L-乳酸生产菌凝结芽孢杆菌的定向育种与发酵条件优化

摘要

凝结芽孢杆菌发酵L-乳酸有较高的光学纯度、发酵转化率高、能源消耗少，可以实现利用玉米粉糖化液直接进行L-乳酸发酵。然而在发酵生产过程中，由于直接糖化液有部分二糖、三糖和四糖等寡糖存在，凝结芽孢杆菌对这些糖类分解速率较低，对乳酸提取精制影响很大，影响了乳酸的市场应用。本研究将围绕残糖快速消耗问题，通过选择性的诱变育种方案和发酵条件优化实验，提升凝结芽孢杆菌残留总糖消耗的能力，缩短发酵周期，降低生产成本。　　利用紫外和氯化锂、与光敏试剂8-MOP分别处理生产菌株，以麦芽酮糖为碳源，利用选择性的碳酸钙溴甲酚紫平板培养基进行筛选，得到一株麦芽酮糖消耗较快的变异株UM-27，进而利用连续培养的方法，通过控制稀释速率和不断增加的麦芽酮糖浓度，对该突变株UM-27进行驯化，该筛选到的菌株具有较高的残留总糖消耗能力。接着，在摇瓶中进行了影响L-乳酸合成的培养基条件的优化。先在摇瓶中采用Plackett-Burman因素考察试验，分析了培养基中主要底物玉米浆、磷酸二氢钾、蛋白胨、硫酸铵、硫酸镁、硫酸锰、硝酸钠和碳酸钙，对乳酸合成的影响。找出了玉米浆、碳酸钙、磷酸二氢钾为关键影响因素。再利用中心组合响应面实验设计和统计分析，得到最优化培养基浓度，在该培养基基础上做进一步的发酵过程优化实验。　　最后，在SL发酵罐中利用筛选到菌株UM-27A进行发酵实验，对影响发酵的关键因素通气比、转速、过程pH和温度进行了优化研究。研究结果表明，通气比为0.03、转速为200rpm.pH值为5.3，并采用两阶段的温度，前期45℃和后期50℃控制模式时，为最优的发酵控制工艺，葡萄糖消耗阶段的周期(26h)与原始菌株相比(42h)缩短了19h。同时残留总糖的浓度降到0.4%以下的时间从96h缩短到了45-50h，该工艺能明显提高乳酸的生产效率和产品质量。　　该突变菌株的获得和关键发酵条件的控制优化研究，为进一步的工业发酵工艺放大和优化奠定了基础。

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