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《大连理工大学》 2005年
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自絮凝酵母颗粒在线表征与发酵过程动力学

葛旭萌  
【摘要】:本文在国内外首次将激光聚焦反射式颗粒测量系统(Focused Beam Reflectance Measurement System, FBRM)应用于自絮凝酵母颗粒体系,建立了自絮凝酵母颗粒粒径分布的在线测量和定量表征方法,在此基础上: 以酿酒酵母和粟酒裂殖酵母的融合株——自絮凝颗粒酵母SPSC01为研究对象,选择搅拌罐式反应器为模式系统,利用FBRM在线检测了絮凝酵母颗粒的弦长频率分布。研究表明,在含有絮凝缓冲液的模拟系统中,每秒弦长数与自絮凝酵母细胞颗粒体系的生物量浓度之间有良好的相关性;不同的搅拌速率条件下,自絮凝酵母颗粒粒径分布均符合对数正态分布,并具有一定的相似性规律。 考察了各种常见的物理和化学因素对SPSC01自絮凝颗粒酵母絮凝状态的影响。SPSC01自絮凝酵母颗粒在温度超过60℃,或pH小于3.5或大于6.0时开始解离;钙离子对絮凝的促进作用明显强于镁离子,而钠离子则体现为抑制絮凝。蔗糖和葡萄糖对SPSC01的絮凝无显著影响,木糖和麦芽糖对絮凝有一定的抑制作用,甘露糖则显著抑制絮凝。少量的乙醇或钙离子促进絮凝,过量的乙醇或钙离子会抑制絮凝。研究表明,SPSC01的絮凝机理基本符合类外源凝集素假说,部分现象需要用钙桥假说解释。 通过提高发酵罐机械搅拌速率使自絮凝颗粒酵母体系分散到接近游离细胞大小的尺度,消除内扩散影响,研究其本征动力学规律,并利用建立的自絮凝酵母颗粒粒径分布的在线检测和定量表征方法对自絮凝酵母SPSC01絮凝颗粒的分散程度进行了分析和验证。细胞代谢过程中生成的CO_2对测量体系产生了干扰,在通过数据的比对判定干扰峰位置后,在数据处理过程中排除了这种干扰,并证明SPSC01自絮凝酵母颗粒被分散至接近游离细胞的尺度。在此基础上,通过拟合实验数据得到了连续发酵过程中,SPSC01絮凝酵母细胞生长和乙醇发酵的本征动力学方程: μ=0.584·C_S/0.155+C_S+C_S~2/160.7 (1-C_P/125)~(3.68)+0.004 v=1.998·C_S/0.427+C_S+C_S~2/366.7 (1-C_P/125)~(1.72)+0.060 进一步通过控制发酵罐在不同的机械搅拌速率下运行,获得不同的自絮凝颗粒酵母尺度分布,研究了真实发酵过程中自絮凝颗粒酵母SPSC01絮凝颗粒粒径分布的特性,同时定量表征了粒径分布对表观发酵速率的影响。实验结果表明,间歇发酵过程中自絮凝酵母SPSC01絮凝颗粒的粒径分布比较符合对数正态分布,不同搅拌速率条
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