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在淀粉制糖发酵生产L-乳酸过程中，发酵缪固液分离的难易程度是衡量发酵产能的一项重要指标，发酵固形物菌渣的处理和再利用是实现清洁生产的关键。L-乳酸能广泛应用于饲料、食品、化工、新材料等诸多产业领域，以L-乳酸为单体合成的聚乳酸（PLLA）可替代石油原料制成的塑料制品，被认为是当前最有前途的生物可降解高分子材料。目前L-乳酸工业化发酵工艺已经较为成熟，但进一步提高纯度和降低能耗仍是L-乳酸工业生产企业面临的重要课题。
通过在线近红外光谱(NIR)非接触式的方法来采集发酵罐中乳酸发酵液样品和测量数据，实时对发酵过程中的葡萄糖含量、氨氮含量、OD值、钙含量、乳酸含量、纯度等进行监测、反馈及控制，替代传统人工取样和检测化检，可显著提高效率和数据准确性，为发酵过程调控提供及时的、准确的数据支持。乳酸发酵过程，大型发酵罐采用套接菌种、发酵过程补加高浓度淀粉糖水等方式，实现了400t发酵罐成熟发酵醪发酵周期30小时，L-乳酸光学纯度最高达到99.8%，发酵缪固液易分离提取，发酵液固形物干重4.92g/100ml。初步实现L-乳酸发酵短周期，高光纯，高产能，为L-乳酸生产企业提高产品质量和效益提供借鉴。

材料和方法

1.1 菌种
凝结芽孢杆菌JD-DFT011，河南金丹乳酸菌种研究室分离和保藏。
1.2 华体会体育最新地址
1.2.1种子华体会体育最新地址：乳酸细菌不同糖浓度改良华体会体育最新地址 MRS。
1.2.2 发酵华体会体育最新地址：玉米淀粉糖水（糖浓度220-230 g/L），适量营养盐，pH自然。
1.3 培养方法
1.3.1 种子培养：115℃高压灭菌15min，接入乳酸菌种，温度45±1℃，100 rpm摇瓶振荡培养12h，再用摇瓶无菌条件下套接2次。
1.3.2 发酵培养：装入发酵罐容积60%的发酵华体会体育最新地址，0.1MPa蒸汽灭菌20min。接入适量菌种，温度50±1℃，搅拌转速75r/min发酵培养。
1.4 分析方法
发酵残总糖和残还原糖 (费林试剂热滴定法)、发酵液中葡萄糖（生物传感分析仪）、光学纯度和发酵液中L-乳酸含量（高压液相色谱法）、OD值（发酵液分光光度计600nm波长处的吸光值）、淀粉糖水干物质（阿贝折光仪）、pH值（酸度计），干重（不含水时的重量）。

结果和讨论

2.1. 近红外光谱仪的监测数据模型在L-乳酸发酵工业的应用
近红外模型的创建是实现在线近红外分析的前提和基础，近红外模型的效果好坏直接决定在线近红外分析仪能否准确检测。评价近红外模型效果的两个重要参数是RMSE（预测标准偏差）和R2（决定系数，相关系数R的平方）。RMSE越小，表明近红外模型的检测准确度越高，检测误差越小。R2越大，表明近红外模型区分Y值高低大小的能力越强。同时R2也取决于Y值的变化范围，若Y值变化范围较小，R2可能相对应的较小，但近红外模型的预测性能依然很好。此外，模型的因子数（Factor）影响模型预测的稳定性，即预测的重复性，因子数应该在一定范围内（不超过10），因子数越大，模型的稳定性越差。
以在线检测采集的近红外光谱为X（自变量），以取样测量样品数量（表1）近红外仪器分析的参考值为Y变量（因变量）如下（表1），采用PLS（偏最小二乘法），选取950-1650nm近红外区段，SG（1阶求导）+SNV光谱预处理，创建乳酸发酵液中菌体浓度（OD）、钙含量、乳酸含量、葡萄糖、氨氮的近红外模型曲线（图1）。由图1可知，近红外光谱仪监测数据能替代实验室测量数据，只需要定期对近红外光谱仪数值进行校准。近红外光谱仪的全面推广，不仅节省人力物耗，还能减少取样频次，对乳酸发酵调控便捷快速。

图1 发酵液样品原始光谱图

2.2 乳酸发酵过程套接菌种对发酵结果的影响
L-乳酸发酵过程中，接种方式主要有两大类：一是传统方式采用种子工作站制备的菌种直接添加进发酵罐成熟发酵。二是发酵罐套接，既以单独的发酵罐为菌种周转罐，菌种在周转罐生长到一定时期，大接种量的转接到另一发酵罐进行乳酸成熟发酵。由于菌种站制备的菌种罐体积较小，菌种富集培养，一般转接大型发酵罐时，正常400吨发酵罐按10-15%接种量接种，菌种种龄在8-10h。试验400吨发酵罐乳酸发酵正常转接菌种，与发酵罐之间套接25-30%接种量的发酵各项指标对比，结果见表2。

由表2可知，套接采用较大的接种量可以缩短发酵周期，发酵罐周转快，发酵产能显著提升，相比较少接种量的转接菌种，发酵罐菌种套接各项指标运行稳定。同时较少的接种量相对会延长发酵周期，并且增加发酵华体会体育最新地址染杂菌的几率，从而会降低发酵料L-乳酸纯度。
乳酸发酵过程中，发酵结束后的成熟料液（发酵醪）的分离难易，是影响产量的一项重要指标。生产过程中采用板框过滤的方式过滤发酵醪，比较两种接种方式对发酵缪滤速、酸值及收率的影响，结果见图2。由图2可知，乳酸发酵过程采用套接菌种的方式，发酵醪的过滤速度、酸值和收率均有明显提升。这主要原因是菌种经过大罐进一步驯养，菌种对大罐发酵的微生态环境更适应，更能耐受高浓度底物发酵[4]，因此，套结工艺更有利于乳酸工业化大生产。
2.3 乳酸发酵过程套接菌种工艺优化
淀粉质原料发酵生产L-乳酸[5]过程中，采用发酵罐菌种套接的方式接种，对发酵效果有着明显的提升。

由表3可知，400t发酵罐套接菌种量28%时，L-乳酸光学纯度和收率达到最高，分别是99.8%和98.57%，发酵周期和发酵残糖均较低。继续增大接种量，L-乳酸光学纯度一定程度略降，同时发酵缪粘稠度略增加。实际生产中，选择L-乳酸光学纯度尽可能大，发酵缪更好过滤为发酵最佳指标范围， L-乳酸发酵套接菌种选择28%接种量最佳。

注：发酵液固形物干重：取10ml发酵液离心,将离心固形物105℃烘干至恒重，固形物占体积的质量体积比（g/100ml）。

结论

在淀粉制糖发酵生产L-乳酸工业化过程中，淀粉制糖工艺自动化控制及发酵过程近红外仪器在线全程监测，对发酵溶液进行原位测量，可极大地提升乳酸发酵生产工艺以及技术装备水平。L-乳酸发酵采用发酵罐大接种量套接，发酵稳定期补加高浓度淀粉糖液，即缩短发酵周期，又提高发酵酸值。发酵固形物主成分为菌渣，可广泛应用于饲料行业。乳酸工业化智能高效绿色生产是未来的大趋势，可为聚L乳酸的工业化生产夯实基础。