發(fā)布時間：2020-08-07 08:49

【摘要】：隨著中草藥和中成藥的應(yīng)用日益廣泛,不可避免地產(chǎn)生了大量中藥渣。中藥渣的資源化利用對提高藥廠經(jīng)濟(jì)效益、保護(hù)環(huán)境具有重要的意義。本論文以苦參藥渣為原料,通過開放式發(fā)酵制取有廣泛用途的L-乳酸,對預(yù)處理和發(fā)酵的工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化,并對發(fā)酵過程的細(xì)菌群落變化和產(chǎn)物生成動力學(xué)進(jìn)行了探討。通過比較NaOH、稀H2SO4和水熱預(yù)處理后苦參藥渣的纖維素酶解產(chǎn)糖效果,得知最適宜的預(yù)處理方法為NaOH預(yù)處理,這是因為NaOH預(yù)處理可去除苦參藥渣中大部分木質(zhì)素,使半纖維素發(fā)生脫乙酰反應(yīng),使得藥渣表面原本光滑致密的結(jié)構(gòu)變得粗糙松散,從而增加了纖維素對酶的可及度,提高了酶解產(chǎn)糖效果。NaOH預(yù)處理最適宜的操作條件為:NaOH濃度1%(w/v)、固液比1:10、溫度80℃、預(yù)處理時間60min。在此條件下,藥渣酶解時的還原糖產(chǎn)率可達(dá)到85.0%。通過牛津杯等試驗發(fā)現(xiàn),苦參藥渣中殘留的藥用成分—苦參總堿濃度不高,不影響干酪乳桿菌的生長和乳酸發(fā)酵。進(jìn)一步通過比較苦參藥渣不同發(fā)酵方式和不同pH值調(diào)節(jié)頻率下產(chǎn)L-乳酸的效果,得知本研究最適宜的發(fā)酵方式為開放式同步糖化發(fā)酵,并間隔12 h用氫氧化鈉調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH值至8.5。經(jīng)過60 h發(fā)酵后,乳酸的濃度、產(chǎn)率和生產(chǎn)速率分別達(dá)到51.1 g/L、0.85 g/g和0.85 g/(Lh)。對開放式乳酸發(fā)酵過程中細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在乳酸積累階段,發(fā)酵系統(tǒng)中接種的干酪乳桿菌的豐度均在99.6%以上,占據(jù)絕對優(yōu)勢。當(dāng)乳酸濃度達(dá)到穩(wěn)定后,雜菌Bacillus和Clostridium的豐度有所上升,導(dǎo)致副產(chǎn)物乙酸的濃度有所增加。將發(fā)酵液pH值間歇地調(diào)節(jié)至8.5能夠有效地抑制產(chǎn)乙醇酵母的生長和代謝,從而抑制副產(chǎn)物乙醇的生成。將NaOH預(yù)處理產(chǎn)生的廢液(PL)回用于乳酸發(fā)酵過程能夠有效提高乳酸的產(chǎn)量。當(dāng)發(fā)酵液中PL比例為50%時可使乳酸濃度達(dá)到55.1 g/L,比不加入PL的對照組提高了34.3%,而耗水量降低了 67.6%。這可能是由于PL的加入使得發(fā)酵液的pH值更為穩(wěn)定,從而提高了纖維素酶活的穩(wěn)定性,同時,PLL比例為50%時抑制了產(chǎn)乙醇酵母的生長而對乳酸菌影響不大,因此減少了副產(chǎn)物乙醇的生成,提高了乳酸的濃度和產(chǎn)率。對苦參藥渣開放式同步糖化發(fā)酵過程中的動力學(xué)進(jìn)行分析,確定了乳酸的生成符合重新參數(shù)化的Logistic模型和Gompertz模型。本研究為乳酸的生產(chǎn)提供廉價原料的同時,實現(xiàn)中藥渣的資源化利用,具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：X787;TQ921.3
【圖文】：

