少动鞘脂单胞菌高产结冷胶的发酵条件及动力学研究

论文摘要

结冷胶是由少动鞘脂单胞菌（Sphingomonas paucimobilis）产的微生物胞外多糖,具有凝胶效率高、透明度好、稳定性强、无毒无害等优点,广泛应用于食品、化工、医药等领域。本文以Sphingomonas paucimobilis ZJU 311为发酵菌株,进行其产糖的最优条件和发酵动力学研究。首先在摇瓶发酵水平,进行了发酵培养条件的优化。在此基础上,通过单因素实验优化了发酵培养基的基本组分。进一步利用Plaekett-Burman实验对发酵培养基各组分进行评价,筛选出3个主要影响因子为：黄豆饼粉、MnCl2.4H2O、L-脯氨酸。最后采用中心组合设计和响应面分析,确定了最佳发酵培养基。经多次实验验证,优化后结冷胶产量达到18.7g/L,比原始产量提高了72%。然后在10L发酵罐水平上,研究了温度、搅拌速度对结冷胶分批发酵过程的影响。发展了分阶段控温策略,使结冷胶分子量得到了明显提高；提出了发酵过程中搅拌速度分阶段控制策略：0-24h,搅拌转速为400rpm,24h后将搅拌速度提高到850rpm,直至发酵结束,采用这一控制策略结冷胶的产量和分子量较单一搅拌转速（400rpm）下分别提高了60%和45%。基于分批发酵实验结果,对结冷胶发酵过程动力学模型进行了研究。采用Logistic方程和Luedeking-Piret方程,建立了菌体生长、产物合成和底物消耗动力学模型。应用MATLAB工具软件对模型进行非线性曲线拟合,得到3个发酵动力学数学模型方程。通过对模型的验证,结果表明该模型能较好反映结冷胶分批发酵过程,为进一步进行补料分批发酵提供了理论基础。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 结冷胶简介
• 1.2.1 结冷胶的结构
• 1.2.2 结冷胶的理化性质
• 1.2.2.1 凝胶特性
• 1.2.2.2 稳定性
• 1.2.2.3 高度的透明性和良好的配伍性
• 1.2.2.4 抗剪切（假塑流变性）
• 1.2.2.5 温度滞后性
• 1.3 结冷胶的应用
• 1.3.1 结冷胶在食品工业的应用
• 1.3.2 结冷胶在医药、化工行业的应用
• 1.3.3 结冷胶其他方面在的应用
• 1.4 结冷胶的研究进展
• 1.4.1 结冷胶的生物合成及代谢途径
• 1.4.1.1 核苷酸糖前体的合成
• 1.4.1.2 四糖单元合成
• 1.4.1.3 结冷胶的聚合和外运
• 1.4.2 结冷胶的发酵生产
• 1.4.2.1 结冷胶的产生菌
• 1.4.2.2 结冷胶的发酵生产工艺
• 1.4.3 结冷胶的分离提取
• 1.5 发酵动力学研究进展
• 1.6 课题的研究意义及内容
• 1.6.1 选题意义
• 1.6.2 研究目的和内容
• 第二章 结冷胶摇瓶发酵条件的优化
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种
• 2.2.2 培养基
• 2.2.2.1 斜面培养基
• 2.2.2.2 种子培养基
• 2.2.2.3 发酵培养基
• 2.2.3 实验试剂与仪器
• 2.2.3.1 实验试剂
• 2.2.3.2 实验仪器
• 2.2.4 培养方法
• 2.2.4.1 斜面种子培养
• 2.2.4.2 摇瓶种子培养
• 2.2.4.3 摇瓶发酵培养
• 2.2.5 分析方法
• 2.2.5.1 菌体生物量测定
• 2.2.5.2 发酵液粘度测定
• 2.2.5.3 发酵液中残留糖含量测定
• 2.2.5.4 结冷胶产量测定
• 2.2.5.5 结冷胶分子量测定
• 2.2.6 实验设计
• 2.2.6.1 菌体生长曲线的测定
• 2.2.6.2 环境因素对结冷胶发酵的影响
• 2.2.6.3 发酵培养基成分优化
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 菌体生长曲线
• 2.3.2 环境因素对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.1 温度对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.2 初始pH值对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.3 种龄对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.4 接种量对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.5 摇床转速和装液量对结冷胶发酵的影响
• 2.3.2.6 发酵时间结冷胶发酵的影响
• 2.3.3 发酵培养基成分单因素优化实验
• 2.3.3.1 不同碳源对结冷胶发酵的影响
• 2.3.3.2 不同氮源对结冷胶发酵的影响
• 2.3.3.3 不同无机盐离子对结冷胶发酵的影响
• 2.3.3.4 不同氨基酸对结冷胶发酵的影响
• 2.3.3.5 不同表面活性剂对结冷胶发酵的影响
• 2.3.4 Plackett-Burman实验
• 2.3.5 响应面优化实验
• 2.5 本章小结
• 第三章 结冷胶分批发酵条件优化
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌种
• 3.2.2 培养基
• 3.2.2.1 斜面培养基
• 3.2.2.2 种子培养基
• 3.2.2.3 发酵培养基
• 3.2.3 实验试剂与仪器
• 3.2.4 培养方法
• 3.2.4.1 斜面种子培养
• 3.2.4.2 摇瓶种子培养
• 3.2.4.3 发酵罐培养
• 3.2.5 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 温度对结冷胶分批发酵的影响
• 3.3.1.1 温度对菌体生长的影响
• 3.3.1.2 温度对结冷胶合成的影响
• 3.3.1.3 温度对葡萄糖消耗的影响
• 3.3.1.4 结冷胶分批发酵过程分阶段温度控制策略的确定及验证
• 3.3.2 搅拌速度对结冷胶分批发酵过程的影响
• 3.3.2.1 搅拌转速对菌体生长的影响
• 3.3.2.2 搅拌转速对结冷胶合成的影响
• 3.3.2.3 搅拌转速对葡萄糖消耗的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 结冷胶分批发酵动力学研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 培养方法
• 4.2.1.2 10L发酵罐培养
• 4.2.2 分析方法
• 4.2.3 模型参数的估计
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 结冷胶分批发酵过程
• 4.3.2 结冷胶分批发酵动力学模型的建立
• 4.3.2.1 菌体生长动力学模型的建立
• 4.3.2.2 产物生成动力学模型的建立
• 4.3.2.3 底物消耗动力学模型的建立
• 4.3.3 模型拟合分析
• 4.3.4 模型参数求解
• 4.3.5 拟合曲线分析
• 4.3.6 模型的验证
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 本论文的创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 作者简历