缓冲体系对丙酮丁醇梭菌发酵生产丁醇的影响

摘要

在当今社会石油资源日渐枯竭，环境污染日益严重的情况下，生物发酵生产丁醇得到社会越来越多的关注。然而，传统的发酵方式具有丁醇产量低、发酵物料来源有限等诸多不足，因此，采取代谢调控手段提高丁醇产量、寻找来源广泛且价格低廉的发酵物料等对丁醇发酵工业的发展具有重大意义。
　　据大量文献报道，ABE发酵培养基中pH、金属离子以及有机酸对丁醇的产量影响显著，本研究构建的含有CaCO3、MnCO3及丁酸（分子态+离子态）的新型缓冲体系，能够在调节发酵过程pH的同时为发酵培养基提供适量必需金属离子Ca2+、Mn2+以及适量的丁酸（分子态+离子态），结果表明，在优化缓冲体系作用下，丁醇的产量显著提高。
　　本研究首先对几种单一的缓冲剂或缓冲液进行单因素实验，筛选出MnCO3、CaCO3和丁酸（分子态+离子态）作为优化对象。而后以混合糖为底物进行摇瓶发酵，在发酵结果的基础上进行三因素三水平的响应面优化，优化出三种因素的最适添加量分别为MnCO30.41 g/L、CaCO38.09 g/L以及丁酸（分子态+离子态）5.20 g/L，并通过对二次方程模型求导得到该添加量下丁醇的理论产量为10.89 g/L，通过实验验证丁醇的产量为10.87g/L，误差为0.18％。
　　进一步实验，将优化的缓冲体系添加到以混合糖为底物的发酵培养基中进行发酵罐发酵（批次发酵），研究该缓冲体系对以混合糖为底物进行ABE发酵过程的pH、溶剂、有机酸代谢及糖底物消耗等的影响，结果表明优化缓冲体系能够显著调节ABE发酵的pH，发酵结束时pH为5.1，且整个发酵过程pH始终处于菌体发酵最适pH（5.5左右）范围之内;丁醇的产量由空白对照组的4.46 g/L提高至10.52 g/L，提高了135.87％，转化率为0.25 g/g;平均生产强度为0.15 g/(L· h);有机酸的代谢及糖底物的利用率均有所提高。
　　最后，本研究将优化的缓冲体系应用到以菊芋块茎水解液为底物的ABE批次发酵中，结果表明，在优化缓冲体系作用下，丁醇及总溶剂的产量分别为11.21 g/L和16.55g/L，较空白对照组的5.72 g/L和8.58 g/L提高96.00％和92.90％，丁醇的转化率及平均生产强度分别为0.20 g/g和0.12 g/(L·h)，较空白对照组的0.13 g/g及0.07 g/(L·h)分别提高53.80％和71.40％，表明该优化缓冲体系对以菊芋块茎水解液的发酵作用效果显著。

目录

声明

摘要

引言

1 文献综述

1．1 丁醇的性质及工业化应用

1．2 丁醇的工业生产方法及工业发酵历史

1．3 工业发酵生产丁醇

1．3．1 丁醇的工业发酵菌株

1．3．2 丁醇的工业发酵产物的产量和转化率

1．3．3 丁醇的工业发酵产物的分离

1．4 丙酮丁醇发酵代谢途径及与代谢途径相关的酶

1．4．1 产酸代谢途径及关键酶

1．4．2 产溶剂代谢途径及关键酶

1．4．3 产酸期向产溶剂期的转变

1．5 缓冲体系对丙酮丁醇梭菌发酵的影响

1．5．1 缓冲体系的缓冲作用对丙酮丁醇梭菌发酵的影响

1．5．2 缓冲体系中的金属离子对丙酮丁醇梭菌发酵的影响

1．5．3 缓冲体系中的有机酸对丙酮丁醇梭菌发酵的影响

1．6 利用菊芋物料进行丙酮丁醇发酵生产丁醇

1．7 课题目的和意义

2 利用响应面分析法优化ABE发酵培养基的缓冲体系组成

2．1 引言

2．2 实验材料

2．2．1 菌株

2．2．2 主要实验仪器

2．2．3 主要实验试剂

2．3 实验方法

2．3．1 培养基组成

2．3．2 培养方法

2．3．3 分析与测定方法

2．4 结果与讨论

2．4．1 以单一果糖为底物的单因素实验

2．4．2 以果糖与葡萄糖混合糖为底物的单因素实验

2．4．3 响应面优化因素水平选取

2．4．4 响应面优化结果

2．4．5 响应面优化方差分析

2．4．6 响应面三维曲线分析

2．4．7 验证实验

2．5 本章小结

3 优化缓冲体系对混合糖ABE发酵过程影响的动力学研究

3．1 引言

3．2 实验材料

3．2．1 菌株

3．2．2 主要实验仪器

3．2．3 主要实验试剂

3．3 实验方法

3．3．1 培养基配制

3．3．2 培养方法

3．3．3 分析与测定方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 优化缓冲体系促进底物消耗和菌体生长的动力学研究

3．4．2 利用动力学分析研究优化缓冲体系对溶剂生成的影响

3．4．3 优化缓冲体系对pH及有机酸代谢调控作用的动力学分析

3．5 本章小结

4 优化缓冲体系在菊芋块茎水解液ABE发酵过程的应用

4．1 引言

4．2 实验材料

4．2．1 菌株

4．2．2 主要实验仪器

4．2．3 主要实验试剂

4．3 实验方法

4．3．1 培养基组成

4．3．2 菊芋块茎预处理

4．3．3 培养方法

4．3．4 分析与测定方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 优化缓冲体系对菊芋块茎水解液发酵糖耗和菌体生长的影晌

4．4．2 优化缓冲体系对菊芋块茎水解液发酵溶剂生成的影响

4．4．3 优化缓冲体系对菊芋块茎水解液发酵有机酸代谢及pH的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况

致谢