论文部分内容阅读
细菌纤维素(BC)是一类由微生物产生的天然高纯葡聚糖,以其优异的理化性能,广泛适用于各行各业,具有广阔的应用前景。针对目前动态法制备BC的产量不高、不稳定的问题,结合目前发酵工业应用最普遍的机械搅拌式发酵罐,本课题探索研究了发酵罐搅拌装置对BC发酵的影响,全而探讨了共10种搅拌桨叶以及相应搅拌转速参数的效果,以求筛选出适合BC发酵的适宜浆叶类型和转速参数；并在此基础上用玉米浆和木薯两种廉价原料发酵生产BC,为细菌纤维素的工业化生产和推广应用奠定基础。本文首先研究了不同类型搅拌桨对BC发酵生产的影响。在7个单桨中,六箭叶式、四斜叶(大)式、框式,以及双螺带式比较适合BC的发酵生产,未控制pH时产量分别达到了2.7g/L,3.6g/L,3.7g/L和4.5g/L。以六箭叶桨和四斜叶(大)桨为例,研究了pH值对BC发酵合成的影响。控制pH为5后的BC产量达到了5.1g/L和5.9g/L,比不控pH值时分别提高了80%和60%。然后对六箭叶桨和四斜叶(大)桨进行了3种双层桨叶组合,结果表明双层四斜叶(大)组合桨最适合BC的发酵,产量达到10.3g/L,比使用单桨时的产量提高了75%。此外,对所有搅拌桨进行的溶氧能力测试也发现尺寸较大的桨叶及双层组合桨混和溶氧有优势,尤其是在高粘度液体中,以及转速较低的情况下。接着,对搅拌转速做了调控,发现转速按梯度由低到高逐渐增加有利于提高BC发酵产量。对于六箭叶式、四斜叶(大)式这一类小桨叶而言,转速应分阶段设定为：发酵24h内为200rpm,24-96h为300rpm,96h之后为400rpm；此条件下BC产量比未转速未改变(300rpm)时增加了21.7%和10.1%。对于框式、双螺带式这一类大桨叶,以及双层六箭叶、双层四斜叶(大)和四斜叶(大)+六箭叶这一类组合桨而言,转速应设定为：发酵24h内为100rpm,24～96h为150rpm,96h之后200rpm；此条件下BC产量比之前增加了58.8%,4.7%,6.1%,5.5%,5.7%。其中双层四斜叶(大)组合桨的产量最高,达到10.8g/L,框式次之,为9.7g/L。通过对发酵过程中纤维素量和菌浓的检测发现BC的合成和菌体细胞的生长是同步偶联的,并且菌体的生长历程要稍早于纤维素的合成。且发现转速步控使得菌体生长的延迟期缩短,对数期提前而且增殖速度加快,最高菌浓得到一定提升,与转速未控制时相比,生长曲线未出现明显的衰亡期。最后,在双层四斜叶(大)搅拌桨和转速步控参数基础上,用玉米浆和木薯水解液作发酵原料进行了上罐发酵实验。实验证明玉米浆是廉价优质的氮源,BC的发酵产量达到了9.2g/L。虽没有蛋白胨和酵母粉作氮源的产量高(10.8g/L),但从经济角度来看,用玉米浆做氮源的价格只是它们的15%左右。而木薯水解液是非常高效的碳源,发酵BC产量高达11.7g/L,比葡萄糖做碳源发酵产量高8%。用玉米浆搭配木薯水解液发酵BC的产量也高达10.1g/L,成本低廉,有广阔的应用前景。