阿维菌素发酵过程菌体形态变化、流体特性及反应器流场模拟研究

论文摘要

本文主要针对阿维菌素发酵过程中丝状微生物除虫链霉菌（Streptomyces avermitilis）菌体易成球的特性,分别在15L实验发酵罐以及150m3生产规模发酵罐研究了发酵过程中菌体形态和流体特性变化规律,并以计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）为工具,模拟了反应器内流场特性变化,分析了过程控制操作与流场变化之间的相互影响,为阿维菌素发酵过程优化和放大提供基础数据。15L实验罐发酵过程研究表明：阿维菌素发酵过程中,发酵液主要表现为拟塑性的非牛顿流体,其流体特性主要经历三个阶段变化。分别为：前期（0-50h）,该阶段表观粘度以及稠度系数均快速上升,并在50h左右发酵液拟塑性达到最强；中期（50-120h）,该阶段表观粘度以及稠度系数开始下降,发酵液流体特性有所改善；后期（120h-发酵结束）,该阶段表观粘度和稠度系数都维持在一个稳定值,流体特性保持稳定。利用CFD工具对15L罐微观反应环境进行模拟表明：拟塑性流体与牛顿流体形成的流场之间具有很大差异,阿维菌素发酵过程中流场内剪切强度不仅与搅拌转速有关还与通气速率及发酵液流变特性有直接的关系。对于150m3生产罐发酵过程研究表明：生产规模发酵过程发酵液流体特性变化与实验室规模发酵过程基本相似,其差别在于中期维持时间更长,为50-150h左右,这可能是由反应器结构不同所造成的。所考察的菌体形态参数均随发酵进行呈下降趋势,并最终稳定在一定水平。菌球平均投影面积为4500μm2左右；菌球平均周长为560μm左右；平均粗糙度为6左右。通过对培养基主要成分处理方式的改变,达到了改变发酵过程发酵液流体特性的目的,并且结果表明流变特性好的实验组最终阿维菌素效价提高了12.2%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 除虫链霉菌概述
• 1.1.1 阿维菌素概述
• 1.1.2 阿维菌素的作用机理与应用
• 1.1.3 当前阿维菌素生物合成研究现状
• 1.2 丝状菌液体深层发酵过程菌丝体形态与图像分析技术
• 1.2.1 图象分析法在丝状微生物发酵过程研究中的地位
• 1.2.2 液体发酵中影响丝状菌形态的因素
• 1.2.2.1 培养基成分
• 1.2.2.2 搅拌
• 1.2.2.3 通气量
• 1.3 菌体形态与发酵液流变特性、反应器流场特性的关系
• 1.4 计算流体力学（CFD）在生物反应器中的研究进展
• 1.4.1 计算流体力学简介
• 1.4.2 CFD在生物反应器中的研究进展
• 1.4.2.1 搅拌桨的模拟
• 1.4.2.2 CFD在多相流体模拟中的研究进展
• 1.5 本课题研究目的和意义
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 菌株
• 2.2 培养基
• 2.2.1 斜面培养基
• 2.2.2 种子培养基
• 2.2.3 发酵培养基
• 2.2.4 主要试剂
• 2.2.5 主要实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 斜面种子培养
• 2.3.2 菌种保藏
• 2.3.2.1 斜面保藏
• 2.3.2.2 甘油管保藏
• 2.3.3 发酵工艺
• 2.3.3.1 摇瓶发酵培养
• 2.3.3.2 15L发酵罐培养
• 3气升式反应器培养'>2.3.3.3 150m³气升式反应器培养
• 2.4 参数检测方法与分析方法
• 2.4.1 总糖还原糖测定
• 2.4.2 菌浓测定
• 2.4.3 发酵液流变参数测定与分析
• 2.4.3.1 流变参数的测定
• 2.4.3.2 流变参数的分析
• 2.4.4 阿维菌素效价测定
• 2.5 菌丝形态图像的采集和处理
• 2.5.1 涂片和染色
• 2.5.2 图像采集与分析
• 2.5.3 菌丝体定量计算及其统计学意义
• 2.6 三维流场的CFD模拟方法
• 2.6.1 流场求解的基本流程
• 2.6.2 氧传递过程模拟方法
• 2.6.3 流场内剪切强度的模拟方法
• 2.6.4 非牛顿流体模拟方法
• 第三章 15L发酵罐阿维菌素发酵过程菌丝形态及其流体特性分析
• 3.1 前言
• 3.2 发酵实验设计
• 3.3 发酵实验结果分析
• 3.3.1 阿维菌素发酵过程主要特点
• 3.3.2 发酵过程中生物量变化分析
• 3.3.3 不同发酵过程阿维菌素合成水平的差异
• 3.3.4 发酵过程发酵液流变特性变化
• 3.3.4.1 发酵液流变特性分析
• 3.3.4.2 发酵过程发酵液流变参数与过程参数的关系
• 3.3.4.3 不同发酵过程操作参数的分析
• 3.4 小结
• 第四章 15L实验罐阿维菌素发酵过程计算流体力学模拟分析
• 4.1 前言
• 4.2 模型的选择与模拟方法
• 4.2.1 反应器几何结构与操作参数
• 4.2.2 模型网格划分
• 4.2.3 CFD模型设置
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 牛顿流体与非牛顿流体流场的差异
• 4.3.2 不同过程平均气含率的比较
• 4.3.3 不同过程反应器氧供应能力模拟结果
• 4.3.4 不同过程反应器流场的剪切分布
• 4.4 小结
• 3生产罐阿维菌素发酵过程菌体形态与流体特性分析'>第五章 150m³生产罐阿维菌素发酵过程菌体形态与流体特性分析
• 5.1 前言
• 3生产罐发酵实验设计'>5.2 150m³生产罐发酵实验设计
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 发酵过程中生物量变化分析
• 5.3.2 发酵过程菌形参数的分析
• 5.3.2.1 发酵过程中菌形参数变化定性分析
• 5.3.2.2 发酵过程中菌形参数变化定量分析
• 5.3.3 发酵过程发酵液流变特性分析
• 5.3.3.1 不同时间点发酵液流变性质分析
• 5.3.3.2 发酵液流变特性时变分析
• 5.3.4 不同发酵过程流场特性差异对阿维菌素发酵的影响
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