新型細菌纖維素反應(yīng)器的工藝評價和研究.pdf

1、細菌纖維素（Bacterial Cellulose，簡稱BC）是天生的具有納米纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)纖維素。由于細菌纖維素具有獨特的物理化學(xué)性質(zhì)，因此成為近年來國內(nèi)外生物材料研究的熱點。細菌纖維素已廣泛應(yīng)用于食品飲料和保健品行業(yè)，在造紙、功能材料、石油開采、生物醫(yī)學(xué)材料等各領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。該纖維素產(chǎn)品的主要問題是生產(chǎn)效率低，尚未能在工業(yè)領(lǐng)域大規(guī)模生產(chǎn)。為提高其生產(chǎn)效率，需要研發(fā)高效反應(yīng)器，尋找優(yōu)秀生產(chǎn)菌株。
　　目前研究發(fā)酵生產(chǎn)細菌纖

2、維素的反應(yīng)器主要有兩大類，一類是淺盤靜置反應(yīng)器，另一類是攪拌釜式反應(yīng)器。在工業(yè)生產(chǎn)上，反應(yīng)器會直接影響到細菌纖維素的產(chǎn)量，反應(yīng)器既要讓菌種生長和快速繁殖，又要考慮到過高的機械攪拌速率帶來的剪切力等不利因素對纖維素生產(chǎn)的影響。通過對發(fā)酵罐改進，比如改變反應(yīng)器形狀或者設(shè)計新的攪拌槳，可以獲得改善的效果。國內(nèi)外研究人員通過改變罐體外形，改變工作原理等方法對反應(yīng)器進行了改造和改進。
　　本文采用了一種自主設(shè)計的新型水平生物反應(yīng)器，該反應(yīng)器

3、通過一個敷有紗布的低速轉(zhuǎn)動的水平轉(zhuǎn)鼓，營造一種“亞動態(tài)”的反應(yīng)環(huán)境。這種“亞動態(tài)”培養(yǎng)方式依據(jù)細菌纖維素生產(chǎn)菌（木醋桿菌）的生理習(xí)性設(shè)計，可提高氧傳質(zhì)速率，避免過高剪切力對菌株生長的不利影響，顯著提高了BC的生產(chǎn)效率。本課題將深入研究這種新型反應(yīng)器，提高該反應(yīng)器上細菌纖維素的產(chǎn)量，為今后改進細菌纖維素的工業(yè)生產(chǎn)方法提供參考。同時，本課題通過在相同條件下，比較了三種不同培養(yǎng)方式（水平生物反應(yīng)器、機械攪拌反應(yīng)器、培養(yǎng)瓶靜置培養(yǎng)）下BC產(chǎn)量、

4、pH、殘?zhí)堑鹊淖兓?guī)律，來分析該新型反應(yīng)器的應(yīng)用潛力。
　　木醋桿菌的分泌和合成效率較高，是目前工業(yè)生產(chǎn)的主要菌種。我們利用前期篩選的 ATCC23770， DHU-YQ-1， DHU-ZCY-1， DHU-ZGD-1木醋桿菌為生產(chǎn)菌，在水平轉(zhuǎn)鼓發(fā)酵罐中進行比較研究，擬挑選出合成纖維素能力強的生產(chǎn)菌株，并對產(chǎn)物進行了表征分析。研究了木醋桿菌菌株通過機械攪拌反應(yīng)器，水平轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器和淺盤靜置生產(chǎn)的細菌纖維素物化性質(zhì)差異，包括使用掃描電

5、子顯微鏡觀察結(jié)構(gòu)形態(tài)、含水率的比較、持水失水性能比較、拉伸強度等。
　　結(jié)果顯示，水平轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器的生產(chǎn)速度比較快，生產(chǎn)效率比較高達到82.5 mg L-1h-1，明顯高于靜置培養(yǎng)35.9 mg L-1h-1和機械攪拌罐培養(yǎng)55.7 mg L-1h-1的速率，適合規(guī)?；a(chǎn)時使用。機械攪拌反應(yīng)器形成的纖維素不規(guī)則，水平轉(zhuǎn)鼓反應(yīng)器生產(chǎn)的纖維素可以形成纖維素膜，楊氏模量達到了1040Mpa，力學(xué)性能比較好，接近靜置培養(yǎng)生產(chǎn)的膜的楊氏模量

6、1300MPa。
　　DHU-ZGD-1菌株在水平反應(yīng)器中合成纖維素產(chǎn)量最高，4％的葡萄糖濃度下纖維素的粗產(chǎn)物產(chǎn)量可以達到25.3 g/L，比產(chǎn)量第二高的菌株產(chǎn)量高了20%，生產(chǎn)速率可以達到150.6 mg L-1h-1，形成的膜的機械性能最強，楊氏模量達到1150MPa，最大斷裂強度達到超過50MPa，比其他菌株高50%以上，所以最適合在水平反應(yīng)器上生產(chǎn)。
　　本課題使用的水平反應(yīng)器只是一個簡單的玻璃原型機，密封性，易用性