摘要
乳酸是一种重要的有机酸，近几年来乳酸及其衍生物因其广泛的用途和广阔的市场前景已成为关注的热点。在几种主要的乳酸生产方法中，目前微生物发酵法生产乳酸以其生产成本低、原料来源广泛等优点占有绝对优势。本文以凝结芽孢杆菌为实验菌株，围绕乳酸发酵结束发酵液中残糖和杂酸含量较高的问题展开，主要从发酵和提取两方面进行研究。发酵过程控制条件的优化采用了中心组合设计法结合质谱图进行分析，通过不断调整控制条件达到降残糖和杂酸的目的。提取过程采用活性炭吸附的方法，通过单因素和正交实验除去粗品乳酸中的残糖。研究结果如下: (1)对工艺调整前的质谱图进行参数相关分析，找出每个参数的变化规律以及不同参数之间的相互关系，得出影响残糖利用和杂酸生成的主要因素是pH和OUR。 (2)在50 L实验罐中采取分段pH和调整OUR大小的方式控制发酵过程中的条件，综合考虑降残糖和降杂酸两方面的问题我们得出了50 L发酵罐中最优的控制条件:三段pH控制0-16h pH5.0-5.2，16-Glu=1.5％ pH6.3-6.5，之后5.8-5.9; OUR控制在0.7-0.8mol/m3·h。在这个条件下下罐残糖由以前的0.35-0.4％下降到0.2％左右，杂酸含量由以前的0.33 mol/L左右下降到0.067 mol/L左右。 (3)将50 L实验罐上优化得出的最优控制条件在20 T中试罐和60 T生产罐进行放大实验。和小试相比，在放大过程中杂酸含量和残糖含量都比实验罐中要高一些，残糖含量达到0.3％左右，杂酸含量比较高，达到0.133 mol/L以上。这种结果可能是由于大罐中没有搅拌装置，而且罐体较大流加入的碱很难在短时间内混合均匀，造成局部的过酸或过碱，控制pH越高这种不均匀的现象就越明显。 (4)为了找出放大实验中出现的问题的真正原因，我们在50 L实验罐中进行了流场数值模拟实验。实验选择搅拌转速为0和150 rpm进行模拟，实验结果表明，在没有搅拌的情况下罐内流场、气含率和剪切分布不均匀，存在明显的死角，随着罐体增大这种情况也越来越明显。 (5)根据前面流场数值模拟实验的结果，我们通过降低pH来缓解混合不均的问题，将控制条件调为:0-16h pH5.0-5.2，16h-Glu=1.5％ pH6.0-6.2，后pH5.6-5.8，OUR控制在0.7-0.8 mol/m3·h。实验结果表明，20 T和60 T罐中杂酸含量和之前实验罐中基本一致，只有60 T罐下罐残糖稍高一些，达到0.28％，我们在后边的实验中将进一步调整控制条件。 (6)在后提取过程中，围绕粉末炭脱糖这一步，采取单因素和正交实验相结合的方法，对脱糖温度、时间和加炭量几个条件进行优化，实验结果表明对脱糖影响最显著的是加炭量。经过优化得出最优条件为:温度70℃，时间60 min，加炭量6％，在这个条件下最大脱糖率可达到57％。
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