高產(chǎn)異養(yǎng)型微擬球藻培養(yǎng)工藝的研發(fā)及反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究.pdf

1、微藻又稱單細(xì)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(yíng)養(yǎng)成分，近年來(lái)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(chǎng)需求量日益增大，國(guó)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(dá)百噸級(jí)，產(chǎn)值過(guò)億，僅臺(tái)灣省的海藻飼料年產(chǎn)量就達(dá)120噸。但中國(guó)微藻飼料蛋白的供求仍存在較大缺口，由于微藻的天然營(yíng)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(zhǎng)等因素導(dǎo)致產(chǎn)能較低，遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)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(guò)控制培養(yǎng)條件優(yōu)化培養(yǎng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高密培養(yǎng)、降低成本及擴(kuò)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(dòng)力學(xué)相關(guān)理論的指導(dǎo)下，對(duì)微擬球藻發(fā)酵過(guò)程中的形態(tài)特征、條件優(yōu)化以及動(dòng)力學(xué)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(duì)微擬球藻菌體形態(tài)以及胞內(nèi)蛋白含量的影響。通過(guò)對(duì)微擬球

3、藻形態(tài)學(xué)觀察研究顯示:微擬球藻具有膠質(zhì)囊泡及游離的單細(xì)胞兩種不同的生活形態(tài)，并且在發(fā)酵過(guò)程中由膠質(zhì)囊泡逐漸向單細(xì)胞轉(zhuǎn)換。發(fā)酵過(guò)程中前20h，處于分批發(fā)酵過(guò)程中的延滯期及對(duì)數(shù)期，菌體一般是膠質(zhì)囊泡形態(tài)占優(yōu)勢(shì)，細(xì)胞尺寸逐漸增大;20h-28h，減速期過(guò)程中膠質(zhì)囊泡與游離的單細(xì)胞共存;28h以后，隨著發(fā)酵的進(jìn)行，在穩(wěn)定期及衰亡期，由單細(xì)胞占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。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(duì)膠質(zhì)囊泡全部轉(zhuǎn)化為單細(xì)胞的時(shí)間以及胞內(nèi)

4、蛋白含量有較大影響，并且剪切力對(duì)菌體形態(tài)有較大影響。
　　(2)響應(yīng)面法對(duì)微擬球藻產(chǎn)微藻蛋白的發(fā)酵條件優(yōu)化。通過(guò)單因素試驗(yàn)及響應(yīng)面設(shè)計(jì)分析溫度、pH、攪拌速度及通氣量對(duì)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(fù)合系數(shù)R2Adj達(dá)0.7889，失擬項(xiàng)不顯著，表明回歸方程能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(dá)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(zhǎng)阻滯微藻發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。在發(fā)酵條件優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行微擬球藻分批發(fā)酵的動(dòng)力學(xué)研究，通過(guò)對(duì)得率系數(shù)與細(xì)胞生長(zhǎng)速率變化規(guī)律的研究，構(gòu)建了YX/S動(dòng)態(tài)化模型方程及雙冪指數(shù)型增長(zhǎng)阻滯菌體生長(zhǎng)模型。利用matlab對(duì)模型進(jìn)行非線性擬合，

6、獲得模型參數(shù)，模型擬合值與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(guò)程中的菌體生長(zhǎng)、蛋白合成及葡萄糖消耗的動(dòng)力學(xué)特征，可實(shí)現(xiàn)一定規(guī)模的微擬球藻發(fā)酵過(guò)程的預(yù)測(cè)及控制。此外β近似于0，表明微藻蛋白合成屬于生長(zhǎng)偶聯(lián)型，進(jìn)一步進(jìn)行50L發(fā)酵罐放大實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示模型具有較好的適用性，驗(yàn)證了模型用于發(fā)酵過(guò)程預(yù)測(cè)的可靠性。
　　(4)微擬球藻分批補(bǔ)料發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。采用恒速流加的方式進(jìn)行補(bǔ)料，并建立了微擬球藻分批補(bǔ)料發(fā)酵過(guò)程