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玉米芯半纤维素水解液发酵生产木糖醇的研究

作　者: 黄炜
导　师: 夏黎明
学　校: 浙江大学
专　业: 生物化工
关键词: 玉米芯半纤维素水解液木糖醇发酵固定化细胞三相流化床生物反应器
分类号: TS245
类　型: 硕士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

本文对木糖醇的性质、应用、发酵工艺、半纤维素水解液的制备、细胞固定化方法、生物反应器等内容进行了比较全面的综述与分析。在此基础上确定了课题的主要研究内容，通过比较深入的研究工作，取得的研究结果包括：（一）采用驯化过的假丝酵母（Candida sp.）直接发酵经过简单脱毒处理的玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇。确定了水解液的最适浓缩倍数在3.0～3.7的范围内。利用正交实验，确定了摇瓶分批发酵工艺条件的最适组合为：摇床转速180r／min，起始C／N为50，起始pH 5.5，接种量5％（体积比）。在此基础上，重点研究了在发酵罐中通气量对酵母发酵玉米芯水解液生产木糖醇的影响。结果表明采用先高后低的分段通气发酵在木糖醇得率方面明显优于恒定通气发酵；其中，在0h～24h，3.75L／min；24h～108h，1.25L／min的分段通气条件下（装液量为2.5L），木糖醇得率（木糖醇g／木糖g）达到0.75g／g。（二）以木糖为底物发酵生产木糖醇，考察了葡萄糖、阿拉伯糖、果糖等半纤维素糖类对木糖醇发酵动力学行为的影响，并确定了适宜起始木糖浓度为100g／L。当发酵液中乙酸与糠醛的浓度分别超过1g／L后，抑制作用逐渐增强，通过调节半纤维素水解液的pH值至6.0，可有效改善乙酸对菌体的毒害作用。适量的K⁺，Mg²⁺，Na⁺等微量元素或H₂PO₄^-离子对酵母具有较强的代谢调控作用，其中以Mg²⁺影响最为显著。无机盐浓度范围在0g／L～4g／L内有利于木糖醇发酵。以合成培养基为底物发酵木糖醇，与半纤维素水解液的发酵结果相比，两者的动力学曲线较为符合，为进一步研究木糖醇发酵动力学提供了实验依据。（三）固定在海藻酸钙凝胶中的热带假丝酵母（Candida tropicalis）细胞，可有效地利用玉米芯半纤维素水解液产木糖醇。在摇瓶条件下，采用分批发酵方式，确立了适宜的发酵工艺参数为：32℃，氮源含量2.2g／L酵母粉、3.7g／L胰蛋白胨，发酵液初始pH值6.0，分段改变摇床转速，其中0～24h，210r／min；24～72h，140r／min，固定化细胞凝胶珠与玉米芯半纤维素水解液体积比为1:4。利用固定化细胞重复进行10批次共30d发酵，木糖醇得率平均为73.7％，达到了理论值的80％。固定化细胞密度高、抗逆性强、发酵性能稳定，水解液未经脱色与离子交换便可转化成木糖醇，浙江大学硕士论文摘要显示了良好的应用前景。（四）固定化细胞在三相流化床内进行分批发酵，适宜的工艺条件为:32℃，固定化细胞装填比例1:4.8，分段通气:0²4h，2.0^;24⁸0h，0.7^。玉米芯半纤维素水解液未经脱色与离子交换便可直接转化成木糖醇。利用固定化细胞重复进行6批发酵，木糖醇得率平均为63.5%。固定化细胞抗逆性强、生理活性稳定;三相流化床生物反应器动力消耗少、流化状态稳定均匀。通过本文的研究工作，基本取定了采用酵母细胞生物转化半纤维素水解液生产木糖醇的发酵工艺，为建立一种高效的、大规模的生产工艺奠定基础，并为进一步研究木糖醇发酵动力学提供实验依据。\

