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生物絮凝剂混菌发酵条件优化及动力学分析

作　者: 王雪
导　师: 杨基先；马放
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 生物絮凝剂发酵条件优化分批补料发酵发酵动力学
分类号: TQ920.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

随着人类对环境问题的逐渐重视,开发安全无毒、絮凝活性高、无二次污染的生物絮凝剂,对人类的健康和环境保护都有很重要的现实意义。尤其在絮凝剂广泛应用的今天,尽快实现生物絮凝剂的工业化生产是当今絮凝剂研究中亟待解决的问题。然而,目前对生物絮凝剂的研究大多停留在菌株的筛选、培养基选择、絮凝机理等方面,对絮凝剂的发酵生产的研究甚少,在很大程度上限制了生物絮凝剂的生产和应用。因此,有必要对生物絮凝剂发酵条件和发酵方式进行研究,为进一步实现工业化生产奠定基础。本实验以菌体生长量、絮凝剂产量、絮凝率和残糖等为指标,考察摇瓶发酵絮凝剂时种子液培养时间、菌液发酵时间、发酵温度、pH和溶解氧,寻求最佳发酵环境条件并提出pH和溶解氧的控制方法,从而确定发酵过程前期菌体生长及中、后期絮凝剂产生所必须的最适发酵条件。在优化发酵条件的基础上,研究分批补料的方法,使高产菌株在最佳发酵过程中充分表现其高产性能。最后,对絮凝剂产生菌发酵动力学进行研究,将复杂的发酵过程以数学公式简洁定量的表达出来,易于更深刻地了解微生物复杂代谢的本质,为微生物发酵过程在线控制提供重要参数。结果表明,混合发酵条件下,菌株F2和F6的混菌(简称F+)产絮能力可保持高效和稳定,其最佳发酵条件为:种子液种龄18h,培养基初始pH值7.5、培养温度32℃、摇床转速150r/min,装瓶量250ml(500ml三角瓶),发酵时间24h,最佳絮凝率可达为97.6%。发酵过程中pH呈现先上升,再下降,最后稍有上升的趋势。溶解氧在发酵后出现明显下降,且一直保持很低的水平。分析了其变化的原因,并提出了pH和溶解氧的调控策略。确定了碳源补料的最佳参数:初始葡萄糖浓度为10g/L,补料种类为葡萄糖,最佳补料时间为发酵15h时,补料浓度为0.1%(即:每100mL发酵液中补加0.1g葡萄糖),补料方式一次性投加。系统中不缺乏氮源,氮源无需补料。对比了分批发酵和分批补料发酵两种发酵方式。经过补料,发酵24h后,生物量、絮凝剂产量、糖利用率、絮凝剂得率均有一定程度增加,补料效果明显。研究了生物絮凝剂的分批发酵过程。基于分批发酵实验数据,建立了生物絮凝剂分批发酵的菌体生长动力学方程、产物生成动力学方程和底物消耗动力学方程,采用Origin数值应用软件对构建的发酵动力学模型进行非线性拟合,并得到了较为理想的拟合结果。动力学参数表明,发酵过程中,菌体的生长速率和絮凝剂的产生速率均呈现先升高后降低的趋势;菌体的比生长速率逐渐降低,产物的比合成速率先增加后降低。菌体对底物的得率在发酵过程的前期要大于发酵过程的后期,絮凝剂对底物的得率在发酵的后期要大于前期。前期增加底物的浓度有助于菌体的生长,而后期增加底物的浓度,可以提高产物的产量,有助于产物的合成。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-26
  1.1 课题背景  11-12
  1.2 生物絮凝剂研究现状  12-19
    1.2.1 生物絮凝剂产生菌  13-14
    1.2.2 生物絮凝剂的种类  14-15
    1.2.3 生物絮凝剂的絮凝机理  15-16
    1.2.4 生物絮凝剂的应用  16-17
    1.2.5 存在问题和发展趋势  17-19
  1.3 生物絮凝剂发酵控制及发酵动力学研究现状  19-23
    1.3.1 生物絮凝剂发酵方式  19
    1.3.2 生物絮凝剂发酵控制因素  19-22
    1.3.3 生物絮凝剂发酵动力学研究现状  22-23
  1.4 课题研究的目的、意义及研究内容  23-26
    1.4.1 课题来源  23
    1.4.2 课题研究的目的及意义  23-25
    1.4.3 课题研究的主要内容  25-26
第2章实验材料、仪器和方法  26-32
  2.1 实验材料  26
    2.1.1 菌种来源  26
    2.1.2 培养基  26
  2.2 实验常用仪器  26-27
  2.3 试验方法  27-29
    2.3.1 种子液培养方法  27-28
    2.3.2 摇瓶分批发酵方法  28
    2.3.3 摇瓶分批补料发酵方法  28
    2.3.4 絮凝活性成分粗提  28
    2.3.5 产絮菌生长曲线测定  28
    2.3.6 絮凝剂产生曲线测定  28-29
    2.3.7 发酵液残糖变化的测定  29
  2.4 分析方法  29-32
    2.4.1 菌体浊度  29
    2.4.2 菌体干重  29
    2.4.3 絮凝效果与絮凝率  29-30
    2.4.4 葡萄糖  30
    2.4.5 总氮  30
    2.4.6 总磷  30-31
    2.4.7 pH  31
    2.4.8 溶解氧  31-32
第3章生物絮凝剂分批发酵条件优化与控制  32-46
  3.1 最佳种龄的确定  32-34
  3.2 絮凝剂发酵时间  34
  3.3 发酵温度  34-36
  3.4 pH 对絮凝剂发酵的影响及控制方案  36-40
    3.4.1 初始pH 的确定  36-37
    3.4.2 发酵过程中pH 的变化与原因分析  37-40
    3.4.3 pH 控制方案探讨  40
  3.5 溶解氧对絮凝剂发酵的影响及控制方案  40-42
    3.5.1 发酵过程中溶解氧的变化与原因分析  41-42
    3.5.2 溶解氧控制方案探讨  42
  3.6 摇床转速  42-44
  3.7 装液量  44
  3.8 本章小结  44-46
第4章生物絮凝剂摇瓶分批补料发酵研究  46-61
  4.1 分批发酵培养过程分析  46-48
  4.2 碳源补料研究  48-57
    4.2.1 初始碳源浓度对絮凝剂生产的影响  48-49
    4.2.2 碳源补料种类的选择  49-51
    4.2.3 碳源补料时间的选择  51-54
    4.2.4 碳源补料浓度的选择  54-56
    4.2.5 碳源补料方式的选择  56-57
  4.3 氮源补料研究  57-58
    4.3.1 氮源补料种类的选择  57
    4.3.2 氮源浓度的选择  57-58
  4.4 分批补料发酵与分批发酵效果对比  58-59
  4.5 本章小结  59-61
第5章生物絮凝剂分批发酵动力学分析  61-75
  5.1 动力学模型的选择  61-65
    5.1.1 菌体生长动力学模型  61-62
    5.1.2 产物形成动力学模型  62-64
    5.1.3 底物消耗动力学模型  64-65
  5.2 动力学方程的求解与分析  65-73
    5.2.1 菌体生长动力学  65-67
    5.2.2 产物合成动力学  67-69
    5.2.3 底物消耗动力学  69-72
    5.2.4 动力学参数分析  72-73
  5.3 本章小结  73-75
结论  75-77
参考文献  77-82
攻读学位期间发表的学术论文及其他成果  82-84
致谢  84

生物絮凝剂混菌发酵条件优化及动力学分析

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