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2-酮基-D-葡萄糖酸(2KGA)是一种以葡萄糖为主要原料发酵生产的有机酸,具有广泛的工业用途。目前规模化生产2KGA普遍采用的是补料分批发酵工艺。虽然补料分批培养的方法能够通过提高发酵培养基的总糖浓度,从而达到提高发酵液中目标产物2KGA浓度的目的,但是生产效率难以进一步提高。本研究试图在2KGA生产中以半连续发酵工艺替代国内现行的补料分批发酵工艺,以达到提高生产强度、增加设备利用率、降低发酵成本的目的。本研究的主要内容如下:
1.通过测定发酵液的旋光度及其葡萄糖质量浓度,计算发酵液中2KGA的质量浓度,并考察该方法实际应用的可行性。结果表明:对照品溶液的旋光度、2KGA质量浓度和葡萄糖质量浓度之间存在良好的线性关系,R2>0.9999;该方法精密度、稳定性和重现性良好,2KGA的平均回收率为102.60％,RSD为2.17％(n=5)。该方法可用于发酵液中2KGA的定量检测。
2.对2KGA产生菌荧光假单胞菌AR4的种子培养过程和不同葡萄糖浓度条件下的分批发酵过程进行了研究。考察了种子培养过程中的pH值、菌体生长量、葡萄糖浓度的变化,发现种子培养至20h比较适合移种,以进行后续的发酵；考察了糖浓度分别为88g／L、121g／L、154g／L、187g／L、220g／L时分批发酵的转化率和生产强度,发现适合分批发酵的葡萄糖浓度范围在154～187g／L,该范围可以作为适合于补料分批发酵和多级半连续发酵的初始葡萄糖浓度范围。
3.在单级半连续发酵和两级半连续发酵过程中,研究了不同补料时机、分割量和补料培养基糖浓度对2KGA发酵的影响。结果表明,2KGA单级半连续发酵的最佳工艺条件是:补料时机为葡萄糖降至20g／L,分割量为60％,最佳补料培养基浓度为178.2g／L；2KGA两级半连续发酵的最佳工艺条件是:补料时机为葡萄糖降至20g／L,一级罐分割量70％,二级罐最佳补料培养基浓度为178.2g／L。在优化的条件下,单级半连续发酵和两级半连续发酵的转化率和生产强度分别达到87.96±2.76％、6.71±0.08g／L·h和89.12±4.95％、5.81±0.01g／L·h。综合各种因素考虑,可以认为单级半连续发酵工艺是一种生产2KGA的高效方法。
4.对优化后的2KGA单级半连续发酵的动力学进行了研究。由Logistic和Luedeking-Pirt模型方程分别建立了荧光假单胞杆菌产2KGA发酵过程中菌体生长、产物积累和底物消耗的动力学模型。模型模拟计算结果与实验值可以较好地吻合,平均相对误差在10％以内。