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法尼烯生物发酵过程放大及产品分离

法尼烯生物发酵过程放大及产品分离

作     者:田凯飞 

作者单位:北京化工大学 

学位级别:硕士

导师姓名:方云明;张纲

授予年度:2022年

学科分类:081703[工学-生物化工] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题:β-法尼烯 酿酒酵母 溶氧控制补料 发酵放大 

摘      要:法尼烯是由3个异戊二烯单元构成的倍半萜类化合物,天然法尼烯存在α与β-两种同分异构体。其中,β-法尼烯又称β-金合欢烯,由于其分子结构中共轭双键的存在,在新材料、能源、精细化学品等领域具有广泛应用。在能源领域,因其具有高十六烷值、低温性能良好等特性,可用作润滑油、高性能燃料等;在精细化学品领域,β-法尼烯可以用作营养化学品合成前体和驱虫剂。传统法尼烯的来源依赖化学合成及天然产物提取,化学合成途径步骤复杂且转化率低,提取过程则易受原料限制难以大规模生产。合成生物学技术的发展为法尼烯提供了新型生物合成模式,产β-法尼烯工程菌株的构建使利用生物发酵大规模制备β-法尼烯成为可能。其中,酿酒酵母是包括β-法尼烯在内的倍半萜类化合物常用底盘菌株之一,利用改造后酿酒酵母产β-法尼烯研究在国内外均有诸多报道,且国外研究机构已报道β-法尼烯量产过程。国内已报道研究多停留在工程菌株构建或小规模发酵阶段,相关研究较为成熟,改造后工程菌株发酵过程放大及适用于工业规模的分离提取过程成为阻碍发酵法生产β-法尼烯产业化的瓶颈问题。因此,本研究以课题组前期所构建的产β-法尼烯酿酒酵母工程菌株为基础,通过对发酵逐级放大过程中发酵条件及控制策略优化,以及吨级发酵过程中分离工艺的开发,实现了利用酿酒酵母工程菌株发酵生产β-法尼烯30吨规模放大及产品分离,研究内容及所取得的研究结果如下:1、完成了2.5 L规模补料分批发酵工艺建立及补料控制策略开发。通过培养基优化,确定合成培养基组成;并通过工程菌株生长规律探索,确定了发酵初始葡萄糖浓度20 g/L、转接时间12 h、接种量8~10%及补料起始点为乙醇初次完全消耗时间34~40 h;结合工程菌株发酵特性,在传统溶氧控制补料策略基础上设计了新型溶氧控制补料策略,实现自动限糖补料,确定最适补料碳源为葡萄糖。2、完成了酿酒酵母工程菌株从2.5 L30 L100 L逐级放大发酵,并通过发酵控制策略调整消除发酵放大效应,使100L规模发酵水平接近小试水平并完成了分离工艺开发。最终2.5 L发酵产量为27.6 g/L,30 L发酵产量为24.6 g/L,100 L发酵产量为11.4 g/L;确定了法尼烯最优分离过程为离心萃取结合减压蒸馏分离方案,并完成离心萃取和减压蒸馏操作参数优化。3、在100 L中试发酵工艺基础上,设计了30吨规模β-法尼烯发酵放大过程发酵方案、补料方案与产物分离纯化方案。最终30吨规模发酵产量为18.0 g/L,并结合碟片式离心、离心萃取、减压蒸馏等工序制备获得纯度为95%的β-法尼烯产品。

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