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1、中文译文黑曲霉利用香蕉提取物生产柠檬酸摘要： 将香蕉提取物作为碳源进行柠檬酸生产的实验。使用的是微生物黑曲霉菌株。 对不同类型的生物反应器进行了测试：泡沫柱反应器和搅拌反应器，对于搅拌反应器两种不同类型的叶轮在不同转速的条件下进行了研究：六片桨叶的涡轮桨和赖特宁架A310涡轮。在测试过程中对各个参数进行了测量：生化性能（生物量w/v和霉的直径）、化学性能（总糖和柠檬酸的浓度）和物理性能（溶解氧分压DOT；氧摄取率OUR；粘性；气体/液体的体积传质系数，)。结果表明柠檬酸的产量与微生物的形态有严格的联系；霉必须以颗粒的形式生长，如在泡沫柱反应器总提供温和的环境中进行；另外，随着机械的搅拌，霉的颗
2、粒状态被破坏，霉的形态变为丝状，并且柠檬酸的产量明显减少。对发酵结果进行讨论，以达到更好的了解影响扩大生产规模的主要因素。关键词：柠檬酸、黑曲霉、混合、泡沫柱反应器、搅拌器、叶轮、农业产品、物理参数注释： 溶解氧浓度（千克/立方米） 平衡溶解氧浓度（千克/立方米） 校准溶解氧浓度（千克/立方米） D 叶轮直径（mm） D 颗粒的平均直径mm DOT 溶解氧分压 DOT* 平衡溶解氧分压 溶解氧分压的变化在图表2区域c中(1/s) 溶解氧分压在图表2的区域a中 平均流速梯度 体积传质系数（1/s)N 搅拌转速（每分钟转数） 功率数 抽号OUR 氧摄取率（千克/立方米小时）P 柠檬酸浓度（千克/立
3、方米） 体积功耗（瓦/立方米）Q 体积气体流速RI 流变指数S 底物浓度（千克/立方米）T 时间（秒，小时，天）T 温度（）X 生物量浓度(千克/立方米） 生物产量 柠檬酸产量 液体表观粘度备注： o 初始条件 f 最后条件简介： 最近在先进的工业国家，柠檬酸消耗量的增加主要是在食品和制药工业（约占到总需求的70%）方面，以及用于生物降解，用于生物降解的这种性能表明柠檬酸能够代替磷作为洗涤剂从而能控制环境的污染。这些需求似乎预测在将来柠檬酸有一个更大的需求。在这种情况下，利用农业残留物作为碳源生产柠檬酸似乎是对于柠檬酸生产和废物回收处理这两个问题解决的恰当选择。在关于经过深层通风发酵进行柠檬酸
4、生产的报告中，由选定的黑曲霉或者念珠菌进行碳源（葡萄糖、蔗糖糖浆、甘蔗和甜菜糖蜜、水解淀粉）的生物氧化。最广泛应用的工业微生物是黑曲霉，因为它能在极端的PH=2时生产能力仍然能够增长，并且不产生有毒物质，同时能够抑制黄曲霉。使用最广泛的工业原料是甜菜糖蜜，这种甜菜糖蜜是蔗糖生产的副产品。然而，在最几年，随着制糖过程的能力的提高，糖浆中的糖分的总量减少，所以糖浆的发酵能力也降低了。所以在最近几年，人们提出了用水解淀粉进行生产的新的工艺。在这种情况下，可以考虑利用农业废弃物。对于黑曲霉来说，蔗糖、果糖和葡萄糖都是最好的发酵碳源，而这些糖类又是成熟水果的主要成分。这表明可以使用水果作为发酵培养基的碳
5、源。之前，通过使用黑曲霉进行的农业废弃物（尤其是香蕉属）的生物氧化已经表明使用单孢子技术的可行性。现在我们工作的目的是检查在实验室规模的生物反应器中进行的柠檬酸的生产，然后来确定与利用香蕉提取物来进行大规模生产柠檬酸之间存在的主要的问题。为了实现这个目标，不同类型的反应器（充入空气或者氧气的鼓泡器，配置不同类型的叶轮的搅拌器）已经被用来创造这种可以产生颗粒的生产条件，这种生产条件是扩大柠檬酸产量所必需的。研究方法：发酵培养基和微生物之前的研究发现，黑曲霉B60似乎是用香蕉类原料生产生产柠檬酸的最佳菌株。在这里提到的黑曲霉B60已经使用过了；1989年，皮特发现这种微生物应该保存在麦芽琼脂培养基
6、，放置在40的环境中。 孢子培养需要在温和的舒和约翰逊培养基中，通过使用三次连续的传输媒介。第四次转移的分生孢子通过加入10ml 0.2%的生理盐水来生产孢子悬浮液，这是用来制备接种的菌株的，接种的孢子悬浮液的量为2个孢子/立方米。在揺瓶的条件下，经过48小时后，形成的为微生物颗粒要用无菌水冲洗5次，然后接种到反应器中，使得反应器中孢子浓度达到5个/立方米。 塞西精制的发酵培养基：香蕉在蒸馏水中煮沸捣碎2小时，糖类从中提取出来，然后混合物在转速为5500的条件下离心分离出悬浮固体，随后为了抑制如铁离子，尤其是锰离子等重金属离子，向溶液中加入黄血盐。表1给出了测试的香蕉提取物的组成。 表格1 香
