[00142492]适应市场变化的葡萄糖酸钠高效生产新技术

葡萄糖酸钠是重要的生物化学品,广泛应用于食品、医药、化工和建筑等行业中。传统的大宗原料葡萄糖酸钠工业发酵过程是以黑曲霉为生产菌株的批发酵工艺,存在着能耗高、转化率低、产能低等问题。本项目采用全生命周期成本分析（LCA）的方法理念,进行葡萄糖酸钠发酵生产过程从原料玉米到形成产品全产业链过程的设计,从物质流、能量流的角度,并结合水的平衡、化石燃料的消耗以及温室气体的排放实施葡萄糖酸钠生产全流程系统的工艺优化评估。全生命周期统计分析结果显示,尽管主原料即玉米的成本在所有成本中占据统治性地位（接近80%）, 但最大限度地提高葡萄糖酸钠的合成速率和糖转化率对于总体成本降低具有决定性的作用。 为了更好地找到影响葡萄糖酸钠合成速率和得率的关键因素因此,本项目组首先利用生物过程先进传感仪器仪表用于黑曲霉发酵过程中生理代谢特性参数的采集,根据多参数相关性分析,深入研究发酵过程中摄氧速率OUR、二氧化碳释放速率CER、呼吸熵RQ生理代谢特性参数与糖耗速率、产物合成速率、转化率之间的相应关系, 突破了传统的葡萄糖酸钠发酵生产批培养工艺技术,进一步实施了优化的带方式半连续发酵工艺及膜耦合连续发酵工艺技术,创新性地建立了基于过程生理代谢参数优化控制的连续发酵过程优化控制新工艺,使葡萄糖酸钠转化的率由原工艺批培养的85.1%提升到了98.4%,发酵葡萄糖酸钠的合成速率由16.8 g/L/h提升到了31.1 g/L/h,技术的实施大幅度提升了葡萄糖酸钠的生产水平,最大限度地降低了非发酵时间占用比例,提升产能达到原有工艺的4倍以上,节约发酵成本40%以上,大幅度提升了企业的生产力和市场竞争力。随着发酵工艺的不断进步,催化葡萄糖酸钠生产的GOD酶和CAT酶的市场价格不断降低,在双酶法工艺研究中,我们研究了酶在生产反应器中的催化动力学,形成了基于过程氧消耗速率OUR为指导的连续流加酶控制工艺,大幅度提升了酶的催化效率,并降低了35%酶的消耗量,使得发酵产能较发酵批培养提升了2.4倍。 基于建立的利用葡萄糖酸钠生产全生命周期成本流程模拟与新设定的过程模块,分析并辅以现场采集的实验数据,对不断开发的分批改良工艺、带放半连续发酵、膜耦合连续发酵和双酶催化等新工艺逐步进行了系统模拟预评估,从物料平衡与能量平衡数据对各种流程进行经济性分析,并从全生命周期的角度考察工艺流程改变对于产品可持续性的影响。最终形成了连续发酵和双酶法两个相互制衡的优选生产工艺,以促进葡萄糖酸钠生产利润的最大化。LCA评估及经济技术分析结果可以直接用于指导研发方向;提高研发效率,降低研发成本。 项目核心技术总体达到了国际先进水平（检索证明）,研究成果成功推广到了工业生产过程中,为企业创造了很大的经济效益,实现三年新增产值8.56亿元,新增利税6319万元。实现COD减排4800吨,降低二氧化碳排放45%以上,经济和社会效益显著。项目实施过程发表相关科技论文12篇,授权及申请专利7项,培养博士生2人,硕士研究生9人,为企业培养科技人才18人。校企联合产业技术攻关模式受到了德州市政府的大力支持,成立了“山东褔洋生物制造工程研究院”,该研究院以技术为支撑,必将为人才培养、新项目与新技术的创新、经济发展起到重要的促进作用。