丙酮丁醇梭菌的改良及发酵工艺的研究

论文摘要

丙酮-丁醇发酵是一项传统的大宗发酵,曾经是仅次于酒精发酵的世界第二大发酵过程。但在上世纪五十年代以后,由于石化工业的迅速发展,丙酮-丁醇发酵逐渐衰退。近年来,由于石油等化石资源的日益匮乏,丙酮-丁醇发酵作为转化生物质为化学品和液体燃料的重要手段重新引起人们的广泛关注。但丙酮-丁醇发酵目前还存在产物浓度低、生产效率低等问题,这些问题严重制约了该产业的发展,因此开展高产菌株的选育、发酵工艺优化的研究十分必要。本论文以实验室保藏的丙酮丁醇梭菌作为出发菌株,经过紫外线和亚硝基胍复合诱变,选育出一株高产菌株E-11,在未优化的条件下,其总溶剂产量为17.20 g/L,比原始出发菌株的产量提高了16%,经过多次传代接种,表现出较好的遗传稳定性。以总溶剂产量作为主要参考指标,确定了最佳发酵工艺条件:玉米浆浓度3%,玉米醪浓度7%,L-半胱氨酸浓度0.1%、初始pH5.2、接种量8%、培养温度37℃。在优化的条件下,总溶剂产量为18.79 g/L。考察了部分代谢副产物（乙酸和丁酸）对菌体生长和溶剂合成的影响,以期提高丙酮丁醇发酵的生产效率。实验结果表明:发酵液中乙酸或丁酸的过量积累不但抑制菌体生长,加速菌体退化,同时抑制目的产物的合成,但向培养基中添加适量的乙酸或丁酸可以促进细胞生长和溶剂的合成。与对照组相比,培养14 h后添加1.5 g/L乙酸的效果最为明显,最大生物量、最终生物量分别提高了9.59%和12.76%;发酵结束时乙酸的质量浓度比对照组降低了19.02%,丙酮的最终质量浓度提高了20%,由5.40 g/L提高到6.50 g/L;与对照组相比,在培养14 h后添加2.0 g/L丁酸的效果最为明显,最大生物量、最终生物量分别提高了3.77%和3.06 %,发酵结束时丁酸的质量浓度降低了33.3%,乙酸的质量浓度降低幅度不明显,丁醇的最终质量浓度提高了11.6%,由11.51 g/L提高到12.84 g/L,丙酮最终质量浓度变化较小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 丙酮-丁醇发酵的发展情况
• 1.1.2 我国丙酮-丁醇发酵工业现状
• 1.1.3 国内外研究现状
• 1.2 丙酮、丁醇的性质和用途
• 1.2.1 丙酮的性质及用途
• 1.2.2 正丁醇的性质及用途
• 1.3 立题意义及研究意义
• 1.4 本课题的研究任务
• 第二章丙酮丁醇梭菌的诱变选育
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 实验料材
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 育种思路
• 2.3.2 紫外线和亚硝基胍复合诱变处理
• 2.3.3 高产突变株的筛选
• 2.3.4 遗传稳定性实验
• 2.4 本章小结
• 第三章丙酮丁醇梭菌的发酵工艺条件优化
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌种
• 3.2.2 培养基及培养方法
• 3.2.3 主要仪器和试剂
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 种子生长曲线
• 3.3.2 发酵过程曲线
• 3.3.3 不同碳源对发酵的影响
• 3.3.4 玉米浆用量对发酵的影响
• 3.3.5 L-半胱氨酸对发酵的影响
• 3.3.6 玉米醪浓度对发酵的影响
• 3.3.7 培养温度对发酵的影响
• 3.3.8 初始pH 对发酵的影响
• 3.3.9 接种量对发酵的影响
• 3.3.10 正交实验确定最佳发酵工艺条件
• 3.4 本章小结
• 第四章 代谢副产物对丙酮-丁醇发酵影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 实验材料与仪器
• 4.2.2 分析方法
• 4.3 实验方法
• 4.3.1 乙酸对丙酮丁醇发酵的影响
• 4.3.2 丁酸对丙酮丁醇发酵的影响
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 菌体的生长及发酵产物和副产物的积累
• 4.4.2 乙酸和丁酸不同添加方式对丙酮丁醇梭菌生长的影响
• 4.4.3 乙酸和丁酸不同添加方式对丙酮丁醇梭菌合成溶剂的影响
• 4.4.4 乙酸和丁酸的添加对发酵过程的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.1.1 丙酮-丁醇产生菌的选育研究
• 5.1.2 丙酮丁醇梭菌的发酵工艺条件研究
• 5.1.3 代谢副产物对丙酮-丁醇发酵影响的研究
• 5.2 课题展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文