生物基化學品的糖析萃取動力學及其耦合發酵研究

《生物基化學品的糖析萃取動力學及其耦合發酵研究》是依託大連理工大學,由修志龍擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：生物基化學品的糖析萃取動力學及其耦合發酵研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：修志龍

項目摘要

生物基化學品的分離過程面臨步驟多、收率低、能耗高、廢水處理量大等突出問題。在前期開展的鹽析萃取分離基礎上，提出用發酵培養基中的糖和鹽進行糖析萃取分離目標產物的思路，將固-液分離、大分子除雜和部分副產物分離集成於萃取過程，並將萃取與發酵耦合，顯著減少廢水的排放，實現殘餘底物和副產物的再利用。本課題以2,3-丁二醇和乳酸為分離研究對象，利用衰減全反射傅立葉變換紅外光譜線上檢測技術，深入探討糖析-鹽析混合萃取體系的成相規律，揭示複雜發酵系統中目標產物、副產物、細胞、大分子雜質、殘餘底物、色素等的分配行為和萃取動力學，確立糖析萃取的最佳體系和條件（如pH、溫度），考察萃余相去除溶劑後用於再次發酵的可行性，建立同步糖化發酵-萃取耦合的集成工藝，考察影響細胞生長和代謝的因素，線上研究新過程的發酵動力學。期望通過系統深入的研究，將糖析萃取技術開發成為一種適合於發酵產品的新型、普適、高效的分離技術。

結題摘要

以可再生的生物質資源為原料生產各種生物基化學品是一種綠色生物製造技術。與化學法生產相比，發酵液成分複雜、水溶性好、沸點高、產物濃度低、固液分離困難，因此下游分離是生物基化學品產業化的瓶頸。 本項目基於目標產物在糖/鹽與短鏈醇等有機溶劑形成的兩相中分配差異，實現生物基化學品的糖析/鹽析萃取。首先考察了糖/鹽與短鏈醇/酯/離子液體的成相規律，繪製了相圖，用Merchuk、Othmer-Tobias、Bancroft等經驗方程描述系線與雙結點等成相規律，並考察了少量鹽對糖析萃取體系成相的影響。其次研究了目標產物（1,3-丙二醇、2,3-丁二醇、乙偶姻、乳酸、琥珀酸等）及其發酵液中細胞、蛋白、副產物、殘餘底物、色素等在糖析/鹽析萃取體系中的分配情況（分配係數、產物收率、細胞和雜質去除率等），同時考察了發酵液濃度、萃取劑和糖的濃度、添加培養基無機鹽（硫酸銨、磷酸氫二鉀等）、體系pH值和溫度對分配行為的影響。最後研究了萃余相回收有機溶劑後用於發酵的可行性，考察了糖相中殘餘溶劑對微生物生長和代謝的影響。考察發酵過程中細胞生長、底物消耗、產物形成的規律，分析代謝流量分布。 研究表明，利用糖/鹽與有機溶劑形成的兩相以及目標產物在兩相分配的差異，可以實現產物有效的糖析萃取，並能與發酵進行耦合。例如用叔丁醇/葡萄糖體系萃取發酵液中的2,3-丁二醇、乙酸乙酯/葡萄糖體系萃取3-羥基丁酮、異丙醇/葡萄糖體系萃取乳酸等。大部分產物分配在上相，富含糖的下相可用於再次發酵，從而減少了廢水的排放。 研究成果發表34篇學術論文，其中SCI論文25篇，在分離領域權威期刊Separation and Purification Technology上發表9篇論文。授權中國發明專利6項，申請發明專利7項。項目培養博士研究生6名，碩士研究生9名，其中2名博士已經畢業，8名碩士已經畢業，4名博士生和1名碩士生在讀。