棕鞭金藻异养-光照耦合高密度培养生产岩藻黄素条件优化

为探究棕鞭金藻生产岩藻黄素的综合性能,以期建立高效合成岩藻黄素的发酵工艺,研究首先对金藻发酵培养基中的碳氮比、维生素添加量进行优化。结果表明,当碳氮比为24、维生素添加量为3.75 mg/L维生素B_(1)和1.25 mg/L维生素B_(12)时,有利于金藻细胞内的岩藻黄素高效合成。此外,通过调控金藻光/暗培养模式,对其在不同条件下的细胞生长、最大光合效率和岩藻黄素积累情况进行比较研究,结果显示从种子培养到上罐发酵全过程进行光诱导后,胞内岩藻黄素含量显著提升。通过系统优化,金藻发酵后的胞内岩藻黄素含量和产量分别达到1.79 mg/g和33.6 mg/L,比优化前的发酵水平提高33.6%和31.2%。研究利用发酵优化技术强化了棕鞭金藻的岩藻黄素积累,为后续进一步进行大规模过程放大奠定了前期基础,也为其他微藻生产岩藻黄素提供了借鉴和参考。

木质纤维素丁酸预处理及其高效合成丁醇的调控

利用可再生的木质纤维素资源生产丁醇等液态燃料,可以实现农林废弃生物质的高值转化。以典型农林废弃物玉米秸秆为研究对象,选取丁醇生物合成前体物质丁酸作为预处理剂,拟建立生物质高效解聚/酶解及丁醇合成的优化工艺。结果表明:在180℃、50 g/L丁酸溶液中预处理0.5 h后,固体组分中的葡聚糖质量分数提高至47.25%,葡聚糖质量回收率达88.53%;在此预处理工艺下将固体组分进行酶解,当固液比和纤维素酶添加量分别为1∶5(g∶mL)和10 FPU/g底物时,酶解72 h的葡萄糖质量浓度达到70.8 g/L。这说明丁酸预处理可以有效破解玉米秸秆的复杂结构,进而提高纤维素酶的可及度。以丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum ATCC 824)为发酵菌株,探究了秸秆酶解得到的葡萄糖和预处理残余丁酸作为底物进行丁醇合成的性能。当利用秸秆酶解产生的葡萄糖作为补料碳源时,丁醇产量从4.89 g/L提高到9.34 g/L。将秸秆酶解液和残余丁酸作为共底物补料时,发酵结束时的丁醇产量和生产效率分别达到10.58 g/L和0.147 g/(L·h),比对照组提高了116%,这表明酶解葡萄糖和丁酸可以提高细胞中丁醇合成通路的代谢强度,实现了丁酸预处理条件下玉米秸秆高效合成燃料丁醇的目标。研究结果可为利用农林废弃物资源生产生物燃料提供理论和技术支撑。

工程教育视野下“微生物学”课程教学改革探索

为满足工程教育专业认证基本要求,以生物工程专业的核心专业课程“微生物学”为研究对象,指出该课程的课程定位与工程教育的联系,分析该课程目前存在的不足之处,从教学内容、授课方式、实践能力培养及考核形式等四个方面进行初步探讨并提出改革思路,致力于培养学生将该课程基础知识应用于实践的能力,为满足工程教育专业认证背景下“微生物学”课程的达成要求以及进一步提高同类课程教学水平提供借鉴。

混合碳源发酵生产头孢菌素C过程优化

本文对头孢菌素C(Cephalospofin C,CPC)发酵过程中碳源补料控制策略进行了优化研究,提出了一种基于DO-Stat的混合碳源流加策略,提高了发酵整体性能。在7L发酵罐上对使用该策略和传统补油策略的头孢茵素发酵性能进行比较,结果表明,采用补加混合碳源(葡萄糖+豆油)策略时,CPC终浓度最高,达到36.99 g/L,CPC得率也从使用传统单纯补油策略时的11.39%提高到22.19%,代谢副产物去乙酰氧头孢菌素c(DAOC)的积累量少,DAOC/CPC只有0.38%,达到生产要求。

工程教育专业认证背景下仪器分析课程的教学改革探索

基于工程教育专业认证的基本要求,本文以生物工程专业开设的仪器分析课程为研究对象,分析了该课程目前存在的问题和不足,从教学大纲制定、课程教学内容体系、实践教学模式和考核方式等方面提出改革思路,可为同类课程提供借鉴。

