生物发酵法催化癸酸合成反式-2-癸烯酸发酵条件优化及动力学研究

作     者：聂士昊 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李丕武

授予年度：2024年

学科分类：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：反式-2-癸烯酸 生物发酵法 大肠杆菌 发酵条件 发酵动力学 

摘      要：反式-2-癸烯酸(trans-2-decenoic)是一种含有不饱和双键和羧基的十碳中链不饱和脂肪酸,因其独特结构而在多个领域具有广泛应用,如作为治疗神经性疾病的药物中间体、合成10-羟基癸烯酸(10-HDA)和食品香料的关键中间产物,以及在超导体材料制备中的应用。采用生物法合成反式-2-癸烯酸,相比传统化学合成,具有环境友好、高专一性和高效率的优势。因此,研究高效发酵合成方法对提高反式-2-癸烯酸的产量和应用价值具有重要意义。 首先,基于实验室前期改造的大肠杆菌,确定了种子培养条件并对培养基进行了优化。根据癸酸的生物转化途径进行发酵条件和发酵过程优化,通过单因素实验与Box-Behnken设计的响应面法优化了关键发酵条件;进一步分析发酵过程中的初始p H值、转速、诱导温度、诱导剂浓度和分批补料策略等因素,确定了优化后的发酵条件:培养基初始p H值6.8、转速500 rpm、诱导温度30℃、乳糖浓度5 g/L,并在72小时后补充100 m L新鲜LB培养基,每12小时添加0.2 g/L癸酸。这些优化措施将反式-2-癸烯酸的产量提高至2.002 g/L,比传统LB培养基高出2.1倍。 在深入分析了优化后条件下,重组大肠杆菌在10L发酵罐中的生长动态、底物消耗与产物生成。采用Logistic方程、Luedeking-Piret方程及其类似Luedeking方程的非线性回归分析,精确建模分析了发酵过程,模型拟合度较高(R2值分别为0.9926、0.9941、0.9911),实验值与预测值误差控制在5%以内,并证明模型准确、可信。 此外,针对性研究了减轻发酵过程中产物抑制效应,采用树脂原位分离技术(ISPR)通过树脂吸附实时分离产物,减少抑制。经筛选,D303碱性阴离子交换树脂被证明能有效吸附反式-2-癸烯酸,通过将处理过的发酵液重新导入体系,避免了产物积累和抑制。这项策略及之前的优化使产量提升至2.195 g/L,证明了ISPR技术在提升生物反应效率和支持反式-2-癸烯酸高效生产方面的潜力。 本研究深度分析并优化了利用生物发酵法从癸酸合成反式-2-癸烯酸的过程及其动力学特性,从而显著提高了反式-2-癸烯酸的产出。此外,本文的成果为通过微生物发酵技术合成其他中链不饱和脂肪酸等高值化合物提供了重要的参考与启示,为生物发酵技术在生产高价值化学品领域的应用开辟了新的视野。