生物表面活性剂产生菌S1的发酵性能及产物分离研究

作     者：张德煜 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：龙旭伟

授予年度：2022年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 081703[工学-生物化工] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 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：鼠李糖脂 脂肽 联产发酵 发酵优化 双水相萃取 

摘      要：鼠李糖脂(Rhamnolipids,RLs)具有卓越的表/界面活性,在环保、日化、农业、医药等领域具有广泛的应用前景,受限于发酵水平低、高产菌株少、复杂且环境毒性大的分离工艺,鼠李糖脂的生产成本因此居高不下,难以与化学表面活性剂竞争。因此,提高鼠李糖脂的发酵生产水平,并构建绿色、高效的分离工艺对于促进鼠李糖脂的工业化应用具有重要意义。本论文基于前期筛选所得能生产生物表面活性剂的菌株Pseudomonas aeruginosa S1,系统地优化其生产条件,并构建高效的高菌浓半连续切换培养工艺以提高其发酵生产水平;开发醇/无机盐的双水相萃取工艺从发酵液中分离回收鼠李糖脂,以改善或解决传统分离工艺中无法高效回收鼠李糖脂的难题。本文主要结论如下:(1)从原油污染土壤中筛选得到的*** S1具有高效的降解原油能力,可将发酵液的表面张力降至34.1 m N/m。经过分析鉴定表明:*** S1在以玉米油为唯一碳源时,可联产两种活性最强的生物表面活性剂:鼠李糖脂和surfactin,这也是目前为止第一次报道。S1的发酵产物具有比鼠李糖脂更强的表面活性,其p H响应型乳化活性使得其在三次采油等领域中更具应用优势。(2)从Na NO和Fe/Fe的角度出发,系统地优化了S1的发酵生产条件,显著提高了生物表面活性剂的发酵生产水平。结果表明:高浓度(12-16 g/L)的Na NO更有利于生物表面活性剂的生产;在12 g/L的Na NO加入量时,Fe SO·7HO/Fe Cl·6HO对于鼠李糖脂产量有显著的促进作用,在1-2 mg/L加入量时,生物表面活性剂的产量可达30.1-32.4 g/L,较优化前提升约120%(Fe-free:14.7 g/L)。此外,通过Fe/Fe种类、用量的优化,实现了鼠李糖脂-surfactin的联合生产,可获得鼠李糖脂:surfactin=28.4:9.89的生物表面活性剂混合物。此外,构建的高菌浓半连续切换发酵工艺进一步提升了发酵水平,鼠李糖脂的累积产量可达64.44 g/L,产率很好地维持在0.5-1.05 g/L/h;surfactin产率最高可达1.03 g/L/h,该生产效率远远高于目前大多数相关文献报道。最后,通过优化传质与Fe的加入量,可在5天实现22.0 g/L的鼠李糖脂产量和11.5 g/L的surfactin产量。(3)以异丙醇/硫酸钠双水相体系出发,构建了全新的鼠李糖脂高效分离工艺,优化其操作参数并探究成相物质的回收工艺。结果表明:在30%(v/v)异丙醇和20%(w/v)硫酸钠构建的双水相系统中,可从发酵液中分离回收95%以上的鼠李糖脂,结合一系列的脱盐除杂工艺,可获得纯度90%的产品。本文还对异丙醇和硫酸钠的回收进行探究,进一步可降低分离成本并减少环境污染。该工艺也在*** PAO1和ATCC 9027的发酵液上进行了验证,很好地解决了无法从发酵液中高效分离回收鼠李糖脂的难题。