[发明专利]一种惰性吸附载体固态发酵细菌纤维素的方法

说明书

技术领域

本发明涉及发酵工程领域，特别涉及一种以汽爆秸秆为原料，采用惰性吸附载体固态发酵生产细菌纤维素的方法。

背景技术

纤维素是地球上最丰富的、与人类生活关系最密切的生物合成材料。纤维素广泛存在树木、棉花等植物中，也有少量存在于若干细菌和个别低级动物，纤维素是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键连接而成的链状高分子，具有(C₆H₁₀O₅)n的组成，是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。合成纤维素不只是植物具有的功能，某些微生物也可高效的合成纤维素，木醋杆菌(Acetobacter xylinumX-2简称Ax)就是其中的突出代表。由木醋杆菌合成的细菌纤维素的发现和化学定性早在1886年由Brown做了首次报道，而对它的特性认识和工业化应用直到100年后才而以实现。与传统植物纤维素相比，细菌纤维素有许多优良性能，如高纯度、高聚合度、高结晶度、高亲水性、高杨氏模量、高强度和纤维的纳米细度。由于这些特性，使其在食品、医药、化工、无纺织物等轻工领域成为一种很有潜力的新型生物材料。

木醋杆菌高效发酵细菌纤维素过程中培养基的组成对纤维素产量有很大的影响。木醋杆菌发酵细菌纤维素的培养基一般包括：作为碳源的葡萄糖(或果糖)、作为氮源的酵母提取物(或蛋白胨)、有机酸(如乳酸、醋酸、柠檬酸)、无机盐(如Na₂HPO₄或含Ga²⁺、Mg²⁺的盐)、有时还加入咖啡因、生物素等，通过某种优化方法寻求到最佳配比的发酵培养基，可大大提高纤维素产量。但是在此过程中生产成本会大大提高，所以目前一般将它作为高附加值产品。为进行大规模生产，就必需寻找低成本、来源广泛的原料，如米糠或去脂米糠、玉米浸出液、甘蔗汁、废糖蜜等来发酵生产纤维素，但这些原料因为纯度低导致产量很难提高。

作物秸秆是农作物生产系统中一项重要的生物资源。据不完全估计，全世界每年可产生近20亿t的秸秆。其主要是由纤维素、半纤维素和木质素三部分组成的，通过适当预处理后，小麦秸秆中纤维素含量增加，纤维素、半纤维素及木质素间的紧密结构被破坏。利用纤维素酶可使纤维素、半纤维素水解为可溶性糖，进而通过微生物发酵将生成的可溶性糖转化为清洁燃料——酒精或其它高附加值的产品(如细菌纤维素)。随着人们对化石能源危机的紧迫感与环境保护的必要性的意识的增强，人们对可再生的、环境友好型的生物基材料的研究与应用热情越来越高涨。而细菌纤维素作为一种工业生产中具有巨大商业前景的多糖聚合物，若能以低成本、来源广泛的生物质资源为出发原料，进行大规模生产，则可作为一种高附加值的生物基材料得到广泛应用。

在发酵工艺方面，目前在工业生产中细菌纤维素的培养方法大致分为静态法和动态法，两者均属液态深层发酵的范畴。静态法是指木醋杆菌静置培养，在发酵液表面产生纤维素膜。然而，静态培养过程中由于纤维素的形成会限制氧的有效传递，从而进一步限制了纤维素的合成。动态法是在机械搅拌罐或气升式生化反应器中通风培养木醋杆菌，可以在一定程度上解决溶氧困难的问题。但是，在动态发酵过程中，受剪切力的影响，菌体易向不产细菌纤维素的方向突变，从而降低产量。

因此改进发酵工艺得到理想的纤维素产量已成为细菌纤维素应用研究热点。例如，有报道称使用水平发酵罐(horizontal fermentors)，在培养过程中能通入充足的富氧空气，提高氧转换率，或采用二步发酵法——日本的Okiyarm和Shirage采用此法优化纤维素产生过程，与传统工业相比，经济效益显著。虽然这些方法相对于传统的发酵方法而言都在产量上有所提高，但这些方法都不能很好的解决供氧和降低菌种剪切损伤的之间的矛盾。因此在研究中，应通过充分结合静置培养和通风搅拌培养的优势而避免两者存在的问题。

从本世纪六十年代开始，出现了一种新的发酵方式，它以惰性固态载体为固态发酵过程中的固相，以吸附在载体上的培养液作为营养物，它的出现为固态发酵提供了新的思路，拓宽了应用前景。惰性载体固态发酵中的固态载体提供了微生物生长的巨大表面，使得微生物可以在通入少量或不需要通入空气或氧气的条件下，从外界中获得自身生长所需的氧气，从而提供了更有利于微生物生长代谢的环境。