该项目为江西省第十二批主要学科学术和技术带头人培养计划项目(2008DD00600)。
2-酮基-D-葡萄糖酸(2-keto-D-gluconic acid,2KGA)是葡萄糖酸的重要衍生物之一,也是目前工业化大规模生产的有机酸之一。2KGA的用途广泛,如作为饲料的富钙添加剂、洗涤剂的促净剂、水泥增塑剂和摄影显影剂。同时,2KGA还是合成除莠化合物、糠醛、D-阿拉伯糖、D-核酮糖和D-异抗坏血酸(erythorbic acid,EA)及其钠盐(sodium erythorbate,EN)的前体。其中,作为食品添加剂EA(EN)的前体是其最主要的用途。我国是目前国际上最大的EA(EN)生产国,占有该类产品 80% 以上的国际市场份额。江西省德兴市百勤异VC钠有限公司为国际上规模最大的EA(EN)生产企业,其实际年产量已达24000吨左右,在国际市场上的占有率超过了50%。
2KGA的生产方法主要有酶法、化学合成法和发酵法等3种,①酶法:在吡喃糖-2-氧化酶(Pyranose-2-oxidase)、葡萄糖-2-氧化酶(Glucose-2-oxidase)和葡萄糖-1-氧化酶(Glucose-1-oxidase)中任何一种酶的催化下,用O2将溶液中的D-葡萄糖氧化为D-葡糖醛酮或D-葡萄糖酸-δ-内酯,然后选择吡喃糖-2-氧化酶和葡萄糖-1-氧化酶的一种酶,催化氧化D-葡糖醛酮或D-葡萄糖酸-δ-内酯为过氧化氢和2KGA;②化学合成法:以葡萄糖为起始原料,在Pt/Pb或其他催化剂存在的条件下,用O2将葡萄糖氧化为2KGA;③发酵法:利用细菌直接转化发酵培养基中的葡萄糖为2KGA。实验室研究结果和工业生产实践均已表明,发酵法是目前最有效率(经济)的2KGA生产方法。因此,目前国内外的相关企业在工业生产中均采用发酵的方法。
目前国内2KGA发酵中采用的是补料分批发酵工艺,存在着发酵周期长、设备利用率低和能源消耗高等问题。本项目通过采用自主选育的原料适应性广、耐高温、抗污染、遗传性状稳定的2KGA高产菌株,以高强度发酵工艺替代现行的补料分批发酵工艺,实现关键生产设备的大型化和生产过程的连续化,以达到节能降耗、提高生产效率的目的,为本行业的技术进步起到示范作用。
本项研究建立了基于两级(半)连续发酵技术的2KGA高强度规模化生产模式。在适宜的工艺条件下,其发酵转化率(mol/mol)≥88.5%,发酵生产强度≥7.5g/Loh,发酵液中2KGA的质量浓度≥210.0g/L,发酵装置连续运行时间≥15.0d,2KGA产品质量符合D-异抗坏血酸(钠)的合成要求。本项研究成果的各项技术经济指标全面达到或超过计划任务书的要求。
与国内外现有的同类技术相比,本项技术在发酵生产强度和发酵液中的产物浓度指标上有大幅度的提高,分别达到了7.5g/L·h和215.0g/L以上,比国内原有技术分别相对提高了50.0%和20.0%左右;在发酵转化率指标上,本项技术与国外技术基本相当;在产品质量上,与国内外现有技术没有明显区别,均可满足D-异抗坏血酸(钠)的合成要求。从总体技术水平来讲,本项研究成果已达到国际先进水平。
本项目解决的关键技术问题包括:2KGA产生菌葡萄糖代谢的调控技术;2KGA发酵过程中的补料技术;2KGA发酵过程中杂菌及噬菌体污染防治技术。
本项目的主要创新点为:(1)开发了高强度的2KGA发酵生产工艺,以(半)连续发酵模式替代了现行的补料分批发酵模式,使发酵生产强度和发酵液中的产物浓度显著提高(分别达到了7.5g/L·h和215.0g/L以上,比国内原有技术分别相对提高了50.0%和20.0%左右);通过对发酵工艺条件的优化,在工业化生产条件下使发酵产率达到了0.9550g/g(相当于理论产率的88.5%)以上。(2)以先进的分离纯化技术(如连续离子交换、连续多效浓缩)替代了传统的分离纯化手段,保证了产品质量,明显减少了发酵产物提取过程中废水的排放;实现了关键生产设备的大型化和生产过程的连续化,能够有效减少能源的消耗。
本项目的完成,明显提高了我国2KGA发酵生产技术水平,显著降低了产品的生产成本,有效改善了产品质量,同时有利于实现清洁生产,也有利于巩固我国EA(EN)产品在国际市场上的优势地位。 |