一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙及其制备方法
【专利摘要】本发明公开一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙及其制备方法，所述活性碳酸钙的制备方法包括以下步骤：在发酵液体系中，有机酸钙盐与含碳酸根和/或碳酸氢根的物质进行反应，或有机酸钙盐与能产生碳酸根和/或碳酸氢根的物质进行反应，生成提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙。本发明制备的活性碳酸钙的颗粒形状为球形或梭形，粒度(D50)为1～20微米，颗粒内部的晶核尺寸为10～200纳米；且含有有机氮和多糖类物质。作为酸碱调节剂用于有机酸的发酵，可以提高产酸速率和菌体浓度，并且制备成本低廉。
【专利说明】
一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙及其制备方法
技术领域
[0001]本发明属于微生物发酵技术领域，具体地，本发明涉及一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙及其制备方法。【背景技术】
[0002]碳酸钙是有机酸发酵生产中一种常用的酸碱调节剂，其优点是廉价易得。此外，钙盐的存在对某些有机酸在发酵液中的积累非常有利。
[0003]目前，有机酸发酵工业中使用的碳酸钙都是由含碳酸钙的矿石粉碎而得，例如石灰岩、大理石等。作为有机酸发酵工业中的酸碱调节剂，传统的粉碎法生产的碳酸钙的不足是:粒径较大，pH调节能力弱，形状不规则且密度较大，影响发酵菌体的活性和浓度，使产酸速率降低，发酵时间增长。
[0004]碳酸钙的生产方法还有碳化法、复分解法等，可以生产不同粒径、形貌的高质量碳酸钙，但一般是用于橡胶、塑料等的填充剂，没有将其用于有机酸发酵工业的酸碱调节剂， 如果将其用做酸碱调节剂则成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，该活性碳酸钙颗粒内的晶核小，颗粒粒径小，真实密度小，是一种活性碳酸钙；与可用作橡胶、油墨、塑料填充剂的纳米碳酸钙相比，该碳酸钙还含有有机氮，作为酸碱调节剂用于有机酸的发酵， 可以提高产酸速率(单位时间单位体积的产酸速度，g ? L 1 ? h 4和菌体浓度，并且制备成本低廉。
[0006]为了能达到上述目的，本发明采用如下技术方案。
[0007]—种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，该活性碳酸钙在发酵液体系中制备，其主要化学成分为碳酸钙，该活性碳酸钙的颗粒呈球形或梭形，其粒度(D50)为1?20 微米，颗粒内部的晶核尺寸为10?200纳米，并且该活性碳酸钙还含有有机氮和多糖类物质。
[0008]优选地，所述有机氮为氨基酸、肽、小分子蛋白质及核酸中的一种或几种，其总有机氮含量为〇.02%?0.4%之间，其中氨基酸态氮的含量为0.01 %?0.16%之间。
[0009]优选地，所述的多糖类物质为有机酸发酵微生物产生的组成其细胞壁的多糖类物质、有机酸发酵微生物分泌的胞外多糖中的一种或多种，其含量为0.2%?1.2%。
[0010]发明人发现，该活性碳酸钙含有的氮元素在有机酸发酵过程中是逐步释放的，这些氮源随着有机酸与碳酸钙的中和反应释放到发酵液中，这部分氮源的作用有两个，一个是有利于提高菌体浓度，另一个是能够提高现有菌体的活性，提高其将糖类物质转化为有机酸的速率。
[0011]发明人发现，该活性碳酸钙还含有少量的多糖类物质，这部分多糖类物质是从发酵液中带入，是发酵菌体产生的多糖类物质。依照相似相容的原理，这部分多糖类物质能够将发酵菌体吸附到该活性碳酸钙颗粒的表面，随着被吸附菌体产生的有机酸与碳酸钙的反应，碳酸钙颗粒上就产生了孔洞结构，如图7所示，这些孔洞中的发酵菌体产生的有机酸能够立即被碳酸钙反应掉，该活性碳酸钙颗粒内的氮源也就被释放，被发酵菌体吸收后获得较高的产酸速率，因此发酵菌体在此类孔洞中能够获得较优越的微观环境。
[0012]本发明的另一个目的在于，提供一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备方法，在发酵液体系中，尤其是含有机酸钙盐的发酵液，利用有机酸钙盐与含碳酸根和/ 或碳酸氢根(碳酸根和/或碳酸氢根指的是碳酸根，或碳酸氢根，或碳酸根和碳酸氢根)的物质之间进行反应，从而实现了合成提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙材料，并可通过控制制备条件对这种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的关键参数进行调控。
[0013]上述活性碳酸钙的制备方法包括以下步骤:
[0014]在发酵液体系中，使有机酸钙盐与含碳酸根和/或碳酸氢根的物质反应，或有机酸钙盐与能产生碳酸根和/或碳酸氢根的物质进行反应，生成提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙；
