从甜菜糖蜜到苹果酸：发酵过程及其下游工艺的全面发展

《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》：From beet molasses to malic acid: holistic development of fermentation and downstream process

从未处理甜菜蜜中通过膜细胞保留技术优化发酵工艺，结合活性炭吸附和结晶下游处理，实现苹果酸（108 g/L）和琥珀酸（22.9 g/L）的高效生产，Aspen Plus模拟显示单位蔗糖等效产率为0.43 g苹果酸和0.10 g琥珀酸， techno-economic分析证实生产成本与市场价持平。

　　

摘要

背景

随着对化石基化学品的可持续替代品需求的增长，人们对来自可再生生物质（如苹果酸）的平台化学品的兴趣也在增加。这种C4二元羧酸因其在食品、制药和生物塑料领域的广泛应用潜力而受到重视。然而，由于高昂的原料成本导致生产费用过高，可持续平台化学品在商业上仍缺乏竞争力。使用更经济实惠的原料（如甜菜糖蜜）进行微生物生产显示出潜力。不过，这一过程面临高渗透压、生长抑制剂、发酵过程中原料成分固定以及色素沉着问题，这些因素都给后续处理带来了复杂性。此外，由于苹果酸及其盐类的高溶解度，通常用于分离高极性羧酸的技术在产率方面存在显著限制。

结果

本研究开发了一种从未经处理的甜菜糖蜜中生产苹果酸的完整工艺。在摇瓶规模下，使用Ustilago trichophora进行了批次、补料批次和脉冲批次发酵生产苹果酸的研究，并将其放大到150升的试验规模。通过基于膜技术的细胞保留方法，在重复脉冲批次中生产出了15.7公斤苹果酸，其浓度为108克/升，产率为0.50克/克原料，时空产率为0.66克/升/小时（最高可达1.1克/升/小时）。同时，检测到副产物琥珀酸的浓度高达22.9克/升。在后续的下游处理中，使用了活性炭进行两阶段产物捕获、溶剂更换和脱色，然后对苹果酸和琥珀酸进行结晶。根据实验结果，利用Aspen Plus模型估算出整个工艺的产率：每克蔗糖当量可生产0.43克苹果酸（纯度98%）和0.10克琥珀酸。技术经济分析表明，生产成本处于当前市场价格范围内。

结论

农业废弃物常被视为发酵平台化学品生产的成本效益较高的替代方案，但所面临的挑战阻碍了现有有机酸生产工艺的直接应用。本研究通过提出一种专门针对未经处理的糖蜜生产苹果酸的整体方法，证明了该工艺在实际规模上的技术经济可行性。