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葡萄糖酸钠的发酵动力学及其结晶工艺研究

作　者: 张小昊
导　师: 童群义
学　校: 江南大学
专　业: 制糖工程
关键词: 葡萄糖酸钠发酵动力学结晶热力学结晶工艺模型
分类号: TQ920.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

葡萄糖酸钠是一种具有重多优良特性的多羟基有机酸盐,它在食品、医药、化工和建筑等很多行业用途非常广泛。本文主要研究了葡萄糖酸钠的结晶性能和结晶工艺,以及黑曲霉发酵生产葡萄糖酸钠的发酵动力学等。首先,在本实验室前人所做研究的基础上,对本实验室保藏的一株黑曲霉发酵产葡萄糖酸钠的分批发酵动力学特性进行了研究。通过对Logistic方程,Luedeking-Piret方程和Luedeking-Piret/like方程进行最优参数估计和非线性拟合,得到了描述发酵过程中黑曲霉菌体生长、葡萄糖酸钠合成、葡萄糖消耗的动力学模型。对实验数据与模型预测值比较发现,模型预测值与实验数据能较好地拟合,3个模型的平均相对误差分别为3.36%、4.95%和3.21%。所得发酵动力学模型基本上反映了黑曲霉分批发酵过程的动力学特征,为实验数据的模拟放大及其补料和连续发酵研究提供了理论基础。然后对葡萄糖酸钠的结晶热力学性质进行了研究。考察了温度、溶剂组成、pH、杂质等对葡萄糖酸钠溶解度的影响。结果表明,葡萄糖酸钠在水中的溶解度很高,25℃时的溶解度达到61.53g;葡萄糖酸钠微溶于乙醇,乙醇的加入可明显降低葡萄糖酸钠的溶解度;pH在4~7之间对葡萄糖酸钠溶解度无明显影响;发酵液中残留的葡萄糖对葡萄糖酸钠溶解度没有明显影响,而柠檬酸钠会略微降低葡萄糖酸钠的溶解度。同时测定了葡萄糖酸钠在水中以及发酵处理液中的介稳区宽度,并用非线性拟合的方法得到了葡萄糖酸钠在纯水和发酵处理液中的溶解度及超溶解度数学模型,为发酵液中葡萄糖酸钠的结晶工艺研究提供了热力学依据。在葡萄糖酸钠结晶热力学性质研究的基础上,研究了葡萄糖酸钠发酵液中葡萄糖酸钠的真空蒸发结晶工艺。以晶体产品的平均粒度和变异系数为指标对葡萄糖酸钠的结晶工艺进行了优化。通过考察晶种添加量、蒸发温度、进料浓度、搅拌速率以及真空度等几个主要影响因素,进行了单因素试验,在此基础上进行了结晶工艺的正交优化试验,得出葡萄糖酸钠结晶的最佳工艺条件为:晶种添加量1%,蒸发温度60℃,搅拌速率200r/min,真空度0.07MPa,发酵液自然浓度,此时的晶体平均粒度为916μm,晶体变异系数为57%。此外,对实验室葡萄糖酸钠产品的纯度、粒度分布、晶形等质量指标进行了测定,结果表明结晶产品的质量较好。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
1 引言  7-13
  1.1 葡萄糖酸钠简介  7
  1.2 葡萄糖酸钠的制备方法  7-8
    1.2.1 生物发酵法  7
    1.2.2 电解氧化法  7
    1.2.3 均相化学氧化法  7
    1.2.4 多相催化氧化法  7-8
  1.3 葡萄糖酸钠的应用  8-9
    1.3.1 葡萄糖酸钠在食品方面的应用  8
    1.3.2 葡萄糖酸钠在医药方面的应用  8
    1.3.3 葡萄糖酸钠在水处理方面的应用  8
    1.3.4 葡萄糖酸钠在建筑工业中的应用  8
    1.3.5 葡萄糖酸钠在工业清洗中的应用  8-9
  1.4 微生物发酵动力学概述  9
  1.5 结晶概述  9-11
    1.5.1 结晶热力学  9-10
    1.5.2 结晶动力学  10-11
  1.6 葡萄糖酸钠的研究进展  11
  1.7 立题背景及意义  11-12
  1.8 本课题主要研究内容  12-13
2 材料与方法  13-18
  2.1 实验材料与设备  13
    2.1.1 主要实验材料  13
    2.1.2 主要实验试剂  13
    2.1.3 主要实验仪器  13
  2.2 实验和分析方法  13-18
    2.2.1 黑曲霉产葡萄糖酸钠的发酵动力学实验  13-14
    2.2.2 葡萄糖酸钠的结晶热力学实验  14-15
    2.2.3 葡萄糖酸钠的结晶工艺流程  15
    2.2.4 葡萄糖酸钠真空蒸发结晶实验  15-17
    2.2.5 葡萄糖酸钠产品质量指标的测定  17-18
3 结果与讨论  18-37
  3.1 黑曲霉产葡萄糖酸钠的发酵动力学  18-22
    3.1.1 黑曲霉发酵过程中的生长代谢变化  18
    3.1.2 发酵动力学模型的建立  18-20
    3.1.3 模型求解与曲线拟合  20-22
    3.1.4 模型准确性分析  22
  3.2 葡萄糖酸钠的结晶热力学  22-27
    3.2.1 葡萄糖酸钠在纯水中的溶解度曲线  22-23
    3.2.2 溶剂组成对葡萄糖酸钠溶解度的影响  23-24
    3.2.3 pH 对葡萄糖酸钠溶解度的影响  24
    3.2.4 杂质对葡萄糖酸钠溶解度的影响  24-25
    3.2.5 纯水及发酵处理液中葡萄糖酸钠的介稳区宽度  25-26
    3.2.6 纯水及发酵处理液中葡萄糖酸钠溶解度及超溶解度曲线方程  26-27
  3.3 葡萄糖酸钠真空蒸发结晶工艺研究  27-33
    3.3.1 晶种添加量对结晶过程的影响  27-28
    3.3.2 蒸发温度对结晶过程的影响  28-29
    3.3.3 进料浓度对结晶过程的影响  29-30
    3.3.4 搅拌速率对结晶过程的影响  30
    3.3.5 真空度对结晶过程的影响  30-31
    3.3.6 结晶工艺的优化  31-33
  3.4 葡萄糖酸钠晶体质量分析  33-37
    3.4.1 实验室结晶产品纯度分析  33-34
    3.4.2 实验室结晶产品与厂家产品质量对比  34-35
    3.4.3 实验室结晶产品与厂家产品粒度分布对比  35
    3.4.4 实验室结晶产品与厂家产品晶形对比  35-37
主要结论与展望  37-38
致谢  38-39
参考文献  39-44
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  44

葡萄糖酸钠的发酵动力学及其结晶工艺研究

内容摘要

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