乳酸发酵工艺2011.ppt

乳酸发酵工艺 3 1概述3 2乳酸发酵微生物和发酵机制 3 1概述 3 1 1乳酸发酵简史3 1 2乳酸的性质 3 1概述3 1 1乳酸发酵简史 1 国外发展过程 1780年席勒 Scheele 从酸乳中提炼制得乳酸 1857年巴斯德 Pasteur 发现使牛乳变酸的乳酸菌 1878年李斯特 成功地分离出乳酸细菌 命名为乳杆菌 即今天的乳链球菌 为纯种培养乳酸菌 进行工业化生产奠定基础 1881年CharlesE Avery公司 采用纯种发酵工业化生产乳酸 1894年EijKman 发现鲁氏毛霉产少量乳酸 1911年斋藤 采用华根霉生产D 乳酸 1917 1918年赤木 采用德氏乳杆菌以甘薯淀粉为原料进行工业化生产乳酸 1936年Ward 分离获得优良L 乳酸产生菌 米根霉 并进行表面培养生产L 乳酸 对糖的转化率为40 50 后又提高到62 67 1938年Ward 采用米根霉在旋转发酵罐中通风 液体培养 生产L 乳酸 转化率达70 75 1950年Bernhauer 采用米根霉以葡萄糖为碳源 L 乳酸转化率达80 淀粉为碳源转化率为45 48 1982年Stenroon等 采用海藻酸钙固定化德氏乳杆菌 最大转化率达97 90 以上为D 乳酸 1989年Hang等 采用米根霉NRRL395以玉米为原料直接发酵生产L 乳酸354g 1000g玉米 1989年Hang等 采用海藻酸钙固定化米根霉孢子生产L 乳酸 最高产酸62g L 糖转化率达72 1990年KirKovits等采用凝结芽孢杆菌DSM5169菌株在含糖190g L 酵母膏3g L培养基中 52 培养39小时 生成140g LL 乳酸 其中L 乳酸纯度达99 8 2 国内发展过程 1944年重庆振元化学药品厂 采用德氏乳杆菌发酵生产乳酸钙 1985 1992年无锡第二制药厂 河北秦皇岛乳酸厂 沈阳乳酸厂 银川乳酸钙厂等采用 双酶法处原料 大型发酵罐生产乳酸及乳酸钙 1991年蒋明株等 采用米根霉发酵L 乳酸小试 1991年刘祖同等 固定化米根霉EL 56发酵生产L 乳酸 1992年曹本昌等 分离筛选干酪乳杆菌鼠李糖亚种菌株进行L 乳酸发酵 1997年金其荣等分离选育出产L 乳酸占总酸99 6 米根霉突变株 适用于糖 玉米粉等多种原料 2000年安徽丰原生化公司引进国外的 工程细菌 进行年产5000吨的L 乳酸发酵生产 产酸达180g L 3 乳酸工业的发展 1982年世界乳酸产量2 4 2 8万吨 1989年增至3 0万吨 其中50 60 为发酵法生产的 主要是DL 型乳酸和乳酸钙 荷兰 巴西 西班牙 美国 日本都相继扩建和新建了具有相当规模的L 乳酸厂 其中尤以美国为甚 Dowchemicalco 和Cargill两公司已联合完成年产7000吨聚乳酸的中试 并于2002年初宣布将投资3亿美元建世界上最大的第一套年产14万吨聚乳酸生产线 目前世界乳酸产量达20万吨每年 其中荷兰purac公司10万吨每年 美国ADM公司6 5万吨每年 根据日本有关专家估计 若干年内世界L 乳酸的消费量将达到300万吨 1944年重庆振元化学药品厂 曾以德氏乳杆菌发酵生产乳酸钙 目前我国有十几家生产厂 年生产能力约13 14万吨 生产规模最大的是河南郸城金丹乳酸公司 年产8万吨 最近安徽丰原集团公司从比利时引进菌种可达180g L 新建了年产2万吨的生产线 CompanyLogo L 乳酸的用途 糖果 饮料 果汁 葡萄酒 乳酸钠静脉注射液和肾透析溶液 饲料添加剂防腐剂 保湿及美白 乳酸酯树脂溶剂 聚乳酸 2 乳酸的用途 乳酸及其衍生物在食品 饮料 医药 工业和聚合物等不同的市场内有广泛的应用 1 乳酸可加到糖果 饮料 果汁 葡萄酒 和奶制品如酸奶作为增香剂 