【摘要】：隨著中草藥和中成藥的應用日益廣泛,不可避免地產生了大量中藥渣。中藥渣的資源化利用對提高藥廠經濟效益、保護環(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,對預處理和發(fā)酵的工藝條件進行了優(yōu)化,并對發(fā)酵過程的細菌群落變化和產物生成動力學進行了探討。通過比較NaOH、稀H2SO4和水熱預處理后苦參藥渣的纖維素酶解產糖效果,得知最適宜的預處理方法為NaOH預處理,這是因為NaOH預處理可去除苦參藥渣中大部分木質素,使半纖維素發(fā)生脫乙酰反應,使得藥渣表面原本光滑致密的結構變得粗糙松散,從而增加了纖維素對酶的可及度,提高了酶解產糖效果。NaOH預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℃、預處理時間60min。在此條件下,藥渣酶解時的還原糖產率可達到85.0%。通過牛津杯等試驗發(fā)現,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。進一步通過比較苦參藥渣不同發(fā)酵方式和不同pH值調節(jié)頻率下產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用氫氧化鈉調節(jié)發(fā)酵液pH值至8.5。經過60 h發(fā)酵后,乳酸的濃度、產率和生產速率分別達到51.1 g/L、0.85 g/g和0.85 g/(Lh)。對開放式乳酸發(fā)酵過程中細菌的群落結構進行分析,發(fā)現在乳酸積累階段,發(fā)酵系統(tǒng)中接種的干酪乳桿菌的豐度均在99.6%以上,占據絕對優(yōu)勢。當乳酸濃度達到穩(wěn)定后,雜菌Bacillus和Clostridium的豐度有所上升,導致副產物乙酸的濃度有所增加。將發(fā)酵液pH值間歇地調節(jié)至8.5能夠有效地抑制產乙醇酵母的生長和代謝,從而抑制副產物乙醇的生成。將NaOH預處理產生的廢液(PL)回用于乳酸發(fā)酵過程能夠有效提高乳酸的產量。當發(fā)酵液中PL比例為50%時可使乳酸濃度達到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%時抑制了產乙醇酵母的生長而對乳酸菌影響不大,因此減少了副產物乙醇的生成,提高了乳酸的濃度和產率。對苦參藥渣開放式同步糖化發(fā)酵過程中的動力學進行分析,確定了乳酸的生成符合重新參數化的Logistic模型和Gompertz模型。本研究為乳酸的生產提供廉價原料的同時,實現中藥渣的資源化利用,具有重要的現實意義和應用前景。
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X787;TQ921.3
【圖文】：

的碳水化合物轉化為可發(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發(fā)酵產乳酸的流程可分為以下四個步驟：預處理、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行介紹。逡逑纖維素類物質逡逑丨預處理！逡逑入逡逑＇邐水解后的邐纖堆素逡逑邐＾邋Ｌ和木質素ｊ逡逑ｎ廮…：逡逑１邋：逡逑錢為邐ｆ葡萄糖’逡逑「＿扭＿與板：！逡逑乳酸產品逡逑圖２－２纖維素類生物質發(fā)酵產乳酸的一般流程逡逑２．３．１纖維素類物質的預處理逡逑在生物質中，纖維素含量最多，半纖維素次之，二者之和一般占到６０％以上，而木逡逑質素含量一般在１０％－３０％之間。這三種成分是植物細胞壁的主要組成，其結構特點是排逡逑列規(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。半纖維素和木質素形成牢固的結合層，緊密包褒著纖維素，阻逡逑礙了酶和纖維素的接觸。因此，預處理的主要目標就是去除木質素，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

北京科技大學博士學位論文逡逑常見的纖維素類物質的預處理方法如圖２－３所示。預處理方法主要可分為物理法、逡逑化學法、物理化學法和生物法。這些預處理方法都有各自的優(yōu)點，但也存在一些不足。逡逑例如，機械粉碎法可增加比表面積，降低聚合度同時還對生物質有剪切作用，但當物料逡逑的粒徑在４０目以下時，繼續(xù)粉碎則無法提高物料的水解產率和速率［８１］；高溫熱解法通逡逑常需要將溫度升到１６０￣１８０°Ｃ以上，造成半纖維素和木質素的溶解，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，如糠醛和５－輕甲基糠醛（５－ｈｙｄｒｏｘｙｍｅｔｈｙｌｆｕｒｆｉｉｒａｌ，逡逑ＨＭＦ）等。這些物質如果不除去，有可能濃縮并沉淀在生物質上，影響后續(xù)的生物發(fā)酵逡逑過程［８２］；利用有機溶劑等雖然可以在一定程度上使結晶纖維素向無定形纖維素轉化，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)化生產過程中，乳酸的分離和純化步驟至關重要，因其對乳酸成品的質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進行堿化處理后，除去其中的菌體、蛋白質等膠體雜質，得到的逡逑乳酸鈣濾液經適當濃縮并在一定條件下結晶后，用離心機分離除去母液。隨后將殘留的逡逑母液和一些蛋白質、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進行酸解，加入適量的活性炭進行脫色，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，勞動強度大，每生產１噸逡逑乳酸約產生１噸的ＣａＳ０４。此外

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