的碳水化合物轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的單糖，如葡萄糖、木糖、甘露糖和阿拉伯糖等。利用纖維逡逑素類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)乳酸的流程可分為以下四個步驟：預(yù)處理、水解、發(fā)酵和乳酸的分離與逡逑提純，其流程如圖２－２所示。下面分別就這四個步驟進(jìn)行介紹。逡逑纖維素類物質(zhì)逡逑丨預(yù)處理！逡逑入逡逑＇邐水解后的邐纖堆素逡逑邐＾邋Ｌ和木質(zhì)素ｊ逡逑ｎ廮…：逡逑１邋：逡逑錢為邐ｆ葡萄糖’逡逑「＿扭＿與板：！逡逑乳酸產(chǎn)品逡逑圖２－２纖維素類生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)乳酸的一般流程逡逑２．３．１纖維素類物質(zhì)的預(yù)處理逡逑在生物質(zhì)中，纖維素含量最多，半纖維素次之，二者之和一般占到６０％以上，而木逡逑質(zhì)素含量一般在１０％－３０％之間。這三種成分是植物細(xì)胞壁的主要組成，其結(jié)構(gòu)特點是排逡逑列規(guī)則的纖維素分子聚集成束，形成微纖維，半纖維素位于微纖維之間，好像是填充在逡逑纖維素框架中的填充料。半纖維素和木質(zhì)素形成牢固的結(jié)合層，緊密包褒著纖維素，阻逡逑礙了酶和纖維素的接觸。因此，預(yù)處理的主要目標(biāo)就是去除木質(zhì)素，分離纖維素和半纖逡逑維素，增加酶的接觸面積，部分解聚纖維素，增加材料的孔隙率以利于后續(xù)的酶水解［８ｔ）］。逡逑１８逡逑

北京科技大學(xué)博士學(xué)位論文逡逑常見的纖維素類物質(zhì)的預(yù)處理方法如圖２－３所示。預(yù)處理方法主要可分為物理法、逡逑化學(xué)法、物理化學(xué)法和生物法。這些預(yù)處理方法都有各自的優(yōu)點，但也存在一些不足。逡逑例如，機(jī)械粉碎法可增加比表面積，降低聚合度同時還對生物質(zhì)有剪切作用，但當(dāng)物料逡逑的粒徑在４０目以下時，繼續(xù)粉碎則無法提高物料的水解產(chǎn)率和速率［８１］；高溫?zé)峤夥ㄍㄥ义铣Ｐ枰獙囟壬剑保叮埃保福?#176;Ｃ以上，造成半纖維素和木質(zhì)素的溶解，該過程中會生成某逡逑些對微生物有抑制作用或有毒的物質(zhì)，如糠醛和５－輕甲基糠醛（５－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌｆｕｒｆｉｉｒａｌ，逡逑ＨＭＦ）等。這些物質(zhì)如果不除去，有可能濃縮并沉淀在生物質(zhì)上，影響后續(xù)的生物發(fā)酵逡逑過程［８２］；利用有機(jī)溶劑等雖然可以在一定程度上使結(jié)晶纖維素向無定形纖維素轉(zhuǎn)化，提逡逑高酶解效果

２．３．４乳酸的分離與純化逡逑在工業(yè)化生產(chǎn)過程中，乳酸的分離和純化步驟至關(guān)重要，因其對乳酸成品的質(zhì)量和逡逑成本具有重要影響。傳統(tǒng)的乳酸分離工藝為鈣鹽酸解法，其工藝流程如圖２－４所示。發(fā)逡逑酵液升溫并加入ＣａＯ進(jìn)行堿化處理后，除去其中的菌體、蛋白質(zhì)等膠體雜質(zhì)，得到的逡逑乳酸鈣濾液經(jīng)適當(dāng)濃縮并在一定條件下結(jié)晶后，用離心機(jī)分離除去母液。隨后將殘留的逡逑母液和一些蛋白質(zhì)、糖類及色素洗去后，得到乳酸鈣的白色晶體。加熱溶解該晶體，用逡逑Ｈ２Ｓ０４進(jìn)行酸解，加入適量的活性炭進(jìn)行脫色，分離除去ＣａＳ０４、活性炭濾渣，得到粗逡逑乳酸溶液。再用陰陽離子交換樹脂處理經(jīng)濃縮后的粗乳酸液，除去其中的Ｃｌ＼邋Ｓ０４２＼逡逑Ｃａ２＋、Ｆｅ３＋等陰陽離子，所得的離子交換液再經(jīng)濃縮至濃度８０％以上，即得到成品乳酸。逡逑該提取方法工藝成熟，操作條件易于控制。但其操作工序多，勞動強(qiáng)度大，每生產(chǎn)１噸逡逑乳酸約產(chǎn)生１噸的ＣａＳ０４。此外

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