酸味剂或者防腐剂 在啤酒生产过程中作调酸剂代替磷酸 2 硬脂酰乳酸盐可作为面包的改良剂 3 乳酸钠可用于静脉注射液和肾透析溶液 乳酸钠 乳酸 和其他有机酸的混合物用于化妆品中有助保湿及美白 4 乳酸钙可为乳品饮料添加钙质以及制成药用钙片 5 其它乳酸盐如铝 铜 铁 锰 镁和锌等可添加到运动性饮料和保健品中来补充矿物质 6 乳酸酯 甲基 乙基 异丙基 丁基 2 乙基己基乳酸盐 可用于化学和电子工业 及作树脂溶剂用于液晶显示器 可读写磁盘 集成电路和集成电路板的生产过程中 乳酸及其盐也可用于化学法电镀 皮革加工 纺织染色等 图 2 1与乳酸发酵有关的优化环境和L 聚乳酸的环境循环 聚乳酸的合成 乳酸聚合成聚乳酸的技术 在实验室规模已行之有年 并不稀奇 简单可分为以乳酸直接缩聚的一步法 及先将乳酸脱水成丙交酯 再开环聚合的二步法 Galotta 2002 Gruber 2004 Hentonetal 2005 Mehta 2005 一步法须一面缩聚 一面脱水 以免乳酸缩聚时产生的水分又将聚乳酸降解 但是要将水分从熔融的黏稠聚乳酸中吸出 十分困难 目前只有同济大学及三井化学使用一步法聚合 Ajiokaetal 1995 Sakashita 2004 其他公司均使用二步法 图 2 1 一步法须较高纯度的乳酸为原料 图 2 2乳酸聚合技术 以乳酸直接缩聚的一步法 及经丙交酯再开环聚合的二步法 聚乳酸和传统热塑塑料的功能性比较 乳酸用途网络图示 乳酸工业规模及市场分析乳酸生产技术研究进展乳酸产业的发展趋势 3 乳酸工业的发展 乳酸工业规模及市场分析 全球主要的乳酸生产商和产能 普拉克泰国新建的十万吨厂 可扩建到二十万吨设计产能 2007年全球乳酸市场 不含聚乳酸部分 约26万吨 乳酸溶液和衍生物换算成100 纯乳酸 图4 3各大公司市场占有比例 图4 4全球乳酸市场简介 2007年中国国内乳酸行业及市场现况 中国2006及2007 出口约3万吨 年 约1US kg 乳酸溶液及衍生物 未换算成100 乳酸 进口约4千吨 年 2007国内 乳酸发酵 产能 7 8万吨 国内实际市场销量 4 5万吨 新建工厂 南通道森1万吨 2007年初 葫芦岛胜农利 凯能 2万吨 2007 宁夏昊凯 凯能 3万吨 08年底 及重庆博飞1万吨 08年底 2007年闲置乳酸发酵产能 10 15万吨 2009年会有5 10万吨的工厂在河南 湖北 与江西建成 国内乳酸供求情况 国内乳酸市场占有率 中国乳酸生产厂所公布的乳酸发酵产能 河南金丹 产能约6 8万吨D L乳酸 开发L乳酸中 安徽丰原格拉特 产能约3万吨L乳酸 扩产至3 5万吨宁夏昊凯 及凯能 约3万吨L乳酸 2008年底 葫芦岛胜农利 凯能 约2万吨L乳酸 2007 江苏森达 原华德 约1万吨D L乳酸 2006 重庆博飞 约1万吨L乳酸 2008年底 江苏道森 约1万吨L乳酸 停产 2007 江西武藏野 约3 千吨 正加D乳酸或新线 再建2万吨 湖南安化 约3千吨L乳酸山西乐达 约3千吨L乳酸河北新化 约3千吨L乳酸五粮液 约3千吨其他 肇东兴东 广东高宝 江苏昌华 河南永煤 三江固德 原广水 乳酸衍生物厂正筹建乳酸发酵厂 中国现有近20万吨产能 却只有4 5万吨国内市场 含出口共7 8万吨市场 乳酸生产技术研究进展 表 5 3不同乳酸菌所产L 乳酸的光学纯度 表 5 4乳酸生产原料的开发 表 5 5乳酸发酵新工艺研究进展 目前国内都转向采用细菌厌氧发酵法生产L 乳酸 进而生产L 聚合乳酸许多单位环绕L 乳酸发酵生产中的关键问题即降低生产成本和提高产品质量 开展 1 菌种的选育或分子生物学及代谢工程改造2 原料的选择与优化3 发酵培养基及发酵条件的优化4 发酵过程中原位分离L 乳酸的新工艺5 