[0015]其中，碳酸根和/或碳酸氢根与钙离子的摩尔比(该处含义为碳酸根与钙离子的摩尔比，或碳酸氢根与钙离子的摩尔比，或碳酸根和碳酸氢根的总和与钙离子的摩尔比) 为1.2?0.9:1，反应的温度控制在20?40 °C，反应时间为30?600min。并可通过制备条件对这种能够提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的促进产酸效果进行调控。
[0016]优选地，所述有机酸钙盐为一元有机酸钙盐、二元有机酸钙盐、三元有机酸钙盐中的一种或多种。
[0017]更进一步优选地，所述一元有机酸钙盐为乳酸钙或丙酮酸钙，所述的二元有机酸钙盐为苹果酸钙、丁二酸钙，所述三元有机酸钙盐为柠檬酸钙。
[0018]优选地，所述的发酵液体系是指含有机酸钙盐的发酵液，包括但不限于含有机酸钙盐的呈澄清状态的发酵液和含有有机酸钙盐固体的呈悬浊液状态的发酵液。
[0019]本发明中，所述含碳酸根和/或碳酸氢根的物质为含铵离子的碳酸盐、含铵离子的碳酸氢盐、含钠离子的碳酸盐、含钠离子的碳酸氢盐、含钾离子的碳酸盐和含钾离子的碳酸氢盐中一种或多种。进一步地，所述含铵离子的碳酸盐和/或碳酸氢盐为化学纯的碳酸铵，或工业级的碳酸铵，或碳酸氢铵与氨水的混合物，或二氧化碳与氨水的混合物。
[0020] 所述的含碳酸根和/或碳酸氢根的物质(也称为“沉淀置换剂”)是指溶解度大于碳酸钙的碳酸盐或碳酸氢盐，或能够生成碳酸根和/或碳酸氢根的混合物；更具体的是指可溶性的碳酸盐或碳酸氢盐，或能够生成碳酸根和/或碳酸氢根的混合物，包括但不限于铵(或钠，或钾)的碳酸盐或碳酸氢盐。例如化学纯的碳酸铵，或工业级的碳酸铵(一般为碳酸氢铵与氨基酸铵的混合物)，或碳酸氢铵与氨水的混合物，或二氧化碳与氨水的混合物等。
[0021]所述的含碳酸根和/或碳酸氢根的物质进入反应体系的形态为:含碳酸根和/或碳酸氢根物质的水溶液，或含碳酸根和/或碳酸氢根物质固体的饱和溶液，或含碳酸根和/ 或碳酸氢根物质的固体。
[0022]所述的有机酸钙盐和含碳酸根和/或碳酸氢根的物质的加入顺序为:可以将有机酸钙盐流加或分批加入到含碳酸根和/或碳酸氢根的物质中；也可以将含碳酸根和/或碳酸氢根的物质流加或分批加入到有机酸钙盐中；还可以将适量的有机酸钙盐和含碳酸根和/或碳酸氢根的物质一次性混合后进行反应。
[0023]所述的有机酸钙盐与含碳酸根和/或碳酸氢根的物质的反应过程需要适当的增强传质的手段，例如搅拌、振荡、超声混合等，可以是间歇式的搅拌或连续式的搅拌。
[0024]本发明提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备是在一定的容器中进行的， 该容器可以是无盖敞口的容器，也可以是有盖密闭的容器；可以是具有温度、PH、搅拌等参数精密控制功能的容器，也可以是仅有盛放功能的简单的容器。
[0025]制备提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的一个典型过程如下:(1)量取去除菌体的乳酸钙浓度为160g/L的发酵液3.0L，倒入制备容器(容积为5.0L的发酵罐)中，设置温度为30°C，搅拌转速为100r/min ; (2)待温度稳定后，通过补料系统将4.0mol/L的碳酸铵溶液580mL加入制备容器中，完全加入后将制备容器密闭，此时开始计时；(3)保持温度30°C和搅拌转速为100r/min，经过120min反应完成；(4)采用抽滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙。
[0026]制备提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的另一典型过程如下:(1)取含乳酸钙400g的发酵液2.0L，其中部分乳酸钙为固体，倒入制备容器(容积为5.0L的敞口搅拌罐)中，反应温度为室温(约20°C )，搅拌转速设定为160r/min ; (2)待搅拌稳定后，将180g 碳酸铵固体加入到制备容器中，此时开始计时；(3)保持搅拌转速为160r/min，经过180min 反应完成；(4)采用抽滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙。
[0027]制备提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的再一个典型过程如下:(1)乳酸钙发酵完成后，将罐温升至60°C并保持30min将菌体灭活，降至30°C后保持此温度，其中含有乳酸钙发酵液3.6L，乳酸钙浓度为180g/L，设置搅拌转速为lOOr/min ; (2)待温度稳定后， 通过发酵罐的通气系统将氨气和二氧化碳气体同时通入发酵液中；(3)使二氧化碳的总吸收量为3.0mol，通过通入的氨气调节反应体系的pH为7.6?8.0,在此过程中保持温度 30°C和搅拌转速为100r/min，二氧化碳的吸收时间为300min，通气结束后再经过60min反应完成；(4)采用离心法的方法(低转速短时间离心，利用碳酸钙颗粒和菌体之间的密度差别较大的特性，将碳酸钙颗粒与菌体分离)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙。