外添少量电子受体强化丙丁梭菌丙酮-丁醇-乙醇发酵的丁醇合成

强化利用丙丁梭菌发酵生产丁醇的主要方法有:添加电子载体强化NADH再生速率、通CO气体抑制氢化酶活性、外添少量丁酸等。但是,上述方法存在着总溶剂产量低、精制成本高、辅料价格昂贵等缺点。本研究通过向丙酮-丁醇-乙醇(ABE)发酵液添加少量电子受体(Na_2SO_4/CaSO_4,2g/L),使得梭菌胞内的电子穿梭传递系统的电子流和质子流发生改变,较多电子e~–和质子H^+走向NADH合成途径,有利于丁醇合成;电子受体添加还可以促进对梭菌生存/丁醇合成的"有益"氨基酸、特别是缬氨酸的胞内积累/分泌,进一步强化了丁醇生产。在7L罐规模的发酵条件下、添加2g/L的电子受体Na_2SO_4,ABE发酵的丁醇浓度达到12.96g/L的最高水平,丁醇/丙酮比也有提高,分别比对照组提高35%和10%。添加Na_2SO_4等廉价电子受体提高了ABE发酵中的丁醇浓度,虽然提高幅度有限,但却可为利用发酵工程技术提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比提供一种新的途径。

丙丁梭菌/酿酒酵母混合培养耦联乙酸外添强化丙酮合成─侧重LCA的ABE发酵

提出梭菌/酵母混合培养耦联乙酸外添体系强化丙酮合成的ABE发酵新策略,可以同时强化丁醇特别是丙酮的合成。与对照组相比,外添化学合成乙酸时,丁醇、丙酮质量浓度和丙酮/丁醇质量比分别达到13.91、8.27 g/L和0.59,增幅分别为19.6%、41.1%和18.0%;外添廉价的乙酸发酵上清液时,相应的发酵指标达到14.23、8.55 g/L和0.60,增幅分别为22.4%、46.0%和20.0%,发酵原料成本降低、丙酮发酵生产的可行性提高。结果表明,该发酵策略可刺激有利于梭菌生存和丁醇合成的4种氨基酸的分泌;可以在保证丁醇正常合成的前提下,适度抑制NADH再生、降低细胞能量周转、强化丙酮生物合成,进而显著改善了ABE发酵性能。

丁酸胁迫耦联丙酮丁醇梭菌-酿酒酵母混合培养强化丁醇发酵性能

为改善丁醇发酵性能,提出丁酸胁迫与丙酮丁醇梭菌-酿酒酵母混合培养体系协同作用的新型丁醇发酵优化控制策略。7 L发酵罐中,在溶剂生产期(24 h)添加4.0 g/L-broth的丁酸浓缩液和0.2 g-DCW/L-broth的酿酒酵母进行发酵,丁醇浓度、丁醇/丙酮比和总溶剂生产效率与对照相比分别提高35%、43%和79%,达到15.74 g/L、2.83和0.52 g/L/h的最高水平。若将精馏后溶剂混合物作为高效柴油添加剂,柴油添加剂中B∶A∶E比例可达74∶17∶9(w/w)的高水平,产品质量获得显著改善。试验及分析阐明该优化控制策略可大幅诱发赖氨酸的分泌及在梭菌中的吸收/利用,提高梭菌对高丁醇浓度环境的耐受能力,促进丁醇合成;可强化梭菌对底物利用的竞争能力、提高电子往复穿梭传递系统中还原力再生速率、产生更多用于丁醇合成的NADH。两者的协同作用大幅提高了丁醇发酵的整体性能。

木质纤维素预处理衍生抑制物对产溶剂梭菌的胁迫机制及解抑制策略研究

产溶剂梭菌利用木质纤维素类生物质生产丁醇等液态燃料,是缓解当前能源紧缺、温室气体过量排放的有效途径之一。预处理操作是木质纤维素生物转化的关键步骤,而在此过程中衍生的一系列发酵抑制物是限制其高效/高值转化的主要瓶颈;了解木质纤维素在不同预处理条件下的抑制物衍生特征、解析产溶剂梭菌对该类物质的胁迫响应机制,并建立高效的解抑制工程策略,是实现梭菌高效合成生物丁醇的关键。基于此,首先,介绍多种预处理工艺的优缺点及衍生抑制物种类和质量浓度特征,其次,阐述产溶剂梭菌对主要预处理抑制物的胁迫响应机制,并重点介绍各类高效的解抑制工程策略。最后,展望了木质纤维素高效转化生产燃料的发展趋势,探讨包括应用人工神经网络辅助的预处理工艺优化、基于适应性实验室进化策略和合成生物学等技术手段强化菌株耐受抑制物的鲁棒性能等研究方向。本文将为木质纤维素资源转化和生物丁醇的高效生产提供借鉴。

