利用木质纤维素原料连续同步糖化与共发酵生产L-乳酸的研究

来源 :华东理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xuelin_1985
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与批次发酵相比,连续发酵可以通过减少生物反应器清空、清洁、消毒和重新填充的频率来实现更高的生产效率。乳酸等大宗发酵产品的生产在连续模式下更具有经济可行性。为了获得更高的产品浓度和生产效率,纤维素乳酸的生产通常需要在高固含量下进行,其中最常用的生产工艺为批次的同步糖化与共发酵(SSCF)。然而SSCF最显著的缺点是纤维素酶的最适糖化温度与大多数微生物的发酵温度不匹配,这就导致了大部分SSCF的水解和发酵不得不在两个温度下进行,从而使得以木质纤维素原料为底物的连续SSCF工艺难以开展。本论文对基于干法生物炼制平台的连续SSCF生产高手性纯度纤维素L-乳酸进行了探究和优化。所用的木质纤维素原料为经干酸预处理和生物脱毒的小麦秸秆;所用L-乳酸发酵菌株为具有戊糖同化途径和抑菌活性的工程嗜热乳酸片球菌ZY271,该菌在48℃、pH 4.8-5.5条件下能同步代谢全谱木质纤维素来源糖。其发酵温度与纤维素酶的最适温度(50℃)接近;发酵pH与纤维素酶的最适pH(5.5)基本一致。首先,为了建立有效地连续SSCF过程,本研究在不外置糖化罐的前提下,统一了糖化和发酵温度。在单级反应器中,以不同温度(42-50℃)和稀释度(0.008-0.025 h-1)条件进行了乳酸连续SSCF。在30%(w/w)固体含量、45℃的恒温、0.008 h-1稀释度下,稳定状态下的乳酸平均产量、得率和产率分别达到104.8±3.5 g/L、0.24±0.01 g/g DM和0.87±0.03 g/L/h。进一步提高发酵稀释度至0.025 h-1,乳酸产率升高至2.21±0.11 g/L/h,但产量和得率分别下降了 15.7%和1.25%,这表明高稀释度条件使得物料水解程度下降,从而造成乳酸产量和得率下降。针对在单个生物反应器中由于物料保留时间较短导致的连续SSCF中糖化与发酵不完全的问题,进一步对多个单级反应器进行串联,延长物料的保留时间。经过对发酵固体固含量(20-30%,w/w)和稀释度(0.008-0.012 h-1)的优化,确定多级连续发酵的最优条件为25%(w/w)固体含量和0.008 h-1稀释度。稳定状态下乳酸产量、得率和产率分别能达到 107.5±1.1 g/L、0.29±0.01 g/g DM、0.89±0.01 g/L/h,此时乳酸手性度为99.3%,发酵过程中未出现染菌现象。与单级生物反应器中的连续SSCF相比,更低的固含量获得了更高乳酸产量。这表明多级连续SSCF的策略有效提高了底物的糖化水平并获得了更好的发酵结果。最后,本论文以最适模式下的多级连续SSCF发酵结果为基础进行了生产纤维素乳酸的生物炼制全过程的物料衡算,在不考虑残糖的情况下由脱毒物料中的糖转变为乳酸的得率为74.3%,去除残糖的影响下乳酸的得率为77.3%。本研究所建立的高效连续SSCF生产工艺统一了糖化和发酵温度,乳酸的手性纯度、产量、产率都有着良好的发酵表现,为真正工业场景下纤维素乳酸的连续生产提供了技术手段。
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