细菌纤维素生产菌的筛选、发酵及应用的研究

论文摘要

细菌纤维素是由微生物合成的一种生物纳米材料,与植物纤维相比,具有独特的三维网络结构和超细、纯度高、结晶度高、与水结合能力强和生物合成时的可调控等特点,成功应用于很多领域,是当今国内外生物材料研究的热点之一。目前国内大多数研究限于实验室水平,与国外工业化生产相差甚远。作者选育出细菌纤维素产生菌,并较为系统地研究了逐步放大的发酵工艺,考察了不同培养方式下得到的细菌纤维素在造纸和固定化细胞方面的初步应用。从残次水果样中筛选出产纤维素野生菌NUST1292,16S rDNA序列同源性分析结果结合形态、生理生化特征可鉴定其为Acetobacter属;后采用紫外诱变改良,选育出高产且生产性能稳定的菌株Acetobacter NUST4,采用TEM、AFM、GC-MS、FT-IR、XRD和CP/MAS 13C-NMR对菌体形态和发酵产物进行表征。较为系统地研究了Acetobacter NUST4静置培养和从摇瓶振荡培养、13L发酵罐振荡培养到500L罐培养的逐步放大的发酵工艺优化试验。结果是:①经优化条件后静置培养7d产9.87g·L-1干纤维素;②从发酵罐中驯化分离到的AcetobacterNUST4.1,优化条件后摇瓶振荡培养5d产7.16g·L-1干纤维素,同步静置产量为10.9g·L-1,该摇瓶培养基更适合今后的工业化生产;考察了不同培养方式下的细菌纤维素的结构和性能的差异;③添加羧甲基纤维素钠、海藻酸钠和琼脂不仅能有效解决发酵罐中严重结团和菌株逐级放大后生产稳定性差的两大难题,并能显著提高纤维素产量,影响产物结构、热和机械性能;其中添加0.06%羧甲基纤维素钠后效果最明显,由此优化发酵罐基本工艺,能获得3.35g·L-1干纤维素,是未优化的3.1倍,采用动静二步发酵法后纤维素产量提高到8.44g·L-1;④Acetobacter NUST4.1在500L罐中的生产性能较稳定。将匀浆处理的发酵罐振荡培养得到的细菌纤维素（Y-ABC）添加到废纸浆中抄纸,发现Y-ABC能提高废纸纤维的机械性能和防水性;将匀浆处理的静置培养得到的细菌纤维素（Y-SBC）、Y-ABC分别添加到苇木浆中抄纸,发现与苇木浆配合抄的纸中添加Y-ABC后对纸张性能改善优于添加Y-SBC后。将动静二步发酵法得到的细菌纤维素直接固定化白腐真菌Z-4降解不同种类染料,发现游离菌和固定化菌能有效降解三苯甲烷类染料,尤其是孔雀石绿。白腐真菌Z-4经固定化后能耐高浓度孔雀石绿,在pH4.0～7.0时脱色降解时间比游离菌球短,固定化菌的强度较游离菌球高,重复稳定性好,可操作性强,显示细菌纤维素膜是一优良的固定化载体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 细菌纤维素产生菌的分离和改良
• 1.2.1 国内产细菌纤维素菌株的分离和改良
• 1.2.2 国外产细菌纤维素菌株的分离和改良
• 1.3 细菌纤维素的生物合成
• 1.3.1 木醋杆菌的碳代谢途径
• 1.3.2 纳米纤维丝带的形成
• 1.3.3 细菌纤维素合成的调控
• 1.4 细菌纤维素的结构和性质
• 1.4.1 纤维素的超分子结构
• 1.4.2 细菌纤维素的结构
• 1.4.3 细菌纤维素的性质
• 1.5 细菌纤维素的发酵生产
• 1.5.1 培养基成分方面
• 1.5.2 培养方式方面
• 1.5.3 培养条件方面
• 1.5.4 分批、补料、连续发酵操作方式
• 1.6 细菌纤维素的应用
• 1.6.1 国外的应用研究
• 1.6.2 国内的应用研究
• 1.7 课题的主要研究内容和实施方案
• 2 细菌纤维素产生菌的筛选及初步鉴定
• 2.1 野生菌种的筛选
• 2.1.1 材料与方法
• 2.1.2 结果与讨论
• 2.2 NUST1292的初步鉴定
• 2.2.1 材料与方法
• 2.2.2 结果与讨论
• 2.3 野生菌种的改良
• 2.3.1 材料与方法
• 2.3.2 结果与讨论
• 2.4 Acetobacter NUST4的吐丝观察
• 2.4.1 材料与方法
• 2.4.2 结果与讨论
• 2.5 产物的单体成分分析
• 2.5.1 材料与方法
• 2.5.2 结果与讨论
• 2.6 产物的结构分析
• 2.6.1 材料与方法
• 2.6.2 结果与讨论
• 2.7 小结
• 3 Acetobacter NUST4静置和摇瓶振荡产细菌纤维素的研究
• 3.1 Acetobacter NUST4的静置培养
• 3.1.1 材料与方法
• 3.1.2 结果与讨论
• 3.2 Acetobacter NUST4.1的摇瓶振荡培养
• 3.2.1 材料与方法
• 3.2.2 结果与讨论
• 3.3 静置培养和摇瓶振荡培养得到的纤维素的结构差异
• 3.3.1 扫描电镜观察表观结构
• 3.3.2 FT-IR和 XRD分析基本结构和晶体结构
• 3.4 静置培养和摇瓶振荡培养得到的纤维素的性能差异
• 3.4.1 材料与方法
• 3.4.2 结果与讨论
• 3.5 小结
• 4 聚合物对Acetobacter NUST4.1产纤维素的影响
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验菌株
• 4.1.2 主要仪器
• 4.1.3 培养基
• 4.1.4 培养方法
• 4.1.5 纤维素在发酵罐中的生产工艺流程
• 4.1.6 分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 添加聚合物对摇瓶培养得到的纤维素产量的影响
• 4.2.2 三种聚合物的添加对纤维素结构和热性能、机械性能的影响
• 4.2.3 添加三种聚合物在发酵罐中的稳定发酵试验
• 4.2.4 分批发酵培养的工艺条件确定
• 4.2.5 动静二步发酵培养
• 4.3 小结
• 5 Acetobacter NUST4.1的放大试验初探
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验菌株
• 5.1.2 主要试剂和仪器设备
• 5.1.3 培养基
• 5.1.4 培养方法
• 5.1.5 发酵参数的分析方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 五个罐批的发酵情况
• 5.2.2 菌种培养部分的影响
• 5.2.3 发酵液处理方法的影响
• 5.3 小结
• 6 细菌纤维素的应用
• 6.1 细菌纤维素在造纸方面的应用
• 6.1.1 材料与方法
• 6.1.2 结果与讨论
• 6.1.3 小结
• 6.2 细菌纤维素固定化白腐真菌应用于染料降解
• 6.2.1 材料与方法
• 6.2.2 结果与讨论
• 6.2.3 小结
• 7 结论
• 7.1 结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 本课题的发展趋势
• 致谢
• 参考文献
• 作者在博士论文工作期间发表和参与的论文