发酵纤维素来源的糖类高效转化生产乳酸。目前该领域的技术积累还不能完全满足大规模的工业化生产，相关产业的经济效益还不能与以石油为基础的产业相比。本研究将针对这两大技术瓶颈，围绕农作物秸秆木质纤维素的高效糖化技术、米根霉固定化发酵生产乳酸等内容展开研究。我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富，在各类秸秆资源中尤其以玉米秸秆最为丰富。如何提高玉米秸秆的糖化效率是利用该资源进行生物炼制，用于生产平台化合物的关键。在利用纤维素酶水解玉米秸秆纤维素生产葡萄糖的过程中，秸秆的致密结构是酶解β-1,4-糖苷键的主要障碍，本研究中我们采用蒸汽爆破技术对木质纤维素结构进行破坏，以提高纤维素酶解效率。在蒸汽爆破预处理玉米秸秆的研究中，以酶解还原糖产率为响应值，采用均匀实验设计得到最佳汽爆工艺条件，即汽爆压力2.2MPa、液固比1:1、维压时间9min、物料颗粒度40-60目。在此工艺条件下酶解还原糖产率是未处理原料的1.97倍。化学组分分析显示，蒸汽爆破处理后秸秆物料中纤维素含量及木质素含量相对于原料分别增加了29.73%和19.65%，说明通过蒸汽爆破预处理能够提高秸秆物料中纤维素的相对含量。SEM观察可见，蒸汽爆破处理后其结构破坏明显，表面出现褶皱，结构变的蓬松，比表面积增大。以优化工艺对玉米秸秆进行蒸汽爆破预处理，然后进行水/醇抽提处理，将纤维素、半纤维素和木质素等组分进行分离，进一步提高纤维素酶的可及性。对底物浓度、纤维素酶用量、酶解反应时间等因数采用单因素分析和响应面分析实验进行工艺优化。以酶解还原糖产率为响应值，对回归方程求解得到的最佳工艺条件为：底物浓度53.28g/L，纤维素酶用量53.32FPU/g，酶解时间60.45h，此工艺条件下还原糖产率的最大预测值为694.11mg/g。经过试验验证，得到酶解后还原糖产率为672.36mg/g，与模型预测结果接近。在相同酶解工艺条件下，经过蒸汽爆破-水/醇处理后物料酶解还原糖产率较原料提高了170.46%，较单纯蒸汽爆破后物料提高了28.97%。化学组分分析显示，水/醇处理能有效分离纤维素、半纤维以及木质素，进一步提高物料中的纤维素含量，SEM图谱也显示水醇处理使秸秆物料的结构变的更加的蓬松，这些因素可有效增加纤维素酶对纤维素的可及性，提高了酶解效率。为了克服丝状真菌发酵过程中细胞形态不易控制，机械运动易造成菌丝断裂损伤；会形成大的菌丝团，阻碍氧气和营养物质的传递等不利生产的特点。对米根酶固定化发酵技术进行了研究，包括固定界面的选择、固定支架的设计以及固定化效果的评价。并利用玉米秸秆水解物为主要碳源，筛选出适合利用水解物发酵产酸的米根霉菌种，采用固定化发酵技术进行了摇瓶和反应器发酵生产乳酸的研究，优化了发酵工艺。通过多种米根霉和乳酸杆菌发酵产乳酸的比较，筛选出米根霉As3.3462菌种是适合发酵玉米秸秆酶解物生产乳酸的菌种。为了制作出适合米根霉固定化发酵的固定支架，试验筛选出棉布是用于米根霉固定的良好纤维表面，六角星形载体菌丝层层固定后仍具有较大的表面积，多棱角的结构使菌丝层内部具有较好的物质传输特性，适合菌体生长和产酸。通过孢子固定动力学的研究发现，米根霉孢子能完全固定在载体上，随着菌丝的生长，吸附率急剧上升。通过对孢子固定动力曲线的数学拟合，发现孢子的吸附符合一级反应动力学特征。载体尺寸、数量与反应器容量以及孢子接种量间对于菌体生长和乳酸生产存在最佳比例关系。通过100mL的摇瓶实验，直径2.5cm、3个载体、1×106/mL的孢子接种浓度对菌体生长和乳酸生产最为有利。进一步研究As3.3462米根霉固定化发酵玉米秸秆水解物生产L-乳酸。为了了解米根霉对玉米秸秆水解物的代谢特性，分别研究米根霉对葡萄糖和木糖的代谢，揭示木糖代谢的磷酸戊糖途径乳酸转化率低，但能有效提高生物量，以玉米秸秆水解物发酵生产乳酸主要通过葡萄糖代谢转化。通过葡糖糖和木糖混合模拟玉米秸秆水解物，从糖消耗的动力学分析，米根霉优先消耗葡萄糖，对木糖的消耗需要经历一段时间的“适应性”调整，乳酸生成主要在葡萄糖消耗阶段。玉米秸秆水解物包含22.8%的葡萄糖和27.2%的木糖，其发酵动力学特点与1:1的混糖模拟类似。随着葡萄糖被迅速消耗，木糖的消耗速度逐渐提高，发酵176h时乳酸生产水平达到最大15g/L，转化率约30%，整个过程伴有乙醇的生成。在单因素分析的基础上，通过均匀设计优化了同步糖化发酵，使糖化和发酵过程良好耦合，秸秆转化率接近15%。采用本室自行设计制作的鼓泡式生物反应器，对米根霉固定化发酵的工艺进行了放大研究。考察了反应器中孢子的吸附和萌发状况，结果显示，通气对孢子固定具有干扰作用，在0.5vvm的通气量下需要10h萌发的孢子才能全部固定。通过对菌丝层的通气特性分析显示，菌丝层厚与氧气传输速率间非线性，超过15mm的临界厚度，菌丝层会严重阻碍氧的传输，提示固定发酵的菌丝层厚要控制在15mm的范围内。通过比较固定发酵和游离发酵，前者乳酸转化率可以达到72%，而后者只有40.4%，固定发酵显著优于游离发酵。同时进行了重复批次发酵和同步糖化发酵的研究，重复批次发酵可以连续发酵6批次，乳酸转化率保持在40%以上，同步糖化发酵可以达到57%的转化率。综上所述，为了有效的将玉米秸秆纤维素转化成L-乳酸，我们对玉米秸秆的物理和化学的预处理技术、生物酶解糖化技术进行了系统研究，建立了一种成本低、环境污染小、效率高的玉米秸秆木质纤维素糖化技术，为玉米秸秆资源用于生物炼制奠定了基础。接着以米根霉发酵玉米秸秆水解物生产L-乳酸为目的，筛选出了适合发酵产酸的米根霉菌种As3.3462，通过比较发现米根霉对葡萄糖和木糖转化途径的差异性，为有效利用秸秆资源提出了新思路。通过不同性质的材料对比筛选出适合米根霉固定的纤维材料，以增大表面积、提高菌团内部物质传输为目的，设计出了一种具有优化几何形状的固定化载体，并用于玉米秸秆水解物的固定化发酵研究。根据该固定化特点，设计制作了鼓泡式生物反应器用于工艺放大研究，，通过建立气窜实验模型，分析了玉米秸秸秆水解物发酵液中的溶氧特性和菌丝层中溶氧传输特性，确定了反应器通气控制。利用优化的工艺进行补料分批发酵和同步糖化发酵试验，证实该固定化发酵技术具有较好的稳定性和较高的转化效率，以此研究为基础有望开发出满足产业化的玉米秸秆转化生产L-乳酸的工艺和设备。
【图文】：

