生物法生产1，3-二羟基丙酮产品研究

摘要

随着石油资源日益枯竭，工业模式逐渐由石油炼制向生物炼制转变。本文针对甘油生物炼制1，3-二羟基丙酮(DHA)过程中存在的底物投料浓度低、DHA生产效率低及后续提取分离工序复杂、收得率低等问题，对氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)转化甘油生产DHA进行了产品开发研究。
　　 为提高Gluconobacter oxydans(G.oxydans)转化甘油生产DHA的能力，利用He-Ne激光辐照该菌，在21 mW19～21 min剂量范围内，获得了较高的正突变率。通过甘油和DHA耐受性筛选，最终获得具有高DHA生产能力和稳定遗传特性的正突变株GM51。通过对GM51和出发菌株的性能对比研究，甘油初始浓度为100 g/L时，GM51中甘油脱氢酶活力比出发菌株提高了75.17％；7 L发酵罐中发酵周期缩短了10～15 h，DHA对甘油的得率达到了92％，比出发菌株提高了77.6％，体积生产速率由1.29 g·L-1·h-1提高到了2.29 g·L-1·h-1。
　　 在单因素实验结果基础上，采用响应曲面法确定了最佳发酵培养基组成(g/L)为：酵母膏2.39，蛋白胨2.18，甘油100.0，(NH4)2SO42.0，MgSO4·7H2O1.0，K2HPO4·3H2O2.62，MnSO4·1H2O0.53，CaCO32.5，CaCl21.25。培养条件：接种量5％，初始pH5.9，摇床转速210 rpm，培养时间45 h。在最佳条件下进行G.oxydans GM51发酵，DHA的产量为82.81 g/L，比优化前提高了41％。
　　 在7 L发酵罐中考察了DHA间歇发酵、分批补料发酵和流加发酵特征。实验表明，分批补料发酵可解决间歇发酵后期营养物质耗竭导致的DHA合成受限问题；连续补料发酵可弥补分批补料发酵引起的发酵液环境参数的瞬间剧烈变化，使DHA产量达到123.8 g/L，较间歇发酵提高约36％。建立了适当的G.oxydansGM51间歇发酵生产DHA过程中菌体生长、底物消耗及产物生成动力学模型，并可较准确的预测发酵过程中细胞生物量、产物和底物的变化趋势。
　　 利用天然高分子絮凝剂壳聚糖和活性炭对DHA发酵液进行预处理后，醇沉去除发酵液中蛋白、核酸、多糖等大分子及盐，实验结果显示，经上述工艺后菌体和蛋白的去除率分别达到100％和98.6％，处理前后溶液总电导率下降96.4％，DHA损失8.6％。经乙醇中溶析结晶后DHA的结晶得率为81％。采用以上确定的整个提取分离工艺，所得DHA成品的收得率大于72％，纯度达99.8％，达到了市售商品质量规格要求。

目录

文摘

英文文摘

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前 言

第一章文献综述

1.1 1，3-二羟基丙酮概述

1.1.1化学结构

1.1.2理化性质

1.1.3作用与用途

1.2 DHA的生产方法

1.2.1电催化法

1.2.2化学合成法

1.2.3微生物转化法

1.3 DHA的微生物法研究进展

1.3.1微生物法生产DHA的方法

1.3.2 DHA的发酵工艺条件及影响因素

1.3.3发酵液中DHA的提取纯化

1.4 DHA高产菌株的选育

1.4.1 DHA高产菌株选育的研究进展

1.4.2激光诱变育种技术

1.5本文的主要研究内容

第二章1，3-二羟基丙酮高产菌株的诱变选育

2.1前言

2.2材料与方法

2.2.1材料

2.2.2实验器材与装置

2.2.3实验方法

2.3结果与讨论

2.3.1菌种的He-Ne激光诱变选育

2.3.2底物甘油和产物DHA耐受性筛选

2.3.3正突变株遗传稳定性考察

2.3.4出发菌株与正突变株比较

2.4小结

第三章1，3-二羟基丙酮摇瓶发酵工艺条件的优化研究

3.1前言

3.2材料与方法

3.2.1材料

3.2.2实验器材与装置

3.2.3实验方法

3.3结果与讨论

3.3.1种子生长曲线

3.3.2发酵培养基优化

3.3.3发酵条件的优化

3.3.4响应曲面法优化设计实验

3.4小结

第四章1，3-二羟基丙酮7L发酵罐培养及分批发酵动力学研究

4.1前言

4.2材料与方法

4.2.1材料

4.2.2实验器材与装置

4.2.3实验方法

4.3结果与讨论

4.3.1 7L发酵罐内DHA间歇发酵曲线

4.3.2溶氧对DHA发酵的影响

4.3.3 pH控制策略的研究

4.3.4 DHA补料发酵的研究

4.4 DHA间歇发酵动力学研究

4.4.1动力学模型的建立

4.4.2模型参数的求解和模型的验证

4.5小结

第五章发酵液中1，3-二羟基丙酮的分离提取研究

5.1前言

5.2材料与方法

5.2.1材料

5.2.2实验器材与装置

5.2.3实验方法

5.3结果与讨论

5.3.1絮凝法去除DHA发酵液中菌体蛋白的研究

5.3.2 DHA发酵液的脱色研究

5.3.3离子交换树脂去除DHA发酵液中盐离子的研究

5.3.4絮凝-醇沉工艺研究

5.3.5 DHA蒸发结晶及纯化研究

5.4小结

第六章1，3-二羟基丙酮产品的物化性质和结构鉴定

6.1前言

6.2材料与方法

6.2.1材料

6.2.2分析方法

6.3结果与讨论

6.3.1 DHA产品的外观及纯度分析

6.3.2 DHA产品的溶解度

6.3.3 DHA产品的热分析

6.3.4 DHA产品的核磁分析

6.3.5 DHA产品的红外分析

6.4小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2主要创新点

7.3对今后工作的建议和展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