高產(chǎn)異養(yǎng)型微擬球藻培養(yǎng)工藝的研發(fā)及反應動力學的研究.pdf

1、微藻又稱單細胞藻類，是廣泛存在于海洋和陸地上的一類低等的、可利用光合作用的藻類微生物總稱。因其富含優(yōu)質(zhì)的脂肪酸和蛋白質(zhì)等營養(yǎng)成分，近年來被廣泛用作DHA、EPA，飼料添加劑及生物柴油等產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。特別是作為飼料添加劑，市場需求量日益增大，國內(nèi)外已商品化微藻蛋白生產(chǎn)商(如墨西哥的Texcoco)年產(chǎn)量均已達百噸級，產(chǎn)值過億，僅臺灣省的海藻飼料年產(chǎn)量就達120噸。但中國微藻飼料蛋白的供求仍存在較大缺口，由于微藻的天然營養(yǎng)方式為光能自養(yǎng)型

2、，傳統(tǒng)的光照培養(yǎng)因其占地大、周期長等因素導致產(chǎn)能較低，遠不能滿足市場需求，因此更多研究轉(zhuǎn)向篩選及選育兼性或化能異養(yǎng)型的菌株，并通過控制培養(yǎng)條件優(yōu)化培養(yǎng)方式來實現(xiàn)高密培養(yǎng)、降低成本及擴大產(chǎn)能。
　　本文以微擬球藻作為生產(chǎn)菌株，在代謝調(diào)控發(fā)酵以及動力學相關理論的指導下，對微擬球藻發(fā)酵過程中的形態(tài)特征、條件優(yōu)化以及動力學模型做了詳盡研究，主要內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)培養(yǎng)條件對微擬球藻菌體形態(tài)以及胞內(nèi)蛋白含量的影響。通過對微擬球

3、藻形態(tài)學觀察研究顯示:微擬球藻具有膠質(zhì)囊泡及游離的單細胞兩種不同的生活形態(tài)，并且在發(fā)酵過程中由膠質(zhì)囊泡逐漸向單細胞轉(zhuǎn)換。發(fā)酵過程中前20h，處于分批發(fā)酵過程中的延滯期及對數(shù)期，菌體一般是膠質(zhì)囊泡形態(tài)占優(yōu)勢，細胞尺寸逐漸增大;20h-28h，減速期過程中膠質(zhì)囊泡與游離的單細胞共存;28h以后，隨著發(fā)酵的進行，在穩(wěn)定期及衰亡期，由單細胞占絕對優(yōu)勢。此外，溫度、pH及剪切力等培養(yǎng)條件的研究表明，培養(yǎng)條件對膠質(zhì)囊泡全部轉(zhuǎn)化為單細胞的時間以及胞內(nèi)

4、蛋白含量有較大影響，并且剪切力對菌體形態(tài)有較大影響。
　　(2)響應面法對微擬球藻產(chǎn)微藻蛋白的發(fā)酵條件優(yōu)化。通過單因素試驗及響應面設計分析溫度、pH、攪拌速度及通氣量對微擬球藻產(chǎn)微藻蛋白濃度的影響，得到最佳發(fā)酵條件的回歸模型，經(jīng)方差分析證明該模型高度顯著(P＜0.001)，修正復合系數(shù)R2Adj達0.7889，失擬項不顯著，表明回歸方程能準確預測微藻蛋白濃度隨各因素變化的規(guī)律。優(yōu)化后獲得最佳發(fā)酵工藝為:溫度30℃、pH6.9、攪拌

5、速度340r/min、通氣量0.65vvm，在此條件下得到微藻蛋白濃度為6.18g/L，較優(yōu)化前提高了9.18％，微藻生物量達11.24g/L，與王芝瑤等研究相比提高了70.3％。
　　(3)雙冪指數(shù)型增長阻滯微藻發(fā)酵反應動力學模型。在發(fā)酵條件優(yōu)化的基礎上進行微擬球藻分批發(fā)酵的動力學研究，通過對得率系數(shù)與細胞生長速率變化規(guī)律的研究，構建了YX/S動態(tài)化模型方程及雙冪指數(shù)型增長阻滯菌體生長模型。利用matlab對模型進行非線性擬合，

6、獲得模型參數(shù)，模型擬合值與實驗測定值基本相符，表明新建模型能較好地描述微擬球藻發(fā)酵過程中的菌體生長、蛋白合成及葡萄糖消耗的動力學特征，可實現(xiàn)一定規(guī)模的微擬球藻發(fā)酵過程的預測及控制。此外β近似于0，表明微藻蛋白合成屬于生長偶聯(lián)型，進一步進行50L發(fā)酵罐放大實驗，結(jié)果顯示模型具有較好的適用性，驗證了模型用于發(fā)酵過程預測的可靠性。
　　(4)微擬球藻分批補料發(fā)酵反應動力學研究。采用恒速流加的方式進行補料，并建立了微擬球藻分批補料發(fā)酵過程