252生物技术世界 BIOTECHWORLD
丙酸钙CAS NO.4075-81-4,分子量为186.22,熔点＞300℃,为白色结晶性粉末或颗粒,可溶于水,微溶于甲醇、乙醇,不溶于苯、丙酮及醚类。它可有效抑制霉菌、革兰氏阴性杆菌、好气性芽孢杆菌等,又可通过代谢被人体吸收,因此是世界卫生组织(WHO)和联合国粮农组织(FAO)批准使用的安全食品防腐剂。
工业上一般用氢氧化钙为原料,在反应容器中将丙酸加入到氢氧化钙悬浮液中,保持反应温度在70-100℃,反应时间2-3小时,反应结束时控制pH值在7-8。再通过过滤干燥即得成品丙酸钙。也可采用其他富含碳酸钙的天然原料进行生产,例如蛋壳、牡蛎壳等,可以减少能耗、降低生产成本。
目前采用生物发酵的方法生产丙酸钙开始被研究和发展。与传统的化学工业方法生产丙酸钙相比,采用生物发酵生产丙酸钙作为食品添加剂使用,对人体更加安全。
一般国内外发表研究成果所用发酵生产菌株如表1所示:
采用甘油作为发酵底物,丙酸菌作为生产菌株,可得到较高浓度的丙酸,且生产过程简单,为丙酸钙的发酵生产放大提供了条件。
丙酸钙发酵生产流程:
本实验采用深圳绿微康公司提供丙酸菌,并在其提供的实验室级别发酵工艺流程放大至150m?发酵罐生产工艺流程。
给定的实验室发酵工艺流程:
甘油管菌种→100mlLB培养基(42h)→1L种子培养基(24-36h)→实验发酵罐(每级接种量均为10%)
种子培养基与发酵培养基配方均为:甘油0.5%,蛋白栋0.5%,酵母膏1%,磷酸氢二钾0.25%,磷酸二氢钾0.15%,调pH 6.8-7.2。
种子培养阶段工艺:培养温度30℃,厌氧静置培养,种子培养过程中无需调pH或补料,培养瓶用棉塞封口即可。
发酵过程工艺:培养温度30℃,罐体上部进气保持正压,不从液体内部进气。搅拌每8小时搅拌一次,一次搅拌5分钟。其余时间停搅拌静置培养。
补料及检测:通过pH反馈控制流加氢氧化钙悬浮液,通过流加甘油控制甘油浓度保持在0-2%。
通过实验结果调整后150m 3发酵罐的工艺流程:
甘油管菌种→100mlLB培养基(42h)→1L种子培养基(24-36h)→5L种子培养基→250L一级种子罐(24h)→5m 3二级种子罐(48h)→150m 3发酵罐
(摇瓶种子接种量为 10%;250L罐种子、5m 3罐种子,接种量为5%;发酵培养接种量为10%)
工艺更改分析:由于放大倍数较大,且原工艺接种量较大,如果按原接种量接种,会增加较多种子级数,提高了整个批次生产的周期,降低了生产效率。在后两级种子采用5%的接种量,适当增加种子培养时间。通过实验结果观察,接入150m?发酵罐后,种子活力与实
验罐种子活力相比,并无明显降低情况。
各级种子培养基配方:甘油0.5%,蛋白栋0.5%,酵母膏1%,磷酸氢二钾0.25%,磷酸二氢钾0.15%,调pH 6.8-7.2;发酵罐培养基配方:甘油0.5%,蛋白栋0.5%,酵母膏1.2%,磷酸氢二钾0.25%,磷酸二氢钾0.15%,调pH 6.8-7.2。
工艺更改分析:种子培养基配方没有改变,加大了发酵培养基中酵母膏的含量,由1%增至1.2%。据150m 3罐的消毒数据,由于罐体结构的变化(主要为径高比降低),消毒过程中营养物质的损耗高于实验罐的损耗,因此,采用提高对丙酸菌较重要的营养物质(酵母膏,此前由试验验证)的含量,消后培养基质量有了明显改善,各参数能达到实验罐参数。
发酵过程工艺:温度30℃;压力气体通过进入发酵罐上部保持正压;搅拌补入氢氧化钙时,50rpm,完毕后关闭;pH6.0-7.0。
工艺更改分析:与实验罐相比,150m 3发酵罐的温度控制迟钝,当加入氢氧化钙调节pH时,补料口局部温度及pH较高,需要加开搅拌加快料液和温度的分散。调整工艺后,加大了开搅拌的频率(约为10min/2h),与原实验工艺比较,提高了搅拌的开机时间,增加了生产成本。发酵液pH与温度能够保持相对稳定,对菌体生长未造成不良影响。
补料及检测:氢氧化钙 约两小时每次,开度控制在每次加入时间10min;甘油初始培养基甘油浓度为2%,发酵过程中将甘油浓度控制在0-2%,每24h小时进行甘油浓度检测,并根据检测结果加入甘油。
工艺更改分析:氢氧化钙悬浮液的加入由实验罐的pH反馈控制流加变为根据pH变化短时间大量补入。相比之下,该工艺降低了发酵液pH的稳定性。但是由于实验罐体积较小,补入氢氧化钙悬浮液后不需要开启搅拌,150m 3发酵罐如果保持氢氧化钙悬浮液的pH 反馈流加,则必须常开搅拌,在设备使用和成本控制上不能接受(没有通气对流且发酵液液位较高的情况下开启搅拌对搅拌设备压力过大)。据此调整放大工艺,发酵结果并未受较大影响。
放大生产实验结果:根据上述放大工艺控制进行多批次(共13个批次)生产后,平均批产量可达到4.72T,丙酸含量达到37.5g/L,甘油转化率达到59.4%,基本达到了实验罐的发酵水平,150m 3发酵罐的发酵放大工艺在发酵车间得到了成功。但进行后续加工实验的提取车间数据反馈,与实验罐相比,提取精制工艺需要进行较大规模调整,且生产工序和生产成本都比预计水平有成倍的提高,因此,为要尽快能实行生物发酵生产丙酸钙的工业化,还对丙酸钙发酵液
的提取精制技术进行更多的研究,这对促进我国食品工业发展等行
业有重要的意义。
生物发酵丙酸钙生产
150m 3
发酵罐放大工艺摸索
徐艳力
(天津国韵生物材料有限公司 天津 300462)
中图分类号:
S816
文献标识码:
A
文章编号:
1674-2060(2015)08-0252-01
表1