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补料分批发酵生产D-核糖的过程研究

作　者: 赵静波
导　师: 吴兆亮
学　校: 河北工业大学
专　业: 化学工艺
关键词: D-核糖微生物发酵平均正突变幅度底物抑制操作条件优化补料分批发酵动力学模型
分类号: TQ929
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

D-核糖具有重要的生理功能，在食品和医药工业中的应用越来越广泛，目前其最主要的生产方法是微生物发酵法。针对国内外D-核糖发酵的研究现状及发展趋势，本文提出了评价诱变效果的新指标，并确定了最适诱变剂量；研究了初始碳氮源浓度和各操作条件对D-核糖发酵的影响并对其进行了优化，在此基础上着重研究了摇瓶和发酵罐中的补料工艺；最后建立了D-核糖补料分批发酵的动力学模型。 1．D-核糖生产菌的紫外诱变表征及工艺。确定合适的诱变剂量是D-核糖生产菌紫外诱变育种的一个重要原则，用传统的评价指标无法确定最适诱变剂量。提出新的评价指标——平均正突变幅度，给出了其定义及计算方法，并将其应用于D-核糖生产菌的紫外诱变中，得到在15W紫外灯、距离25cm条件下不同照射时间时的平均正突变幅度，并结合致死率曲线确定20s为最佳紫外照射时间。 2．初始碳氮源浓度对D-核糖发酵的影响及摇瓶补料工艺。研究了初糖浓度对D-核糖发酵的影响，并确定了较为适宜的初糖浓度。针对底物抑制现象，研究了补糖工艺对D-核糖发酵的影响，确定发酵24h后补加50g／L的葡萄糖为较优的补糖工艺，在此工艺条件下D-核糖产量可提高48.3％。研究了氮源和初始氮源浓度对D-核糖发酵的影响，在此基础上对摇瓶中补加氮源工艺进行了研究，确定了较优的补加氮源的工艺为：发酵60h后补加3g／L的硫酸铵，在此工艺条件下D-核糖产量可提高8.2％。 3．操作条件对发酵罐中D-核糖发酵的影响及其优化。通过单因素实验研究操作条件对发酵罐中D-核糖发酵的影响，得到了不同温度、pH、搅拌转速和溶氧下的菌体生长、葡萄糖消耗和D-核糖生成曲线，结果表明搅拌转速对D-核糖发酵影响最大。综合考虑D-核糖产量、转化率和生产强度，确定了较优的操作条件为：通气量0.082m³／h，罐压0.02MPa，培养温度36℃，不控制pH，搅拌转速700r／min。在此条件下，D-核糖产量、转化率和生产强度分别为47.89g／L、0.3193g／g和0.8869 g·L^-1·h^-1。 4．发酵罐中D-核糖的补料分批发酵。研究了补料时间、补料成分、结合两段控制的补料和补料方式对D-核糖发酵的影响，确定了D-核糖补料分批发酵的较优工艺条件为：通气量0.082m³／h，罐压0.02MPa，培养温度36℃，发酵25h前搅拌转速为900r／min，25h后搅拌转速为700r／min，采用间歇递减流加方式，发酵到30h，开始每隔5h流加浓度为800g／L的葡萄糖补料液，共流加3次，每次分别为50mL、40mL和30mL。在此工艺条件下，发酵时间为50h，最终D-核糖产量、残糖浓度、转化率和生产强度分别为61.97g／L、33g／L、0.3146g／g和1.239 g·L^-1·h^-1。 5．D-核糖补料分批发酵的动力学。建立了D-核糖补料分批发酵的菌体生长、产物生成和底物消耗的动力学模型，确定了模型参数，模型计算值与实验值基本吻合，模型能较好的反映发酵过程。模型分析表明，发酵15h以前是菌体大量积累的阶段，葡萄糖的消耗主要用于菌体生长；发酵15h以后是D-核糖大量生成的阶段，葡萄糖的消耗主要用于D-核糖生成。产物生成与菌体生长呈部分偶联关系，但偶联程度很小。

