论文部分内容阅读
乳酸是一种重要的有机酸,广泛应用于在食品、化工、化妆品、医药等领域。近年来,石油资源紧缺和白色污染问题日益突出,以聚乳酸(PLA)为代表的生物基高分子材料,因其良好的生物可降解性,被认为是石油衍生塑料的绿色替代品。PLA的兴起也带动了乳酸市场的稳步增长。然而,高生产成本阻碍了乳酸及聚乳酸的大规模应用。本课题旨在探讨高效利用廉价废弃生物质原料——甘蔗糖蜜和葡萄糖废母液,生物转化生产乳酸,通过微生物菌群的筛选,复杂底物的代谢及乳酸的生产,探讨微生物菌群间相互作用机制,为人工菌群的构建提供理论依据,实现乳酸的低成本高效生产。首先,以牛胃内含物为菌源,筛选得到发酵性能稳定、高产乳酸的微生物菌群CEE-DL15。该菌群既能利用单糖(葡萄糖、果糖和木糖等),也能利用寡糖(蔗糖、麦芽糖等),产酸产气,同时既可利用营养丰富的有机氮源,也能利用速效的无机氮源。遗传学分析结果表明,CEE-DL15主要由梭状芽孢杆菌属(57.29%),埃希氏杆菌属(34.22%)和肠球菌属(5.32%)组成。其次,考察了微生物菌群CEE-DL15发酵甘蔗糖蜜生产乳酸的性能。微生物菌群CEE-DL15在不灭菌、糖蜜未处理的条件下生长良好,同时菌群可利用廉价的玉米浆干粉(CSLP)培养基发酵生产乳酸,乳酸产量和产率与传统昂贵的MRS培养基相接近(83.24 g/L,0.72 g/g),生产强度高于其它两种培养基(2.31 g/L/h),氮源生产成本节约50-150%。另外,微生物菌群CEE-DL15对未处理糖蜜有较强的耐受性,最高耐受500 g/L未处理糖蜜。菌群发酵350 g/L未处理糖蜜,最终乳酸产量为112.34 g/L,产率为0.81g/g,生产强度为4.49 g/L/h,表明菌群有较强转化未处理糖蜜为乳酸的能力。经济性分析发现,三种成本参数(碳源、氮源和灭菌成本)的总和约为2935元/吨,占乳酸市场价格的25-35%,与葡萄糖发酵相比,原料成本降低约50%。与纯种发酵相比较,微生物菌群CEE-DL15的发酵性能优于大肠杆菌DL-LA1501和粪肠球菌DL-LA1520和产气荚膜梭菌BNCC185933。最后,考察了微生物菌群CEE-DL15发酵葡萄糖废母液生产乳酸的性能。微生物菌群CEE-DL15可利用廉价的重结晶葡萄糖和CSLP培养基发酵生产乳酸,且发酵过程不灭菌。当重结晶葡萄糖初始糖浓度为150 g/L,乳酸产量达到100.18 g/L,产率为0.83 g/g,生产强度为1.67 g/L/h。相同条件下,以结晶葡萄糖废母液为底物,乳酸产率比重结晶葡萄糖时降低了23.4%。采用Salt-CSLP培养基代替CSLP培养基进行发酵,结果CEE-DL15在Salt-CSLP培养基上能够快速生长,乳酸产量达到113.33 g/L,产率为0.91g/g,生产强度为1.42 g/L/h。相比而言,Salt-CSLP培养基下,乳酸产率和生产强度都显著提高。葡萄糖废母液营养成分相对于糖蜜而言简单,适当补充无机盐类,有利于提高菌群发酵性能。综上所述,微生物菌群CEE-DL15具有对粗放生物质原料的高耐受性和高转换效率。实现了无灭菌开放式批式发酵的高效率生产,减少灭菌能耗及复杂操作,大大降低了乳酸生产成本。