苦参药渣的预处理及开放式发酵产L-乳酸的研究

发布时间：2020-08-07 08:49

【摘要】：随着中草药和中成药的应用日益广泛,不可避免地产生了大量中药渣。中药渣的资源化利用对提高药厂经济效益、保护环境具有重要的意义。本论文以苦参药渣为原料,通过开放式发酵制取有广泛用途的L-乳酸,对预处理和发酵的工艺条件进行了优化,并对发酵过程的细菌群落变化和产物生成动力学进行了探讨。通过比较NaOH、稀H2SO4和水热预处理后苦参药渣的纤维素酶解产糖效果,得知最适宜的预处理方法为NaOH预处理,这是因为NaOH预处理可去除苦参药渣中大部分木质素,使半纤维素发生脱乙酰反应,使得药渣表面原本光滑致密的结构变得粗糙松散,从而增加了纤维素对酶的可及度,提高了酶解产糖效果。NaOH预处理最适宜的操作条件为:NaOH浓度1%(w/v)、固液比1:10、温度80℃、预处理时间60min。在此条件下,药渣酶解时的还原糖产率可达到85.0%。通过牛津杯等试验发现,苦参药渣中残留的药用成分—苦参总碱浓度不高,不影响干酪乳杆菌的生长和乳酸发酵。进一步通过比较苦参药渣不同发酵方式和不同pH值调节频率下产L-乳酸的效果,得知本研究最适宜的发酵方式为开放式同步糖化发酵,并间隔12 h用氢氧化钠调节发酵液pH值至8.5。经过60 h发酵后,乳酸的浓度、产率和生产速率分别达到51.1 g/L、0.85 g/g和0.85 g/(Lh)。对开放式乳酸发酵过程中细菌的群落结构进行分析,发现在乳酸积累阶段,发酵系统中接种的干酪乳杆菌的丰度均在99.6%以上,占据绝对优势。当乳酸浓度达到稳定后,杂菌Bacillus和Clostridium的丰度有所上升,导致副产物乙酸的浓度有所增加。将发酵液pH值间歇地调节至8.5能够有效地抑制产乙醇酵母的生长和代谢,从而抑制副产物乙醇的生成。将NaOH预处理产生的废液(PL)回用于乳酸发酵过程能够有效提高乳酸的产量。当发酵液中PL比例为50%时可使乳酸浓度达到55.1 g/L,比不加入PL的对照组提高了34.3%,而耗水量降低了 67.6%。这可能是由于PL的加入使得发酵液的pH值更为稳定,从而提高了纤维素酶活的稳定性,同时,PLL比例为50%时抑制了产乙醇酵母的生长而对乳酸菌影响不大,因此减少了副产物乙醇的生成,提高了乳酸的浓度和产率。对苦参药渣开放式同步糖化发酵过程中的动力学进行分析,确定了乳酸的生成符合重新参数化的Logistic模型和Gompertz模型。本研究为乳酸的生产提供廉价原料的同时,实现中药渣的资源化利用,具有重要的现实意义和应用前景。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X787;TQ921.3
【图文】：

纤维素类,产乳,生物质,预处理

的碳水化合物转化为可发酵的单糖，如葡萄糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等。利用纤维逡逑素类物质发酵产乳酸的流程可分为以下四个步骤：预处理、水解、发酵和乳酸的分离与逡逑提纯，其流程如图２－２所示。下面分别就这四个步骤进行介绍。逡逑纤维素类物质逡逑丨预处理！逡逑入逡逑＇逦水解后的逦纤堆素逡逑逦＾邋Ｌ和木质素ｊ逡逑ｎ廮…：逡逑１邋：逡逑钱为逦ｆ葡萄糖’逡逑「＿扭＿与板：！逡逑乳酸产品逡逑图２－２纤维素类生物质发酵产乳酸的一般流程逡逑２．３．１纤维素类物质的预处理逡逑在生物质中，纤维素含量最多，半纤维素次之，二者之和一般占到６０％以上，而木逡逑质素含量一般在１０％－３０％之间。这三种成分是植物细胞壁的主要组成，其结构特点是排逡逑列规则的纤维素分子聚集成束，形成微纤维，半纤维素位于微纤维之间，好像是填充在逡逑纤维素框架中的填充料。半纤维素和木质素形成牢固的结合层，紧密包褒着纤维素，阻逡逑碍了酶和纤维素的接触。因此，预处理的主要目标就是去除木质素，分离纤维素和半纤逡逑维素，增加酶的接触面积，部分解聚纤维素，增加材料的孔隙率以利于后续的酶水解［８ｔ）］。逡逑１８逡逑

纤维素类,预处理方法,物质

北京科技大学博士学位论文逡逑常见的纤维素类物质的预处理方法如图２－３所示。预处理方法主要可分为物理法、逡逑化学法、物理化学法和生物法。这些预处理方法都有各自的优点，但也存在一些不足。逡逑例如，机械粉碎法可增加比表面积，降低聚合度同时还对生物质有剪切作用，但当物料逡逑的粒径在４０目以下时，继续粉碎则无法提高物料的水解产率和速率［８１］；高温热解法通逡逑常需要将温度升到１６０￣１８０°Ｃ以上，造成半纤维素和木质素的溶解，该过程中会生成某逡逑些对微生物有抑制作用或有毒的物质，如糠醛和５－轻甲基糠醛（５－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌｆｕｒｆｉｉｒａｌ，逡逑ＨＭＦ）等。这些物质如果不除去，有可能浓缩并沉淀在生物质上，影响后续的生物发酵逡逑过程［８２］；利用有机溶剂等虽然可以在一定程度上使结晶纤维素向无定形纤维素转化，提逡逑高酶解效果

工艺流程图,酸解法,乳酸,钙盐

２．３．４乳酸的分离与纯化逡逑在工业化生产过程中，乳酸的分离和纯化步骤至关重要，因其对乳酸成品的质量和逡逑成本具有重要影响。传统的乳酸分离工艺为钙盐酸解法，其工艺流程如图２－４所示。发逡逑酵液升温并加入ＣａＯ进行碱化处理后，除去其中的菌体、蛋白质等胶体杂质，得到的逡逑乳酸钙滤液经适当浓缩并在一定条件下结晶后，用离心机分离除去母液。随后将残留的逡逑母液和一些蛋白质、糖类及色素洗去后，得到乳酸钙的白色晶体。加热溶解该晶体，用逡逑Ｈ２Ｓ０４进行酸解，加入适量的活性炭进行脱色，分离除去ＣａＳ０４、活性炭滤渣，得到粗逡逑乳酸溶液。再用阴阳离子交换树脂处理经浓缩后的粗乳酸液，除去其中的Ｃｌ＼邋Ｓ０４２＼逡逑Ｃａ２＋、Ｆｅ３＋等阴阳离子，所得的离子交换液再经浓缩至浓度８０％以上，即得到成品乳酸。逡逑该提取方法工艺成熟，操作条件易于控制。但其操作工序多，劳动强度大，每生产１吨逡逑乳酸约产生１吨的ＣａＳ０４。此外

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