[0028]所述的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备条件会影响其粒径、颗粒内的晶核尺寸等特征。也就是说，可以通过改变相应的制备条件来调控该提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒径、颗粒内的晶核尺寸。
[0029]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒径的主要因素是搅拌转速。发明人发现，随着制备过程中搅拌转速的提高，制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙颗粒的粒径减小。例如，在其他条件相同的情况下，搅拌转速分别为50r/min，100r/min和 200r/min的条件下制备得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)分别为4.521ym，2.463 ym和1.994ym，d(0.5)的物理意义是:粒径大于它的颗粒占50%，小于它的颗粒也占50%，(D50)也叫中位径或中值粒径。
[0030]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒径的另一因素是沉淀置换剂的浓度。发明人发现，随着沉淀置换剂浓度的提高，制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙颗粒的粒径逐渐减小。例如，在其他条件相同的情况下，使用2.0m〇l/L的碳酸铵溶液作为沉淀置换剂制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为 26.729 ym ;使用3.84mol/L的碳酸铵溶液作为沉淀置换剂制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为12.729 ym;而使用固体碳酸铵作为沉淀置换剂制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为5.612 ym。
[0031]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒径的再一因素是发酵液中有机酸钙的浓度。发明人发现，随着制备体系中有机酸钙含量的提高，制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙颗粒的粒径逐渐减小。例如，在其他条件相同的情况下，使用12%的乳酸钙悬浊液制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为10.126 ym; 使用20%的乳酸钙悬浊液制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为 8.628 ym ;使用28 %的乳酸钙悬浊液制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为6.221 ym ;使用含水40%的乳酸钙固体制备的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为2.221 ym。
[0032]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒径的还一因素是制备体系中有机物的含量。发明人发现，在同样的制备条件下，使用乳酸钙溶液制得的碳酸钙的粒度 (D50)为12.165 ym ;使用含乳酸钙的除菌发酵液(含有色素、糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度(D50)为5.612 ym;使用含乳酸钙的未除菌发酵液(含有菌体、色素、糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的粒度 (D50)为 3.128 ym。
[0033]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸的主要因素是制备体系中碳酸根浓度增加的速率。发明人发现，在同样的制备条件下，使用溶液状态的沉淀置换剂(例如碳酸铵溶液一次性加到足量，制备体系中碳酸根的进入量从〇到100%的时间为几分钟)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为150nm?250nm ;使用固体状态的沉淀置换剂(例如碳酸铵固体一次性加到足量，从加入到溶解完全需要一定的时间，即制备体系中碳酸根的进入量从0到100%的时间约为十几分钟)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为40nm? 60nm ;使用气体状态的沉淀置换剂(例如将順3和C0 2通入有机酸钙的体系中，制备体系中碳酸根的进入量从〇到100%的时间约为几个小时)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为l〇nm?20nm。本发明优选制备体系中碳酸根的进入量从0到100%的时间10分钟以上，此条件下可以得到晶核尺寸较小的碳酸钙固体，有助于发酵过程中产酸速率的提高。