全文目录

目录  3-6
摘要  6-8
ABSTRACT  8-11
第一章文献综述  11-35
  1.1 引言  11-12
  1.2 木糖醇的性质及其用途  12-17
    1.2.1 木糖醇的性质  12-15
    1.2.2 木糖醇的用途  15-17
  1.3 木糖醇的制备  17-33
    1.3.1 木糖在酵母中的代谢及木糖醇的理论得率  19-20
    1.3.2 影响酵母发酵木糖生产木糖醇的因素  20-23
    1.3.3 植物半纤维素酸水解液发酵制备木糖醇的研究  23-29
    1.3.4 固定化酵母细胞发酵生产木糖醇的研究  29-33
  1.4 总结与展望  33-35
第二章假丝酵母细胞发酵玉米芯半纤维素水解液生产木糖醇  35-48
  引言  35-36
  2.1 材料与方法  36-41
    2.1.1 玉米芯半纤维素水解液的制备  36
    2.1.2 菌种  36
    2.1.3 培养基  36-37
    2.1.4 玉米芯半纤维素水解液的发酵  37
    2.1.5 试剂  37-38
    2.1.6 检测方法  38-40
    2.1.7 实验设备  40-41
  2.2 结果与讨论  41-47
    2.2.1 种子龄对发酵的影响  41-42
    2.2.2 玉米芯水解液的浓缩倍数对发酵的影响  42-43
    2.2.3 摇瓶中发酵条件的优化  43-45
    2.2.4 发酵罐中通气量对酵母发酵生产木糖醇的影响  45-47
  2.3 结论  47-48
第三章半纤维素水解液中单糖与抑制物对木糖醇发酵的影响  48-57
  引言  48
  3.1 材料与方法  48-49
    3.1.1 玉米芯半纤维素水解液的制备  48
    3.1.2 菌种和培养条件  48-49
    3.1.3 菌种培养与发酵条件  49
    3.1.4 分析方法  49
  3.2 结果与讨论  49-56
    3.2.1 玉米芯半纤维素水解液单糖成分的HPLC分析  49-50
    3.2.2 半纤维素糖类对发酵生产木糖醇的影响  50-52
    3.2.3 半纤维素水解液中抑制物质对发酵的影响  52-54
    3.2.4 离子对发酵的影响  54-55
    3.2.5 合成培养基与半纤维素水解液发酵生产木糖醇的比较  55-56
  3.3 结论  56-57
第四章固定化细胞发酵半纤维素水解液生产木糖醇  57-66
  引言  57
  4.1 材料与方法  57-59
    4.1.1 玉米芯半纤维素水解液的制备  57
    4.1.2 菌种和培养条件  57-58
    4.1.3 固定化细胞的制备  58
    4.1.4 固定化细胞发酵条件  58-59
    4.1.5 分析方法  59
  4.2 结果与讨论  59-64
    4.2.1 摇床转速的影响  59-60
    4.2.2 温度的影响  60
    4.2.3 氮源浓度的影响  60-61
    4.2.4 固定化细胞凝胶珠与玉米芯半纤维素水解液体积比的影响  61-62
    4.2.5 水解液初始pH值的影响  62-63
    4.2.6 固定化细胞与游离细胞发酵进程的比较  63-64
    4.2.7 固定化酵母细胞发酵玉米芯水解液产木糖醇的重复分批实验  64
  4.3 结论  64-66
第五章固定化细胞在三相流化床中发酵生产木糖醇  66-74
  引言  66
  5.1 材料与方法  66-68
    5.1.1 玉米芯半纤维素水解液的制备  66
    5.1.2 菌种和培养条件  66
    5.1.3 固定化细胞的制备  66
    5.1.4 实验设备与装置  66-67
    5.1.5 固定化细胞发酵  67
    5.1.6 分析方法  67
    5.1.7 扫描电镜摄影  67-68
  5.2 结果与讨论  68-72
    5.2.1 通气量对三相流化床反应器生产木糖醇的影响  68-69
    5.2.2 玉米芯水解液起始木糖浓度对固定化细胞发酵的影响  69-70
    5.2.3 固定化细胞装填比例对发酵的影响  70-71
    5.2.4 重复利用固定化细胞分批间歇发酵半纤维素水解液生产木糖醇  71-72
  5.3 结论  72-74
第六章结论与建议  74-76
  6.1 结论  74-75
  6.2 建议  75-76
参考文献  76-81
致谢  81-82
附录  82

玉米芯半纤维素水解液发酵生产木糖醇的研究

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