| 题名 | 基于膜技术的乳酸连续发酵与分离工艺研究 |
| 作者 | 刘彬彬 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2010-10-28 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 万印华 |
| 关键词 | L-乳酸 植物乳杆菌嗜热菌株As1.3-H 旋转膜组件 旋转超滤膜细胞循环乳酸连续发酵 纳滤 |
| 其他题名 | Development of continuous L-lactic acid fermentation and separation process with membranes |
| 学位专业 | 生物化工 |
| 中文摘要 | 乳酸作为一种重要的工业产品，广泛应用于食品、医药、化工及材料等行业。当前，发酵法已经成为生产乳酸的主流方法，但是发酵生产乳酸的过程成本较高仍然是阻碍其发展的瓶颈问题。本论文将现有的间歇发酵与新型膜分离技术耦合，建立一种高效连续发酵乳酸的新过程，以期提高发酵生产乳酸的经济性。以本实验室保藏的植物乳杆菌嗜热菌株As1.3-H为实验菌株，与传统植物乳杆菌株As1.3进行比较，实验发现，植物乳杆菌As1.3-H的微生物比生长速率、底物消耗和乳酸生成速度、乳酸生产强度较As1.3分别提高30%、56%和70%。通过对植物乳杆菌嗜热菌株As1.3-H的分批发酵动力学分析，得知微生物的最大比生长速率为0.92 h-1，Monod系数KS为5.40 g/L，底物最大抑制浓度为185.88 g/L，产物最大抑制浓度为64.64 g/L。生长耦联因子4.31，非生长耦联因子0.13，作为初级代谢产物的乳酸的生产是生长耦联型发酵过程，应以延长微生物生长过程作为提高发酵效率的重要手段。以2Ⅲ5－2部分析因设计、最陡爬坡实验和中心复合设计组合的响应曲面分析法进行了乳酸发酵培养基中氮源的筛选优化工作。从五种经济氮源中筛选出麦芽粉和玉米浆作为替代氮源。实验发现含有16.0 g/L麦芽粉和12.0 g/L玉米浆的发酵培养基最适于植物乳杆菌嗜热菌株As1.3-H的发酵生产乳酸过程。对自行设计开发的旋转超滤膜组件进行参数计算和分析，发现其最大可提供4.76 m/s的膜面错流速度。以PAN超滤膜为实验用膜，以中心复合设计为实验方法，考察了跨膜压力、旋转速度和温度对膜渗透通量的影响，发现跨膜压力和旋转速度对渗透通量影响较大。实验构建了渗透通量与跨膜压力、旋转速度和温度之间的二次方程，优化操作条件，实验发现在1000 rpm转速、0.2 MPa的压力和35 ℃的温度下，PAN膜的渗透通量可达80 L m-1 h-1。绘制跨膜压力、旋转速度和温度交互作用对渗透通量影响的三维图形和等高线图，发现继续增加操作压力和转速，渗透通量仍可大幅提高。当转速增加时，达到最大通量的极限压力相应增加，同理，当压力增加时，达到最大通量的极限旋转速度也相应增加。当跨膜压力在0.2MPa，转速为2289 rpm时，预测通量可高达123.97 L m-2 h-1。利用串联阻力模型分析跨膜压力、旋转速度和温度对膜总阻力以及膜不同阻力分布的影响。实验发现跨膜压力越大，膜总阻力越大，由可逆污染形成的阻力占总阻力的比例越高，达65.8%；转速越高，膜的总阻力越小，由可逆污染形成的阻力占总阻力的比例越低，仅21.2%；温度不同，恒定通量相同，膜总阻力相同，但高温时不可逆污染形成的阻力占总阻力的比列最高，达48.2%。将旋转超滤膜组件与发酵罐相连，搭建了旋转超滤膜细胞循环乳酸连续发酵系统，将发酵单元与膜分离单元集成。针对旋转超滤膜组件的特点，首先考察压力和旋转速度对微生物生长、乳酸生产的影响。此外，考察了耦合起始时间、流加液组分和稀释率对膜细胞循环乳酸连续发酵的影响。通过过程设计论证了旋转超滤膜细胞循环乳酸连续发酵的可行性，确定了连续发酵的实验流程。在指数期后期起始稀释率为0.5 h-1的全细胞循环的乳酸连续发酵实验，补加5g/L酵母粉和无机盐组合的流加液，乳酸生产强度可达31.5 g/L·h。通过加入细胞排放程序，进行了110 h、稀释率为0.2 h-1的膜细胞循环乳酸连续发酵实验，生产强度可达12.6 g/L·h。以澄清乳酸发酵液为研究体系，研究了用于乳酸分离的纳滤操作条件。在考察三种商业化膜的分离性能后发现NF270膜对乳酸、葡萄糖的分离具有高的选择性和低跨膜压力。应用响应曲面分析优化纳滤操作条件，在pH 2.0，温度45 ℃，葡萄糖浓度9 g/L，流速（通量）0.14 mL/min和转速1500 rpm的条件下，乳酸截留率为2.54%，葡萄糖截留率高达100%，TMP仅为1.36 MPa，同时实现了葡萄糖的高截留率和乳酸的高透过率。将纳滤与旋转超滤膜细胞循环系统集成，探索了乳酸边发酵边制备的流程；通过NF90膜对纳滤渗透液的浓缩，乳酸浓度可达到97 g/L。 |
| 英文摘要 | L-lactic acid, an important chemical agent, is widely used in the food, pharmaceutical, chemical and material industries. In recent years，fermentation has become the main method to produce L-lactic acid, but the high cost of fermentation is still the bottleneck for its development. The present work aims to achieve high efficient continuous lactic acid fermentation through the integration of fermentation with the new membrane separation technology, thereby enhancing the economy of lactic acid production. |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2013-09-22 |
| 页码 | 153 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1624]  |
| 专题 | 过程工程研究所_研究所（批量导入） |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 刘彬彬. 基于膜技术的乳酸连续发酵与分离工艺研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2010. |
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