[0034]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸的另一因素是制备体系中有机物的含量。发明人发现，在同样的制备条件下，使用乳酸钙溶液制得的碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为800nm?llOOnm ;使用含乳酸钙的除菌发酵液(含有色素、 糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为 60nm?80nm;使用含乳酸钙的未除菌发酵液(含有菌体、色素、糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的颗粒内的晶核尺寸大约为15nm?25nm。
[0035]影响提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的氮元素和多糖类物质的因素是制备体系中有机物的含量。发明人发现，在同样的制备条件下，使用乳酸钙溶液制得的碳酸钙的氮元素和多糖类物质的含量均为〇 ;使用含乳酸钙的除菌发酵液(含有色素、糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的碳酸钙的氮元素和多糖类物质的含量分别为0.06%和0.8%;使用含乳酸钙的未除菌发酵液(含有菌体、色素、糖类物质等)制得的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的氮元素和多糖类物质的含量分别为〇.31% 和 1.12%〇
[0036]与常规碳酸钙相比，使用提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为发酵法生产有机酸工艺中的酸碱调节剂时，能够使产酸速率(单位时间单位体积的产酸速度， g ? L 1 ? h 4提高30 %?60%，发酵时间也大幅缩短，菌体浓度也有所增加。
[0037]所述的常规碳酸钙是指当前有机酸发酵工业中使用的碳酸钙，主要是由含碳酸钙的矿石粉碎而成。
[0038]发明人发现，使用提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂的发酵过程中，影响产酸速率的主要因素有碳酸钙颗粒的粒径、颗粒内的晶核尺寸、氮元素含量和多糖类物质的含量，其规律是碳酸钙颗粒粒径和颗粒内的晶核越小，则产酸速率越大；氮元素和多糖类物质的含量越高，产酸速率越大。碳酸钙颗粒的粒径和颗粒内的晶核越小，其比表面积越大，也就是说反应面积越大，产生的有机酸能够更快的被转变为有机酸钙盐，发酵体系的pH越能够保持稳定，发酵微生物的微环境也就越好，因此能够保持较高的生物活性，保持较高的产酸速率。
[0039]使用提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂还能够使菌体浓度提高。与常规碳酸钙相比，提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙粒径小，密度小，颗粒更加圆润，相同条件下对菌体的碰撞、研磨作用小，所以能够保持较高的菌体浓度。
[0040]此外，使用含有有机酸钙盐的发酵液与沉淀置换剂反应，生成的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙中还含有少量的有机物，主要是有机氮。在进行有机酸发酵过程中， 随着碳酸钙颗粒的溶解，这些有机物被缓慢释放，能够促进菌体的生长，提高菌体的活性， 增加有机酸的产酸速率。
[0041]本发明还提供了上述活性碳酸钙在微生物发酵生产有机酸中的应用，具体可以为包括以下步骤:
[0042]在微生物发酵生产有机酸中，将此活性碳酸钙作为酸碱调节剂加入发酵体系中， 其中含有的碳酸钙与微生物产生的有机酸进行反应，生成有机酸钙盐，从而能够调节微生物发酵有机酸体系的pH ;与常规碳酸钙相比，此活性碳酸钙还能够将发酵体系的pH值维持在较高水平，此外，其中含有的有机物还能够促进菌体生长和菌体活性，能够将有机酸的生产速率提高30 %?60%。
[0043]本发明具有的有益效果是:在一定条件下，使有机酸钙盐与含碳酸根和/或碳酸氢根的物质反应，得到提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙沉淀颗粒；该碳酸钙颗粒具有粒径小、颗粒内的晶核小、密度小、含有及少量有机物的特点；将该碳酸钙作为酸碱调节剂用于有机酸的发酵中可大幅提高有机酸的产酸速率，缩短发酵时间，使菌体浓度也有所增加；是钙盐法乳酸清洁生产工艺的副产物，制备成本低。【附图说明】
[0044]图1为本发明实施例1制备的活性碳酸钙的微观形貌图；
[0045]图2为图1中颗粒内的晶核的微观形貌图；
[0046]图3为本发明实施例3制备的活性碳酸钙的微观形貌图；
[0047]图4为图3中颗粒内的晶核的微观形貌图；
[0048]图5为本发明实施例5制备的活性碳酸钙的微观形貌图；
[0049]图6为图5中颗粒内的晶核的微观形貌图；
[0050]图7为本发明实施例2使用后的碳酸钙颗粒的微观形貌 [0051 ]图8为本发明实施例6制备的活性碳酸钙的粒径分布图；
