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少动鞘脂单胞菌高产结冷胶的发酵条件及动力学研究

作　者: 徐晓琴
导　师: 岑沛霖；徐志南
学　校: 浙江大学
专　业: 生物化工
关键词: 结冷胶少动鞘脂单胞菌发酵条件优化动力学模型
分类号: TQ929.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 36次
引　用: 1次
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内容摘要

结冷胶是由少动鞘脂单胞菌(Sphingomonas paucimobilis)产的微生物胞外多糖,具有凝胶效率高、透明度好、稳定性强、无毒无害等优点,广泛应用于食品、化工、医药等领域。本文以Sphingomonas paucimobilis ZJU 311为发酵菌株,进行其产糖的最优条件和发酵动力学研究。首先在摇瓶发酵水平,进行了发酵培养条件的优化。在此基础上,通过单因素实验优化了发酵培养基的基本组分。进一步利用Plaekett-Burman实验对发酵培养基各组分进行评价,筛选出3个主要影响因子为：黄豆饼粉、MnCl2.4H2O、L-脯氨酸。最后采用中心组合设计和响应面分析,确定了最佳发酵培养基。经多次实验验证,优化后结冷胶产量达到18.7g/L,比原始产量提高了72%。然后在10L发酵罐水平上,研究了温度、搅拌速度对结冷胶分批发酵过程的影响。发展了分阶段控温策略,使结冷胶分子量得到了明显提高；提出了发酵过程中搅拌速度分阶段控制策略：0-24h,搅拌转速为400rpm,24h后将搅拌速度提高到850rpm,直至发酵结束,采用这一控制策略结冷胶的产量和分子量较单一搅拌转速(400rpm)下分别提高了60%和45%。基于分批发酵实验结果,对结冷胶发酵过程动力学模型进行了研究。采用Logistic方程和Luedeking-Piret方程,建立了菌体生长、产物合成和底物消耗动力学模型。应用MATLAB工具软件对模型进行非线性曲线拟合,得到3个发酵动力学数学模型方程。通过对模型的验证,结果表明该模型能较好反映结冷胶分批发酵过程,为进一步进行补料分批发酵提供了理论基础。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-25
  1.1 前言  11
  1.2 结冷胶简介  11-14
    1.2.1 结冷胶的结构  11-12
    1.2.2 结冷胶的理化性质  12-14
      1.2.2.1 凝胶特性  12-13
      1.2.2.2 稳定性  13
      1.2.2.3 高度的透明性和良好的配伍性  13
      1.2.2.4 抗剪切(假塑流变性)  13
      1.2.2.5 温度滞后性  13-14
  1.3 结冷胶的应用  14-15
    1.3.1 结冷胶在食品工业的应用  14
    1.3.2 结冷胶在医药、化工行业的应用  14-15
    1.3.3 结冷胶其他方面在的应用  15
  1.4 结冷胶的研究进展  15-23
    1.4.1 结冷胶的生物合成及代谢途径  15-19
      1.4.1.1 核苷酸糖前体的合成  17-18
      1.4.1.2 四糖单元合成  18
      1.4.1.3 结冷胶的聚合和外运  18-19
    1.4.2 结冷胶的发酵生产  19-22
      1.4.2.1 结冷胶的产生菌  19-20
      1.4.2.2 结冷胶的发酵生产工艺  20-22
    1.4.3 结冷胶的分离提取  22-23
  1.5 发酵动力学研究进展  23
  1.6 课题的研究意义及内容  23-25
    1.6.1 选题意义  23-24
    1.6.2 研究目的和内容  24-25
第二章结冷胶摇瓶发酵条件的优化  25-55
  2.1 引言  25
  2.2 材料与方法  25-34
    2.2.1 菌种  25-26
    2.2.2 培养基  26
      2.2.2.1 斜面培养基  26
      2.2.2.2 种子培养基  26
      2.2.2.3 发酵培养基  26
    2.2.3 实验试剂与仪器  26-28
      2.2.3.1 实验试剂  26-27
      2.2.3.2 实验仪器  27-28
    2.2.4 培养方法  28
      2.2.4.1 斜面种子培养  28
      2.2.4.2 摇瓶种子培养  28
      2.2.4.3 摇瓶发酵培养  28
    2.2.5 分析方法  28-31
