CN101153296A - 一种中和剂反馈控制底物浓度生产l-乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种中和剂反馈补料生产L－乳酸的方法及系统，包括常规制备种子的方法，然后进行兼性厌氧发酵，在兼性厌氧发酵时，利用中和剂消耗量和底物消耗量之间的函数关系，通过加入中和剂消耗量反馈联动加入底物的量来控制发酵过程中的底物浓度，使发酵液中的底物(葡萄糖等)浓度控制在一定的范围内。该方法通过监测中和剂的消耗量，能够较准确的反馈控制发酵液中的底物浓度，从而消除底物抑制，提高产物L－乳酸的产量。在发酵过程中可以采用单片机或者电脑控制，也可以通过人工手动控制(人工在线监测，随时调控)，投资小，操作简单，适合于工业化生产。

Description

一种中和剂反馈控制底物浓度生产L-乳酸的方法

技术领域

本发明属于化工原料生产领域，涉及一种生产L-乳酸的方法，具体涉及一种通过中和剂的消耗量反馈控制底物(碳源)浓度的生产方法。

背景技术

L-乳酸是一种有机酸，分子量为90.08，是一种重要的工业原料，可广泛用于医药、食品、化工、酿造、香料、皮革、卷烟和印染等多种工业。美国约60％的乳酸用于食品工业，其它主要用于制备乳酸盐、乳酸酯类及医药工业；日本60％用于食品，30％用于工业，医药和化妆品占10％。近年来，随着“白色污染”、化石资源的大量消耗和不可再生资源价格的节节攀升，发展环境友好型的替代产品是保证生态链良性循环、经济可持续发展的必然要求。在众多可生物降解聚合物中，聚乳酸以其优异的机械性能、广泛的应用领域、显著的社会效益，赢得了全球塑料行业的瞩目。以乳酸为原料制取聚乳酸，作为生物可降解材料引起世界各国的广泛重视，被认为是最具发展前途的高分子材料之一。2000年全球塑料消费量约1.15亿吨，如果10-20年后全球范围内生物基塑料能够替代石油基塑料消费量的10-20％，聚乳酸的年需求量将达到1150-2300万吨。

目前世界乳酸生产企业有荷兰的PURAC公司，美国的ADM公司、Ecochem公司、斯特林化学公司。日本有武藏野化学公司和日本大赛路化学公司。国内乳酸生产厂主要包括：河南金丹乳酸有限公司；安徽丰原-格拉特乳酸有限公司(与比利时合资)；广水市民族化工有限公司；江西武藏野生物化工有限公司(与日本合资)和湖北孝感亚风乳酸集团公司。

在L-乳酸的发酵过程中，几乎都采用批式发酵。在这种生产过程中，维持一定的底物(葡萄糖等)浓度对于L-乳酸的积累非常重要。这是由于发酵过程中如果底物(葡萄糖等)浓度过高，则会产生底物抑制，影响微生物生长，因此需要将底物浓度控制在一个恒定的范围，一般都是较低的水平。

为了实现以上的目标，一般采用补料发酵，即在发酵开始时加入适量的底物，然后以某种方式补加底物(葡萄糖、乳糖、半乳糖等)，以维持底物浓度在适宜的范围内，使之既不产生底物抑制，也不缺乏。补料发酵按补料方式可以分为程控补料(动力学模拟方程)和反馈补料，包括间歇补料和连续补料，连续补料又可分为恒速、指数和变速流加，已经广泛应用于工业生产中。虽然这些补料的方法都是为了消除底物的抑制或缺乏，控制菌体的比生长速率，提高目的产物的产量以及实现细胞的高密度培养。但是对于程控补料来说，由于发酵生产的多变性，各批次之间有差异，所以难以将发酵过程中底物浓度控制在恒定的范围内。

而对于反馈控制，由于没有底物(葡萄糖、乳糖、半乳糖等)浓度在线监测的电极，都是采用取样离线测量，导致底物浓度测量一般都会延迟30～60min。这种方法很难实时将底物(葡萄糖、乳糖、半乳糖等)浓度准确的控制在一个较小的范围。