[0052]图9为对比例1中常规碳酸钙的微观形貌图；
[0053]图10为图9中颗粒内的晶核的微观形貌图；
[0054]图11为本发明的活性碳酸钙与常规碳酸钙的pH维持能力的对比图。【具体实施方式】
[0055]下面以附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明。
[0056]实施例1
[0057]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的乳酸钙浓度为 170g/L的发酵液6.6L，倒入容积为10.0L的发酵罐中，设置温度为30°C，搅拌转速为110r/ min ;待温度稳定后，通过发酵罐的补料系统将4.0mol/L的碳酸铵溶液1350mL加入制备容器中，一次性完全加入后将制备容器密封；保持温度22°C和搅拌转速为110r/min，经过 600min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约468g。
[0058]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为梭形(如图 1所示)，粒度(D50)为3.2 y m，颗粒内的晶核的尺寸约为100nm(如图2所示)，经测定密度为2.41g/mL，总有机氮含量为0.05 %，多糖含量为0.7 %。
[0059]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 55h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为124g/L，产酸期(15h?55h)的平均产酸速率达到 2.85g/L ? h，表示菌体浓度的0D62。达到14.36〇
[0060]实施例2
[0061]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的乳酸钙浓度为 220g/L的发酵液4.1L，倒入容积为7.0L的发酵罐中，设置温度为36°C，搅拌转速为200r/ min ;待温度稳定后，加入碳酸铵固体496g，其碳酸根与钙离子的摩尔比为1.2:1.0,然后将加料口密封；保持温度36°C和搅拌转速为200r/min，经过30min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约400g。
[0062]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形，粒度 (D50)为1.67 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为40nm，经测定密度为2.28g/mL，总有机氮含量为0.04 %，多糖含量为0.68 %。
[0063]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 50h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为128g/L，产酸期(15h?50h)的平均产酸速率达到2.95g/L ? h〇
[0064]使用后的活性碳酸钙颗粒上就产生了孔洞结构，如图7所示，这些孔洞中的发酵菌体产生的有机酸能够立即被碳酸钙反应掉，该活性碳酸钙颗粒内的氮源也就被释放，被发酵菌体吸收后获得较高的产酸速率，因此发酵菌体在此类孔洞中能够获得较优越的微观环境。
[0065]实施例3
[0066]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取未除菌体的乳酸钙浓度为 190g/L的发酵液4.7L，倒入容积为7.0L的发酵罐中，该发酵罐具有两套通气管路，出气口位于发酵罐底部，设置温度为30°C，搅拌转速为300r/min ;待温度稳定后，同时通入二氧化碳气和氨气，使用二氧化碳质量流量计计量通入和排出发酵罐的气体量，通过pH反馈来调节氨气的通入速度；当被反应掉的二氧化碳量达到4.33mol时停止二氧化碳的通入，使用氨气调节液体的pH为8.0,停止通气，60min后反应完成，共耗时7h ;使用自然沉降的方法进行固液分离，沉淀用水洗涤，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约39lg。
[0067]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形(如图 3所示)，粒度(D50)为1.06 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为10nm(如图4所示)，经测定密度为2.32g/mL，总有机氮含量为0.30 %，多糖含量为1.11 %。
[0068]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 44h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为122g/L，产酸期(14h?43h)的平均产酸速率达到3.31g/L ? h，表示菌体浓度的0D62。达到16.46〇
[0069]实施例4
