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短梗霉多糖(pullulan)是由出芽短梗霉菌株(Aureobasidium pullulans)生产的胞外多糖。具有易溶于水、不凝胶化、不老化和无任何毒性等优良特点,可以应用到食品、医药、化妆品等行业,并且可以被微生物降解,不会对环境造成污染,是很有发展前途的微生物多糖。本文以出芽短梗霉G-58为生产菌株,以实现发酵过程的高产量、高转化率、高生产强度为主要研究目标,主要研究内容包括:(1)短梗霉多糖摇瓶发酵的培养条件;(2)温度,pH和溶氧对短梗霉多糖分批发酵过程的影响及其优化控制策略;(3)短梗霉多糖分批发酵的动力学模型。通过以上研究得到如下结果:(1)摇瓶最适培养条件为:蔗糖50g/L,硫酸铵0.652g/L,磷酸氢二钾5.892g/L,硫酸镁0.5g/L,氯化钠4g/L,酵母膏0.4g/L,种龄为36h,接种量为3%,初始pH6.0,培养温度为28℃,装液量为50mL/250mL。多糖产量24.65±0.98g/L,比优化前提高28.4%。另外,在Placket-Burman设计中发现氮源和磷源是影响多糖产量的重要因素。(2)在摇瓶发酵条件优化的基础上,采用5L小型发酵罐,对短梗霉多糖的分批发酵过程进行了研究。结果表明:搅拌转速300r/min和pH6.0为菌体生长和多糖合成的适宜条件。较高的发酵温度(34℃)适合菌体生长,而较低的温度(28℃)有利于多糖的合成,基于不同温度下的动力学参数,提出了分阶段温度控制策略:即0-48h,发酵温度为34℃,48h后将温度切换至28℃。经实验验证:最高多糖产量、生产强度和底物转化率比单一温度下的最大值分别提高了22.8%,50.3%和8.87%。(3)基于分批发酵实验结果,对短梗霉多糖发酵过程动力学的模型化进行了研究。采用Logistic方程和Luedeking-Piret方程,建立了菌体生长、产物合成和底物消耗动力学模型。应用1stopt国产优化软件对模型参数估计和非线性曲线拟合,采用的算法为修正高斯牛顿法和通用全局优化算法,以均方差和最小为目标,获得待估参数。非线性拟合得到的3个发酵动力学的数学模型为:菌体生长动力学模型:产物合成动力学模型: P ( t)= 1.245X(t)-4.374+2.037ln(7.842+0.759et)底物消耗动力学模型: S ( t)= 58.99-1.237X(t)-3.284ln(7.842+0.759et)结果表明模型的相对误差较小,能很好地反映出芽短梗霉生产短梗霉多糖的分批发酵过程,为实验数据的模拟放大,以及从分批发酵过渡到补料发酵乃至连续发酵提供了理论基础。