降解模型,纤维素酶

若将三种组分的酶分离则水解过程不能持续进行下去，说明三种纤间是相互协同的关系，一种酶的产物是另一种酶的底物[71-75]。纤维素酶关系如图 1.2 所示，β-1,4-葡聚糖内切酶在整酶解作用关系中处于中心地在 Cx 酶的作用下纤维素大分子被酶解成不溶性或可溶性纤维寡糖，然酶的作用能够直接水解生成葡萄糖，也可通过 C1酶的作用下水解产生纤进一步被 CB 酶水解得到葡萄糖，C1酶能将纤维素大分子水解成为纤维维三糖，但不能直接水解成为葡萄糖。C1酶的作用过程可以被分成两个先将纤维素分解为纤维二糖，然后纤维二糖被水解成葡萄糖。但是纤维量积累对 Cx 酶和 C1酶都会产生强烈的抑制作用，所以可通过补充外源高纤维二糖的水解速率，消除抑制效应促进整个酶解反应的进行。同时反应的进行，葡萄糖的积累对于 CB 酶的酶解作用也会产生一定的抑制作在酶解过程中不断的移除酶解产物，对于提高酶解效率非常重要，目前些膜分离技术，或通过同步糖化发酵技术边糖化边消耗，促进酶解过程,78]。

米根霉,富马酸,代谢途径,发酵方式

图 1.4 米根霉生产乳酸、富马酸、乙醇的代谢途径Figure1.4 Pathways for production of lactic acid, fumaric acid, and ethanol in R. oryzae. (Llactate dehydrogenase; ADH: alcohol dehydrogenase)发酵方式在发酵方式的选择上需要考虑发酵菌种、底物特点等。目前利用最为广泛发酵方式是分批发酵，也称间歇发酵。该发酵工艺的特点是技术要求低，工单，但是生产周期长，且发酵产率较低，乳酸收率大约在 45%，劳动强度大前工业上采用的碳酸钙-间歇发酵会产生大量的废渣，造成环境污染，因此目内外都在积极探索新的发酵工艺[82,87]。相对于分批发酵，连续化发酵具有更加高效的优势，是发酵工艺、反应器的主要研究方向。连续发酵的控制比较困难，要实现连续发酵，需要在连续装置上多次实验，找出菌体、底物、产物的相关动力学规律，使底物消耗、生长、产物形成达到动态平衡。连续化发酵的缺点是微生物容易发生遗传变染菌。因此连续化发酵的连续性是有限的，一般为数月至一、两年，即便如
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X712

【参考文献】