【摘要】：丙酸是一種理想的食品防腐劑和重要的精細(xì)化工原料,隨著人們觀念的提升,對(duì)綠色食品、天然防腐的要求越來越高,生物發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸受到的關(guān)注越來越多,發(fā)展也越來越快。目前,發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的研究主要集中于實(shí)驗(yàn)室以及小規(guī)模試驗(yàn)階段,工業(yè)放大及成果轉(zhuǎn)化率不高,在提取過程上也面臨諸多問題。微生物發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的過程,在放大過程中任何一個(gè)因素的改變都可能引起發(fā)酵過程復(fù)雜的變化。產(chǎn)酸丙酸桿菌生長(zhǎng)需要一定的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和培養(yǎng)條件,發(fā)酵結(jié)束后,發(fā)酵液中會(huì)含有殘留的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)以及菌體代謝產(chǎn)物。從發(fā)酵液中提取丙酸需要對(duì)丙酸發(fā)酵液進(jìn)行分離以及脫色處理,提高其純度和產(chǎn)品色澤。實(shí)現(xiàn)發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的產(chǎn)業(yè)化及建立經(jīng)濟(jì)高效、純度又符合使用標(biāo)準(zhǔn)的丙酸提取工藝是現(xiàn)階段面臨的迫切需要解決的問題。本論文在本研究室前人研究發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)酵規(guī)模進(jìn)行逐級(jí)的放大。在放大過程中對(duì)發(fā)酵工藝做一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化及完善,探索出一條可直接用于工業(yè)上發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的工藝路線。之后采用蒸餾法、鈣酸堿中和法、離子交換法、活性炭脫色法等方法,根據(jù)不同方法的特性建立提取制備高純度丙酸的提取工藝。論文的主要研究如下:1產(chǎn)酸丙酸桿菌發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸鈣中試的研究在本研究室已經(jīng)優(yōu)化的發(fā)酵工藝基礎(chǔ)上,進(jìn)一步比較發(fā)酵方式分批發(fā)酵與分批補(bǔ)料發(fā)酵的優(yōu)劣,發(fā)酵規(guī)模由搖瓶培養(yǎng)擴(kuò)大至7 L罐發(fā)酵罐培養(yǎng),之后再在150 L罐對(duì)發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸工藝進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整,在2 T罐發(fā)酵培養(yǎng)驗(yàn)證發(fā)酵工藝的發(fā)酵水平。得到如下結(jié)論:1)發(fā)酵方式的比較中,分批發(fā)酵與分批補(bǔ)料發(fā)酵的方式各有優(yōu)劣。分批發(fā)酵過程中最終的產(chǎn)酸量要低于分批補(bǔ)料的發(fā)酵方式,原因是分批發(fā)酵的葡萄糖以及玉米漿初始濃度比較高,對(duì)產(chǎn)酸丙酸桿菌的生產(chǎn)有抑制作用,故產(chǎn)酸率略低,但是發(fā)酵過程中不需要補(bǔ)料,減少了染菌的機(jī)率,且操作簡(jiǎn)單,這是分批發(fā)酵的優(yōu)勢(shì);分批補(bǔ)料發(fā)酵方式最終產(chǎn)酸濃度要比分批發(fā)酵高10%左右,但操作相對(duì)比較復(fù)雜,考慮到發(fā)酵水平和產(chǎn)業(yè)化放大的需求,選取產(chǎn)酸量高的分批補(bǔ)料發(fā)酵方式作為主要的培養(yǎng)方式。2)發(fā)酵規(guī)模由500 ml搖瓶培養(yǎng)擴(kuò)大到7 L罐發(fā)酵,再逐級(jí)放大到150 L罐,最后放大至2 T罐進(jìn)行中試生產(chǎn)發(fā)酵培養(yǎng),通過逐級(jí)的放大培養(yǎng)不斷優(yōu)化調(diào)整出一條工藝路線。發(fā)酵水平的高低主要用產(chǎn)酸總量、糖酸轉(zhuǎn)化率、生產(chǎn)效率來衡量,故在不同的發(fā)酵規(guī)模測(cè)定這些相關(guān)的指標(biāo)。相較于搖瓶培養(yǎng),發(fā)酵罐培養(yǎng)具有pH實(shí)時(shí)調(diào)控、菌體分散均勻、菌體生長(zhǎng)較快等優(yōu)勢(shì),所以產(chǎn)酸量升高,糖酸轉(zhuǎn)化率較高,發(fā)酵周期變短。優(yōu)化出了一條可直接用于工業(yè)發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸的工藝路線。此工藝路線在中試試2 T規(guī)模發(fā)酵中產(chǎn)酸濃度39.67 g·L~(-1)、糖酸轉(zhuǎn)化率0.461 g·g~(-1)、生產(chǎn)效率為0.331 g·L~(-1)·h~(-1),發(fā)酵水平基本與小規(guī)模實(shí)驗(yàn)相同,但未達(dá)到最高發(fā)酵水平,需做進(jìn)一步的優(yōu)化。2提取制備高純度丙酸的研究利用離子交換法、蒸餾濃縮法、活性炭脫色法以及鈣鹽沉淀法等方法建立提取制備高純度丙酸的提取工藝,主要結(jié)果如下1)使用001x7H型樹脂,利用離子交換法將發(fā)酵液中的氨根離子等陽離子用氫離子置換出來,達(dá)到發(fā)酵液酸化的目的。001x7H型樹脂的酸化處理量為樹脂體積的3倍,酸化后發(fā)酵液pH可達(dá)到2.35。蒸餾法可以將丙酸從酸化的發(fā)酵液中蒸餾出來,最佳蒸餾條件為溫度60℃,真空度-0.1 MPa,轉(zhuǎn)速27rpm,蒸發(fā)效率1.2 L/h,蒸出的丙酸濃度與發(fā)酵液中丙酸濃度持平,將蒸出丙酸液進(jìn)行鈣化,濃縮至原體積的1/3,離心洗滌進(jìn)一步純化,噴霧干燥得到產(chǎn)品丙酸鈣含量為為82.38%,色澤為純白色。2)利用活性炭對(duì)發(fā)酵液進(jìn)行脫色研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),影響脫色效果的主要因素為活性炭使用量、脫色溫度以及脫色時(shí)間,活性炭吸附對(duì)丙酸的損失影響不大,丙酸保留率基本維持在85%以上,通過正交試驗(yàn)得出的最佳脫色工藝為活性炭用量2.0%,溫度50℃,脫色時(shí)間90 min。丙酸鈣的溶解度要大于發(fā)酵液中某些有機(jī)酸鹽的溶解度,利用鈣鹽沉淀法將發(fā)酵液中某些有機(jī)酸除去,達(dá)到進(jìn)一步純化的目的。經(jīng)過活性炭脫色和鈣鹽沉淀法提純,得到的產(chǎn)品丙酸鈣含量為54.14%,顏色為白色或淡黃色。3)根據(jù)已優(yōu)化的發(fā)酵液丙酸條件和活性炭脫色條件,對(duì)從發(fā)酵液中提取丙酸的工藝進(jìn)一步優(yōu)化和調(diào)整,將活性炭脫色環(huán)節(jié)調(diào)整到發(fā)酵液濃縮后,調(diào)整后的優(yōu)勢(shì)為活性炭的使用量降低為原來的20%~30%,且脫色效果良好。除此之外,活性炭吸附后,將活性炭分離與濃縮后純化合為一步,簡(jiǎn)化了整個(gè)工藝路線。利用鈣鹽沉淀法將發(fā)酵液中某些有機(jī)酸除去,達(dá)到進(jìn)一步純化的目的。經(jīng)過活性炭脫色和鈣鹽沉淀法提純,得到的產(chǎn)品丙酸鈣含量為62.35%,顏色為白色或淡黃色。
【學(xué)位授予單位】：河北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ929;TQ262.2
【圖文】：