发明内容

鉴于现有生产L-乳酸方法在补料时具有延迟性、盲目性、影响生产控制、导致发酵产量低的缺陷，本发明的目的在于克服这些缺陷，提供一种可以实时控制发酵过程、提高发酵产量的生产L-乳酸的方法。

本发明另一目的在于提供使用上述方法生产L-乳酸的流加控制系统。

本发明提供的一种中和剂反馈补料生产L-乳酸的方法，是在兼性厌氧发酵过程中，利用底物消耗量和碱消耗量之间的函数关系，通过测定碱消耗量来控制底物的加入量，从而实时控制发酵液中底物浓度在一个适宜的范围内，具体包括如下步骤：

1)将菌种制得的种子液接入发酵罐的培养基中开始发酵；

2)利用pH电极监测发酵液的pH值变化，当体系pH下降到发酵液的pH设定值以下，通过一pH控制系统控制碱溶液加入，直至发酵液的pH回升至设定值；

3)将碱溶液消耗量传递给一底物控制系统，底物控制系统根据底物消耗量与碱消耗量函数关系计算补底物量，控制补底物加入量，使发酵液中即时底物浓度回升至预控恒底物浓度；

4)重复步骤2)和3)，发酵至L-乳酸产生速度很慢或者不再产酸，停止发酵。

所述的底物消耗量和碱消耗量之间的函数关系式为：

A＝Y/X

其中，Y为底物消耗量，X为碱消耗量，A为系数，A的取值与发酵菌种和发酵初始条件有关，通过预试验确定；

补底物量＝(预控恒底物浓度-即时底物浓度)×即时发酵液体积，

补底物量＝补底物溶液体积×补底物溶液浓度

其中，所述菌种是干酪乳杆菌Lactobacillus casei；发酵培养基中接种量为5～20％；发酵起始底物浓度为90～200g/l，优选125g/l；发酵温度为35～50℃；发酵底物为葡萄糖、乳糖、半乳糖或它们的混合物。

所述的补底物为葡萄糖、乳糖、半乳糖或它们的混合物，发酵流加液中底物浓度为500～1000g/l，优选700g/l；预控恒底物浓度为10～30±5g/l。

所述的发酵液的pH设定值在5.5～7.0之间；所述的碱为碳酸钙、氢氧化钙、氨水、氢氧化钾、氢氧化钠或它们的混合物。

所述的碱消耗量和底物的消耗量通过天平称量，或者通过流量计测量。

本发明利用上述方法生产L-乳酸的流加控制系统，包括发酵罐、温度电极、pH电极、pH控制系统、由碱溶液罐和碱溶液输送泵组成的碱溶液输送系统、底物控制系统、由底物溶液罐和底物溶液输送泵组成的底物输送系统，所述的温度电极和pH电极感应端置入发酵罐中发酵液液面以下，pH电极连接pH控制系统，再连接碱溶液输送泵，碱溶液输送泵的液体吸入端置于碱溶液罐的液面以下，底物溶液输送泵和碱溶液输送泵的液体输出端置于发酵罐中发酵液液面以上，底物溶液输送泵的液体吸入端置于底物溶液罐的液面以下，碱溶液输送系统与底物控制系统信号连接，底物输送系统与底物控制系统信号连接。

其中，还包括一底物溶液称量装置和一碱溶液称量装置，所述碱液称量装置置于碱溶液罐的下方，并与底物控制系统信号连接，所述底物溶液称量装置置于底物溶液罐的下方，并与底物控制系统信号连接。

所述碱溶液输送泵和底物溶液输送泵各装设流量计，所述流量计分别与底物控制系统信号连接。

所述的pH控制系统和底物控制系统通过单片机、电脑、或者人工实现。

与现有技术相比，本发明提供的中和剂反馈补料生产L-乳酸方法的优益之处在于：通过监测中和剂的消耗量，能够较准确的反馈控制发酵液中的底物浓度，从而消除底物抑制，提高产物L-乳酸的产量。在发酵过程中可以采用单片机或者电脑控制，也可以通过人工手动控制(人工在线监测，随时调控)，投资小，操作简单，适合于工业化生产。

