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冰核细菌发酵工艺的优化及其动力学的研究

晁龙军

  冰核细菌是自然界冰核活性最强的物质,已成为重要的生物资源,有多种用途,可应用于人工降雪、制冰、食品冷冻浓缩、促冻杀虫及高敏检测等。生物冰核资源开发与应用的前提是生物冰核的规模化生产,本论文以提高发酵产量和冰核活性为研究目标,从影响冰核细菌生长和冰核活性因素的研究入手,对冰核细菌发酵工艺的优化和发酵动力学特性进行了较系统的研究,并进行了人工降雪应用试验。1.通过摇瓶试验对影响冰核细菌S9401菌株生长和冰核活性的因素进行了系统研究。试验结果证明:最利于冰核细菌S9401 生长的碳源为蔗糖,而山梨醇和甘露醇作为碳源的培养基,细菌的冰核活性最强;筛选到一种十分利于S9401生长和冰核活性表达的氮源;S9401在pH值4.7~9.6的范围内都可生长,生长的最适pH值为7.5~8.5,在培养基pH值为7.7时,冰核活性最强;S9401生长的最适温度为28~30℃,培养温度低于26℃,冰核细菌的成冰活性最强。证明了S9401 的冰核活性也存在低温诱导现象。2.通过正交试验在10L机械搅拌发酵罐上对冰核细菌S9401的发酵工艺进行了优化,并分析了其发酵过程特性。正交试验结果表明S9401较优化的发酵条件为:培养基(g/L)蔗糖 80,N9801 40,K_3PO_43H_2O_ 3,加微量元素1ml;接种量10%;溶氧≥24%;培养液初始 pH值7.0;发酵温度24℃。在此发酵条件下,用10L机械搅拌发酵罐发酵24h,冰核细菌的产量在 18 g/L左右,在细菌浓度为 1.0×10~6cells/mL,温度为-3℃时,液滴冻结率为93.3%。2.5m~3发酵罐试验结果也证明了此发酵工艺的可行性,发酵24小时后,冰核细菌的产量在15.5g/L左右,菌液浓度为5.1×10~6cells/mL时,-3℃的液滴冻结率为16.7%, -4℃为90%。发酵过程中,S9401 的生长经历延迟期、对数生长期、减速期和静止期四个阶段。冰核活性与冰核细菌的生长阶段密切相关,延迟期和对数生长期的冰核活性比较弱,减速期和静止期的前期冰核活性最强。蔗糖的利用率为69.53%,得率系数为0.329;N9801的利用率为48.45%,得率系数为0.96。发酵过程中,pH值比较稳定,基本维持在7.0左右,溶氧随着菌体的繁殖和生长,含量逐渐下降,最低为24%,低于30%达2h左右。3.发酵动力学模型INA细菌9401分批发酵模型基本方程为: 5众_(S;一S;以S。一S。)一7一尸Inax丁7一一一一丁7厂一一一一下Xdt““““(k。+S;)人+S。)ds;ide一即一二=————十月口lxdt y,dtt’lds、ide--=————十m,Xdt y。dtA’7州始条件为:t二*,X=X;;,S;。。,S。-S。。采用Marquet最优化方法确定了模型参数,对动力学方程进行数值求解,表明动力学模型基本可模拟INA细菌59401发酵过程中的菌体浓度、参糖浓度和参氮浓度随时间的变化规律。4.用2.sin‘机械搅拌发酵罐中对发酵工艺进行了放大试验。采用上述优化的培养基组成,装液1300L,种液通过三级培养后接入,在温度24OC、搅拌速度200rpm禾通气量1.SL/L*的条件下,发酵24 h,发酵液冰核细菌浓度为5.lx 10’cells/mL,干重达15.sg/L,冷冻干燥后冰核细菌的浓度为3.29X 10”cells伯,比欧洲产量提高ig几,这种发酵工艺可用于冰核细菌一定规模的工业化生产。其产品用于人工降雪试验表明,可明显提高雪的篷松度,增加雪的体积,与对照相比可增加18%~29.7%,同时降低雪融化的速度,延……   
[关键词]:冰核细菌;发酵工艺;正交实验;动力学;降雪
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:中国林业科学研究院2000年