精制乳酸新技术等研究 如天津大学 广水乳酸厂等采用分子蒸馏由粗制乳酸 在操作系统压力为0 1Pa 蒸馏温度为55 75 适宜的蒸馏温度应低于75 产品纯度可大于95 本研究室采用清液的细菌L 乳酸发酵 研发了一种复合营养液 每吨乳酸成本只比混液发酵增加150元左右 且发酵液色泽比较浅 有利于分离提纯 6 乳酸产业的发展趋势 L 乳酸的生产成本由每磅1美元降至每磅0 5美元 最近ChemicalMarketingReporter上公布的热稳定性的乳酸价格为每磅0 7美元 合1 2万元 吨 要使聚乳酸被市场接受 大量用于包装材料和一次性用品 估计聚乳酸的价格降到2万 吨以下 发酵乳酸的价格要低于1万 吨 乳酸对三碳化合物及其它生化品的优势 葡萄糖 丙酮酸 乳酸 TCA循环 100 理论产率 66 7 理论产率 脱羧 丙交酯 PLA 80 理论产率 脱水 丙烯酸 乙醛 乙醇 聚乙烯 H2O 31 理论产率 CO2 乙酰辅酶A 其它三碳原料 丙酸或其它 PBS CH2 CH COOH CH3 CH2 COOHorHO CH2 CH2 COOH 3碳通常优于2碳和4碳 乳酸是最易生产的3碳物 乳酸菌 酵母 好氧菌 乙烯 新聚合物 新聚合物 淀粉和纤维素 与其他生物基或者生物降解塑料相比 聚乳酸是目前最重要的环保塑料 其领先地位可以由目前聚乳酸工业规模 在建和已公布项目的数量 市场的聚乳酸产品 加工企业数量 及聚乳酸相关专利及文章的数量来证明 聚乳酸成为首要还保塑料的主要原因 可能是其较低的制造成本和市场价格 许多其他生物降解塑料诸如Ecoflex PHBV和PBS销售价格大概在4 6美元 kg 而在2008年原油价格超过80 100美元 桶时 聚乳酸的到岸价约2美元 kg 已近于传统塑料的价格 使得聚乳酸产品能与PET及PS 甚至一些PE或PP产品竞争 二 乳酸的性质 乳酸的物理性质 1 乳酸 乳酸 lacticacid 学名为 羟基丙酸 hydrxy propionicacid 分子式为 C3H6O3 C2H5O COOH 有一个不对称碳原子 因此具有旋光性 L 乳酸为左旋性 D 乳酸为右旋性 DL 乳酸为消旋性 乳酸分子量为90 08 比重在25 时约为1 206 结构式表示如下 乳酸异构体的理化性质 乳酸溶解性乳酸完全溶于水 酒精 乙醚很不容易结晶析出 乳酸浓度达60 以上 已有很高的吸湿性 商品乳酸通常为60 溶液 药典级乳酸含量为85 0 90 0 食品级含量为80 以上 乳酸溶液性质乳酸通常是乳酸和乳酰乳酸的混合物 为无色透明或浅黄色糖浆状粘性液 几乎无臭或略带脂肪酸臭 味酸 与水 乙醇 乙醚 丙二醇 甘油 丙酮混溶 几乎不溶于氯仿 石油醚 二硫化碳和苯 在67 133Pa 0 5 1mmHg 的真空条件下反复分馏 可得到高纯度的乳酸 进而获得单斜晶体的结晶乳酸 乳酸分子自动酯化能力 乳酸越浓 这种趋势就越强 表示乳酸浓度时 往往用游离酸和总酸 包括水解后方能滴定的聚合形式的总酸度 来表示 右图代表这种情况的曲线 例如 总酸为85 则表示由游离酸61 聚合体21 水18 组成 充分脱水而完全由聚合体构成的浓乳酸 水解后的总酸浓度为125 左右 一般浓乳酸溶液中20 或更多的乳酸自动酯化 分子间生成直链形式的乳酰乳酸的聚合体 又称聚乳酸 其反应可表示为 若加热脱水 乳酰乳酸可通过自身酯化为环状的内交酯 形成树脂状高分子的聚乳酸 其结构如下 三 乳酸发酵微生物和发酵机制 乳酸发酵生产菌种乳酸生产菌自然界中可产乳酸的微生物很多 因为分解糖类产生乳酸对于生物来说是一种获得能量的最原始手段之一 但是产酸能力强 具有工业应用价值的只有霉菌中的根霉属 Rhizopus 和细菌中的乳酸菌类 一 乳酸细菌 工业上应用的乳酸细菌包括杆状菌和球状菌 