附图说明

图1为本发明一种中和剂反馈控制底物浓度系统示意图；

图2为图1所示系统进行中和剂反馈控制原理示意图；

图3为本发明另一种中和剂反馈控制底物浓度系统示意图；

图4为图3所示系统中和剂反馈控制原理示意图；

图5为实施例1中发酵体系中底物随时间补加量图；

图6为实施例2中发酵体系中底物随时间补加量图。

具体实施方式

下面的具体方法可以使本领域技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

概括而言，本发明中和剂反馈补料生产L-乳酸的方法，包括常规制备种子的方法，然后进行兼性厌氧发酵。其特征在于：在兼性厌氧发酵时，利用中和剂消耗量和底物消耗量之间的函数关系，通过加入中和剂消耗量反馈联动加入底物的量来控制发酵过程中的底物浓度，使发酵液中的底物(葡萄糖等)浓度控制在一定的范围内。

本发明采用生物发酵的方法生产L-乳酸，用干酪乳杆菌制备种子，然后进行兼性厌氧发酵。由于发酵过程中会产生有机酸，从而引起发酵液pH的下降，为了维持稳定的pH，需要中和剂-碱来中和产生的有机酸，中和剂(碱溶液)的消耗量和底物(葡萄糖、乳糖、或半乳糖等)的消耗量具有非常好的线性关系，通过中和剂消耗量反馈联动补加底物的量来控制底物浓度，使发酵液中的底物浓度在预设的范围内，既不产生底物抑制，也不缺乏。

本发明中和剂-碱溶液的消耗量和底物(葡萄糖、乳糖、半乳糖等)的消耗量之间的函数关系为：

A＝Y/X                     式一

其中，Y为底物消耗量，X为碱消耗量，A为系数，A的取值与发酵菌种和发酵初始条件有关，在确定的发酵菌种和发酵初始条件下，通过小规模实验测定发酵过程中底物消耗量和碱消耗量，绘制Y与X的关系曲线，其斜率数值即为系数A；

补底物量＝(预控恒底物浓度-即时底物浓度)×即时发酵液体积   式二

补底物量＝补底物溶液体积×补底物溶液浓度                  式三

(发酵液中原料的消耗体积与产生的新物质的体积基本相同)

以上式中，X、A的含义与前相同。其中，式四和式五中，初底物浓度、体积、发酵液初始体积、碱液密度、补加底物浓度等均为预设值，X为操作中实际测量值；式二中预控恒底物浓度是预设值，通过式四计算得到的即时底物浓度和式五计算得到的即时发酵液体积来计算得到补底物的量(重量)，通过称重控制底物的补加量；也可以将式二计算的补底物量代入式三中，在补底物溶液浓度已知的情况下，计算得到补底物溶液的体积，通过流量泵控制底物的补加体积。

本发明生产L-乳酸中的流加控制系统，主要为获取碱溶液的加入量数值和控制底物的加入量。其中一种实施方式请参考图1及图2所示：包括一发酵罐1；一温度电极5；一pH电极6及与其相连的pH控制系统7；一碱溶液罐4，与其相连的碱溶液输送泵9-2，以及碱溶液称量装置3-2；一底物溶液罐2，与其相连的底物溶液输送泵9-1，底物溶液称量装置3-1，以及一底物控制系统8；温度电极5和pH电极6分别置入发酵罐1中伸入其中发酵液液面以下，pH控制系统7电连接碱溶液输送泵9-2，碱溶液称量装置3-2和底物溶液称量装置3-1分别与底物控制系统8电连接。

利用上述系统进行反馈控制的主要过程是：将菌种接入发酵罐1的培养基中开始发酵，伴随着发酵的进行，通过pH电极6监测发酵液的pH值，将监测结果传递给pH控制系统7。当代谢物有机酸产生，pH低于预设值时，由pH控制系统7启动碱溶液输送泵3-2，将碱溶液罐4中的碱溶液加入到发酵罐1中，通过碱溶液称量系统9-2将减少的碱溶液量(即碱消耗量X)信号传导给底物控制系统8；底物控制系统8通过碱的消耗量来计算即时底物浓度(式四)，并将该即时底物浓度与预控恒底物浓度比较，当低于预控底物浓度时启动底物溶液输送泵3-1，将底物溶液罐2中的底物溶液加入到发酵罐1中，底物溶液称量系统9-2将减少的底物溶液量信号连续反馈传导给底物控制系统8，当达到预控底物浓度时通过底物控制系统8关闭底物溶液输送泵3-1来控制补入的底物溶液量(式二)。据此，可以实时控制发酵罐中的底物浓度在一恒定范围，保证补偿发酵罐中消耗的底物的同时又不过量，从而将发酵液中底物浓度控制在预设的水平。

