CN101255451A - 一种利用甘油生产乳酸的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用甘油为底物生产乳酸的方法，属于生物化工技术领域。工艺为：将含有甘油利用基因和乳酸合成基因的菌种接入含甘油的种子培养基中，再将种子液加入含甘油浓度为30～80g/l的初始发酵培养基，37℃～55℃条件下进行厌氧或微氧发酵，并采用流加3～4M碱溶液或分批添加固体CaCO3控制pH值，当乳酸的生产强度小于0.3～0.5g/(lh)时，停止流加甘油，继续发酵至发酵液中残余甘油浓度降到5g/l以下时，结束发酵。其优点在于：将生物柴油生产过程中的副产物甘油合理利用，转化为高附加值的乳酸；该方法还可用于生物柴油和乳酸的耦合生产，利用廉价原料得到高附加值的生物柴油和乳酸，可有效提高原料的利用率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明属于生物化工技术领域，特别提供了一种利用甘油为底物生产乳酸的方法。
背景技术
乳酸，学名为α-羟基丙酸，按其旋光性可分为D型、L型和DL型。乳酸是一种重要的有机酸，可广泛用于食品、制药、制革、纺织、卷烟、印染等工业领域，其产品主要表现形式为酸味剂、调味剂、防腐剂、鞣制剂、植物生长调节剂和手性药物等，另外，乳酸还有正在大力开拓的应用领域，生产聚乳酸(PLA)，聚乳酸无毒、无刺激性，具有良好的生物相容性，是一种可生物分解吸收、强度高、可塑性加工成型的高分子材料，已实用化的医用产品有缝合线、骨结核部位固定材料、组织缺损部位补强材料和药物缓释性载体，其应用于人体，具有与人体组织相容性好，无致癌和变态反应，有相当的机械强度和耐受性，可经受各种消毒处理以及有良好的加工性能等优点，随着乳酸的新用途不断发现，其需求也将不断增加。
目前，乳酸的生产方法主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法。以乳腈法为代表的化学合成法缺点是产品为外消旋乳酸，即DL-乳酸，而且所用原料是乙醛和剧毒物氢氰酸，限制了乳酸产品的使用范围，生产成本也较高；酶法生产乳酸虽然可以得到单一旋光性的乳酸，但工艺比较复杂，在工业应用上有待进一步研究；微生物发酵法生产乳酸，可通过菌种选育或代谢调控而获得具有立体单一的D-乳酸和L-乳酸，或两种异构体以一定比例混合的消旋体，以满足生产聚乳酸的需要，微生物发酵法生产乳酸因其原料来源广泛、产品光学纯度高和安全性好等优点而成为生产乳酸的重要方法。
常规乳酸发酵的主料很多，但都属于糖质原料(金其荣、张继民、徐勤，有机酸发酵工艺学，北京：中国轻工业出版社，1989：339～406。)，对于淀粉质原料一般不能直接发酵，必须先经水解，转化为糖质原料才能利用。利用糖质原料以外的原料进行乳酸发酵的报道尚未见到。
另外，随着石油资源日益枯竭和由石化柴油燃烧而带来的环境问题日益严重，生物柴油作为一种环境友好的生物燃料备受人们关注，世界许多国家出台政策加大对此行业的扶植，生物柴油的产量也不断增大，2004年欧盟生物柴油产量为214万吨，2005年仅德国就达到了180万吨；我国在这方面的研究起步较晚，在2004年，我国生物柴油产量为4.5万吨左右，2005年，国家专项农林生物质工程开始启动，预计2010年生物柴油的产量为1000万吨，2020年可达到2000万吨。与生物柴油产量不断增加的同时，其副产物甘油的产量也将不断增加，一般为生物柴油生产量的10％左右，因此如何有效利用生物柴油副产物甘油已成为生物柴油生产企业的一大难题。正是基于目前这个现状，我们开发了直接利用甘油(包括未精制的化学法、生物发酵法生产的甘油及生物柴油附产物甘油)为原料发酵生产乳酸的工艺技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用甘油为底物生产乳酸的方法，直接利用甘油(包括未精制的化学法、生物发酵法生产的甘油及生物柴油附产物甘油)为原料发酵生产乳酸。其特征在于：其所利用的发酵原料是甘油，非常规的糖质和可转化为糖质的原料。其不仅拓宽了乳酸发酵生产原料的选择范围，而且将生物柴油生产过程中的副产物甘油合理利用，进一步转化为高附加值的乳酸；该方法还可用于生物柴油和乳酸的耦合生产，利用廉价原料得到高附加值的生物柴油和乳酸，可有效提高原料及副产物甘油的利用率，降低生产成本。
本发明具体工艺如下：将含有甘油利用基因和乳酸合成基因的菌种(如克雷伯氏杆菌，大肠杆菌或粪肠球菌等的一种)接入含甘油的种子培养基中，30℃～37℃培养20h～30h，再将种子液按1-5％的接种量加入含甘油浓度为30～80g/l的初始发酵培养基，37～55℃条件下进行厌氧或微氧发酵，在发酵过程中通入0～1.0vvm空气，搅拌转速0～350rpm，流加甘油使发酵液中甘油浓度控制在10～50g/l。并采用流加3～4M碱溶液或分批添加固体CaCO3来控制pH值5.0～8.0，发酵过程中测定菌体的浓度、甘油和乳酸的含量，当乳酸的生产强度小于0.3～0.5g/(1h)时，停止流加甘油，继续发酵至发酵液中残余甘油浓度降到5g/l以下时，结束发酵。
