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溶解氧对里氏木霉产纤维素酶的作用与控制

【摘要】: 本文用10g/l的纸浆作碳源,研究了溶解氧在里氏木霉生产纤维素酶过程中的作用与控制。首先在10L生化反应器,固定通风量到25L/(h.l),通过不控制pH值和控制pH值4.8,研究菌丝生长代谢过程中的H+浓度变化及其对菌丝生长和代谢产酶的影响;通过增加通风量到30L/(h.l),研究通风量对菌丝生长和产纤维素酶的影响;分别控制溶解氧浓度DOT40%~50%,30%~40%和20%~30%,研究溶解氧浓度对里氏木霉菌丝生长和产纤维素酶的影响。然后在2L生化反应器,分别固定通风量25L/(h.l)和控制DOT20%~30%,测尾气中氧气和二氧化碳含量,研究菌丝生长代谢过程中菌丝对氧的利用和释放二氧化碳的变化,得到结果如下: 里氏木霉生长代谢过程中H+浓度会有很大的波动。培养基中的葡萄糖被菌丝利用而产生酸性物质,因而培养液中H+浓度会逐渐上升。同时部分菌丝自溶,会导致H+浓度下降。总结果是培养液中H+浓度大量增加,不利于菌丝生长和代谢产酶。生产的纤维素酶β-葡萄糖苷酶酶活较低,酶解效率较低,48h酶解得率55.7%,72h酶解得率56.7%,72h纤维二糖含量高达0.943g/l。控制培养液pH4.8有利于菌丝生长代谢,提高产酶能力。调节pH值4.8时,最高菌丝质量浓度从2.60 g/l增加到2.77 g/l,提高6.5%,最大滤纸酶活从1.87IU/ml上升到2.79IU/ml,增加0.92IU/ml,提高了49.2%。 里氏木霉生长代谢过程中需要较多的溶解氧,增加通风量可增加溶解氧,有利于菌丝生长,提高产酶能力。增加通风量到30L(/h·l)时,溶解氧水平提高,菌丝质量浓度从2.77g/l增加到2.98g/l,提高7.6%,滤纸酶活从2.79IU/ml上升到2.98IU/ml,提高了6.8%。控制pH和增加通风量,不仅提高了纤维素酶活力,提高了纤维素酶得率,而且提高了反应速率,使纤维素酶产率得到了更大的提高。控制pH4.8时,滤纸酶活最高时的酶产率从22.18IU/(h·l)增加到33.26 IU/(h·l),提高50.0%。增加通风量到30L/(h.l)时,酶活最高时的酶产率从33.26 IU/(h·l)增加到38.21 IU/(h·l),提高14.9%。 控制DOT20%~30%,是里氏木霉菌丝生长代谢的最适宜溶解氧条件。分别控制DOT40%~50%、30%~40%和20%~30%时,菌丝生长依次加快,菌丝的最高质量浓度分别为3.01 g/l、3.06 g/l、3.12 g/l。葡萄糖利用速率加快,纤维素可较早地诱导纤维素酶合成,24h的滤纸酶活分别为0.12IU/ml,0.37 IU/ml,0.63 IU/ml,酶活最高的时间分别为92h,80h和76h。 控制DOT20%~30%促进了里氏木霉对纤维素酶的合成。分别控制DOT40%~50%、30%~40%和20%~30%时,纤维素酶滤纸酶活最高分别为3.09IU/ml,3.26IU/ml和3.55IU/ml,纤维素酶的总生产能力比固定通风量30L/(h.l)时分别提高了3.7%,9.4%和19.1%,单位质量菌丝的纤维素酶生产能力分别提高2.7%,6.5%,13.8%。 控制DOT20%~30%时,生产的纤维素酶有较合理的酶系结构,不仅滤纸酶活较高,酶解得率也较高,酶解液中纤维二糖含量较低。48h酶解得率为59.26%,纤维二糖含量0.233g/l,72h酶解得率为63.43%,纤维二糖含量0.199g/l。 控制DOT20%~30%时,菌丝主要生长代谢时期的通风量增加,氧气的摩尔含量较高。气相中较高的氧含量有利于氧的溶解,加快了氧的传输,使菌丝在快速生长期对氧的摄取率OUR提高,且使氧的摄取率OUR的上升趋势与菌丝的生长量变化相一致。最高菌丝质量浓度增加到3.11g/l,比固定通风量25L/(h·l)时的2.78g/l提高11.8%。菌丝摄氧稳定,有利于细胞质粒的稳定性和基因表达。 控制DOT20%~30%,气相中二氧化碳的摩尔含量约0.4%,比固定通风量25L/(h.l)时的0.8%降低了一半。反应液中的溶解二氧化碳可较快地释放到气相中而被排出,体系二氧化碳释放率CER也较高。菌丝生长和代谢都很稳定,0~20h菌丝主要生长期,RQ约0.6左右,20~60h菌丝生长代谢期,RQ在0.8左右,60h以后菌丝主要代谢期,RQ在1左右。控制DOT20%~30%时,纤维素酶的酶得率为354IU/g,比通风量25L/(h.l)时的275IU/g提高28.7%,也就是说纤维素酶的总生产能力提高了28.7%。其中菌丝质量浓度增加11.8%,单位质量菌丝的纤维素酶生产能力提高15.1%,两者共使纤维素酶的总生产能力提高28.7%。同时由于菌丝生长加快,使生产效率提高50.2%。 控制pH值4.8,使纤维素酶的滤纸酶活上升到2.79IU/ml,比未控制pH值时的1.87IU/ml提高了49.2%。控制pH值4.8和DOT20%~30%时,可使纤维素酶的滤纸酶活进一步提高到3.54 IU/ml,又提高了26.9%。两步总计提高了89.3%%,即生产能力提高了89.3%。且反应周期从84h缩短到72h,总生产效率提高了120.9%。因此,通过控制pH和控制DOT两种措施,使纤维素酶的生产能力提高了89.3%,使纤维素酶的生产效率提高了120.9%。

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