本发明生产L-乳酸的流加控制系统的另一实施方式，请参考图3及图4所示：包括一发酵罐1；一温度电极5；一pH电极6及与其相连的pH控制系统7；一碱溶液罐4，与其相连的碱溶液输送泵3-2；一底物溶液罐2，与其相连的底物溶液输送泵3-1，以及一底物控制系统8；温度电极5和pH电极6分别置入发酵罐1中伸入其中发酵液液面以下，pH控制系统7电连接碱溶液输送泵3-2，底物溶液输送泵3-1和碱溶液输送泵3-2分别与底物控制系统8电连接。

利用上述系统进行反馈控制的主要过程是：将菌种接入发酵罐1的培养基中开始发酵，伴随着发酵的进行，通过pH电极6监测发酵液的pH值，将监测结果传递给pH控制系统7。当代谢物有机酸产生，pH低于预设值时，由pH控制系统7启动碱溶液输送泵3-2，将碱溶液罐4中的碱溶液加入到发酵罐1中，底物控制系统8获取碱溶液输送泵3-2的数据(碱消耗体积，即X/碱液密度)计算出减少的碱溶液量(即碱消耗量X)；底物控制系统8通过碱的消耗量进一步计算即时底物浓度(式四)，并将该即时底物浓度与预控底物浓度比较，当低于预控底物浓度时启动底物溶液输送泵3-1，并计算得到底物溶液的补加量(式二)，启动底物溶液输送泵3-1，将底物溶液罐2中的底物溶液按量加入到发酵罐1中。当达到预控底物浓度时通过底物控制系统8关闭底物溶液输送泵3-1来控制补入的底物溶液量。据此，可以实时控制发酵罐中的底物浓度在恒定范围，保证补偿发酵罐中消耗的底物的同时又不过量，从而将发酵控制在预设的水平。

本发明中，所用的菌种可以是干酪乳杆菌Lactobacillus casei，包括CGMCCNo.1.29、1.62、1.121、1.539、1.570、1.574、1.575、1.580、1.2435；发酵培养基中接种量都为5～20％(V/V)；发酵培养温度为35～50℃；发酵过程中pH设定值在5.5～7.0之间；发酵时间为84～100h；底物为葡萄糖、乳糖、半乳糖等，以及它们的混合物；起始底物浓度为90～200g/l，优选125g/l；发酵过程中预控恒底物浓度为10～30±5g/l，补加的底物溶液浓度为500～1000g/l；碱液为氢氧化钙、氨水、氢氧化钾、氢氧化钠以及它们的混合物。

本发明方法的具体步骤包括：

1.斜面保藏：

不同菌株需选用各自适合的固体培养基，每月转接一次。

2.种子液的制备：

配制种子培养基，121℃灭菌20min；将斜面菌种接入种子培养基，在适宜的温度下兼性厌氧培养至对数中期(接种后18～24h至对数中期)；

3.厌氧发酵：将步骤2制得的种子液接入发酵罐中经121℃灭菌20min的发酵培养基，控制适宜的温度、搅拌，不通气。发酵过程中，随着底物转化为乳酸，从而导致发酵液的pH降低，当发酵液的pH降低至设定值以下时，加入碱溶液调节pH回升至设定值，同时联动底物补料泵，加入碳源底物(葡萄糖、乳糖、半乳糖等)，发酵至L-乳酸产量最高时，停止发酵。

下面结合实施例进一步说明：

实施例1：(中和剂碱：600g/l Ca(OH)₂和氨水，起始底物浓度：125g/l，接种量：10％，pH设定值：6.25±0.05，底物：葡萄糖，发酵温度：42℃，流加液中底物葡萄糖的浓度：700g/l，反馈控制手段：人工)

