甘油生物转化联产乳酸及其盐析萃取

1,3-丙二醇论文 乳酸论文 联产论文
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1,3-内二醇(1,3-Propanediol,1,3-PD)和乳酸都是应用广泛并具高附加值的大宗生物基化学品,二者均可用于化妆品、药品等领域,且在新型材料领域应用尤为突出。1,3-丙二醇和乳酸分别是聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)和聚乳酸的合成单体,市场应用前景广阔。目前,利用微生物发酵生产大宗化学品,大多追求的是单一产品,存在原料利用率低,副产物浪费等问题。本课题组前期研究发现,克雷伯氏杆菌(Klebsiella pneumoniae)代谢甘油不仅能主产1,3-丙二醇,还能副产2,3-丁二醇、乳酸、琥珀酸、乙酸、乙醇等,但甘油转化率不足50%。为提高原料利用率,降低生产成本,本论文通过采用碳酸钠控制发酵过程pH、增加发酵罐二氧化碳的分压(通过减少尾气排放二氧化碳方式)、流加琥珀酸以及以粗甘油为原料来调控克雷伯氏杆菌代谢甘油的过程,提高1,3-丙二醇和乳酸的总产率,实现1,3-丙二醇和乳酸联产。首先,采用批式流加发酵方式,以氢氧化钠控制发酵过程pH作为对照,探索了碳酸钠控制发酵过程pH对克雷伯氏杆菌代谢甘油联产1,3-丙二醇和乳酸的克行性。实验结果表明,利用碳酸钠控制发酵过程pH,一方面促进菌体自身生长,另一方面利于1,3-丙二醇和乳酸的联产。其中,发酵过程中菌体OD值最高可达13.6,比对照组提高了25%;发酵33h后,1,3-丙二醇和乳酸浓度分别为79.48g/L,和41.97g/L,分别比对照组提高38%和28%;1,3-丙二醇和乳酸的质量转化率分别为41.46%和21.89%,二者总转化率为63.35%,比对照组提高4%。其次,在碳酸钠控制发酵过程pH基础L,分别考察了采用增加发酵罐二氧化碳分压、流加琥珀酸以及以粗甘油为原料的策略来调控克雷伯氏杆菌代谢甘油的过程。实验结果表明,与仅利用碳酸钠控制发酵过程pH相比,增大罐内压力至4kPa(表压)时,菌体的OD值最高为9.6,1,3-丙二醇浓度和乳酸浓度分别为52.81g/L和56.02g/L,质量转化率分别为34.70%和36.85%,总转化率为71.55%;流加琥珀酸时,菌体OD值最高为10.54,1,3-丙二醇浓度和乳酸浓度分别为52.11g/L和54.85g/L,质量转化率分别为33.83%和35.62%,总转化率为69.45%;以粗甘油为发酵原料时,菌体OD值最高为9.61,1,3-丙二醇浓度和乳酸浓度分别为46.67g/L和56.13g/L,质量转化率分别为29.69%和35.71%,总转化率为65.40%。增加发酵罐二氧化碳分压、流加琥珀酸以及以粗甘油为原料不利于碳源流向菌体生长和1,3-丙二醇的生成通路,但有利于其流向乳酸的生成通路,提高了1,3-丙二醇和乳酸的总质量转化率。最后,在课题组前期研究发现盐析萃取1,3-丙二醇效果显著的基础上,以乳酸发酵液为对象,探索了盐析萃取乳酸的可行性,以期为利用盐析萃取技术同时分离提取1,3-丙二醇和乳酸奠定基础。通过系统考察乳酸在不同盐析萃取体系中的分配规律,发现K2HPO4/甲醇和K2HPO4/乙醇体系适合分离发酵液中的乳酸。发酵液中乳酸浓度为167g/L时,采用25%(w/w)K2HPO4/26%(w/w)甲醇盐析萃取体系,乳酸的分配系数和回收率分别为4.01和86.0%;采用14%(w/w)K2HPO4/30%(w/w)乙醇盐析萃取体系,乳酸的分配系数和回收率分别为3.23和90.6%.此时上相中残余葡萄糖、菌体和可溶性蛋白的去除率分别达到67.3%、100%和85.9%。实验结果表明,盐析萃取同样适用于分离乳峻,为利用多步盐析萃取从Klebsiella pneumoniae代谢甘油联产1,3-丙二醇和乳酸的发酵液中有效分离目标产物提供了操作上的可能性。
摘要第1-6页
Abstract第6-10页
引言第10-11页
1 文献综述第11-25页
   ·1,3-丙二醇、乳酸和甘油概述第11-14页
     ·1,3-丙二醇概述第11页
     ·乳酸概述第11-12页
     ·甘油概述第12-14页
   ·生物转化法生产1,3-丙二醇和乳酸第14-16页
     ·生物转化法生产1,3-丙二醇和乳酸概述第14页
     ·生物转化法生产1,3-丙二醇和乳酸菌种第14-15页
     ·生物转化法生产1,3-丙二醇和有机酸代谢途径第15页
     ·生物转化法生产1,3-丙二醇和有机酸生产现状第15-16页
   ·1,3-丙二醇和乳酸分离现状第16-19页
   ·盐析萃取技术第19-23页
     ·双水相萃取技术第19-22页
     ·盐析萃取技术的应用第22-23页
   ·本课题的研究内容、方案与意义第23-25页
     ·本课题的研究内容第23页
     ·本课题的研究方案第23-25页
2 微生物转化甘油联产1,3-丙二醇和乳酸第25-47页
   ·引言第25页
   ·实验仪器与方法第25-29页
     ·实验仪器第25-26页
     ·实验方法第26-27页
     ·分析方法第27-29页
   ·结果与讨论第29-46页
     ·碳酸钠调控pH对发酵的影响第29-36页
     ·增加发酵罐二氧化碳分压对发酵的影响第36-39页
     ·流加琥珀酸对发酵的影响第39-42页
     ·粗甘油为原料对发酵的影响第42-45页
     ·不同策略调控Klebsiella pneumoniae代谢甘油比较第45-46页
   ·本章小结第46-47页
3 盐析萃取发酵液中的乳酸第47-64页
   ·引言第47-48页
   ·实验材料和方法第48-49页
     ·实验材料第48页
     ·实验设备与分析仪器第48页
     ·实验方法第48-49页
   ·结果与讨论第49-62页
     ·盐析萃取体系的筛选第49-51页
     ·体系pH对乳酸分配的影响第51-53页
     ·利用正交试验考察不同因素对乳酸分配影响第53-55页
     ·磷酸氢二钾/甲醇盐析萃取体系分离乳酸第55-58页
     ·磷酸氢二钾/乙醇盐析萃取体系分离乳酸第58-61页
     ·两种盐析萃取体系的比较第61-62页
   ·本章小结第62-64页
结论第64-65页
展望第65-66页
参考文献第66-69页
攻读硕士学位期间发表学术论文情况第69-70页
致谢第70-71页
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