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产酸丙酸杆菌发酵生产丙酸过程优化与控制研究

朱云峰

  作为一种重要的C3平台化合物,丙酸及其衍生物的用途十分广泛,可应用于有机合成、食品、饲料、香料、涂料、染料、医药等方面。目前,丙酸的工业化生产方法为化学合成法,随着化石燃料的价格上涨以及人们对绿色、健康的生物来源的化学品的追求,发酵法生产丙酸受到越来越多研究者的关注。 本论文以一株能在胞外大量积累丙酸的产酸丙酸杆菌(Propionibacterium acidipropionici)为生产菌株,以丙酸的高产量、高得率和高生产强度为目标,对丙酸的发酵过程进行了一系列的优化。主要研究结果如下: (1)采用逐级传代的方式,通过逐渐提高选择压力(丙酸浓度)的方法来提高P.acidipropionici的耐酸性能。经过近一年的适应性进化,获得可耐受20 g/L丙酸的进化菌株(出发菌株可耐受的丙酸浓度为2.5 g/L)。20g/L甘油分批发酵条件下,和出发菌株相比,发酵时间缩短了14.3%,菌体干重提高了23.1%,丙酸产量提高41.1%,生产强度提高65%。对进化菌株与出发菌株的胞内微环境研究显示,进化菌株能荷水平提高100%,氧化还原水平提高16.5%,H+-ATPase活性提高52.7%。 (2)优化得到了摇瓶培养条件下,丙酸发酵的最佳营养及环境条件:酵母粉10 g/L,蛋白胨5 gg/L,甘油20g/L,CoCl2 10mg/L,接种量10%,温度30℃。 (3)在7L发酵罐上对丙酸发酵的培养模式进行了研究,考察不同甘油浓度下丙酸分批发酵过程,发现仅通过分批培养难以实现细胞和丙酸高产量、高得率和高生产强度的统一。脉冲补料、恒速流加培养方式都可以实现丙酸菌细胞和丙酸的高产。综合比较来看,初始甘油浓度为30 g/L,72h-120 h恒速流加浓度为400 g/L的甘油溶液,流速控制为0.01 L/h时最适合丙酸的发酵,发酵220h,细胞干重为4.46 g/L,丙酸产量达44.62g/L。 (4)将最优培养模式在10 m3罐上进行发酵中试,最高丙酸产量达到47.28g/L,较7L罐提高了6%,发酵周期为240h,较7L罐延长20h,说明该流加模式有较好的应用性,可在工业化生产的规模上实现丙酸发酵的高产量。 (5)对目的产品丙酸钙的提取进行研究发现,将发酵液经过70℃保温10min能降低发酵液的粘度,提高过滤的效率;将不同粗细的硅藻土复合使用作助滤剂效果最佳,在直径为10cm的布氏漏斗上,先加1g细硅藻土做滤饼,另外1g粗硅藻土加入经过保温的发酵液中,混合均匀后真空泵抽滤,不仅过滤时间短,而且过滤效果好;将过滤后的发酵液喷雾干燥就能得到产品丙酸钙,具体喷雾干燥的条件为:进口温度180℃~200℃,出口温度>85℃。……   
[关键词]:丙酸;Propionibacterium acidipropionici;适应性进化;发酵优化;丙酸钙
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:江南大学2010年