米根霉细胞发酵L-乳酸的研究

论文摘要

微生物细胞具有高度适应环境和繁殖能力,细胞的各种结构能协调地进行工作,合成某些代谢产物,因此,如何利用微生物细胞的代谢控制有效地解决我国当前面临的粮食、能源和环境等方面的问题具有极其深远的意义。尤其是受到日益重视生物可降解性材料聚乳酸的前体乳酸的生产,更加受到人们的关注。本文通过研究米根霉细胞代谢控制发酵基本条件,以期实现乳酸生产的连续化、扩大化以及寻求L-乳酸生产的新原材料,促进可持续性的L-乳酸产业化生产。首先,以目前工业上普遍采用的淀粉为原料,通过对海藻酸钙包埋法和聚乙烯醇丝吸附法两种固定方法的比较可以得出,海藻酸钙包埋法虽然可以缩短发酵周期,但是凝胶珠易于软化、破碎,无法适应连续化生产的要求,而聚乙烯醇丝本身的结构性质决定了其可以满足工业上的连续使用,本文进一步对PVA吸附法固定化米根霉细胞发酵生产L-乳酸的工艺进行了研究,探讨了载体的添加量、发酵时间等方面的固定化发酵工艺,并进行了优化。本着充分利用资源,实现产品的最大值的原则,本文还选用了自然界最主要的碳水化合物储存物—植物生物质作为发酵的原材料,并以固态发酵形式生产乳酸。通过对多项预处理方法的比较,选择了较符合本试验的蒸汽爆破方法处理秸秆,而后经物理化学预处理,实现天然纤维素的组分分离。利用纤维素酶对预处理后的纤维素进行水解,通过对酶解条件中底物浓度、加酶量、酶解时间等研究,表明在50℃、pH值4.8条件下,底物浓度为3.3%,加酶量为2%,酶解60h可以得到的还原糖的浓度达到34.95g/L,对米根霉生长所需的部分金属离子对酶活性的影响作了研究发现,各种菌体生长的无机盐对酶活性的影响程度不相同。鉴于纤维素酶作用温度和米根霉生长温度的较大差异,通过各种发酵方法的比较,本文采用改进后的同步糖化发酵,即变温同步糖化发酵。250mL三角瓶中装有48.8mL柠檬酸缓冲液和2g预处理后秸秆,配入KH2PO40.3g/L;MgSO4.7H2O 0.25g/L;ZnSO4.7H2O 0.08g/L,121℃灭菌20min后,加入1.2mL纤维素酶于50℃酶解18h后,接入米根霉种子,35℃、180r/min摇床内发酵10h后加入1gCaCO3,5d可达到52.7%的乳酸转化率。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 米根霉
• 1.2 乳酸
• 1.2.1 乳酸的结构及理化性质
• 1.2.2 乳酸的应用
• 1.3 米根霉发酵L-乳酸研究的现状
• 1.3.1 发酵原料选择
• 1.3.2 纤维素原料的水解和糖化
• 1.3.3 秸秆的生物转化
• 1.3.4 发酵技术改进
• 1.3.5 发酵设备的改善
• 1.4 代谢控制发酵
• 1.4.1 米根霉的代谢调节
• 1.4.2 米根霉的代谢控制发酵举措
• 1.5 菌体细胞的选择和改良
• 1.5.1 菌丝形态的研究
• 1.5.2 米根霉细胞的生理学、酶学等生物学性质
• 1.6 本课题研究的意义及主要内容
• 1.6.1 研究意义
• 1.6.2 本课题研究的主要内容
• 1.6.3 创新点
• 2 海藻酸钙固定米根霉细胞发酵L-乳酸工艺的探究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种
• 2.2.2 主要仪器和试剂
• 2.2.3 培养基
• 2.2.4 游离发酵培养方法
• 2.2.5 细胞固定方法
• 2.2.6 分析方法
• 2.3 结果分析
• 2.3.1 海藻酸钙成珠情况的比较
• 2.3.2 海藻酸钙固定化米根霉细胞稳定性研究
• 2.3.3 固定化细胞接种量对产酸的影响
• 2.3.4 凝胶珠直径大小对产酸的影响
• 2.3.5 时间对产酸的影响
• 2.4 讨论
• 2.4.1 海藻酸钙固定化技术
• 2.4.2 海藻酸钙凝胶珠成珠因子的比较
• 2.4.3 海藻酸钙凝珠直径大小对产酸的影响
• 2.4.4 载体添加量对L-乳酸产量的影响
• 2.4.5 海藻酸钙分批次发酵效果的分析
• 2.5 小结
• 3 PVA 固定米根霉细胞发酵L-乳酸的研究
• 3.1 前言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 载体材料
• 3.2.2 细胞固定方法
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 载体添加量对发酵的影响
• 3.3.2 种子培养形式对发酵的影响
• 3 的添加方式对产酸的影响'>3.3.3 CaCO₃的添加方式对产酸的影响
• 3.3.4 时间对发酵的影响
• 3.3.5 PVA 固定米根霉发酵L-乳酸稳定性的研究
• 3.4 讨论
• 3.4.1 PVA 固定米根霉发酵稳定性的研究
• 3.4.2 载体添加量对发酵的影响效果
• 3.4.3 培养方式的选择
• 3.4.4 发酵时间的选择
• 3.4.5 pH 值的控制
• 3.5 小结
• 4 秸秆前期处理工艺的优化
• 4.1 前言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 试剂和设备
• 4.2.2 柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液的配制
• 4.2.3 汽爆后秸秆的处理
• 4.2.4 纤维素酶水解
• 4.2.5 还原糖含量的测定
• 4.2.6 秸秆中纤维素、半纤维素和木质素含量的测定
• 4.3 结果及分析
• 4.3.1 汽爆秸秆含水量及纤维素各成分的分离程度
• 4.3.2 温度对酶解的影响
• 4.3.3 pH 对酶解的影响
• 4.3.4 底物浓度对水解的影响
• 4.3.5 加酶量对酶解的影响
• 4.3.6 时间变化对酶解的影响
• 4.3.7 无机盐离子对酶解试验的影响
• 4.4 讨论
• 4.5 小结
• 5 米根霉细胞同步糖化发酵L-乳酸工艺的改进
• 5.1 前言
• 5.2 同步糖化发酵乳酸工艺的改进
• 5.3 结果和分析
• 5.3.1 不同接种时间对L-乳酸生产的影响
• 5.3.2 时间对乳酸转化率的影响
• 5.3.3 温度对乳酸转化率的影响
• 5.3.4 装液量对转化率的影响
• 3 添加方式对转化率的影响'>5.3.5 CaCO₃添加方式对转化率的影响
• 5.3.6 固液比对发酵的影响
• 5.4 讨论
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 对后续工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 撰写和发表的论文
• B. 参与的科研项目