摘要
乳酸是三大有机酸之一，用途广泛，且其需求量在逐年增加。乳酸分子中具有不对称碳原子，因此有L-、D-乳酸两种旋光异构体及DL-乳酸外消旋体。由于人体只能代谢L-乳酸，因此在用于食品及医药工业时必然要用L-乳酸代替DL-乳酸。而L-乳酸最具应用潜力的是生产聚乳酸(PLA)，制造生物可降解性塑料，其市场潜力巨大，发展前景十分诱人。本论文以一株产生L-乳酸的鼠李糖乳杆菌(Lactobacillusrhamnosus)为研究对象，进行了高效高产L-乳酸发酵的工艺优化和动力学模型的研究工作，为实现L-乳酸的工业化生产奠定了基础。 本文探讨了影响鼠李糖乳杆菌高效高产L-乳酸的因素。以不同浓度葡萄糖为碳源发酵产L-乳酸时，糖浓度为120、146g/L时，L-乳酸产量分别为104、117.5g/L，产酸水平已接近国内外该菌株的最高水平；加大接种量不能有效克服菌体生长延迟；高乳酸浓度对菌体生长和产酸有显著抑制作用，初始乳酸浓度到达70g/L以上时，菌体基本停止生长和产酸。三种常见的调节pH的中和剂NaOH、浓氨水、CaCO3对于鼠李糖乳杆菌在5L发酵罐上发酵产L-乳酸和生长有明显不同的影响。 酵母粉是鼠李糖乳杆菌最佳的复合氮源，然而酵母粉成本较高，因此，减少酵母粉用量或寻找廉价的复合氮源替代酵母粉具有重要的经济价值。用廉价的黄豆粉补充微量维生素液，可替代培养基中昂贵的酵母粉。氮源经优化后，使用3.5～4.5％的黄豆粉并添加最优剂量的八种维生素混合液，摇瓶和5L发酵罐上L-乳酸产量和得率基本达到了以酵母粉做氮源和生长因子的发酵指标。 为了能够进一步高效高产L-乳酸，进行了各种补料和连续培养生产L-乳酸。由摇瓶分批补料和5L发酵罐鼠李糖乳杆菌三种分批补料方式的实验得知，与分批发酵相比，发酵动态变化过程没有显著的差别，补料并没有有效地促进鼠李糖乳杆菌的生长和代谢而高效高产L-乳酸。分批补料的条件和方式还有待进一步研究。 鼠李糖乳杆菌5L发酵罐中限氮条件下恒化连续培养生产L-乳酸，D=0.15L/h的稀释率已经到达了氮源限制培养条件下的临界稀释率，随着稀释率从0.05L/h到0.15L/h的变化的过程中，菌浓、L-乳酸的产量、L-乳酸的得率是逐渐降低，残糖的含量逐渐上升，比容积产率在D=0.125L/h时有最大值。限氮条件下，因为菌的生长被限制，仅只能以较低的稀释率进行恒化连续生产L-乳酸。 发酵罐反复分批发酵生产L-乳酸，第一次发酵过程L-乳酸浓度为93g/L，得率为93％，残糖为5g/L，第二次L-乳酸浓度为108g/L，得率为83.8％，残糖约30g/L，延长发酵时间，有可能得到更高的乳酸浓度。 淀粉质原料是工业化生产乳酸的常见原料，实验研究了双酶同时糖化发酵产L-乳酸的工艺。通过淀粉质原料糖化实验，考虑到原料的来源和价格，选用红薯粗淀粉和玉米粉作为发酵产L-乳酸的淀粉质原料。正交实验得知，影响双酶糖化效率的因素的最佳条件为：湿热灭菌处理原料，42℃糖化温度、10U/g干物质的α-淀粉酶和250U/g干物质的糖化酶用量。 比较不同浓度淀粉质原料双酶糖化的糖化效果，得知，玉米生粉双酶糖化的淀粉质糖化效率随着淀粉质浓度的升高而升高，因而可以用高浓度玉米生粉双酶糖化后进行鼠李糖乳杆菌的L-乳酸发酵。250g/L的红薯粗淀粉湿热灭菌、玉米粉湿热灭菌、玉米粉干热灭菌三者摇瓶培养同时糖化发酵产生L-乳酸浓度分别是129、118、111g/L，L-乳酸对淀粉质原料的转化率分别是54.9％、61.5％、57.9％；200g/L可溶性淀粉和玉米生粉同时糖化发酵产生的L-乳酸浓度分别为120和115g/L，L-乳酸对淀粉的的转化率为63.8％和74.9％；由此可见，玉米生粉的L-乳酸转化率要高于可溶性淀粉、红薯粗淀粉，原料的利用程度较高，因而以玉米生粉为原料进行同时糖化发酵产L-乳酸为经济可行的方法，能得到较高的L-乳酸产量和得率。玉米生粉5L发酵罐同时糖化发酵得到了优于摇瓶的结果，L-乳酸产量为131g/L，对淀粉的转化率为85.3％。玉米生粉分批反复补料同时糖化发酵生产L-乳酸，第二批发酵结束时L-乳酸浓度为121g/L，得率为87.6％。 最后，为了模拟L-乳酸发酵的动态过程和指导生产，为鼠李糖乳杆菌L-乳酸发酵的建立了动力学模型。
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