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基于中红外光谱技术监测生物乙醇发酵过程：乙醇和葡萄糖含量的测定

作　者: 李扬
导　师: 李正强
学　校: 吉林大学
专　业: 微生物与生化药学
关键词: 乙醇 中红外光谱 葡萄糖 生物乙醇发酵
分类号: TQ223.122
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


运动发酵单胞菌（Zymomonas mobilis）是一种天然的产乙醇微生物,它具有葡萄糖耐受力强（约40 g/L）,和乙醇耐受力强（约9.5 g/L）的特点,因此运动发酵单胞菌乙醇产率很高。经前人的研究发现它具有特殊的糖代谢和能量代谢方式。其中最主要为Entner-Doudoroff途径,这是Z. mobilis的特有途径,它的中间代谢产物与三羧酸循环相连。中红外光谱是一种快速的精确的分析技术,广泛应用于生物分析中,尤其适用于浑浊体系。我们将其应用于Z. mobilis的生物乙醇发酵过程中,检测生物乙醇的含量。ATR样品池解决了中红外光谱在定量分析过程中受限这一问题,使光谱的吸收强度与样品量无关,实现了对乙醇的定量分析,而不受取样量多少的影响。本文在总结实验室前面工作的基础上,把工作重点放在Z. mobilis发酵过程中葡萄糖和乙醇含量的同时定量分析,并去除了发酵液中水、菌体和一些主要微量介质的影响。首先对发酵液中水、菌体和一些主要微量介质进行全波段(4000-650 cm-1)红外光谱扫描,确定各个物质的吸收峰位。将其与葡萄糖和乙醇的红外光谱峰位比较,选定定量分析波数范围。经研究最终以1200 cm-1-954 cm-1作为分析波数区域。据此我们建立了数学拆分模型,模拟葡萄糖和乙醇的峰位,成功将乙醇和葡萄糖峰拆分,并且拟合率达95%以上。中红外所获得的光谱图无需二维求导,由发酵液直接获得的原始光谱应用于预测在生物乙醇发酵过程中的葡萄糖和乙醇浓度。同时我们充分考虑了发酵过程中培养基中的原料和菌体代谢过程中的代谢产物对二者含量测定的干扰。在本文中,我们对基于中红外光谱所建立的模型进行了验证分析。气相色谱和葡萄糖氧化酶法被选择作为乙醇和葡萄糖含量的校正方法。最终确定葡萄糖和乙醇的标准方程分别为the peak area (1200 cm-1-954 cm-1) = 0.037871+1.955 [Glucose],Absorbance (1045 cm-1) = 0.0059549+0.0063644 [Ethanol]。标准曲线范围（中红外光谱法）分别是16-100 g/L和6.32-79 g/L,相关系数均达到0.9999。校正均方根误差值分别为0.2561 g/L （葡萄糖）和0.6487 g/L （乙醇）。交互验证均方根误差分别为0.358 g/L （葡萄糖）和1.0357 g/L （乙醇）。合成样品预测均方根误差分别为2.688 g/L （葡萄糖）和1.659 g/L （乙醇）。对于发酵液的预测均方根误差分别是12.367 g/L （葡萄糖）和1.9612 g/L （乙醇）。由于在真实发酵液中葡萄糖的预测均方根误差值为12.367 g/L,较合成样品要大的多,因此我们重新比较了中红外光谱法和葡萄糖氧化酶法的葡萄糖定量结果。我们选取了6组样品进行分析（以称重法作为参照标准方法）,其中葡萄糖氧化酶法标准曲线的方程为Absorbance = -0.010169+0.20992 [Glucose],0.2-4 g/L,相关系数为0.9999,校正均方根误差为0.01458 g/L,交互验证均方根误差为0.02119 g/L,预测均方根误差为5.366 g/L。红外光谱所获得的标准曲线的相关系数为0.9999,校正均方根误差为0.2561 g/L,交互验证均方根误差为0.3580 g/L,预测均方根误差为4.411 g/L。由此结果看出中红外光谱法对于Z. mobilis发酵液中葡萄糖的定量分析更准确。

全文目录


中文摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-26
  1.1 运动发酵单胞菌  11-12
    1.1.1 运动发酵单胞菌的生物学特性  11
    1.1.2 运动发酵单胞菌的能量代谢和糖代谢  11-12
  1.2 乙醇和葡萄糖的现有检测方法  12-16
    1.2.1 乙醇的检测方法  12-14
    1.2.2 葡萄糖的检测方法  14-16
  1.3 中红外光谱法测定理论  16-23
    1.3.1 红外吸收光谱  16-18
    1.3.2 红外光谱的测量原理  18-19
    1.3.3 朗伯-比尔定律  19-21
    1.3.4 红外光谱技术的特点  21-23
  1.4 化学计量学方法在红外光谱中的应用  23-25
    1.4.1 化学计量学概述  23-24
    1.4.2 化学计量学的内容和方法  24-25
  1.5 本文的研究方法  25-26
第2章 中红外光谱检测乙醇和葡萄糖含量的研究  26-34
  2.1 引言  26-27
  2.2 材料与仪器  27-29
    2.2.1 实验材料  27
    2.2.2 实验仪器及器材  27-29
  2.3 实验方法与操作  29-34
    2.3.1 微生物与培养基  29-30
    2.3.2 中红外光谱(MIR) 测量  30-31
    2.3.3 数据处理过程  31
    2.3.4 参照方法  31-34
第3章 结果与讨论  34-53
  3.1 葡萄糖和乙醇的中红外光谱图  34-35
  3.2 运动发酵单胞菌及其发酵培养基中各种物质的中红外特征吸收光谱  35-42
    3.2.1 葡萄糖  36-37
    3.2.2 乙醇  37-38
    3.2.3 KH_2P0_4  38-39
    3.2.4 M9504·7H20 和(NH4)2504  39-40
    3.2.5 Bacteriological yeast extract  40
    3.2.6 Zymomonas mobilis  40-41
    3.2.7 参照光谱  41-42
  3.3 分析方法  42-43
  3.4 葡萄糖和乙醇标准曲线的建立  43-47
    3.4.1 葡萄糖  43-45
    3.4.2 乙醇  45-47
  3.5 参比方法标准曲线  47-49
    3.5.1 葡萄糖氧化酶法  47-48
    3.5.2 气相色谱法  48-49
  3.6 数据处理  49-53
    3.6.1 合成样品  49-50
    3.6.2 真实的发酵样品  50-53
第4章 结论  53-54
参考文献  54-61
致谢  61

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中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 基本有机化学工业 > 脂肪族化合物（无环化合物）的生产 > 脂肪族醇（醇、羟基化合物）及其衍生物 > 脂肪族醇 > 饱和一元醇 > 乙醇（酒精）
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