产细菌纤维素深层发酵菌种选育及工艺优化

论文摘要

细菌纤维素作为一种新型的生物材料,逐渐成为近年来的研究热点。目前,国内对细菌纤维素的研发和生产主要集中于传统的静态浅盘培养方式,这种培养方式发酵周期长、占地面积大、劳动强度高,因而制约了大规模的工业化生产。细菌纤维素具有合成速度高、化学纯度高、亲水性和机械强度良好等优点,使其在食品、医药、造纸等许多领域均具有广泛应用前景,是值得大力开发的生物材料。系统地研究提高发酵产细菌纤维素产量的工艺,具有重要的理论和实际意义。针对目前产细菌纤维素菌种产量不稳定的问题,本文筛选出产量高且稳定的木醋杆菌（Acetobacter xylinum BEX-11）菌株,使用半连续培养方法选育出活力较强、适合振荡培养的菌株,纤维素产量提高了38.80%。并对发酵条件进行了探索,其在振荡培养下最佳摇瓶装液量是75 mL/250 mL三角瓶,最适温度是28℃。以正交实验设计方法,对Acetobacter xylinum BEX-11发酵产细菌纤维素的工艺进行优化。在单因子研究基础上,使用正交设计助手,对发酵产细菌纤维素的初始pH、摇瓶装液量、混合碳源比例和氮源的添加量等影响因素进行正交实验设计,以细菌纤维素产量为目标,在实验范围内得到各因素影响次序为摇瓶装液量>氮源>碳源>初始pH,得到最优发酵工艺为:初始pH 6.0 ,摇瓶装液量50 mL/250 mL三角瓶,果糖与葡萄糖质量比例为1:1,酵母粉14 g/L。优化后细菌纤维素产量达到13.493 g/L。对细菌纤维素潜在的应用价值进行研究,分别以静置和振荡培养方式培养木醋杆菌,对静置培养及振荡培养得到的细菌纤维素的纤维丝结构、红外光图谱、持水性、复水性以及灰分含量进行了测试,分析了在静置培养和振荡培养下得到的细菌纤维素的性质和结构差异。结果表明,静置培养发酵所产纤维素成一薄膜,纤维结构较纤细、致密,振荡培养所产纤维素成球状或团状,两者结构有明显差异;两者的红外光图谱基本一致;振荡培养得到的细菌纤维素的吸水性和复水性均比较好,而静置培养得到的细菌纤维素灰分含量较低。另外,静置培养得到的产物具有良好的生物相容性。最后,针对静态浅盘培养方式的缺点,根据木醋杆菌的好氧特性以及产细菌纤维素时对剪切力较敏感的性质,在原有5 L鼓泡式生物反应器的基础上进行结构改进,尝试利用其进行静置和动态深层培养。在不同通气量条件下测定培养基剩余还原糖含量和纤维素产量,静置时细菌纤维素干重产量仅为0.268 g/L,原鼓泡反应器通气量为3L/min时产量1.078 g/L。结构改进鼓泡反应器,当通气量为4 L/min,产量最高达5.705 g/L。而当通气量为5 L/min,产量降为3.783g/L。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 细菌纤维素的概述
• 1.1.1 纤维素的概况
• 1.1.2 细菌纤维素的概述
• 1.1.3 细菌纤维素的生物合成机制
• 1.1.4 产细菌纤维素的微生物
• 1.1.5 细菌纤维素的理化性质
• 1.1.6 细菌纤维素的改性
• 1.1.7 细菌纤维素的应用
• 1.2 细菌纤维素的研究方法
• 1.2.1 糖浓度法
• 1.2.2 红外光谱法
• 1.2.3 薄板层析法
• 1.2.4 细菌纤维素的扫描电镜分析
• 1.2.5 细菌纤维素的持水性分析
• 1.3 细菌纤维素的生产
• 1.3.1 细菌纤维素高产菌株的诱变选育
• 1.3.2 细菌纤维素的培养基成分优化
• 1.3.3 细菌纤维素发酵工艺的研究
• 1.4 本课题的研究背景和意义
• 1.5 本论文的研究内容
• 第二章 细菌纤维素生产菌株的分离纯化及培养参数优化
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 菌种培养方法
• 2.1.3 分析方法
• 2.2 实验结果与讨论
• 2.2.1 高产菌株筛选
• 2.2.2 连续稳定传代实验
• 2.2.3 适合振荡培养菌株的筛选
• 2.2.4 发酵产细菌纤维素条件的探索
• 2.3 本章小结
• 第三章 产细菌纤维素的培养基优化
• 3.1 材料和方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 菌种培养方法
• 3.1.3 分析方法
• 3.1.4 正交实验设计
• 3.2 实验结果与讨论
• 3.2.1 碳源对木醋杆菌BEX-11 产细菌纤维素的影响
• 3.2.2 氮源对木醋杆菌BEX-11 产细菌纤维素的影响
• 3.2.3 磷源浓度对木醋杆菌BEX-11 产细菌纤维素的影响
• 3.2.4 正交实验
• 3.3 本章小结
• 第四章 不同培养方式制备的细菌纤维素性质的比较
• 4.1 材料和方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 分析方法
• 4.2 实验结果与讨论
• 4.2.1 木醋杆菌细胞形态
• 4.2.2 细菌纤维素膜红外光谱的分析
• 4.2.3 扫描电镜观察细菌纤维素的结构
• 4.2.4 不同培养方式生产的细菌纤维素的吸水性和复水性分析
• 4.2.5 不同培养方式生产的细菌纤维素的灰分含量
• 4.2.6 细菌纤维素生物相容性的研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 5L 生物反应器的结构改良及发酵产细菌纤维素的初步研究
• 5.1 材料和方法
• 5.1.1 材料
• 5.1.2 反应器改良结构示意图
• 5.1.3 检测方法
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 鼓泡式生物反应器静置和鼓泡动态深层培养
• 5.2.2 新结构生物反应器不同通气量培养研究
• 5.2.3 不同条件下生物反应器发酵的细菌纤维素产量
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 致谢