[0070]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的乳酸钙浓度为 220g/L的发酵液4.6L，倒入容积为7.0L的发酵罐中，该发酵罐具有一套通气管路，出气口位于发酵罐底部，设置温度为30°C，搅拌转速为lOOr/min ;待温度稳定后，首先通过发酵罐的补料系统开始流加l〇mol/L的氢氧化钠溶液，设置流加速度为320mL/h，之后将二氧化碳气体通过通气系统通入发酵罐中，通过pH反馈来调节二氧化碳的通入速度，使其中的料液的pH维持在8.2左右，10m〇l/L的氢氧化钠溶液的总加入量为870mL ;氢氧化钠溶液流加完以后再反应90min，共耗时4.5h，其碳酸根与钙离子的摩尔比为0.91:1.0 ;使用离心的方法进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约410g，总有机氮含量为0.06%，多糖含量为0.8%。
[0071]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形，粒度 (D50)为2.31 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为20nm，经测定密度为2.36g/mL。
[0072]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 46h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为123g/L，产酸期(14h?46h)的平均产酸速率达到 3.18g/L ? h〇
[0073]实施例5
[0074]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的乳酸钙浓度为150g/L的发酵液6.76L，倒入容积为10.0L的发酵罐中，设置温度为30°C，搅拌转速为 100r/min ;待温度稳定后，通过发酵罐的补料系统将2.2mol/L的碳酸钾溶液2220mL加入发酵罐中，一次性完全加入，体系开放；保持温度30°C和搅拌转速为100r/min，经过160min 后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约442g。
[0075]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为近似球形 (如图5所示)，粒度(D50)为19.6 y m，颗粒内的晶核的尺寸约为190nm(如图6所示)，经测定密度为2.48g/mL，总有机氮含量为0.03 %，多糖含量为0.6 %。
[0076]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 60h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为126g/L，产酸期(15h?60h)的平均产酸速率达到 2.44g/L ? h〇
[0077]实施例6
[0078]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的乳酸钙浓度为 160g/L的发酵液6.5L，倒入容积为10.0L的发酵罐中，设置温度为30°C，搅拌转速为100r/ min ;待温度稳定后，通过发酵罐的补料系统将3.7mol/L的碳酸钠溶液(由氨水和碳酸氢钠溶液配制)1340mL加入发酵罐中，一次性完全加入后将制备容器密封；保持温度30°C和搅拌转速为l〇〇r/min，经过160min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质) 进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约 460g。
[0079]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为梭形，粒度 (D50)为3.6 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为140nm，经测定密度为2.41g/mL，总有机氮含量为0.04 %，多糖含量为0.6 %。
[0080]图8为本实施例的粒径分布图，从图中可以看出，本实施例制备的活性碳酸钙的粒径集中在1-10 ym之间，粒径范围窄。
[0081]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 56h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为126g/L，产酸期(15h?55h)的平均产酸速率达到 2.72g/L ? h〇
[0082]实施例7
[0083]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的苹果酸钙浓度为 172g/L的发酵液4.08L，倒入容积为7.0L的发酵罐中，设置温度为32°C，搅拌转速为100r/ min ;待温度稳定后，加入碳酸铵固体400g，然后将加料口密封；保持温度32°C和搅拌转速为100r/min，经过120min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约390g。