      2.2.5.1 菌体生物量测定  28
      2.2.5.2 发酵液粘度测定  28-29
      2.2.5.3 发酵液中残留糖含量测定  29
      2.2.5.4 结冷胶产量测定  29-30
      2.2.5.5 结冷胶分子量测定  30-31
    2.2.6 实验设计  31-34
      2.2.6.1 菌体生长曲线的测定  31
      2.2.6.2 环境因素对结冷胶发酵的影响  31-32
      2.2.6.3 发酵培养基成分优化  32-34
  2.3 结果与讨论  34-54
    2.3.1 菌体生长曲线  34
    2.3.2 环境因素对结冷胶发酵的影响  34-40
      2.3.2.1 温度对结冷胶发酵的影响  34-35
      2.3.2.2 初始pH值对结冷胶发酵的影响  35-36
      2.3.2.3 种龄对结冷胶发酵的影响  36-37
      2.3.2.4 接种量对结冷胶发酵的影响  37-38
      2.3.2.5 摇床转速和装液量对结冷胶发酵的影响  38-39
      2.3.2.6 发酵时间结冷胶发酵的影响  39-40
    2.3.3 发酵培养基成分单因素优化实验  40-48
      2.3.3.1 不同碳源对结冷胶发酵的影响  40-42
      2.3.3.2 不同氮源对结冷胶发酵的影响  42-45
      2.3.3.3 不同无机盐离子对结冷胶发酵的影响  45-46
      2.3.3.4 不同氨基酸对结冷胶发酵的影响  46-48
      2.3.3.5 不同表面活性剂对结冷胶发酵的影响  48
    2.3.4 Plackett-Burman实验  48-51
    2.3.5 响应面优化实验  51-54
  2.5 本章小结  54-55
第三章结冷胶分批发酵条件优化  55-65
  3.1 引言  55-56
  3.2 材料与方法  56-57
    3.2.1 菌种  56
    3.2.2 培养基  56
      3.2.2.1 斜面培养基  56
      3.2.2.2 种子培养基  56
      3.2.2.3 发酵培养基  56
    3.2.3 实验试剂与仪器  56
    3.2.4 培养方法  56-57
      3.2.4.1 斜面种子培养  56
      3.2.4.2 摇瓶种子培养  56-57
      3.2.4.3 发酵罐培养  57
    3.2.5 分析方法  57
  3.3 结果与讨论  57-64
    3.3.1 温度对结冷胶分批发酵的影响  57-61
      3.3.1.1 温度对菌体生长的影响  57-58
      3.3.1.2 温度对结冷胶合成的影响  58-59
      3.3.1.3 温度对葡萄糖消耗的影响  59-60
      3.3.1.4 结冷胶分批发酵过程分阶段温度控制策略的确定及验证  60-61
    3.3.2 搅拌速度对结冷胶分批发酵过程的影响  61-64
      3.3.2.1 搅拌转速对菌体生长的影响  61-62
      3.3.2.2 搅拌转速对结冷胶合成的影响  62-63
      3.3.2.3 搅拌转速对葡萄糖消耗的影响  63-64
  3.4 本章小结  64-65
第四章结冷胶分批发酵动力学研究  65-74
  4.1 引言  65
  4.2 材料与方法  65-66
    4.2.1 培养方法  65-66
      4.2.1.2 10L发酵罐培养  65-66
    4.2.2 分析方法  66
    4.2.3 模型参数的估计  66
  4.3 结果与讨论  66-73
    4.3.1 结冷胶分批发酵过程  66-67
    4.3.2 结冷胶分批发酵动力学模型的建立  67-69
      4.3.2.1 菌体生长动力学模型的建立  67-68
      4.3.2.2 产物生成动力学模型的建立  68
      4.3.2.3 底物消耗动力学模型的建立  68-69
    4.3.3 模型拟合分析  69-70
    4.3.4 模型参数求解  70
    4.3.5 拟合曲线分析  70-72
    4.3.6 模型的验证  72-73
  4.4 本章小结  73-74
第五章结论与展望  74-77
  5.1 结论  74-76
  5.2 本论文的创新点  76
  5.3 展望  76-77
参考文献  77-84
作者简历  84

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