基于工程教育专业认证下的生物反应工程课程教学改革

为了满足工程教育专业认证的要求,分析了生物工程专业开设的生物反应工程课程教学工作的不足,从教学内容、教学形式、考核方式三方面对生物反应工程课程的教学改革工作进行了初步的探讨,为进一步提升教学水平提供了参考。

以“金课”建设为契机的地方工科院校课程改革探索

以"金课"建设为契机,根据地方工科院校的专业特点,探讨了目前课程教学的特点及不足,从课程体系及教学大纲、教学评价、虚拟仿真课程建设和优秀教学团队建设等四个方面提出了改革思路,为同行高校提供借鉴。

典型工业发酵过程环境变化下的细胞自适应行为与系统优化

工业发酵过程中,当细胞遭受到极端环境胁迫或剧烈环境变化时,细胞必须要作出必要的举动来适应环境的剧烈变化。细胞的自适应行为有可能不能应对剧烈的环境变化,导致发酵失败;但也有可能产生意想不到的效果,改善发酵性能。文中以毕赤酵母Pichia pastoris生产异源蛋白和丁醇发酵过程为例,阐述了环境变化条件下的细胞自适应行为及其基于自适应行为的发酵过程优化方法和策略,为利用基于细胞自适应行为的发酵过程优化提供参考。

以玉米粉/废弃毕赤酵母为混合原料高效发酵丁醇

丙酮丁醇梭菌发酵生产ABE(丙酮-丁醇-乙醇)溶剂的传统原料是玉米淀粉,价格贵,生产基本亏损.重组毕赤酵母废弃物含有丰富的碳水化合物和蛋白质,有望替代淀粉原料.采用NaOH处理固态废弃毕赤酵母形成废酵母固/液悬浊液,发酵通过降低初始玉米粉用量并在ABE发酵进入到产溶剂期后添加废酵母悬浊液进行.对初始玉米粉用量、废酵母/NaOH投料量进行了优化,结果表明:它们的最佳用量分别为8%、80 g/L、6-10 g/L.在此条件下,100 mL厌氧瓶下的丁醇产量可以稳定在9.0-12.0 g/L的较高水平,比8%玉米粉培养基的对照提高80%-120%,与15%玉米粉培养基的对照基本持平;与对照组相比,总糖的利用效率可以从50%大幅提高到超过90%的水平;玉米粉用量可以节省57%以上;酵母废弃物最多有52%的碳水化合物可以有效地转化成气体/液体产物.本研究表明以玉米粉/废弃毕赤酵母为混合原料发酵丁醇,可以同时实现固体废物的资源化和减量化、淀粉原料的高效利用和节省化,提高了ABE发酵的综合经济性能.

限制葡萄糖、葡萄糖/乙酸双底物条件下自由控制丙丁梭菌ABE发酵丙酮浓度和丙酮/丁醇比

提出一种可以提高和自由控制丙丁梭菌ABE发酵丙酮浓度与丙酮/丁醇比的方法。（1）通过控制糖化酶用量、反应时间和温度调节玉米培养基初始葡萄糖浓度,使发酵进入到产溶剂期后,残留葡萄糖浓度降至接近于0 g/L的水平;（2）在葡萄糖受限的条件下,诱导丙丁梭菌合成分泌糖化酶,分解寡糖,将葡萄糖维持于低浓度,进而限制梭菌胞内糖酵解途径的碳代谢和NADH生成速度。与此同时,外添乙酸形成葡萄糖/乙酸双底物环境。在能量代谢基本不受破坏、丁醇未达到抑制浓度的条件下,适度抑制丁醇生产,有效地利用外添乙酸强化丙酮合成;（3）在外添乙酸的基础上,添加适量酿酒酵母,形成丙丁梭菌/酿酒酵母混合发酵体系,提高梭菌对高丁醇浓度的耐受能力。整个发酵体系可以将丙酮浓度和丙酮/丁醇比自由控制在5~12 g/L和0.5~1.0的水平,最大丙酮浓度和丙酮/丁醇比达到11.74 g/L和1.02,并可维持丁醇浓度于10~14 g/L的正常水平,充分满足工业ABE发酵对于丙酮和丁醇产品的不同需求。