CN101748163A - 一种微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于利用微生物发酵技术生产丙酸：利用丙酸杆菌，在以甘油为碳源的基础发酵培养基中充氮气进行厌氧发酵培养；随着发酵的进行流加氢氧化钙水溶液，或氢氧化钠、碳酸钙的碱或盐溶液，调节发酵液保持pH值在6.5～7.5之间；发酵开始一段时间后，流加甘油水溶液；当丙酸含量不再增加时，丙酸含量达到35g/L以上，发酵结束；然后将发酵液经过压滤机过滤、取滤液，送入喷雾塔进行喷雾干燥，干燥后的粉剂即为丙酸盐制品。效果：替代现有的化学合成法生产丙酸，显著提高丙酸产品的安全性，为绿色的食品添加剂；解决不可再生资源(如石油)的消耗问题、不需要二次加工，脱离化学合成方法所产生的负面影响，节省了工艺流程及成本；特别是开启了发酵法生产丙酸并一次生成丙酸盐的工业化阶段。
Description
技术领域
本发明涉及微生物发酵技术，发酵生产丙酸再与盐或碱反应生成丙酸钙等丙酸盐，整个过程在发酵罐中一次完成。
背景技术
丙酸是饲料、医药、食品工业等的重要原料。丙酸及其盐如丙酸钙、丙酸锌、丙酸钾能有效地抑制霉菌、嗜氧芽孢杆菌，而且对人体基本无害，广泛应用在谷物、饲料和食品中，是良好的防腐保鲜剂。另外，丙酸还可用作电镀助剂、乳化剂和生产生物降解塑料等。随着农业、轻纺、食品、医药等工业的发展，对农药除草剂、涂料杀菌剂、食品保护剂及饲料添加剂等的需求量日益增加，丙酸需求量也在日益增加。2001年世界丙酸总生产能力约为30.45万吨，生产国家主要集中在美国、英国、德国、日本和南非等国。美国是世界上最大的丙酸生产及消费国，2003年丙酸产量达20万吨，产品主要销往巴西、加拿大、中国、哥伦比亚和南非等国，而我国丙酸产量不足200吨，主要依赖进口。
丙酸盐主要由丙酸进一步加工而成。目前，生产丙酸的方法主要有化学合成法和微生物发酵法。工业上主要以化学合成法生产丙酸。丙醛氧化法、雷帕法和轻质烃氧化法3种工艺是丙酸生产工业中最常用的方法。另外，丙烯腈法、乙醇羰基法、正丙醇氧化法、丙烷(丁烷，石蜡)液相氧化法等也可用于丙酸生产，但由于设备投资大等原因，至今仍未在实践中采用。
化学合成法生产丙酸的主要缺点是：(1)不可再生资源(如石油)消耗量大；(2)作为食品添加剂，具有较大的安全隐患；(3)污染重、成本高、操作条件苛刻。因此需要寻求一种新的方法代替传统工艺。
国内外对微生物发酵生产丙酸的研究多集中于利用葡萄糖、乳清、乳糖、乳酸为碳源，采用游离细胞发酵技术或细胞固定化发酵技术，利用丙酸菌或混合菌种发酵生产丙酸，但丙酸的产量较低，多处于实验室研究阶段。而利用微生物发酵生产丙酸可减轻当前能源紧张问题，符合全球环保意识不断增强的潮流。因此，如何提高微生物发酵生产丙酸的能力是关键。
发明内容
本发明的目的是提供一种微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，利用微生物发酵技术生产丙酸，并与盐或碱反应生成丙酸盐，整个过程在发酵罐中一次完成。
一种微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于利用微生物发酵技术生产丙酸，接着与碱或盐反应生成丙酸盐，整个过程在发酵罐中一次完成：利用丙酸杆菌，经过厌氧瓶培养和种子罐培养，在以甘油为碳源的基础发酵培养基中进行厌氧发酵培养；随着发酵的进行流加碱或盐溶液：氢氧化钙、氢氧化钠或碳酸钙水溶液，调节发酵液pH值保持在6.5～7.5之间；发酵开始一段时间后，流加甘油水溶液至全程；发酵150～230小时，当丙酸含量不再增加时，发酵结束；然后将发酵液经过压滤机过滤、取滤液，送入喷雾塔进行喷雾干燥，干燥后的粉剂即为丙酸盐制品。
工艺改进后的效果：
1、本方法采用微生物发酵技术，替代现有的化学合成法生产丙酸，可以显著提高丙酸产品的安全性，所得产品为绿色的食品添加剂；
2、本方法利用的可再生资源，解决不可再生资源(如石油)的消耗问题；
3、本方法在发酵丙酸的过程中直接添加氢氧化钙反应生成丙酸钙，或与氢氧化钠、碳酸钙等其他碱或盐反应生成其他丙酸盐，不需要以化学合成的丙酸进行二次加工，脱离化学合成方法所产生的负面影响，节省了工艺流程，节省了成本。
4、本发明方法开启了发酵法生产丙酸并一次生成丙酸盐的工业化阶段。
具体实施方式
一种微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，整个过程在发酵罐中一次完成，其特征在于利用丙酸杆菌CGMCC 1.2230(购自中国普通微生物菌种保藏管理中心)代谢发酵生产丙酸，具体工序如下：
一、培养基(按重量体积比计)：
1、种子培养基：0.5～2％酵母粉、0.1～1％胰蛋白大豆肉汤、0.1～0.5％磷酸氢二钾、0.1～0.5％磷酸二氢钾，余量为水，pH为6.5～7.5；
2、基础发酵培养基：7～12％甘油、0.5～2％酵母粉、0.5～3％蛋白胨、0.1～0.5％磷酸氢二钾、0.1～0.5％磷酸二氢钾，余量为水，pH为6.5～7.5。
二、菌种培养：
1、取适量生产用丙酸杆菌菌种，分别接入2～4只250mL厌氧摇瓶中，内装种子培养基200ml；
2、培养条件：真空抽气，29～32℃，静置培养32～60小时，OD600的吸光度值达到5以上，备用。
三、种子发酵：
1、在1m3不锈钢种子罐中装入种子培养基约占种子罐容积的60～75％，蒸汽灭菌121℃/15min，冷却至30℃；