材料：

微生物菌种：干酪乳杆菌Lactobacillus casei，CGMCC No.1.29培养基：

1)斜面固体培养基(g/l)：葡萄糖20，酵母粉5，蛋白胨10，牛肉膏10，氯化钠10，醋酸钠5，柠檬酸铵2，七水硫酸镁0.2，七水硫酸锰0.05，琼脂1.5。

2)种子培养基和发酵培养基(g/l)：葡萄糖30，酵母粉10，蛋白胨15，磷酸二氢钾1，硫酸铵5，轻质碳酸钙15。

3)发酵培养基(g/l)：葡萄糖125，酵母粉10，大豆蛋白胨10，玉米浆30，氯化钠10，醋酸钠5，柠檬酸铵2，七水硫酸镁0.2，七水硫酸锰0.05。

将上述三种培养基各自按成分混合后，用自来水定容，然后用氨水调pH值为6.25，于121℃灭菌20min。

中和剂：600g/l的Ca(OH)₂溶液和(以氨气计25％)氨水溶液；

补加底物：700g/l的葡萄糖溶液；

预控恒底物浓度：30±5g/L。

方法：

1、制备种子：

一级种子：将一环斜面菌种接入装有10ml种子培养基的大试管中，42℃、180rpm培养24h，得到一级种子液；

二级种子：在250mL锥形瓶中装入100mL种子培养基，121℃灭菌20min后，接入一级种子液10ml，然后在摇床中培养24h，温度42℃、转速180rpm、用碳酸钙调节pH值为5.8，得到二级种子液；

2、补料分批发酵培养：

1)将2L发酵培养基装入5L发酵罐中，灭菌后接种二级种子液，接种量为10％(V/V)，安装温度电极、pH电极，连通整个发酵控制系统，控制发酵温度42℃、pH控制在6.25±0.05，搅拌转速150r/min，开始发酵；

按照该发酵条件进行小规模实验，得到该系统中，A＝1.1206。

2)启动图1、图2所示的流加控制系统，由pH电极监测发酵液的pH值，当pH值小于6.20时，由pH控制系统启动碱溶液输送泵，将碱溶液罐中的碱溶液按50ml/min的流速加入到发酵罐中，此时碱溶液称量系统将减少的碱溶液量信号传导给底物控制系统；底物控制系统计算出即时底物浓度(利用式四)，并将该即时底物浓度与预控恒底物浓度30±5g/L比较。当底物浓度低于30g/L时，启动底物溶液输送泵(流速40ml/min，本实施例中底物溶液输送泵第一次工作在第16h)，将底物溶液罐中的葡萄糖溶液加入到发酵罐中，底物溶液称量系统将减少的底物溶液量信号反馈传导给底物控制系统，通过底物控制系统关闭底物溶液输送泵来控制补入的底物溶液量。依上述过程连续操作，发酵84h，取样检测发酵液中产物L-乳酸。本实施例发酵体系中底物补加情况参见图5所示。

3、发酵液中产物浓度的检测

采用生物传感分析仪或者高效液相法进行检测。其中，采用HPLC(日本岛津)检测，配备有机酸柱(BIORAD HPX-87H，USA)，流动相为5mM H₂SO₄，流速0.6ml.min^-1。采用UV检测器(日本岛津)，检测波长为210nm，柱温为室温。

结果，对照样品一(不反馈流加分批发酵，参见丁绍峰等，过程工程学报，6(1)，77-81(2006)介绍的方法同步实验，发酵材料与条件与本例相同。)107h发酵至L-乳酸浓度最高117.5g/l，对照样品二(间歇测样补料控制糖浓度发酵，参见ShaofengDing和Tianwei Tan.Process Biochemistry，41(6)，1451-1454(2006))介绍的方法同步实验，发酵材料与条件与本例相同)84h发酵至L-乳酸浓度最高150g/l，而本实施例步骤2样品中L-乳酸浓度达到180g/l，是对照样品一浓度的1.53倍，发酵时间为84h，时间缩短23h；在同样发酵时间中是对照样品二浓度的1.2倍。