圖 1.1 丙酸桿菌的丙酸合成途徑Fig 1.1 Propionic acid synthesis pathway of Propionibacterium.2.2 影響發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸產(chǎn)量的因素影響 PA 發(fā)酵的幾個(gè)因素包括微生物種類，培養(yǎng)方式，pH 值，溫度，碳源，發(fā)酵等，主要因素有：）培養(yǎng)方式已經(jīng)通過應(yīng)用各種培養(yǎng)方式如分批發(fā)酵、分批補(bǔ)料發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵等方式實(shí)現(xiàn)A 的生產(chǎn)[1,22]。為了達(dá)到以低成本高產(chǎn) PA 的目的，對(duì)每種方法的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了。分批發(fā)酵是生產(chǎn) PA 最常用的系統(tǒng)，生產(chǎn)過程需要 2 周才能完成[10]。分批發(fā)酵過的主要限制因素是細(xì)菌生長(zhǎng)比較緩慢和終產(chǎn)物對(duì)菌體抑制作用[23]。傳統(tǒng)的 PA 生物

第 2 章 發(fā)酵法生產(chǎn)丙酸中試放大工藝研究論準(zhǔn)曲線繪制為橫標(biāo)，峰面積為縱標(biāo)作標(biāo)準(zhǔn)曲線。得回歸方程 y=73線性范圍（2～10 g·L-1）。/分批補(bǔ)料發(fā)酵產(chǎn)酸對(duì)比

河北大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文A、B 指的是使用兩種不同的發(fā)酵培養(yǎng)基而導(dǎo)致的不同的發(fā)酵方式的生產(chǎn)丙酸過程曲線。由圖顯示，用 A 發(fā)酵培養(yǎng)基分批補(bǔ)料發(fā)酵培養(yǎng)的最終產(chǎn)酸濃度為 45.12 g·L-1，而B 發(fā)酵培養(yǎng)基分批發(fā)酵產(chǎn)酸濃度僅為 40.96 g·L-1。原因是 A 培養(yǎng)基相較于 B 來說葡萄糖初始濃度較低，沒有抑制，有利于菌體生長(zhǎng)，除此之外，葡萄糖單獨(dú)滅菌，溫度低，利于代謝葡萄糖，所以產(chǎn)酸較高。B 培養(yǎng)基葡萄糖初始濃度較高，對(duì)菌體有較強(qiáng)的抑制，整個(gè)發(fā)酵過程糖代謝慢，沒有補(bǔ)糖，產(chǎn)酸低。所以以下實(shí)驗(yàn)均采用分批補(bǔ)料發(fā)酵方式為最適發(fā)酵培養(yǎng)方式。2.3.3 搖瓶規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)丙酸過程曲線

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前7條

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本文編號(hào)：2762833