米根霉半连续高强度发酵生产l-乳酸研究

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1、合肥工业大学博士学位论文米根霉半连续高强度发酵生产L-乳酸研究姓名：吴学凤申请学位级别：博士专业：农产品加工及贮藏工程指导教师：姜绍通20091201摘要L．乳酸是一种重要的有机酸，广泛应用于食品、医药、农业和化工中，利用L．乳酸制备的聚L．乳酸是一种新型的可生物降解材料。细菌发酵和真菌发酵是发酵生产L．乳酸的主要方法，其中米根霉具有营养要求简单、可进行同步糖化发酵、产酸光学纯度高等优点，是工业化生产最有潜力的菌株之一。但是，目前米根霉发酵生产L．乳酸仍然存在发酵强度低、原料利用率不高、菌体形态难

2、以控制等问题。本文以米根霉AS3．819为生产菌株，以提高L哥L酸产率及发酵强度为主要目标，研究米根霉半连续高强度发酵产L．乳酸的关键技术。通过优化摇瓶发酵条件，进行米根霉菌丝球半连续发酵生产L．乳酸和罐发酵试验，建立其动力学模型，分析发酵中菌丝球的生长过程，并采用计算流体动力学(CFD)模拟技术对其发酵条件进行模拟优化。主要研究结论如下：(1)通过对种子培养条件及半连续发酵条件的优化，获得摇瓶中米根霉菌丝球半连续高强度发酵生产L．乳酸的控制模式：首批发酵中250mL三角瓶装50mL培养基，接种量

3、10％，种子液32℃培养24h，摇床转速200r／min，发酵前期(0--36h)温度为28～30℃，发酵后期(36～72h)温度为32～34℃：重复批次发酵中每批发酵24h。该发酵条件下，半连续稳定发酵30批，首批发酵菌丝球直径稳定控制为0．8～1．0mm，其产酸能力较高，发酵强度为1．58趴L·”，重复批次发酵强度2．67~3．00g／(L．h)。(2)研究3L发酵罐中发酵温度、搅拌转速及通气量对米根霉首批发酵产L．乳酸的影响，建立了米根霉菌丝球高强度发酵产L．乳酸的控制模式：发酵0-30h温

4、度32~34℃、搅拌转速400r／min、通气量1．5L／(L·min)，30-60h温度34---36℃、搅拌转速300r／rain、通气量O．5L／(L·min)；该条件下，菌丝球直径稳定控制为O．9~1．2咖，其产酸能力较高，发酵强度为2。51g／(L·h)。对重复批次发酵中葡萄糖质量浓度、温度、搅拌转速及通气量对发酵强度的影响进行研究，得到3L发酵罐中重复批次发酵生产L哥L酸的控制模式：补料培养基中葡萄糖质量浓度100g／L，温度34～36℃、搅拌转速300r／min、通气量0．5L／(L

5、·min)，半连续发酵5批，每批发酵周期为20h，发酵强度大于3．80g／(L．h)。(3)补料培养基中N源及无机盐质量浓度对半连续发酵过程影响的研究表明，N源和无机盐是半连续发酵稳定进行不可缺少的因素；生物量在一定范围内增加，不能提高其发酵强度，在半连续发酵中间歇取出部分菌体保持DCW为t0g／L左右，可以维持高强度发酵。采用以上优化发酵条件，7L发酵罐中米根霉半连续发酵生产L．乳酸25批，首批发酵强度为2．47烈L．h)，第2-20批发酵强度3．40~3．85趴L·h)，实现了米根霉半连续高强

6、度稳定发酵生产L．乳酸。(4)对米根霉半连续发酵产L．乳酸菌体生长、产物生成及底物消耗的动力学进行研究，发现重复批次发酵中每批产物生成及底物消耗曲线接近于直线。选择Logistic及Luedeking-Piret方程作为米根霉发酵产L．乳酸的动力学方程，运用Matlab软件将试验数据进行拟合，对方程中关键参数求解，建立米根霉半连续发酵动力学模型，并对模型进行验证。其中首批发酵动力学模型中Xm为7．6164g／L、‰为O。1802h．1、伐为3．2631、毋为0．5980、P为1．9875、q为1．

7、0232；重复批次发酵过程中，对初始菌体量及L．乳酸产量采用“零处理”方法，进行动力学方程求解，其中第2批发酵动力学模型中X。为8．246g／L、P-m为0．0087h-1、a为0．9610、B为0．4929、P为3．2438、q为j．0326，6为98．63％；半连续发酵第2批到第10批，每批的生物量逐渐增加，菌体最大比生长速率逐渐减小，菌体重复利用效率逐渐降低但仍大于90％，最大比产物合成速率逐渐减小。验证试验表明建立的动力学模型能够很好的描述发酵过程(贬o．98)。(5)对摇瓶及发酵罐中菌体

8、生长过程进行分析，菌丝球的形成过程为：孢子萌发成菌丝，菌丝凝聚在一起形成菌丝元，菌丝元生成具有致密菌核的菌丝球；发酵后期菌丝球内部逐渐形成中空核，且该中空核及菌丝球直径越来越大；重复利用多次的菌丝球逐渐破裂成菌片，菌片表面菌丝生长，大部分形成具有菌毛层的菌片，极少部分形成游离菌丝；菌片中心菌丝自溶衰亡形成具有中空核的菌囊；随着发酵的进行，菌囊由于其内部菌丝衰亡及流体剪切作用破碎成菌片。半连续发酵液中规则菌丝球、菌片、菌囊3种不同形态的菌丝球相互转变，其中规则菌丝球百分比逐渐降低，菌