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题名	基于pH的反馈补料方法及应用
作者	张勇
学位类别	博士
答辩日期	2011-05-25
授予单位	中国科学院研究生院
导师	丛威
关键词	乳酸 pH反馈补料 氧化还原电位 吸附固定化 赖氨酸
其他题名	Study and application of a pH based feedback feeding method
学位专业	生物化工
中文摘要	发酵过程中基质浓度的变化对发酵过程存在一定影响，目前主要采用恒速、脉冲流加或分批补料等方法控制发酵过程中的基质浓度，但由于在线监测基质浓度较困难，这些补料方法不能有效的控制基质浓度而且存在一定盲目性。为此，本文以乳酸和赖氨酸为对象，系统研究了基于pH的反馈补料方法在酸性和碱性产品体系中的适用性和适用范围。首先从理论探讨了基于pH的反馈补料控制方法在酸性产品（如乳酸）中的适用性，分析了影响补料过程中基质浓度变化的一些可能因素及该方法的适用条件。结果表明，在发酵液中产物酸对基质得率保持恒定条件下，可利用分批发酵中实测的碱消耗和基质消耗的比值作为补料液的配料比，通过pH反馈控制能使补料过程中基质浓度基本保持稳定；补料过程中基质浓度的波动范围取决于发酵设定的pH和产物酸的pKa，当设定的pH大于产物酸的pKa值时，基质浓度波动较小；而当发酵设定的pH值低于产物酸的pKa时，基质浓度波动较大，不适于进行pH反馈补料。另外，分析比较了NaOH、NH3以及CaCO3用于pH反馈补料乳酸发酵过程中的优缺点，发现以NaOH和NH3为中和剂时，乳酸发酵过程中的基质波动范围更小，而考虑到回收能耗等因素，选择NH3作中和剂最适宜。考察了不同初始葡萄糖浓度对乳酸发酵的影响，发现当初始葡萄糖浓度低于80 g L-1时，发酵过程中葡萄糖消耗与氨消耗之间存在较好的线性关系，葡萄糖与氨的质量浓度比值约为5.7，与理论计算值基本吻合。因此可将该值作为pH反馈补料时混合补料液的配料比。利用pH反馈补料方法，能将乳酸发酵过程中葡萄糖浓度分别控制在1.8±0.2 g L-1、4.5±0.4 g L-1和 10±0.2 g L-1范围内。葡萄糖浓度维持在5 g L-1以下时有利于乳酸合成，而且维持较低的葡萄糖浓度也有利于下罐前快速降低残糖，从而提高葡萄糖利用率。考察了乳酸发酵过程中氧化还原电位变化趋势及其与其他参数间的关系。结果表明，在发酵中后期，随着氧化还原电位的升高，乳酸产率急剧下降。以氧化还原电位的变化趋势为依据，在发酵中后期补充一定的氮源，并结合pH反馈补料方法控制发酵过程中碳源浓度，相比于单独采用pH反馈补料方法时的情况，乳酸产量提高了近20%。将pH反馈补料方法应用于填充床—发酵罐反应器系统中，并选用三种固定化载体（陶粒、大孔活性炭和纤维球），采用吸附法将L.lactis-11固定于载体之上进行多批次pH反馈补料式发酵。结果表明，pH反馈补料方法能很好的将葡萄糖浓度控制在适宜范围内，这说明该方法不受发酵系统的影响，只与菌体本身的性质有关。该方法能适用于多种耦合发酵技术，特别对重复性不好的多批次发酵都能较好的控制葡萄糖浓度，从而提高乳酸产量。理论分析表明，对产碱体系（如赖氨酸），pH反馈补料过程中基质浓度的波动范围与发酵设定的pH值、产物碱的解离常数pKb以及调节发酵液pH的酸解离常数pKa密切相关。用强酸调节pH时，若pH+pKb＜14，基质波动较小，此时基质浓度的波动范围取决于pH反馈系统的响应时间，适于采用pH反馈补料方法；若pH+pKb＞14，基质浓度波动较大，此种情况不适合采用pH反馈补料方法。用弱酸调节pH时，若pH+pKb＜14，适于采用pH反馈补料；若pH+pKb＞14且2pH+pKb＞pKa+14时适于采用pH反馈补料；若pH+pKb＞14且pKa＜pH时不适于采用pH反馈补料；若pH+pKb＞14且2pH+pKb＜pKa+14时不适于采用pH反馈补料。赖氨酸体系中pKb=3.47，pH=7.0，pH+pKb＜14，适于采用pH反馈补料方法。赖氨酸分批发酵中葡萄糖、硫酸铵和氨消耗之间存在较好的线性关系，结合理论计算，确定葡萄糖、硫酸铵和氨三者消耗的质量浓度比值为16.5 : 4.25 : 1，以此比值将葡萄糖、硫酸铵和氨混合后采用pH反馈补料能将赖氨酸发酵过程中葡萄糖和铵根离子浓度分别控制在12±3g L-1，2.2±0.3 g L-1范围内，相比于脉冲补料发酵，赖氨酸产率提高了24%左右。这也表明了pH反馈补料方法对碱性产品有较好的适用性，而且该方法操作简单，设备要求较低，有较好的应用前景。
英文摘要	As the fluctuation of substrate concentration in fermentation broth is negative to the fermentation process, some feeding methods including constant rate, pulse or batch feeding methods are employed to maintain the substrate concentration during the fermentation process. However, as it is difficult to monitor the susbstrate concentration online, the substrate concentration can not be maintained effectively by these feeding methods. Hence, the applicability and application scope of a pH based feedback feeding method in acid (lactic acid) and alkali (lysine) product system was investigated systematically.
语种	中文
公开日期	2013-09-23
页码	153
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/1699]
专题	过程工程研究所_研究所（批量导入）
推荐引用方式 GB/T 7714	张勇. 基于pH的反馈补料方法及应用[D]. 中国科学院研究生院. 2011.

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