米根霉发酵生产L-乳酸的形态研究及其对发酵的影响

摘要

米根霉发酵生产L-乳酸过程中，菌体表现出多样的形态，影响了发酵过程中传质、溶氧等性能，致使发酵效率有很大不同。本文研究不同条件对米根霉发酵产L-乳酸的形态及发酵产率的影响：研究球状和絮状米根霉在发酵产L-乳酸过程中流变学性质和溶氧特征；确定了球状和絮状米根霉重复间歇发酵补料培养基。并此基础上，对比研究了两种菌体重复间歇发酵产L-乳酸的发酵强度；同时对球状米根霉和絮状米根霉的动力学特性进行研究，建立发酵过程动力学模型。具体结论如下：
　　 1.通过单因素试验结合正交试验的方法，确定两种菌体发酵培养基组成及培养条件主要参数为：
　　 球状米根霉培养基组成及培养条件：葡萄糖120 g/L，(NH4)2SO43.0g/L，KH2PO40.15 g/L，MgSO4·7H2O0.25 g/L，ZnSO4·7H2O0.25 g/L，NaH2PO40.15 g/L，CaCO360.0 g/L，发酵起始添加CaCO3，发酵温度32℃，米根霉均为形态规则小球，L-乳酸产量可达104.5 g/L，葡萄糖转化率为87.08％。
　　 絮状米根霉培养基组成及培养条件：葡萄糖120 g/L，(NH4)2SO43.0 g/L，KH2PO40.10 g/L，MgSO4·7H2O0.25 g/L，ZnSO4·7H2O0.05 g/L，NaH2PO40.25 g/L，CaCO360.0 g/L，发酵起始添加CaCO3，发酵温度32℃，米根霉均为乳自色絮状体，L-乳酸产量可达104.1 g/L，葡萄糖转化率为86.75％。
　　 2.研究了球状米根霉和絮状米根霉在发酵产L-乳酸过程中两种发酵液的流变学性质和溶氧特征。
　　 球状米根霉发酵液在整个发酵过程中均为牛顿型流体，其最大表观粘度为38.6mPa×s；而絮状米根霉在发酵中期及后期其流体类型为假塑性流体，最大表观粘度为108mPa×s。
　　 对比研究两种形态发酵液临界溶氧浓度和实际溶氧，对球状米根霉和絮状米根霉在发酵过程中的转速和溶氧作出调整。调整后球状米根霉和絮状米根霉实际溶氧值分别为50.5％和51.3％，比调整前分别高了7.7％和9.0％，产酸分别为104.95g/L和105.75g/L，比调整前分别高了4.15g/L和3.95g/L。
　　 3.运用响应曲面法对重复间歇发酵补料培养基进行了优化。
　　 球状米根霉重复间歇发酵补料培养基：葡萄糖90g/L，(NH4)2SO43.0g/L，KH2PO40.15g/L，MgSO4·7H2O0.34g/L，ZnSO4·7H2O0.20g/L；
　　 絮状米根霉重复间歇发酵补料培养基：葡萄糖90g/L，(NH4)2SO43.0g/L，KH2PO40.15g/L，MgSO4·7H2O0.35g/L，ZnSO4·7H2O0.21g/L；
　　 重复间歇发酵批次中，球状米根霉前6批产酸均保持在80.00g/L以上，葡萄糖转化率高于88.89％，产酸速率最高可达到4.26 g·L-1·h-1，在第7批时产酸略有下降，为78.60g/L，葡萄糖转化率87.30％；絮状米根霉前4批产酸可保持在80.00g/L以上，产酸速率最高可达4.07 g·L-1·h-1，在第5批时产酸开始下降，至第7批时产酸仅为70.20g/L，葡萄糖转化率78.00％。
　　 4.通过发酵数据对动力学模型参数进行估算，建立了球状米根霉和絮状米根霉发酵产L-乳酸过程动力学模型。
　　 球状米根霉发酵产L-乳酸过程动力学模型：
　　 微生物生长模型：dx/dt=0.1995(1-X/8.043)X
　　 乳酸生成模型：dp=7.7761(dt)+0.2114X
　　 絮状米根霉发酵产L-乳酸过程动力学模型：
　　 微生物生长模型：dx=0.1452(1-X/8.202)X
　　 乳酸生成模型：dp=5.4372(dx/dt)+0.3096X
　　 验证试验结果表明，所建立的球状米根霉和絮状米根霉发酵产L-乳酸的动力学模型能够较好的描述试验过程。

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论文说明：图表目录

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致谢

第一章 绪论

1.1乳酸的结构及应用

1.2乳酸的生产方法

1.3米根霉发酵生产L-乳酸的研究现状

1.3.1米根霉菌种改良研究

1.3.2发酵工艺研究

1.3.3分离工艺研究

1.3.4米根霉发酵产L-乳酸代谢研究

1.4米根霉菌丝形态对发酵效率的影响

1.4.1霉菌形态对工业发酵效率的影响

1.4.2米根霉发酵产L-乳酸的形态及对发酵效率的影响

1.5霉菌发酵液流变学特性及溶氧特征研究

1.6霉菌发酵动力学研究

1.7本文研究目的、意义及主要内容

1.7.1研究目的

1.7.2研究意义

1.7.3主要内容

第二章发酵条件对球状和絮状米根霉形成及产酸的影响

2.1材料与方法

2.1.1菌种及试剂

2.1.2主要设备

2.1.3培养基

2.1.4分析方法

2.2实验方案设计

2.2.1球状米根霉培养条件优化

2.2.2絮状米根霉培养条件优化

2.3结果与分析

2.3.1球状米根霉培养条件研究

2.3.2絮状米根霉培养条件实验效果

2.4小结

第三章米根霉球状和絮状发酵液的流变学性质及溶氧特征

3.1材料与方法

3.1.1菌种

3.1.2试验方法

3.1.3分析方法

3.2试验方案与设计

3.2.1米根霉球状和絮状发酵液的流变学性质研究

3.2.2米根霉球状和絮状发酵液的溶氧性质研究

3.3结果与分析

3.3.1米根霉球状和絮状发酵液的流变学性质

3.3.2米根霉球状和絮状发酵液的溶氧特征研究

3.4小结

第四章球状和絮状米根霉重复间歇发酵及过程动力学

4.1材料与方法

4.1.1菌种

4.1.2实验方法

4.1.3分析方法

4.2试验方案设计

4.2.1响应曲面法分析重复间歇发酵批次的培养基

4.2.2重复分批发酵强度的研究

4.2.3动力学试验

4.2.4动力学模型验证

4.3结果与分析

4.3.1响应曲面法分析重复间歇发酵批次的培养基

4.3.2重复间歇发酵强度的研究

4.3.3动力学试验结果分析

4.3.4动力学模型的构建

4.5小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献