本发明实施例中，对照样品一均为采用不反馈流加分批发酵产物，是与实施例的同步实验，方法参考丁绍峰等，过程工程学报，6(1)，77-81(2006)的介绍，发酵材料与条件均与对照实施例相同。对照样品二为采用间歇测样补料控制糖浓度发酵产物，是与实施例的另一同步实验，方法参见Shaofeng Ding和Tianwei Tan.ProcessBiochemistry，41(6)，1451-1454(2006))的介绍，发酵材料与条件与对照实施例相同。

实施例2：

材料：除下述特别指明的外，其余与实施例1中所用相同。

微生物菌种：干酪乳杆菌Lactobacillus casei，CGMCC No.1.62

中和剂：纯氨水；

补加底物：850g/l的葡萄糖溶液；

培养基：和实施例1基本相同，其中葡萄糖为90g/L。

预控恒底物浓度：10±5g/l葡萄糖。

本例中，A＝1.4261。

方法：

1、制备种子：与实施例1相同。

2、补料分批发酵培养：

1)将2L发酵培养基装入5L发酵罐中，连接pH电极，灭菌后接种二级种子液，接种量为5％，安装温度电极，连通整个发酵控制系统，控制发酵温度50℃、转速150r/min，开始发酵；

2)启动流加控制系统(如图3和图4所示)，pH电极监测发酵液的pH值，当pH值小于6.2时，由pH控制系统启动碱溶液输送泵，将碱溶液罐中的氨水溶液加入(例如按50ml/min的流速)到发酵罐中，持续加入；底物控制系统根据碱溶液输送泵的流量计算出即时底物浓度，并将该即时底物浓度与预控恒底物浓度10±5g/L比较，启动底物溶液输送泵(流速例如为40ml/min)，将底物溶液罐中的葡萄糖溶液加入到发酵罐中，持续加入，通过底物控制系统关闭底物溶液输送泵来控制补入的底物溶液量。依上述过程连续操作，发酵94h，取样检测发酵液中产物L-乳酸浓度。

本实施例发酵体系中具体底物补加情况参见图6所示。

3、发酵液中产物浓度的检测：

方法同实施例1。

结果对照样品一(不反馈流加分批发酵)107h发酵至L-乳酸浓度最高117.5g/l，对照样品二(间歇测样补料控制糖浓度发酵)94h发酵至与L-乳酸浓度最高140g/l；本例样品中发酵94h，L-乳酸浓度达到155g/l，是对照样品一浓度的1.32倍，时间缩短13h；是对照样品二浓度的1.1倍。

实施例3：

材料及操作同实施例1，其中变化因素：

微生物菌种：干酪乳杆菌Lactobacillus casei，CGMCC No.1.121

中和剂：10mol/l的NaOH；

补加底物：500g/l的葡萄糖溶液；

起始底物浓度：200g/l；

培养基：和实施例1基本相同，其中葡萄糖为200g/L。

发酵过程中，接种量为20％，发酵温度为35℃，pH值控制在7.0，预控恒底物浓度葡萄糖20±5g/L。

本例中，A＝1.25

检测发酵72h发酵液中产物L-乳酸浓度，方法同实施例1。对照样品一(不补料分批发酵)107h发酵至L-乳酸浓度最高125.5g/l(用不同菌株，发酵产物浓度应有所不同，请变动一下数据)，本例样品中发酵100h，L-乳酸浓度达到150g/l，是对照样品浓度的1.20倍，时间缩短7h。对照样品二(间歇测样补料控制糖浓度发酵)100h发酵至与L-乳酸浓度最高135g/l，是对照样品二浓度的1.11倍。

实施例4：

材料及操作同实施例2，其中变化因素：

微生物菌种：干酪乳杆菌Lactobacillus casei，CGMCC No.1.539

中和剂：10mol/l的KOH；

补加底物：1000g/l的乳糖和半乳糖溶液混合物；

培养基：和实施例1基本相同，其中使用90g/L的乳糖和半乳糖代替葡萄糖。发酵过程中，接种量为5％，发酵温度为50℃，pH值控制在5.5，预控恒底物浓度30±5g/L。

