玉米秸秆水解液发酵产琥珀酸研究

【摘要】：随着能源危机和粮食安全问题的日益突出,利用纤维水解液为原料发酵生产琥珀酸以其低的能耗、高环保性和原料的可持续利用性等优势逐渐成为研究的热点。目前,以纤维水解液为原料发酵产琥珀酸的研究还较少,尤其是在发酵条件的优化方面。基于此,本试验对玉米秸秆水解液发酵产琥珀酸的条件进行研究,并结合响应面法,提高了琥珀酸的发酵产量。在一定程度上填补了以纤维水解液为原料发酵产琥珀酸在发酵条件优化方面的空白,也为实现纤维水解液为原料发酵生产琥珀酸的产业化提供一定的参考条件和技术支撑。通过对比三种不同的兼性厌氧菌,得出在三种兼性厌氧菌中,产琥珀酸放线杆菌(A.succinogenes ATCC 55618)的发酵效果最好,以水解糖浓度为40.18 g/L的玉米秸秆水解液为原料发酵产琥珀酸最高产量可达7.86 g/L,且菌体生长效果最好,琥珀酸转化率和琥珀酸的生成速率也最高,具备一定的产业化发酵的潜力,适合做进一步的研究和应用。进一步对产琥珀酸放线杆菌进行发酵培养条件优化过程中,得出以水解糖浓度为39.99 g/L的玉米秸秆水解液为原料,在发酵产琥珀酸过程中,当发酵培养基的装液量为300 ml的厌氧甁装90 ml发酵培养基时,琥珀酸的产量为最高8.5 g/L;当琥珀酸发酵的培养温度为37℃时,菌体OD660最高,琥珀酸产量也达到最高8.42 g/L;当培养基的初始pH为6.8时,琥珀酸的产量最高,为8.75g/L,且菌体生长较好;当产琥珀酸放线杆菌发酵接种量为11%时,琥珀酸产量达到最高13.37 g/L,OD660也相对较高。在最佳发酵培养条件的基础上,利用响应面法来优化产琥珀酸放线杆菌发酵培养基中水解糖质量浓度、玉米浆质量浓度和Na2CO3的添加量三个主要因素。经过回归方差分析和回归模型分析后,最优条件为:水解糖60 g/L,玉米浆10 g/L,Na2CO3(浓度为10 mol/L)添加量为2 ml,预测值为19.6134 g/L。通过拟合试验的验证,琥珀酸的发酵产量为18.32 g/L。验证值与响应面模型优化值基本一致,说明优化模型的可靠性较好。最后,利用最优的发酵培养和营养条件,以水解糖浓度为59.66 g/L的玉米秸秆水解液为原料,利用产琥珀酸放线杆菌在1000 ml厌氧甁中分批发酵产琥珀酸,最终发酵最高产量为19.66 g/L,琥珀酸转化率为32.95%,获得了较高的琥珀酸浓度,提高了产琥珀酸放线杆菌(A.succinogenes ATCC55618)的发酵产量,从最初的13.37 g/L提高到了目前的19.66 g/L。本研究的主要优势在于采用可持续利用的原料,并采用廉价的工业氮源,若能实现其产业化发酵生产琥珀酸,将会有效减少琥珀酸发酵过程对淀粉原料的依赖,并降低了原料成本。这不仅摆脱了对化石资源的依赖,更开辟了温室气体CO2利用的新途径,使琥珀酸成为未来最重要的生物基化工产品之一。 【关键词】：纤维水解液 兼性厌氧 产琥珀酸放线杆菌 琥珀酸 条件优化 响应面
【学位授予单位】：河南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ920.6;S216.2
【目录】：

• ABSTRACT7-9
• 摘要9-10
• 第一章 文献综述10-21
• 1 生物基产品概述10-13
• 2 纤维水解液发酵生产琥珀酸研究现状13-14
• 3 纤维水解液发酵生产琥珀酸相关微生物14-15
• 4 琥珀酸发酵生产代谢途径和菌种选育15-17
• 5 纤维水解液生产琥珀酸发酵技术17-18
• 5.1 CO2对琥珀酸发酵的影响17-18
• 5.2 培养基对琥珀酸发酵的影响18
• 5.3 发酵方式对琥珀酸发酵的影响18
• 6 研究目的和意义18-21
• 6.1 存在的问题18-19
• 6.2 研究目的19
• 6.3 论文研究内容19-20
• 6.4 技术路线20-21
• 第二章 一株琥珀酸产生菌发酵产琥珀酸培养条件优化21-31
• 1 材料与方法21-22
• 1.1 原料21
• 1.2 菌种21
• 1.3 培养基21
• 1.3.1 种子培养基21
• 1.3.2 发酵培养基21
• 1.4 主要试剂和设备21-22
• 1.5 玉米秸秆水解液制备方法22
• 1.6 培养方法22
• 1.7 分析方法22
• 1.8 计算方法22
• 2 结果与分析22-29
• 2.1 三种不同兼性厌氧菌发酵产琥珀酸能力对比22-25
• 2.1.1 三种兼性厌氧菌发酵产琥珀酸量对比23
• 2.1.2 三种兼性厌氧菌发酵产琥珀酸的OD660值对比23-24
• 2.1.3 三种兼性厌氧菌消耗葡萄糖、木糖和总糖(水解糖)对比24-25
• 2.2 产琥珀酸放线杆菌发酵产琥珀酸培养条件优化25-29
• 2.2.1 发酵培养基的装液量对琥珀酸产量的影响25-26
• 2.2.2 培养温度对琥珀酸发酵的影响26-27
• 2.2.3 培养基初始pH对琥珀酸发酵的影响27-28
• 2.2.4 发酵接种量对琥珀酸发酵的影响28-29
• 3 本章小结29-31
• 第三章 利用响应面优化琥珀酸发酵培养基及其发酵放大实验31-46
• 1 材料与方法31-32
• 1.1 原料31
• 1.2 菌种31
• 1.3 培养基31
• 1.4 主要试剂与设备31
• 1.4.1 主要试剂31
• 1.4.2 主要设备31
• 1.5 玉米秸秆水解液制备方法31
• 1.6 培养方法31-32
• 1.7 细胞粗酶液的制备32
• 1.8 酶活测定32
• 1.9 分析方法32
• 1.10 计算方法32
• 2 结果与分析32-44
• 2.1 发酵培养基单因素优化32-38
• 2.2 响应面法优化产琥珀酸放线杆菌发酵培养基组分38-41
• 2.3 模型交互项的分析41-42
• 2.4 最佳发酵条件验证42-43
• 2.5 利用玉米秸秆水解液分批发酵放大实验及其主要酶活测定43-44
• 2.5.1 1L厌氧甁发酵产琥珀酸放大实验43-44
• 2.5.2 酶活测定44
• 3 本章小结44-46
• 第四章 结果与讨论46-50
• 1 本文主要结论46-47
• 2 讨论47-50
• 参考文献50-53

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