研究生学位论文摘要

（1）硕士研究生：颜强（2015年江苏省优秀硕士学术学位论文）

导师：郑璞教授

专业：发酵工程

论文题目：利用纤维床反应器高效发酵生产丁二酸的研究

论文摘要：丁二酸，作为一种重要的C4平台化合物，广泛应用于医药、食品、可降解塑料和化学工业。发酵法生产丁二酸具有低碳、清洁环保的特点，符合可持续发展的要求，根据美国能源部2011年的报告，丁二酸被誉为最具潜力以生物法实现工业化的平台化合物之一，但面临的问题是，由于发酵过程为厌氧发酵，菌体浓度较低并且细胞的生长速率较缓慢，造成很少有报道达到美国能源部要求的生产强度2.5 g·L^-1·h^-1的水平。本文以实验室保藏的琥珀酸放线杆菌Actinobacillus succinogenesM2012036为出发菌株，利用棉纤维载体固定在发酵罐上吸附菌体，分别进行了反复分批发酵、反复补料分批发酵以及连续发酵的工艺研究，目的是在保证高的产酸浓度与丁二酸转化率的前提下，提高丁二酸的生产强度，实现高效生产发酵丁二酸。论文具体如下：

首先，以棉纤维材料作为吸附琥珀酸放线杆菌的载体，研究菌体吸附时间、吸附载体用量、发酵培养基初糖浓度、发酵初始pH对摇瓶发酵丁二酸的影响。得出吸附载体的表面积与装液量之比为2:1，初糖浓度为50 g·L^-1，初始pH为7.2左右。在此述条件下摇瓶反复分批发酵10批次，每批次时间为48 h，平均产丁二酸浓度为36.5 g·L^-1，平均转化率为0.85 g·g^-1。发酵结束后，纤维床反应器上吸附的菌体总量为48.4 g·L^-1，约为游离细胞发酵的10倍。

其次，在3 L发酵罐纤维床反应器中研究反复分批发酵、补料分批发酵以及连续发酵工艺。当初糖浓度为50 g·L^-1时，利用碳酸镁将pH控制在6.0-6.5，反复分批发酵操作了10批次，平均丁二酸浓度为39.0 g·L^-1，平均转化率为0.85 g·g^-1，平均生产强度为3.61 g·L^-1·h^-1；反复补料分批发酵运行了4批次，丁二酸平均浓度为88.1 g·L^-1，平均生产强度为2.27 g·L^-1·h^-1，平均转化率为0.87 g·g^-1，其中最高丁二酸浓度出现在第二批次为98.7 g L^-1，生产强度为2.77 g·L^-1·h^-1，转化率为0.89 g·g^-1；纤维床反应器连续发酵产丁二酸较优条件为：初糖浓度80 g·L^-1、发酵pH控制在6.0-6.5之间，稀释率0.05 h^-1，丁二酸浓度为57.4 g·L^-1，残糖浓度为9.3 g·L^-1，生产强度为2.87 g·L^-1·h^-1，转化率为0.81 g·g^-1，发酵连续运行440 h (18 d)，并未出现明显的产酸波动，而且也没有出现报道中的由于细胞生长过剩而形成膜堵塞问题。

最后，比较纤维床反应器发酵与游离细胞发酵发酵参数和代谢通量差异，得出：纤维床反应器补料发酵产丁二酸浓度、生产强度以及转化率分别比游离细胞补料分批发酵提高了1.13倍，1.4倍与1.1倍；利用纤维床反应器发酵，HMP途径通量和还原力利用通量比游离细胞提高约120%。说明利用纤维床反应器采用补料分批发酵的操作方式，可实现同时高产酸、高生产强度以及高转化率，菌体活力的提高可能是导致丁二酸产量提高的主要原因。

关键词：丁二酸、琥珀酸放线杆菌、纤维床反应器、连续发酵