都是革兰氏阳性菌 不运动 无芽孢 常排列成长短不同的链 厌氧或微好氧 表面生长弱或无 发酵糖类产生乳酸 凡主产物是乳酸 对糖转化率达80 以上者 的菌称同型乳酸发酵菌 否则为异型乳酸发酵菌 过氧化氢酶阴性 乳酸消旋酶阳性者产DL 乳酸 阴性者产D 或L 乳酸 德氏乳杆菌 Lactobacillusdelbrueckii 是国内外乳酸生产中常用的乳酸菌 工业上除生产发酵食品如干酪 香肠 腌泡菜等需要一些异型发酵菌外 单纯生产乳酸都采用同型乳酸发酵菌 杆状 革兰氏染色阳性 现国内外积极开发嗜热脂肪芽孢杆菌 鼠李糖乳杆菌 L rhamnosus 等乳酸细菌的L 乳酸发酵研究 其优点是发酵温度高 无需提供无菌空气和机械搅拌 江苏省微生物研究所曹本昌等筛选获得一株干酪乳杆菌鼠李糖亚种 L caseisubsp Rhamnosus 此菌在50 厌气发酵 产酸率达90g L 梁大芳等筛选分离获得鼠李糖乳杆菌IFFI 422 此菌在40 下发酵48小时 产L 乳酸达88g L 转化率和生产强度分别为95 6 和1 83g L h 近年来 上海工业微生物所 中国食品发酵研究所 天津科技大学和北京化工大学等都分离选育出不同性能的L 乳酸产生细菌 在优化的发酵条件下 产酸达12 16 和转化达率95 以上 西欧 比利时采用基因工程技术 构建工程细菌可产L 乳酸180g L 国外比较有代表性的乳酸生产菌株及其生产情况见表 二 米根霉 Rhizopusoryzae 菌落疏松或稠密 最初为白色 后变为灰褐色至黑褐色 匍匐枝爬行 无色 假根发生 指状或根状分枝 褐色 孢囊梗直立或稍弯曲 2 4根群生 与假根对生 有时膨大或分枝 囊托楔型 菌丝形成厚垣孢子 接合孢子未见 最适发育温度37 41 亦能生长 有淀粉糖化能力 发酵生产乳酸最适温度为30 可利用无机氮 如尿素 硝酸铵 硫酸铵等 国内的研究现状与进展目前发酵生产乳酸的方法有根霉好氧发酵和细菌厌氧发酵两种方法 根霉好氧发酵法已经工业化生产 细菌厌氧发酵法是在近年发展起来的 具有1 成本低2 较少产生CO2废气 环保等优点但只有少数单位 引进国外的乳酸细菌进行L 乳酸的工业化生产外 大多数厂仍采用细菌厌氧生产DL 乳酸 我国很多研究机构 大学都在从事L 乳酸发酵的研究 但大多数都处于中 小试研究阶段 国内从事L 乳酸发酵研究的单位和水平情况 1 国内从事L 乳酸发酵研究的单位和水平情况 2 三 细菌乳酸发酵机制 1 同型乳酸发酵 同型乳酸发酵是葡萄糖经EMP途经降解为丙酮酸 丙酮酸在乳酸脱氢酶的催化下还原为乳酸 此发酵过程中 1mol葡萄糖可以生成2mol乳酸 理论转化率为100 但由于发酵过程中微生物有其他生理活动存在 实际转化率不可能达100 一般认为转化率在80 以上者 即视为同型乳酸发酵 工业上采用德氏乳酸杆菌转化率达96 葡萄糖 2Pi 2ADP 2H 2乳酸 2ATP 2H2O 2 异型乳酸发酵异型乳酸发酵是某些乳酸细菌利用HMP途径 分解葡萄糖为5 磷酸核酮糖 再经差向异构酶作用变成5 磷酸木酮糖 然后经磷酸酮糖裂解酶催化裂解反应 生成3 磷酸甘油醛和乙酰磷酸 磷酸酮糖裂解酶是异型乳酸发酵的关键酶 乙酰磷酸进一步还原为乙醇 同时放出磷酸 而3 磷酸甘油醛经EMP途径 后半部分转化为乳酸 同时产生两分子ATP 扣除发酵时激活葡萄糖消耗一分子ATP 净得一分子ATP 因此由葡萄糖进行异型乳酸发酵 其产能水平比同型乳酸发酵低一半 异型乳酸发酵产物除乳酸外还有乙醇 CO2和ATP 此过程1mol己糖生成1mol乙酸 1molCO2和1mol乳酸 乳酸对糖的转化率只有50 3 双歧 bifidus 发酵途径双歧发酵是两歧双歧杆菌 Bifidobacteriunbifidum 发酵葡萄糖产生乳酸的一条途