[0084]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形，粒度 (D50)为1.77 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为60nm，经测定密度为2.36g/mL，总有机氮含量为0.066 %，多糖含量为0.9 %。
[0085]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于苹果酸的发酵过程:发酵菌种为温特曲霉，发酵的培养基和方法为常规，经过lOOh发酵结束，发酵结束时苹果酸的浓度为171g/L，产酸期(15h?100h)的平均产酸速率达到1.95g/L*h， 与使用常规碳酸钙相比，产酸速率提高34%。
[0086]实施例8
[0087]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的含柠檬酸钙 700g的发酵悬浊液4.1L，倒入容积为7.0L的发酵罐中，设置温度为40°C，搅拌转速为 200r/min ;待温度稳定后，加入碳酸铵固体400g，然后将加料口密封；保持温度40°C和搅拌转速为200r/min，经过300min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约 406g〇
[0088]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形，粒度 (D50)为1.47 ym，颗粒内的晶核的尺寸约为50nm，经测定密度为2.26g/mL，总有机氮含量为0.09 %，多糖含量为0.82 %。
[0089]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 49h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为128g/L，产酸期(15h?50h)的平均产酸速率达到 2.98g/L ? h〇
[0090]实施例9
[0091]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的丙酮酸钙浓度为 72g/L的发酵液6.76L，倒入容积为10.0L的发酵罐中，设置温度为30°C，搅拌转速为100r/ min ;待温度稳定后，通过发酵罐的补料系统将2.2mol/L的碳酸钾溶液lllOmL加入发酵罐中，一次性完全加入，体系开放；保持温度30°C和搅拌转速为50r/min，经过lOOrnin后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约220g。
[0092]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为近似球形 (如图5所示)，粒度(D50)为20.0 y m，颗粒内的晶核的尺寸约为200nm (如图6所示)，经测定密度为2.51g/mL，总有机氮含量为0.02%，多糖含量为0.6%。
[0093]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 60h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为120g/L，产酸期(15h?60h)的平均产酸速率达到 2.32g/L ? h〇
[0094]实施例10
[0095]提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的制备:量取去除菌体的丁二酸钙浓度为 160g/L的发酵液6.72L，倒入容积为20.0L的发酵罐中，设置温度为20°C，搅拌转速为80r/ min ;待温度稳定后，通过发酵罐的补料系统将2.2mol/L的碳酸钾溶液2300mL加入发酵罐中，一次性完全加入，体系开放；保持温度20°C和搅拌转速为80r/min，经过120min后，反应完成；使用过滤的方法(以定性滤纸为过滤介质)进行固液分离，得到的固体即为提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其中含有碳酸钙约430g。
[0096]得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙的特征:其颗粒形状为近似球形(如图5所示)，粒度(D50)为19.0 y m，颗粒内的晶核的尺寸约为180nm(如图6所示)，经测定密度为2.49g/mL，总有机氮含量为0.026 %，多糖含量为0.61 %。
[0097]将上述得到的提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过 60h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为124g/L，产酸期(15h?60h)的平均产酸速率达到 2.39g/L ? h〇
[0098]对比例1
