发酵动力学-乳酸.ppt

乳酸发酵动力学 目 录 背景 乳酸产生菌生长动力学 结论及展望 一、背景 乳酸： 乳酸（Lactic acid），是世界上应用广泛的三大有机酸之一，又名丙醇酸，学名 2-羟基丙酸。广泛存在于人体、动物、植物和微生物中。 自然界中产乳酸的微生物很多，但产酸能力强，可以应用到工业乳酸发酵上的只有根霉属和乳酸菌类。 乳酸运用： 乳酸的盐类及其衍生物用途广泛，主要用于食品、药物、医药、环保、轻工、化工等行业。由于人体只含有L一乳酸脱氢酶，故L-乳酸在食品工业中的使用是绝对安全的。 乳酸生产方法 生产乳酸的方法主要有化学合成法、酶法和微生物发酵法。 微生物发酵法生产乳酸，可以通过菌种和培养条件的选择而获得具有立体专一性L一乳酸。具有针对性强、原料来源广泛、生产成本低、产品光学纯度高及安全性高等优点而成为生产乳酸的重要方法。目前90%乳酸运用微生物发酵法来生产。 发酵动力学可为研究乳酸产生菌的生长、乳酸的生成及底物的消耗，及进一步的放大生产提供理论参考，研究意义重大。 二、乳酸产生菌生长动力学 目前，对产乳酸菌生长动力学研究很多，由于产酸菌种、发酵条件、发酵方式的不同，用来描述菌体生长的动力学的模型公式也不同。描述菌体生长最典型的模型为 Monod 方程，该方程描述的是比较理想状态下的菌体生长。而实际中存在着各种抑制因素，逻辑方程（Logistic Equation）是另外一种应用较为普遍的方程，它可以很好的反应菌体浓度的增加对菌体的抑制作用，是常用的菌体生长动力学模型。 天津大学化工学院的卫强进行了5L发酵罐的间歇发酵和流加发酵的特性及其动力学分析。由于发酵过程采用了浓度为 150g/L 的葡萄糖底物，糖浓度偏高，发酵液比较粘稠，该间歇发酵过程中有一最大菌体浓度，由此采用Logistic Equation来描述菌体的生长规律。作者采用MATLAB对实验测量数据进行非线性拟合，生成模型计算值与实验值的拟合情况，菌体生长模型计算值与实验值的最大相对误差为 12.4%，平均相对误差为 3.08%，均方差为 0.028，可见所建数学模型能较好地反映 L-乳酸间歇发酵的过程。该模型较好地描述了 L-乳酸的间歇发酵过程，间歇发酵动力学模型的建立，可为发酵过程的优化控制、小罐实验数据的放大，以及从间歇发酵过渡到流加发酵和连续发酵提供理论基础。但是没有得出流加发酵的菌体生长动力学模型。 山东大学的李海军构建和模拟了鼠李糖乳杆菌（Lactobacillus?rhamnosus）在葡萄糖抑制下的L一乳酸发酵的动力学模型，用自编的VB6.0程序处理实验数据，检验动力学模型。在以葡萄糖为底物抑制的条件下，为鼠李糖乳杆菌L一乳酸发酵建立了一个宽葡萄糖浓度范围的数学模型，为实际发酵过程提供了依据。 吉林大学分子酶学工程教育部重点实验室的王玉华采用干酪乳杆菌的耐酸性改组高产菌株 Lc-F34 和 Lc-WT，以氨水和CaCO3中和剂，以5L分批发酵为操作模式，研究菌体生长动力学模型，实验数据得出菌体的生长曲线，类似S型，符合 Logistic模型，能很好反映的分批发酵过程中菌体生长规律。 中国海洋大学的姜勇同时分别研究了米根霉 AS3.819和鼠李糖乳杆菌 1.549利用葡萄糖产乳酸的摇瓶实验，分别研究了两种菌株生长的模型，并用上述动力学模型和参数对培养基中初始葡萄糖分别为 72g/L 和 74g/L 的发酵过程进行预报，实验结果与模型预报值有良好的一致性。最终提出了 L-乳酸的米根霉与鼠李糖乳杆菌的共固定化微胶囊直接利用淀粉协同混合发酵新工艺。 合肥工业大学的刘靖，采用米根霉高密度半连续发酵产乳酸，研究了菌体生长的动力学模型，验证结果表明，该动力学模型能够较好的描述实验过程。中国海洋大学的纪赟利用在番茄汁培养基下酒类酒球菌发酵动力学实验数据进行了三组初始葡萄糖浓度不同的培养动力学实验，建立了菌体的生长动力学模型。利用上述动力学模型和参数对培养基中初始葡萄糖为 14g/L 的发酵过程进行预报，结果表明模型值与实验所获得数值具有较好的一致性。 华中科技大学的卢正东，以盾叶薯预酶解糖液为底物的鼠李糖乳杆菌HG09的单批发酵动力学模型方程进行了研究，通过Matlab软件获得模型参数估计，结果模型方程曲线与实验值拟合程度较好，在此基础上，研究了培养基初糖浓度对重要模型参数的影响，发现L一乳酸产量、产率和最大比生长速率随初糖浓度的升高而降低。 合肥工业大学的杜威进行了重复间歇发酵动力学研究，这方面的研究之前鲜有报道，实验得出了拟合很高的菌体生长动力学模型，在此基础上确定了球状米根霉在生长和产酸方面均优于絮状米根霉。研究结果可为米根霉半连续发酵产L一乳酸过程的放大生产提供理论指导。 长沙理工大学的赵龙，在1