纤维床反应器固定化细胞厌氧高产乳酸和丁酸的研究

摘要

L-乳酸和丁酸是二种重要的有机酸类学品，目前主要由石油化工下游产品经过多步化学合成进行工业化生产。由于石油和煤炭等化石资源具有不可再生和易快速消耗的特性，通过环境友好的且基于可再生性资源的生物过程进行生产就变得非常有意义。
　　首先开展了以菊芋干粉为原料生产L-乳酸的研究。考察了稀酸热水解菊芋干粉的预处理条件，在较优条件下还原糖转化率达到79％。在典型纤维床固定化批次发酵模式下，产物L-乳酸的终浓度120.5 g/L，糖酸得率为0.92 g/g，生产率为1.0 g/(L·h)，比相同发酵条件下的游离细胞批次发酵模式分别提高了30.2％、35.3％和50％。采用固定化细胞补料发酵时， L-乳酸产量达到142 g/L，比游离补料发酵模式下提高了27.92％;糖酸转化率为0.73 g/g，同比游离补料发酵提高了28.57％。经过纤维床反应器的驯化，菌体可以适应高浓度底物的起始生长环境，最高起始还原糖浓度为186 g/L，最终L-乳酸浓度为137.5 g/L，生产率为0.82 g/(L·h)，糖酸转化率为0.74 g/g。这一高浓度底物批次发酵不仅操作简易，而且可以获得高浓度终产物，提高发酵效率。
　　其次，开展了纤维床固定化酪丁酸梭菌细胞生产丁酸的研究。以木薯双酶糖化液为碳源开展固定化批次和补料发酵，丁酸浓度及得率均达到与使用葡萄糖为碳源的发酵水平。在不添加任何氮源的批次发酵中，固定化发酵的丁酸浓度为33.4g/L，得率为0.48 g/g，生产率为0.41 g/(L·h)。在固定化补料发酵中，丁酸的浓度最高达到65.1 g/L，比游离细胞的补料发酵提高了73.6％。然后在5000 L纤维床反应系统上成功进行了丁酸发酵的中试规模放大，补料发酵的丁酸浓度为51.63 g/L，与游离发酵相比提高了40％，而且批次发酵的平均糖酸转化率和生产率分别比游离发酵分别提高了37％和67％。
　　最后研发了新型的移动型纤维床(MFBB)应用于酪丁酸梭菌的固定化细胞发酵。通过在多孔悬浮球载体中填充棉纤维基质，并将悬浮球放入通常的厌氧反应器中，构成一个原位的含多个悬浮球的厌氧移动型纤维床反应系统。结果表明，这一MFBB系统能够固定化大量菌体细胞，在批次和反复批次发酵模式中，丁酸的最高得率为0.48g/g，补料发酵时丁酸浓度可达到65.4 g/L。这一系统也能用于高浓度葡萄糖间歇发酵，最终得到的丁酸浓度为64.2 g/L。
　　总之，本论文对纤维床反应器应用于2种有机酸的发酵，不仅能够大幅度提高产物生产效率，而且还发展了新型的纤维床反应器形式，对这一类产品的厌氧发酵工业化生产具有重要的促进意义。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．1．1 生物炼制

1．2 L-乳酸的生物炼制研究进展

1．2．1 乳酸的理化性质

1．2．2 L-乳酸的用途

1．2．3 L-乳酸的生产技术

1．2．4 微生物发酵法生产L-乳酸

1．3 丁酸的概述

1．3．1 丁酸的理化性质

1．3．2 丁酸的用途

1．3．3 丁酸的生产

1．3．4 微生物发酵法生产丁酸

1．4 细胞固定化反应装置

1．4．1 菌体吸附机制

1．4．2 吸附过程的控制

1．4．3 固定化发酵反应装置

1．5 选题意义和研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第二章 在纤维床反应器中用菊芋水解液固定化发酵生产L-乳酸

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 菌种

2．2．2 仪器与试剂

2．2．3 培养基

2．2．4 菌种培养及发酵

2．2．5 分析测定方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 菊芋的稀酸水解

2．3．2 菊芋水解液批次发酵

2．3．3 菊芋水解液补料发酵

2．4 本章小结

第三章 在纤维床反应器中用木薯淀粉糖化液固定化发酵生产丁酸

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 木薯及水解酶

3．2．2 菌种

3．2．3 培养基

3．2．4 菌种培养及发酵

3．2．5 分析测定方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 游离细胞批次和补料发酵

3．3．2 纤维床固定化批次发酵丁酸

3．3．3 木薯糖化液固定化补料发酵丁酸

3．4 本章小结

第四章 纤维床反应器固定化发酵生产丁酸的中试放大研究

4．1 引言

4．2 材料与方法

4．2．1 菌种与培养基

4．2．2 主要试验设备

4．2．3 分析方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 5L厌氧发酵罐丁酸游离发酵试验

4．3．2 5L纤维床丁酸固定化发酵

4．3．3 中试纤维床反应器丁酸固定化发酵

4．4 本章小结

第五章 利用内置式流动纤维床反应器固定化发酵生产丁酸

5．1 引言

5．2 材料与方法

5．2．1 菌种

5．2．2 仪器与试剂

5．2．3 培养基

5．2．4 主要试验设备

5．2．5 分析方法

5．2．6 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 化学修饰的填充载体对菌体吸附的影响

5．3．2 棉纤维载体量对菌体吸附的影响

5．3．3 搅拌转速为菌体吸附的影响

5．3．4 吸附动力学

5．3．5 氮源浓度对固定化批次发酵丁酸的影响

5．3．6 重复批次及补料发酵

5．3．7 高浓度底物发酵

5．3．8 MFBB与FBB之间的比较

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历