本例中，A＝1.34

检测发酵72h发酵液中产物L-乳酸浓度，方法同实施例1。对照样品一(不补料分批发酵)107h发酵至L-乳酸浓度最高110g/l，对照样品二(间歇测样补料控制糖浓度发酵)100h发酵至L-乳酸浓度最高120g/l，本例样品发酵88h，L-乳酸浓度达到135g/l，是对照样品一最高产量的1.23倍，发酵时间缩短19h；和对照样品二比较产量提高12.5％，发酵时间缩短12h。

Claims (10)

1.一种中和剂反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：在兼性厌氧发酵过程中，利用底物消耗量和碱消耗量之间的函数关系，通过测定碱消耗量来控制底物的加入量，从而实时控制发酵液中底物浓度在一个适宜的范围内，具体包括如下步骤：

5)将菌种制得的种子液接入发酵罐的培养基中开始发酵；

6)利用pH电极监测发酵液的pH值变化，当体系pH下降到发酵液的pH设定值以下，通过一pH控制系统控制碱溶液加入，直至发酵液的pH回升至设定值；

7)将碱溶液消耗量传递给一底物控制系统，底物控制系统根据底物消耗量与碱消耗量函数关系计算补底物量，控制补底物加入量，使发酵液中即时底物浓度回升至预控恒底物浓度；

8)重复步骤2)和3)，发酵至L-乳酸产生速度很慢或者不再产酸，停止发酵。

2.如权利要求1所述的反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述的底物消耗量和碱消耗量之间的函数关系式为：

A＝Y/X

其中，Y为底物消耗量，X为碱消耗量，A为系数，A的取值与发酵菌种和发酵初始条件有关，通过预试验确定；

补底物量＝(预控恒底物浓度-即时底物浓度)×即时发酵液体积，

补底物量＝补底物溶液体积×补底物溶液浓度

3.如权利要求1或2所述的反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述菌种是干酪乳杆菌Lactobacillus casei；发酵培养基中接种量为5～20％；发酵起始底物浓度为90～200g/l，优选125g/l；发酵温度为35～50℃；发酵底物为葡萄糖、乳糖、半乳糖或它们的混合物。

4.如权利要求1或2所述的反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述的补底物为葡萄糖、乳糖、半乳糖或它们的混合物，发酵流加液中底物浓度为500～1000g/l，优选700g/l；预控恒底物浓度为10～30±5g/l。

5.如权利要求4所述的反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述的发酵液的pH设定值在5.5～7.0之间；所述的碱为碳酸钙、氢氧化钙、氨水、氢氧化钾、氢氧化钠或它们的混合物。

6.如权利要求1或2或5所述的反馈补料生产L-乳酸的方法，其特征在于：所述的碱消耗量和底物的消耗量通过天平称量，或者通过流量计测量。

7.一种利用权利要求1至6任一所述方法生产L-乳酸的流加控制系统，包括发酵罐、温度电极、pH电极、pH控制系统、由碱溶液罐和碱溶液输送泵组成的碱溶液输送系统、底物控制系统、由底物溶液罐和底物溶液输送泵组成的底物输送系统，所述的温度电极和pH电极感应端置入发酵罐中发酵液液面以下，pH电极连接pH控制系统，再连接碱溶液输送泵，碱溶液输送泵的液体吸入端置于碱溶液罐的液面以下，底物溶液输送泵和碱溶液输送泵的液体输出端置于发酵罐中发酵液液面以上，底物溶液输送泵的液体吸入端置于底物溶液罐的液面以下，碱溶液输送系统与底物控制系统信号连接，底物输送系统与底物控制系统信号连接。

8.根据权利要求7所述的流加控制系统，其特征在于：还包括一底物溶液称量装置和一碱溶液称量装置，所述碱液称量装置置于碱溶液罐的下方，并与底物控制系统信号连接，所述底物溶液称量装置置于底物溶液罐的下方，并与底物控制系统信号连接。

9.如权利要求7所述的流加控制系统，其特征在于：所述碱溶液输送泵和底物溶液输送泵各装设流量计，所述流量计分别与底物控制系统信号连接。

10.如权利要求7或8或9所述的流加控制系统，其特征在于：所述的pH控制系统和底物控制系统通过单片机、电脑、或者人工实现。

Images