全文目录

第一章文献综述  10-22
  1-1 D-核糖的性质及应用  10-11
    1-1-1 D-核糖的理化性质  10
    1-1-2 D-核糖的应用  10-11
  1-2 D-核糖的生产方法  11-13
    1-2-1 从自然资源中提取D-核糖  11
    1-2-2 化学法生产D-核糖  11-12
    1-2-3 生物法生产D-核糖  12-13
  1-3 D-核糖生产菌株的选育  13-15
    1-3-1 D-核糖的生物合成及相关代谢途径  13-14
    1-3-2 D-核糖生产菌株应具备的主要特征  14
    1-3-3 D-核糖生产菌株的诱变育种  14-15
  1-4 微生物发酵的碳源和氮源  15-16
    1-4-1 微生物发酵的碳源  15-16
    1-4-2 微生物发酵的氮源  16
  1-5 过程条件对发酵的影响及其控制  16-18
    1-5-1 温度对发酵的影响及其控制  16-17
    1-5-2 pH对发酵的影响及其控制  17
    1-5-3 溶氧对发酵的影响及其控制  17-18
  1-6 补料分批发酵  18-19
    1-6-1 补料分批发酵的优点  18
    1-6-2 补料分批发酵的类型  18
    1-6-3 补料的控制及优化  18-19
  1-7 微生物发酵的动力学  19-20
  1-8 发酵法生产D-核糖的研究现状  20
  1-9 本论文研究内容  20-22
    1-9-1 D-核糖生产菌的紫外诱变表征及工艺  20
    1-9-2 初始碳氮源浓度对D-核糖发酵的影响及摇瓶补料工艺  20-21
    1-9-3 操作条件对发酵罐中D-核糖发酵的影响及其优化  21
    1-9-4 发酵罐中D-核糖的补料分批发酵  21
    1-9-5 D-核糖补料分批发酵的动力学  21-22
第二章 D-核糖生产菌的紫外诱变表征及工艺  22-28
  2-1 引言  22
  2-2 实验原理  22
  2-3 实验仪器、试剂、材料及方法  22-24
    2-3-1 实验仪器及试剂  22-23
    2-3-2 材料与方法  23-24
  2-4 D-核糖生产菌的紫外诱变  24-27
    2-4-1 实验操作  24
    2-4-2 实验结果及讨论  24-27
  2-5 小结  27-28
第三章初始碳氮源浓度对D-核糖发酵的影响及摇瓶补料工艺  28-35
  3-1 引言  28
  3-2 实验仪器、试剂、材料及方法  28
    3-2-1 实验仪器及试剂  28
    3-2-2 材料与方法  28
  3-3 初糖浓度对D-核糖发酵的影响及补糖工艺  28-31
    3-3-1 初糖浓度对D-核糖发酵的影响  28-30
    3-3-2 补糖工艺的确定  30-31
  3-4 氮源对D-核糖发酵的影响及补加氮源工艺  31-34
    3-4-1 不同氮源对D-核糖发酵的影响  31-32
    3-4-2 初始氮源浓度对D-核糖发酵的影响  32-33
    3-4-3 补加氮源工艺的确定  33-34
  3-5 小结  34-35
第四章操作条件对发酵罐中D-核糖发酵的影响及其优化  35-42
  4-1 引言  35
  4-2 实验仪器、试剂、材料及方法  35
    4-2-1 实验仪器及试剂  35
    4-2-2 材料与方法  35
  4-3 操作条件对D-核糖发酵的影响及其优化  35-41
    4-3-1 温度对D-核糖发酵的影响  35-36
    4-3-2 pH对D-核糖发酵的影响  36-38
    4-3-3 搅拌转速对D-核糖发酵的影响  38-39
    4-3-4 溶氧对D-核糖发酵的影响  39-40
    4-3-5 操作条件的优化与控制  40-41
  4-4 小结  41-42
第五章发酵罐中D-核糖的补料分批发酵  42-52
  5-1 引言  42
  5-2 实验仪器、试剂、材料及方法  42
    5-2-1 实验仪器及试剂  42
    5-2-2 材料与方法  42
  5-3 发酵罐中D-核糖的补料分批发酵  42-50
    5-3-1 选择补料发酵的依据  43
    5-3-2 补料时间的选择  43-45
    5-3-3 补加氮源对发酵的影响  45-46
    5-3-4 结合两段控制的补料分批发酵  46-47
    5-3-5 较优补料方式的确定  47-49
    5-3-6 较优补料工艺的确定及其发酵过程  49-50
  5-4 小结  50-52
第六章 D-核糖补料分批发酵的动力学  52-59
  6-1 引言  52
  6-2 实验仪器、试剂、材料及方法  52
    6-2-1 实验仪器及试剂  52
    6-2-2 材料与方法  52
  6-3 动力学模型的建立  52-55
    6-3-1 菌体生长动力学模型的建立  53
    6-3-2 产物生成动力学模型的建立  53-54
    6-3-3 底物消耗动力学模型的建立  54-55
  6-4 模型的求解、验证及分析  55-57
    6-4-1 模型的求解  55-56
    6-4-2 模型的验证及分析  56-57
  6-5 小结  57-59
第七章结论  59-61
参考文献  61-64
致谢  64-65
攻读学位期间所取得的相关科研成果  65

补料分批发酵生产D-核糖的过程研究

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