纺织清洁生产用过氧化氢酶的工业化生产条件优化

论文摘要

过氧化氢酶（Catalase,简称CAT）,存在于所有好氧微生物和动、植物细胞内,催化H2O2分解为H2O和O2,在食品消毒、临床分析、医学诊断以及纺织、造纸、制浆等工业得到越来越广泛的应用。随着人们环保意识的加强,过氧化氢酶开始用于织物漂白工艺中替代水洗和化学试剂还原法去除H2O2,是一种绿色,清洁、高效的生物催化剂。但是,大多数商品CAT不能耐受漂白浴液的苛刻条件,因此需要开发在高温（>60℃）和碱性（pH>9）条件下稳定的酶,而嗜热子囊菌Thermoascus aurantiacus WSH 03-01BC所产的CAT与目前市场上的商品酶相比,其耐热,耐碱性能更能满足纺织漂染工艺的要求。本论文以一株嗜热子囊菌Thermoascus aurantiacus WSH 03-01BC为出发菌株,研究了发酵工艺改进和环境因素对菌体合成CAT的影响,并针对细胞内存在的葡萄糖分解代谢物阻遏现象,联系其与乙醇代谢的关系,找到了添加乙醇（75%）促进CAT合成有利的规律。此外还对该菌株所产CAT粗酶的简单性能,应用进行了研究,并且对活性氧影响细胞生长以及产酶的机理进行了初探。主要研究内容如下:1.由于T. aurantiacus WSH 03-01BC子囊菌在发酵产酶的不同阶段对溶氧的要求不同的,分阶段控制溶氧水平有利于提高细胞生长和合成CAT水平。发酵048h控制DO浓度为80%（体积分数）,菌体的生长量DCW达到最大值10.53g/L,比对照（10.09g/L）提高了4.4%;在发酵48h～72h控制DO水平为50%（v/v）,菌体合成过氧化氢酶达到最大值2837U/ml,比对照（1887U/ml）提高了50.34%。2. T. aurantiacus WSH 03-01BC子囊菌是一种专性嗜热菌,实验表明它的最适生长温度和最适产酶温度不一致。分阶段控制发酵温度策略使得菌体的生长充分的前提下进一步促进菌体大量的合成过氧化氢酶。发酵0h～36h控制发酵温度为46℃,在36h～72h将温度恒定在49℃,生长量达到10.79g/L,最大酶活达到了2875U/mL,单位细胞产酶能力达到278.86U/mg,与单一控制发酵温度为46℃时的最大的酶活相比,分别提高了28.9%和29.9%。3.适量添加乙醇（75%）可以促进菌体合成过氧化氢酶,当添加总量超过2.4%时,细胞的生长及产酶则受到较大的抑制。在发酵3648h,恒速流加乙醇比一次性添加等量的乙醇更有效地促进菌体的产酶。在菌体生长的稳定期前期恒速流加1.6%乙醇以及混合添加0.4%的H2O2,过氧化氢酶的产量比对照提高50.1%。4.在前期研究的基础上,将实验结果放大到1 m3和5 m3罐的中试规模时,1 m3和5 m3罐的酶活和生产强度分别达到2224 U/mL;9267U/ L·h和2300U/mL;13938U/ L·h,分别接近和高于7 L罐水平,表明所采用的放大方法并由此确定的通气量和搅拌转速是合理的,并且实际试生产结果表明利用T. aurantiacus WSH 03-01 BC进行工业化产CAT是完全可行的。5. T. aurantiacus WSH 03-01BC所产CAT粗酶液的特性研究表明,此酶的热稳定性较高,温度适用范围是60℃80℃,pH的适用范围为9～11,其耐受高温和强碱性环境的特性在纺织行业中将有广阔的应用前景。6.提高环境中的溶氧浓度能够促进T. aurantiacus WSH 03-01BC生长,但细胞对高氧浓度引起的O2-胁迫应激水平并不高,表现为提高溶氧浓度（50%-80%）时CAT酶活没有明显地提高。而在甲萘醌（流加速度3μM·h-1）存在的情况下,提高溶氧浓度使得细胞对O2-胁迫应激水平提高了,表现为当溶氧浓度提高到50%时,SOD和CAT酶活分别达到12.11U/mg和3200U/mL,与25%水平相比,分别提高了18.6%和17.3%;当DO继续提高到80%时,最大SOD酶活高达12U/mg,但是最高CAT酶活（2889U/ml）与50%水平相比却降低了10.8%。对比细胞生长的情况,这可能是由于细胞受到过高的氧化损伤造成的。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 过氧化氢酶概述
• 1.1.2 过氧化氢酶的应用领域
• 1.1.3 国内外研究概况简介
• 1.2 立题依据
• 1.2.1 过氧化氢酶在纺织染整工艺中的应用
• 1.2.2 不同来源的过氧化氢酶的性质对比
• 1.2.3 菌株的选择
• 1.3 研究内容
• 第二章 T. aurantiacusWSH03-01BC 合成过氧化氢酶的关键因素研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 菌种
• 2.2.2 培养基
• 2.2.3 培养方法
• 2.2.4 分析方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 发酵过程中pH 变化对菌体产CAT 的影响
• 2.3.2 发酵过程中分阶段控制溶氧水平对菌体生长以及产酶的影响
• 2.3.3 发酵过程中分阶段控制温度对菌体生长及产酶的影响
• 2.3.4 表面活性剂对菌体生长及产酶的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 乙醇与过氧化氢添加对 T. aurantiacus WSH 03-01BC 合成 CAT 的作用研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 菌种
• 3.2.2 培养基
• 3.2.3 培养方法
• 3.2.4 分析方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 乙醇添加量对过氧化氢酶合成的影响
• 3.3.2 乙醇添加时间对过氧化氢酶合成的影响
• 3.3.3 乙醇添加方式对过氧化氢酶合成影响的比较
• 2O₂添加浓度对过氧化氢酶合成的影响'>3.3.4 H₂O₂添加浓度对过氧化氢酶合成的影响
• 2O₂ 混合添加对过氧化氢酶合成的影响'>3.3.5 乙醇和H₂O₂混合添加对过氧化氢酶合成的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 T. aurantiacus 产过氧化氢酶的放大生产试验及应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 培养基
• 4.2.3 培养方法
• 4.2.4 分析方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 转速对菌体生长及合成CAT 的影响
• 4.3.2 发酵过程的放大
• 4.3.3 工业化规模发酵罐的放大研究
• 4.3.4 粗酶的初步性能评价及应用
• 4.4 本章小结
• 2^－胁迫下T. aurantiacus WSH03-01 应激反应的研究'>第五章 活性氧O₂^－胁迫下T. aurantiacus WSH03-01 应激反应的研究
• 5.1 引言
• 5.2 材料与方法
• 5.2.1 菌种
• 5.2.2 培养基
• 5.2.3 培养方法
• 5.2.4 分析方法
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 添加金属离子产生的活性氧对菌体产酶的影响
• 5.3.2 不同溶氧水平下添加甲萘醌对菌体的影响
• 2^-对菌体合成SOD 和CAT 的影响'>5.3.3 黄嘌呤和黄嘌呤氧化酶系统产生的外源O₂^-对菌体合成SOD 和CAT 的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