[发明专利]一种利用固定化细胞转化甘油生产乳酸的方法

说明书

技术领域

本发明涉及乳酸，尤其是涉及一种利用固定化细胞转化甘油生产乳酸的方法。

背景技术

乳酸，学名-羟基丙酸，可按其旋光性分为L型、D型和DL型。乳酸是一种十分重要的有机酸，可广泛用于食品、制药、纺织、印染、化妆品等领域。以乳酸为原料合成的聚乳酸（PLA）是一种强度高、可塑性强、环境友好的有机高分子材料，高品质的聚乳酸可用于医用手术缝合线、骨骼固定材料、组织缺损部位补强材料等，具有很好的生物相容性；较低品质的聚乳酸可用于农用大棚、一次性饭盒等，可在自然环境下被微生物降解，被认为是极佳的塑料替代品。随着对乳酸及其衍生物的研究越来越广泛和深入，乳酸的需求量也随之不断增加。

目前，乳酸的生产方法主要有化学合成法、酶催化法和微生物发酵法。化学合成法的乳酸产品光学纯度低，且使用的原料具有很强的毒性；酶催化法生产乳酸条件苛刻、成本很高，很难实现工业化生产；微生物发酵法生产乳酸，其原料来源广泛、能耗小、安全性好，并且可以通过菌种的选育或控制其代谢途径来获得高光学纯度的乳酸，故微生物发酵法在世界范围内成为生产乳酸的主要方法。

21世纪，石油供需矛盾日益尖锐，石油化工及石化燃料燃烧造成的环境问题日益突出，开发新的对环境无害的可再生能源日益得到各国的重视。生物柴油是一种环境友好的生物燃料，在使用中可部分或全部替代石化柴油。近年来，生物柴油产业迅速崛起，蓬勃发展，而甘油是生物柴油生产过程中的主要副产物，每生产1吨生物柴油会同时产生0.1吨粗甘油。随着世界范围内生物柴油需求量和生产量的迅猛增长，其副产物粗甘油成为丰富而廉价的原料，对它的有效利用也成为紧迫的课题。同时，传统乳酸发酵产业的主要原料葡萄糖、淀粉等糖质原料的成本不断增加，使得乳酸产业受到很大的原料成本压力。因此利用廉价的粗甘油生产高附加值的乳酸逐渐成为新的研究方向。目前，国内外利用微生物转化甘油生产乳酸的研究较少，其中清华大学的学者利用大肠杆菌可以以纯甘油为底物发酵得到85.8g/L的乳酸（洪安安,程可可,孙燕,等.代谢甘油高产乳酸的菌种选育及培养基优化[J].微生物学通报,2009,36(8):1195-1199）。但是，运用传统发酵工艺，直接以甘油作为原料发酵乳酸往往存在着底物抑制严重、生物量低、生产强度低等问题，限制了微生物转化甘油生产乳酸的工业化应用。

纤维床生物反应器（FBB）是在传统填充床反应器基础上改进设计出的一种简单、高效的生物反应器，尤其适用于厌氧或微氧条件下的微生物固定化发酵。纤维床生物反应器选择棉纤维织物等纤维材料作为固定菌体细胞的基质，具有以下优点：①材料化学惰性，不会对菌体细胞有毒害作用，也不会被菌体所降解，不影响菌体在发酵过程中的生长情况；②具有较高的比表面积和空隙率，传质性能良好；③单位体积可固定的细胞数量多；④价格便宜，易获得，固定化成本低；⑤制备方法简单，适合工业放大；⑥有较好的机械强度，能经受较长时间的使用；⑦稳定性好。

发明内容

本发明的目的在于提供可资源化利用廉价的生物柴油副产物粗甘油，降低乳酸发酵的原料成本，提高单位操作体积菌体密度，省去重复的菌种活化与接种等操作，提高乳酸生产强度的一种利用固定化细胞转化甘油生产乳酸的方法。

本发明包括以下步骤：

1）将菌种接入含甘油的种子培养基中培养，得到种子液；

2）将种子液接入含甘油的扩大培养液，在发酵罐中进行扩大培养，同时用补料装置流加碱溶液将扩大培养液的pH值控制在4.5～7.5的范围内，培养过程中测定培养液中的菌体浓度；

3）当扩大培养液中的菌体细胞浓度达到1.0～15.0g/L时，利用泵将扩大培养液泵入纤维床生物反应器内，当扩大培养液完全充满纤维床生物反应器后，维持扩大培养液在发酵罐和纤维床生物反应器中的循环，菌体细胞固定化过程中测定扩大培养液中游离菌体细胞的浓度，当游离菌体细胞浓度降至最低点时，视为固定化过程结束；

4）菌体细胞固定化完成后，加入含甘油的发酵培养基控制初始甘油浓度为5～200g/L，或直接更换初始甘油浓度为5～200g/L的发酵培养基，进行固定化发酵后，得到乳酸。

在步骤1）中，所述菌种为戊糖乳杆菌（Lactobacillus pentosus）R3-8，该菌种已于2011年3月31日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，该保藏中心登记入册编号为CGMCC No.4726；