Streptomyces spiroverticillatus的发酵工艺优化及动力学研究

摘要

变构霉素是Streptomyces spiroverticillatus产生的的抗生素。它对油菜菌核病等真菌有很强的抗菌活性，也是良好的蛋白磷酸化酶抑制剂。鉴于其良好的生物活性，研究人员在它的化学合成以及它对蛋白磷酸酶抑制方面做了大量的研究，但有关生物发酵法生产变构霉素的研究却不多。本论文以提高变构霉素的发酵水平为主要目的，对S。spiroverticillatus生产变构霉素的发酵条件进行了优化，建立了补料分批发酵生产变构霉素的工艺，并对分批发酵动力学进行了模型拟合。
　　 从菌株S.spiroverticillatus出发，利用摇瓶发酵对种子质量以及发酵初始条件进行了优化。得到了适合的培养条件：接种龄为24 h，接种量6％～8％（v/v），初始pH6.5，装液量50 mL（500 mL三角瓶），初始葡萄糖浓度2％～3％（w/v）。通过5 L发酵罐，对变构霉素发酵过程的溶氧控制与pH控制进行了研究。结果表明，发酵过程中维持5％～10％的DO水平有利于变构霉素的生产，而在发酵过程维持高于15％的DO水平则会因搅拌剪切力过大而不利于菌体的生长，最终影响变构霉素的生产。在发酵前期，控制pH在6.0～7.0之间可能更有利于菌体的生长，在发酵后期适当的降低pH有利于变构霉素的生产。
　　 通过摇瓶补料发酵实验，发现在发酵后期补加0.2％（w/v）自然pH的马来酸酐能较大地提高变构霉素的产量。同时在15 L发酵罐上对其进行了验证与补料方案的探索，提出了变构霉素补料发酵的策略：当发酵液中还原糖消耗至初始浓度的一半时开始以0.5 ml/min的流加速度补加葡萄糖，在30小时内流加完成，补加总量为160 g；并从发酵的65 h～78 h开始以适当的速率补加400 mL，4％（w/v）马来酸酐溶液（自然pH），并始终维持发酵液pH在4.0～7.0之间。通过补料，最终变构霉素产量为1723.1 mg/L，与最初发酵水平相比提高了199.74％。
　　 还对S.spiroverticillatus分批发酵的动力学进行了研究，建立了分批发酵的动力学模型，包括菌体生长动力学模型、产物形成动力学模型、基质消耗动力学模型。所获得的模型的拟合度分别为0.9922、0.9897、0.9934，表明该方程能较好地描述变构霉素发酵过程，阐明了变构霉素发酵过程的代谢变化趋势。为变构霉素的发酵生产控制、进一步地放大生产等研究提供理论基础。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 农用抗生素的研究进展

1.1.1 农用抗生素的发展历史

1.1.2 农用抗生素种类

1.1.3 农用抗生素的作用机制

1.2 变构霉素的发现及其理化性质

1.2.1 变构霉素的发现

1.2.2 变构霉素的结构及其理化性质

1.3 变构霉素的生物活性及其应用

1.3.1 变构霉素的抗菌活性

1.3.2 变构霉素对蛋白磷酸酶的抑制活性

1.3.3 变构霉素的其它活性与应用

1.4 变构霉素合成研究的概述

1.4.1 变构霉素的化学合成

1.4.2 变构霉素的生物合成

1.5 抗生素发酵

1.5.1 培养基成分对抗生素发酵的影响

1.5.2 培养条件对抗生素发酵的影响

1.5.3 抗生素发酵过程优化与控制

1.5.4 抗生素的补料发酵

1.6 本课题的研究背景、意义及内容

参考文献

第二章 Streptomyces spiroverticillatus发酵工艺的优化

2.1 引言

2.2 实验材料

2.2.1 菌种

2.2.2 培养基

2.2.3 主要药品与试剂

2.2.4 主要实验设备与仪器

2.2.5 相关溶液的配制

2.3 实验方法

2.3.1 培养方法

2.3.2 发酵液变构霉素含量的测定

2.3.3 发酵液中生物量的检测

2.3.4 发酵液中残糖的测定

2.4 结果与讨论

2.4.1 接种龄与接种量对变构霉素发酵的影响

2.4.2 初始条件对变构霉素发酵的影响

2.4.3 变构霉素发酵工艺优化

2.5 本章小结

参考文献

第三章 S.spiroverticillatus补料分批发酵生产变构霉素的研究

3.1 引言

3.2 材料和方法

3.2.1 菌种

3.2.2 培养基

3.2.3 主要药品与试剂

3.2.4 主要实验设备与仪器

3.2.5 相关溶液的配制

3.3 实验方法

3.3.1 培养方法

3.3.2 发酵液变构霉素含量的测定

3.3.3 发酵液中生物量的检测

3.3.4 发酵液中残糖的测定

3.4 结果与讨论

3.4.1 S.spiroverticillatus的分批发酵过程

3.4.2 葡萄糖分批补料发酵

3.4.3 马来酸酐补料发酵

3.4.415 L罐S.spiroverticillatus的补料分批发酵

3.5 本章小结

参考文献

第四章 S.spiroverticillatus分批发酵动力学的研究

4.1 引言

4.2 实验材料

4.2.1 菌种

4.2.2 培养基

4.2.3 主要药品与试剂

4.2.4 主要实验设备与仪器

4.2.5 相关溶液的配制

4.3 实验方法

4.3.1 培养方法

4.3.2 发酵液变构霉素含量的测定

4.3.3 发酵液中生物量的检测

4.3.4 发酵液中残糖的测定

4.3.5 动力学模型

4.4 结果与讨论

4.4.115 L发酵罐分批发酵实验

4.4.2 S.spiroverticillatus细胞生长动力学

4.4.3 变构霉素生成动力学

4.4.4 基质消耗动力学

4.5 本章小结

参考文献

第五章 总结与展望

5.1 结论

5.2 展望

附录

附录1：实验涉及的主要药品与试剂

附录2：实验涉及的主要仪器设备

附录3：发酵动力学实验涉及的符号说明

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文