发酵法生产1，3-丙二醇过程及中试研究

摘要

本文通过实验，研究了克雷伯杆菌厌氧连续发酵甘油过程中中间代谢产物3-羟基丙醛(3-HPA)的作用机制，考察了两步发酵法生产1，3-丙二醇工艺路线的可行性，完成了以甘油为原料生物法制备1，3-丙二醇中试试验。最后依据中试结果，开展了发酵法生产1，3-丙二醇技术经济可行性分析。 通过对克雷伯杆菌在稀释速率0.2h<'-1>条件下厌氧连续发酵甘油过程中底物浓度不同方式改变后产生的过渡行为的实验研究，重点考察了代谢中间产物3-HPA对甘油岐化过程中关键酶活性、菌体生长以及产物形成的影响。实验结果表明：发酵液中3-HPA的比生成速率q<,3-HPA>是一个关键参数，它对甘油脱氢酶(GDH)和1，3丙二醇氧化还原酶(PDOR)活性具有较强的抑制作用，而对甘油脱水酶(GDHt)的活性几乎没有影响。实验结果还揭示了较高的甘油浓度抑制菌体生长是间接通过3-HPA来实现的。本实验现象和结论与先前文献报道相比有些明显差异，并将有助于1，3-丙二醇生产技术的改进。 通过几种不同原料制备的甘油对克雷伯杆菌厌氧间歇发酵生产1，3-丙二醇的影响的比较实验，验证了两步发酵法生产工艺路线的可行性。在甘油初始质量浓度相同(70g/L)的条件下，以葡萄糖为原料发酵得到的甘油转化为1，3-丙二醇的效果较好，发酵时间为15h，甘油到1，3-丙二醇的摩尔转化率为45.1％；皂化甘油生产1，3-丙二醇的发酵时间为18h，摩尔转化率为44.2％；而玉米淀粉水解液发酵的甘油转化为1，3-丙二醇需要31h，摩尔转化率仅为26.5％。在间歇发酵实验基础上，又进一步开展了以发酵甘油粗产品为原料的批式流加发酵实验，结果表明：由淀粉经两步发酵生产1，3-丙二醇的工艺路线是可行的。 在实验室小试研究结果基础上，利用克雷伯杆菌以纯甘油为原料完成了1m<'3>和20m<'3>发酵罐规模的批式流加发酵法生产1，3-丙二醇中试试验。中试试验结果表明：1m<'3>发酵罐规模厌氧与微氧发酵各批次试验最终发酵液中1，3-丙二醇质量浓度均达到了70g/L以上，其中厌氧发酵1，3-丙二醇平均质量浓度为74.6g/L，最高达到了78.5g/L；平均质量得率为50.6％，最高达到52.3％；发酵时间小于32h，平均为29.7h；生产效率最高达到2.87g/L.h，平均为2.53g/L.h；微氧发酵1，3-丙二醇平均质量浓度为72.8g/L；平均质量得率为45.8％；平均发酵时间为34h；平均生产效率为2.14g/L.h。20m<'3>发酵罐规模试验也得到了较好的结果，最终发酵液中1，3-丙二醇平均质量浓度达到了63.9g/L，最高达到了68.6g/L；平均质量得率为41.2％；平均发酵时间为34h；平均生产效率为1.87g/L.h。试验结果验证了小试工艺路线的可行性。采用发酵液醇沉预处理，再精馏的专利技术分离得到了纯度在99％以上的1，3-丙二醇产品，分离收率大于85％。委托中国石油辽阳石化研究院完成了聚合实验，产品质量达到了聚对苯二甲酸丙二酯(PTT)聚合级要求。在此基础上，又以发酵甘油粗产品为原料完成了1m<'3>发酵罐规模批式流加发酵试验，进一步验证了两步发酵工艺路线的可行性。 最后，根据中试试验结果对1500吨/年以甘油为原料生物法制备1，3-丙二醇的生产装置进行了技术经济可行性分析：项目总投资为6876.31万元，单位产品生产成本为24797元/吨，年净利润为1501.17万元。成本分析表明，生物法生产1，3-丙二醇技术是经济可行的。

目录

文摘

英文文摘

声明

引 言

1文献综述

1.1概述

1.2化学法生产1，3-丙二醇

1.2.1环氧乙烷氢羰基化法

1.2.2丙烯醛水合加氢法

1.2.3国内化学法制备1，3-丙二醇研究现状

1.3微生物法生产1，3-丙二醇

1.3.1微生物法生产1，3-丙二醇的菌种

1.3.2 1，3-丙二醇生产菌种的代谢途径及代谢计量分析

1.3.3微氧代谢途径

1.3.4辅助底物发酵

1.3.5底物和产物对细胞生长的抑制作用及其与代谢的关系

1.3.6克雷伯杆菌连续培养过程中的过渡行为与振荡现象

1.3.7培养基与培养条件的优化

1.3.8发酵方式的比较

1.4甘油歧化过程的基因调控机理及菌种的基因改良

1.4.1 dha调节子

1.5.2 dhaB调节子

1.5.3菌种的基因改良

1.5发酵法生产1，3-丙二醇的下游分离过程

1.6未来与展望

1.7本论文立题思想

2克雷伯杆菌厌氧连续发酵过程中3-HPA对过渡行为的作用机制

2.1引言

2.2实验材料与方法

2.2.1实验材料

2.2.2实验方法

2.3实验结果

2.3.1底物浓度不同变化方式下的过渡行为

2.3.2中间代谢产物3-HPA和关键酶对底物浓度不同方式变化后的响应

2.3.3底物浓度脉冲式改变后发酵液中pH的变化

2.4讨论

2.5小结

3两步发酵法生产1，3-丙二醇的研究

3.1引言

3.2实验材料与方法

3.2.1实验材料

3.2.2实验方法

3.3实验结果与讨论

3.3.1以葡萄糖为原料两步发酵生产1，3-丙二醇

3.3.2以玉米淀粉糖化液为原料两步发酵生产1，3-丙二醇

3.3.3以皂化甘油为原料厌氧间歇发酵生产1，3-丙二醇

3.3.4以粗发酵甘油为原料厌氧批式流加发酵生产1，3-丙二醇

3.4小节

4发酵法生产1，3-丙二醇中试试验研究

4.1引言

4.1.1国内外现状、发展趋势及技术路线比较

4.1.2技术路线的选择及研究目的

4.2中试试验材料与方法

4.2.1中试试验材料

4.2.2中试试验方法

4.4试验结果

4.4.1种子罐生长曲线的测定

4.4.2中试预实验

4.4.3 1m3发酵罐规模中试试验结果

4.4.4 20m3发酵罐规模中试试验结果

4.4.5产品分离与聚合试验结果

4.5讨论

4.6小结

5发酵法生产1，3-丙二醇技术经济可行性研究

5.1引言

5.2投资估算

5.2.1项目概况

5.2.2投资估算及分析

5.3生产成本和销售收入估算

5.3.1成本估算依据及说明

5.3.2成本估算

5.3.3经济收益估算

5.4经济评价

5.4.1财务分析

5.4.2投资回收期

5.4.3盈亏平衡分析

5.4.4经济效益敏感性分析

5.4.5甘油价格变化对1，3-丙二醇生产成本的影响

5.5 小结

结 论

前景展望

创新点摘要

参考文献

附录

攻读博士学位期间发表学术论文与申请专利情况

攻读博士学位期间承担项目鉴定验收与获奖情况

致 谢