本发明发酵法生产乳酸的底物即可来源于生物柴油过程中的副产物甘油，也可来源于化学法、生物发酵法生产的甘油。
本发明发酵法生产乳酸的底物为各行业所得的粗甘油，只需简单分离提纯，无需精制成甘油纯品。
本发明所用菌种为克雷伯氏杆菌，大肠杆菌、粪肠球菌等；所述菌种的基因组具有甘油利用基因，并同时具有乳酸合成基因。
本发明的方法可用于生物柴油和乳酸联产。
本发明的优点在于，不仅拓宽了乳酸发酵生产原料的选择范围，而且将生物柴油生产过程中的副产物甘油合理利用，进一步转化为高附加值的乳酸；有效利用甘油，特别是利用生物柴油生产过程中的副产物甘油转化为高附加值的乳酸，找出了一条生物柴油附产物甘油的有效出路；本发明方法节省了甘油分离提纯的费用，如用于生物柴油和乳酸的耦合生产则可大大提高原料的利用率和生产效率，有效降低生产成本。
具体实施方式
本发明提供了一种直接利用甘油(包括未精制的化学法、生物发酵法生产的甘油及生物柴油附产物甘油)为底物发酵生产乳酸的方法，下面再以具体实施例对本发明予以进一步说明：
实例1：
(1)发酵方式：5L机械搅拌发酵罐，通空气批次发酵
(2)菌种：大肠杆菌
(3)培养基：化学法生产的甘油
(4)发酵过程：
A.种子培养：将大肠杆菌接入含有20g/L甘油的种子培养基中(250ml三角瓶，装液量100ml)，培养温度37℃，摇床转速150rpm，好氧培养24h。
B.发酵培养：发酵培养采用5L发酵罐，装液量4L，培养温度37℃，用氢氧化钠控制pH值6.5。将种子液按5％接种量接入含50g/L甘油的初始发酵培养基中，发酵过程不流加甘油，采用微氧发酵，通入0.5vvm空气，转速350rpm。
(5)发酵结果：
72hr发酵结束时，发酵液中乳酸浓度33.06g/l。乳酸质量得率0.65，生产强度0.46g/(1h)。
实例2：
(1)发酵方式：500mL三角瓶，摇床微氧发酵
(2)菌种：粪肠球菌
(3)培养基：化学法生产的甘油，
(4)发酵过程：
A.种子培养：将粪肠球菌接入含有20g/L甘油的种子培养基中(250ml三角瓶，装液量100ml)，培养温度30℃，摇床转速150rpm，好氧培养24h。
B.发酵培养：将种子液按1％接种量接入含30g/L甘油的初始发酵培养基中，500ml三角瓶，装液量200ml，培养温度37℃，摇床转速150rpm，好氧发酵72h。
(5)发酵结果：
72hr发酵结束时，发酵液中乳酸浓度13.65g/l。乳酸质量得率0.58，生产强度0.19g/(1h)。
实例3：
(1)发酵方式：5L机械搅拌发酵罐，通空气流加批次发酵
(2)菌种：克雷伯氏杆菌
(3)培养基：甘油为生物柴油生产过程中获得的附产物甘油，并将其一部分作为发酵底物，初始浓度为30g/l，另一部分用于流加。其它配料同实例1
(4)发酵过程：
A.种子培养：将克雷伯氏杆菌接入含有20g/L生物柴油副产物甘油的种子培养基中(250ml三角瓶，装液量100ml)，培养温度37℃，摇床转速150rpm，好氧培养24h。
B.发酵培养：发酵培养采用5L发酵罐，装液量4L，培养温度41℃，用氢氧化钠控制pH值6.0。将种子液按5％接种量接入含30g/L生物柴油副产物甘油的初始发酵培养基中，发酵过程中流加生物柴油副产物甘油，控制发酵液中甘油浓度在20g/L左右。采用微氧发酵，通入0.2vvm空气，转速150rpm。
(5)发酵结果：
72hr发酵结束时发酵液中乳酸浓度68.53g/l。乳酸质量得率0.78，生产强度0.95g/(1h)。
Claims (4)
1.一种利用甘油为底物生产乳酸的方法，所述甘油包括未精制的化学法、生物发酵法生产的甘油及生物柴油附产物甘油，其特征在于，工艺为：
将含有甘油利用基因和乳酸合成基因的菌种接入含甘油的种子培养基中，30℃～37℃培养20h～30h，将种子液加入含甘油浓度为30-80g/l的初始发酵培养基，37℃～55℃条件下进行厌氧或微氧发酵，在发酵过程中通入0～1.0vvm空气，搅拌转速0～350rpm，同时流加甘油使发酵液中甘油浓度控制在10～50g/l；并采用流加3～4M碱溶液或分批添加固体CaCO3来控制pH值5.0～8.0，发酵过程中测定菌体的浓度、甘油和乳酸的含量，当乳酸的生产强度小于0.3～0.5g/(1h)时停止流加甘油，继续发酵至发酵液中残余甘油浓度降到5g/l以下时，结束发酵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：发酵法生产乳酸的底物甘油来源于生物柴油过程中的副产物甘油，或者来源于化学法、生物发酵法生产的甘油。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所用菌种为克雷伯氏杆菌、大肠杆菌或粪肠球菌，所述菌种的基因组具有甘油利用基因，并同时具有乳酸合成基因。
4.根据权利要求1所述的方法，其发酵方式包括：批次发酵和连续流加发酵。
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