2、取上述培养好的摇瓶菌种接入种子罐中，温度为29～32℃，充入无菌氮气搅拌培养，通气量0.1～0.2vvm，搅拌速率100～250rpm，生长32～60小时；
四、生产发酵：
1、在10m3发酵罐中投入占罐总容积40～60％的基础发酵培养基，蒸汽121℃/20min灭菌，冷却到30℃左右；
2、取种子罐中培养好的丙酸杆菌无菌接入发酵罐；
3、丙酸发酵生产：温度为29～32℃，充入无菌氮气搅拌培养，通气量0.1～0.2vvm，搅拌速率50～150rpm；
4、流加氢氧化钙(或氢氧化钠、碳酸钙等其他碱或盐溶液)：随着发酵的进行，根据发酵液pH值的变化流加10～40％的氢氧化钙水溶液，或同等浓度的氢氧化钠、碳酸钙等其他碱或盐溶液，控制发酵液pH值在6.5～7.5之间；
5、流加甘油：发酵培养60～84h后，当发酵罐中甘油的量降至10g/L以下时，开始流加经过灭菌处理的20～50％甘油水溶液，流加速度以10～40mL/h/L的流速(以基础发酵培养基体积为基准计)，流加甘油至全程。
五、发酵过程结束：
发酵150～230小时，丙酸停止产生，pH值不再变化，丙酸含量达到35g/L以上，发酵结束。
六、后处理
将发酵液经过压滤机进行过滤，取滤液，用喷雾塔进行喷雾干燥，干燥后的粉剂即为丙酸盐制品。产品符合企业标准。
Claims (10)
1.一种微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于利用微生物发酵技术生产丙酸，接着与碱或盐反应生成丙酸盐，整个过程在发酵罐中一次完成：利用丙酸杆菌，经过厌氧瓶培养和种子罐培养，在以甘油为碳源的基础发酵培养基中进行厌氧发酵培养；随着发酵的进行流加碱或盐溶液：氢氧化钙、氢氧化钠或碳酸钙水溶液，调节发酵液pH值保持在6.5～7.5之间；发酵开始一段时间后，流加甘油水溶液至全程；发酵150～230小时，当丙酸含量不再增加时，发酵结束；然后将发酵液经过压滤机过滤、取滤液，送入喷雾塔进行喷雾干燥，干燥后的粉剂即为丙酸盐制品。
2.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于代谢发酵生产丙酸所用的丙酸杆菌CGMCC 1.2230，购自中国普通微生物菌种保藏管理中心。
3.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于培养基成分：
1)种子培养基，按重量体积比计，0.5～2％酵母粉、0.1～1％胰蛋白大豆肉汤、0.1～0.5％磷酸氢二钾、0.1～0.5％磷酸二氢钾，余量为水，pH为6.5～7.5；
2)基础发酵培养基，按重量体积比计，7～12％甘油、0.5～2％酵母粉、0.5～3％蛋白胨、0.1～0.5％磷酸氢二钾、0.1～0.5％磷酸二氢钾，余量为水，pH值为6.5～7.5。
4.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于菌种培养：
1)取适量丙酸杆菌菌种，分别接入2～4只250mL厌氧瓶中，内装种子培养基200ml；
2)培养条件：真空抽气，29～32℃，静置培养32～60小时，OD600的吸光度值达到5以上，备用。
5.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于种子发酵：在1m3不锈钢种子罐中装入种子培养基约占种子罐容积的60～75％，蒸汽灭菌121℃，15min，冷却至30℃；取上述培养好的摇瓶菌种接入种子罐中，温度为29～32℃，充入无菌氮气搅拌培养，通气量0.1～0.2vvm，搅拌速率100～250rpm，生长32～60小时。
6.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于生产发酵：在10m3发酵罐中投入占罐总容积40～60％的基础发酵培养基，蒸汽121℃/20min灭菌，冷却至30℃；取种子罐中培养好的丙酸杆菌无菌接入发酵罐；生产发酵培养条件为温度为29～32℃，充入无菌氮气搅拌培养，通气量0.1～0.2vvm，搅拌速率50～150rpm。
7.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于随着发酵的进行，根据发酵液pH值的变化流加碱或盐溶液，控制发酵液pH值在6.5～7.5之间；
a.流加10～40％氢氧化钙水溶液；
b.或流加10～40％氢氧化钠水溶液；
c.或流加10～40％碳酸钙水溶液。
8.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于发酵培养60～84h后，当发酵罐中甘油的量降至10g/L以下时，开始流加经过灭菌处理的20～50％甘油水溶液，流加速度10～40mL/h/L，以基础发酵培养基体积为基准计，流加甘油至全程。
9.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于发酵150～230小时，丙酸停止产生，pH值不再变化，丙酸含量达到35g/L以上，发酵结束。
10.根据权利要求1所述微生物发酵法生产丙酸及其盐的方法，其特征在于将发酵液经过压滤机进行过滤，取滤液，用喷雾塔进行喷雾干燥，干燥后的粉剂即为丙酸盐制品。
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