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发酵法产1，3-丙二醇的应用基础研究

作　者: 李武岳
导　师: 夏黎明
学　校: 浙江大学
专　业: 生物化工
关键词: 1,3-丙二醇 甘油 发酵 分批补料工艺 固定化细胞
分类号: TQ223.162
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


1,3-丙二醇是一种重要的化工原料,它具有多种用途,可作为润滑剂、抗冻剂、溶剂、粘合剂和保护剂等,在化妆品、纺织、食品和医药等领域都有广阔的应用。1,3-丙二醇可作为杂环中间体,并且可以作为单体合成多种聚酯,聚氨酯等聚合物。发酵生产1,3-丙二醇的底物一般为甘油,最近几年,甘油的产量随生物柴油产业的发展而增加,其价格有所下降,为发酵法生产1,3-丙二醇降低了成本,加快了这种方法的商业化进程。本文对发酵法生产1,3-丙二醇的基础工艺条件进行了优化。菌种培养选用酵母粉与（NH4）2SO4混合的复合氮源,适宜的碳氮比为5。发酵培养基中选用玉米浆作为有机氮源,添加8g/L的葡萄糖能够提高1,3-丙二醇得率。发酵副产物对1,3-丙二醇的生成有一定的影响,少量的乙酸能够促进1,3-丙二醇的形成,乙酸浓度为0.6g/L时,促进效果最明显,而增加到1g/L则起到抑制作用。乙醇浓度为2g/L时也有一定的促进作用,而大于4 g/L就会对1,3-丙二醇的生成产生抑制。摇瓶条件下单批发酵96 h,1,3-丙二醇浓度可达9.65g/L,甘油利用率为87.2%,1,3-丙二醇得率为67.0%。在3.7L自控式发酵罐中批式发酵生产1,3-丙二醇,适宜的工艺参数为:通气量0.2 vvm,搅拌速率300 rpm,发酵96 h,1,3-丙二醇的浓度为8.12 g/L,甘油利用率和1,3-丙二醇得率分别为79.2%和62.1%。补料分批发酵研究结果表明:甘油、玉米浆和葡萄糖作混合补料的发酵条件效果最好。发酵48 h后每12 h添加2g/L甘油,1.6 g/L葡萄糖,1.2g/L玉米浆（终浓度）,到240 h 1,3-丙二醇浓度达26.97 g/L,甘油利用率为82.8%,1,3-丙二醇得率为62.6%。双阶段补料发酵在144 h之前的操作同前,144 h后,每隔12 h添加的补料浓度增加一倍,发酵360 h,1,3-丙二醇浓度为58.78g/L,甘油总利用率和1,3-丙二醇得率分别为:88.2%和67.2%。采用海藻酸钠包埋法固定化克雷伯氏菌（Klebsiella pneumoniae）,对固定化细胞发酵生产1,3-丙二醇的工艺进行了研究,确立了适宜的工艺参数为:固定化凝胶珠用量15%（V/V）,温度37℃,pH 6.7,初始甘油浓度40g/L。固定化细胞发酵生产1,3-丙二醇的发酵周期为72 h,与游离细胞相比缩短了24 h。利用固定化细胞重复分批发酵生产1,3-丙二醇,6批发酵平均甘油利用率可达92.5%,1,3-丙二醇浓度为15.6g/L。固定化细胞稳定性较好,可以重复利用,有利于连续发酵及自动化控制。甘油是生物柴油发酵生产过程中的副产物,利用甘油发酵生产1,3-丙二醇具有良好的经济效益和社会效益。本论文的研究结果为进一步实现1,3-丙二醇的规模化生产奠定了基础。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
1 绪论  12-31
  1.1 1,3-丙二醇的应用  13-14
  1.2 微生物法生产1,3-丙二醇  14-16
    1.2.1 生产1,3-丙二醇的菌种  14-15
    1.2.2 1,3-丙二醇生产所用的酶  15-16
  1.3 1,3-丙二醇的生产工艺  16-26
    1.3.1 转化甘油生成1,3-丙二醇  17-18
    1.3.2 两步发酵工艺  18-19
    1.3.3 共底物发酵工艺  19-20
    1.3.4 发酵动力学模型  20-21
    1.3.5 微氧发酵工艺  21
    1.3.6 耐受菌株发酵  21-22
    1.3.7 代谢工程的应用  22-25
    1.3.8 固定化细胞发酵工艺  25-26
  1.4 1,3-丙二醇的分离方法  26-29
    1.4.1 反应萃取法  26-27
    1.4.2 液液萃取法  27
    1.4.3 蒸发蒸馏法  27-28
    1.4.4 色谱层析法  28
    1.4.5 其它方法  28-29
  1.5 前景与展望  29-31
2 发酵法产1,3-丙二醇的基础研究  31-44
  2.1 材料与方法  31-34
    2.1.1 菌种  31
    2.1.2 培养基  31-32
    2.1.3 实验方法  32
    2.1.4 分析方法  32-34
  2.2 结果与讨论  34-42
    2.2.1 种培的优化  34-37
    2.2.2 发酵条件的优化  37-39
    2.2.3 副产物对发酵的影响  39-41
    2.2.4 发酵法产1,3-丙二醇的时间进程  41-42
  2.3 小结  42-44
3 发酵罐放大试验  44-53
  3.1 材料与方法  44-45
    3.1.1 菌种  44
    3.1.2 培养基  44
    3.1.3 实验方法  44-45
    3.1.4 分析方法  45
  3.2 结果与讨论  45-51
    3.2.1 酵母粉做有机氮源的发酵  45-47
    3.2.2 玉米浆做有机氮源的发酵  47-49
    3.2.3 通气量对发酵罐发酵的影响  49-50
    3.2.4 搅拌速率对发酵罐发酵的影响  50-51
    3.2.5 发酵罐产1,3-丙二醇的时间进程  51
  3.3 小结  51-53
4 批式补料(fed-batch process)发酵生产1,3-丙二醇  53-64
  4.1 材料与方法  53-54
    4.1.1 菌种  53
    4.1.2 培养基  53-54
    4.1.3 实验方法  54
    4.1.4 分析方法  54
  4.2 结果与讨论  54-62
    4.2.1 补料培养基成分不同对发酵的影响  54-58
    4.2.2 补料培养基添加量对发酵的影响  58-61
    4.2.3 分段补料策略的探索  61-62
  4.3 小结  62-64
5 固定化细胞发酵生产1,3-丙二醇  64-73
  5.1 材料与方法  64-66
    5.1.1 菌种  64
    5.1.2 培养基  64-65
    5.1.3 菌体固定化  65
    5.1.4 发酵实验  65-66
    5.1.5 分析方法  66
  5.2 结果与讨论  66-71
    5.2.1 固定化凝胶珠用量对发酵的影响  66-67
    5.2.2 温度对固定化细胞发酵的影响  67-68
    5.2.3 初始甘油浓度  68-69
    5.2.4 pH对固定化细胞发酵的影响  69-70
    5.2.5 固定化细胞与游离细胞发酵进程的比较  70-71
    5.2.6 重复分批发酵试验  71
  5.3 小结  71-73
6 结论与建议  73-76
  6.1 结论  73-74
  6.2 建议  74-76
参考文献  76-85
作者简历  85

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