[0099]分析纯碳酸钙的特征:其颗粒形状为长方体及长方体的组合体(如图9所示)，粒度(D50)为12.8 ym，绝大部分颗粒内的晶核的尺寸为3000nm(如图10所示)，经测定密度为2.72g/mL，总有机氮多糖含量均为0。
[0100]使用购自试剂公司的分析纯碳酸钙作为乳酸发酵的酸碱调节剂进行乳酸发酵:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过64h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为108g/L，产酸期(14h?61h)的平均产酸速率达到2.05g/L ? h，表示菌体浓度的〇D62。达到12.46。
[0101]将实施例1制得的活性碳酸钙和对比例1的常规碳酸钙的pH维持能力进行测试， 其对比结果如图11(相同碳酸钙含量、相同乳酸流加速度下的pH变化图)所示，从图11可以看出在相同条件下，实施例1制得的活性碳酸钙的pH维持能力比实施例1使用的碳酸钙强。在有机酸发酵过程中能够维持较高的pH，有利于发酵菌体浓度和活性的提高，因此能够提高有机酸的发酵速率。
[0102]对比例2
[0103]水溶液中沉淀置换碳酸钙的制备:量含乳酸钙1000g的悬浊液6.0L，倒入容积为 10.0L的塑料桶中，温度为室温，约36°C，将含有475g碳酸铵的悬浊液500mL倒入塑料桶中，每隔30min使用搅拌棒进行间歇式搅拌lmin ;经过180min后，反应完成；使用离心的方法进行固液分离，得到的固体即为水溶液中沉淀置换碳酸钙，其中含有碳酸钙约440g。
[0104]得到的水溶液中沉淀置换碳酸钙的特征:其颗粒形状为球形和不规则形状，粒度 (D50)为46.8 y m，颗粒内的晶核的尺寸约为900nm，经测定密度为2.66g/mL，总有机氮多糖含量均为0。
[0105]将上述得到的水溶液中沉淀置换碳酸钙作为酸碱调节剂用于乳酸的发酵过程:发酵菌种为Lactobacillus lactis-11，发酵的培养基和方法为常规，经过62h发酵结束，发酵结束时乳酸的浓度为116g/L，产酸期(14h?62h)的平均产酸速率达到2.26g/L ? h。
[0106]对比例2与前述实施例1-6相比，发酵周期增加，产酸速率下降，由此可知，实施例 1-6中制备的活性碳酸钙中含有的氮和多糖类物质对提高有机酸的发酵产酸速率具有较大的作用。
[0107]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1.一种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙，其特征在于，所述活性碳酸钙是在发 酵液体系中制备的，其颗粒形状为球形或梭形，粒度(D50)为1?20微米，颗粒内部的晶核 尺寸为10?200纳米；所述活性碳酸钙含有有机氮和多糖类物质。2.根据权利要求1所述的活性碳酸钙，其特征在于，所述有机氮为氨基酸、肽、小分子 蛋白质及核酸中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的活性碳酸钙，其特征在于，所述的多糖类物质为有机酸发酵 微生物产生的组成其细胞壁的多糖类物质、有机酸发酵微生物分泌的胞外多糖中的一种或 多种。4.权利要求1所述活性碳酸钙的制备方法，所述方法包括以下步骤:在发酵液体系中，有机酸钙盐与含碳酸根和/或碳酸氢根的物质进行反应，或有机酸 钙盐与能产生碳酸根和/或碳酸氢根的物质进行反应，生成提高发酵有机酸产酸速率的活 性碳酸钙；其中，碳酸根和/或碳酸氢根与钙离子的摩尔比为1.2?0.9:1，反应的温度控制在 20?40°C，反应时间为30?600min。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有机酸钙盐为一元有机酸钙盐、二元 有机酸钙盐、三元有机酸钙盐中的一种或多种。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述一元有机酸钙盐为乳酸钙或丙酮酸 钙，所述的二元有机酸钙盐为苹果酸钙或丁二酸钙，所述三元有机酸钙盐为柠檬酸钙。7.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于，所述的发酵液体系是指含有机酸 钙盐的发酵液。8.根据权利要求4-6任一所述的方法，其特征在于，所述含碳酸根和/或碳酸氢根的物 质为含铵离子的碳酸盐、含铵离子的碳酸氢盐、含钠离子的碳酸盐、含钠离子的碳酸氢盐、 含钾离子的碳酸盐和含钾离子的碳酸氢盐中一种或多种。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述含铵离子的碳酸盐和/或碳酸氢盐为 化学纯的碳酸铵，或工业级的碳酸铵，或碳酸氢铵与氨水的混合物，或二氧化碳与氨水的混 合物。10.—种提高发酵有机酸产酸速率的活性碳酸钙在微生物发酵生产有机酸中的应用。
【文档编号】C12R1/225GK105985988SQ201510097934
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年3月5日
【发明人】杨鹏波, 田原, 王倩, 原芳芳, 丛威
【申请人】中国科学院过程工程研究所