7、蕉提取物的组成总糖 g/l110氮 ppm400磷 ppm200镁 ppm130锌 ppm1铁 ppm0.1铜 ppm缺失锰 ppm0.010PH5.5反应器： 在批量处理过程中，我们用到了两种不同类型的反应器：一种是搅拌式反应器（STR),扎尔伯G14可加入10L的发酵液；另一种是容量为2L的泡沫柱反应器（BCR）。在这两种反应器中，温度控制在（301）的范围内，测定PH值和DOT值。在搅拌式反应器中要控制搅拌速度。 测试了搅拌式反应器的两种不同的叶轮对于发酵过程的影响：六片桨叶的涡轮桨和赖特宁架A310涡轮桨。它们用到了两种不同的进气装置：喷射器在距离底部55mm的径向涡轮和钻孔在距离底部
8、77mm的轴流式涡轮。 在表格2中，列出了叶轮的主要的结构和功能的特性。PH的测定使用探针，同时氧气的测量是通过测定氧气的探针。泡沫柱反应器是由4个树脂玻璃制成的管子组装而成的，其直径为60mm，高度为30mm，每个管子都有一个小孔，能够接收到测定PH和溶解氧以及温度感应器带来的信息。在容器中，安装样品管子。通过一个烧结的有一个1640um气孔，直径为70mm,厚度4mm的玻璃圆盘，气体在此扩散。柱子的上部有一个旋转的泡沫破坏器；PH的测量通过一个汉纳8424探针，同时氧气的测量是用一个96/s的537型氧气计探针测量。图表1是两个反应器的示意图：分析和其他测量： 在发酵的过程中，测量了几个参
9、数：总糖浓度的测定是通过费林试剂法，柠檬酸的浓度是通过酶学方法，生物量是通过颗粒直径和干重浓度进行测定。第一次的平均值为30100颗粒直径测量在100倍显微镜下或直接由口径测量而来，后者通过称重在5500转速的条件下运行15分钟后的10毫升样本，用10毫升自来水冲洗三次，然后在105摄氏度的条件下干燥24小时。 物理测定的方法：溶解氧分压，通过将氧探针插入发酵液中；氧摄取率和气体/液体提及传质系数，通过苹果电脑获得前端动态的手段。我们通过停止氧气的进料（空气或者纯氧气）以及记录溶解氧分压随时间的变化来评估氧摄取率；这个装置能够记录在2Hz的频率下溶解氧分压的值。图表2中显示了溶解氧分压的一个典
10、型曲线。 供气时，氧平衡可以写作： （1） 假定沿着反映路径的气相组成为常数。量氧计测量了溶解氧分压的值；饱和条件下的百分数；可以表示为溶解氧的函数以及校准饱和状态： （2）忽略了在测量期间的变化。 当停止进气时，方程式（1）的第二个元素变为0，方程式可以变为 （3） 假设氧摄取率不依赖于图表2中的(在连续区域c中）；考虑到溶解氧分压，在停止通气（图表2中的a区域）前，测量校准的溶解氧分压的值。气液传质系数可以表示为： （4） 图表1：搅拌式反应器和泡沫柱反应器的剖视图（A）搅拌式反应器a取样管 b排气喷嘴 c探头和气体喷嘴 d管壁 e气体分布器 f水平拉杆 g换热器挡板 h恒温水进口 i搅拌
11、器 l恒温水出口 m温度探测器（B）泡沫柱反应器a气体出口管 b消泡器 c探头和气体喷嘴 d气体出口管 e气体分布器 f取样管图表2 ：在一个氧摄取率的条件下，典型的溶解氧分压的变化 1气体入口停止时间 2气体入口开始时间 a发酵区域 b脱气区 c直线下降区域 d限制区域 e通气区域 如果在发酵过程，氧探头校准气相相同，那么=并且DOT*=100。 在方程式4中方程式1的瞬间状态可以不必考虑，因为这被证实是可以忽略不计的。图表2中实际的曲线的形状取决于记录装置的弛豫时间，即探头的反应时间和搅拌系统的反应能力。 已经证实了空隙时间与没有关联。Koizumi and Aiba 发现：在直线区域的曲
12、线斜率，氧摄取率和的测定几乎不受弛豫时间的影响。 为了测定和，运用了两种不同的方法：一种是依赖于压力测量的物理方法，第二种是依赖于测定液相中氧气的浓度的酶学方法。第一种方法更加准确，但是需要数量较大的样本（100ml）；酶学方法只需要20ul的样品，但是操作复杂，不易重现。由于以上原因，我们采用第一种方法。图表3是一个使用设备的示意图：图表3：测量的实验装置A气体区域 B液体区域a储气气球 b 温度探头 c玻璃盘 d底阀 e电磁搅拌器1恒温槽出水口 2气体流动管 3压力计 4真空泵在不同糖浓度的条件下测量，结果在表格3中。按照奎克的观点，他可能能够确定与糖浓度的关系，正如表格4中所表示的系时候
13、的香蕉提取物。在每一个发酵过程的开始和结束都要测量。 液体培养基的表观粘度可以通过仪器来确定。该方法实在一直旋转速度的前提下，依赖于扭转阻力测量的。温度的控制是在300.5的恒温槽中进行。 实验测试 表格4列出了搅拌式反应器和泡沫柱反应器的操作条件。实验用泡沫柱反应器进行了测试，重复使用了纯氧来确定更高的氧分压的影响。用同样的发酵培养液来测试这6个所有项目；发酵培养基是从单一的香蕉批次中获得的，然后再添加化学成分达到表格1中列出的成分。通过在120的条件下加热完整的培养基0.5h,以达到灭菌的目的。对于所有的测试，采用同时抽样的方法，前48h取出15120ml的发酵样品（根据测量的参数），之后每4个小时，然后每12个小时取出发酵液。测量每个样品的总糖和柠檬酸的浓度，生物量干重和颗粒平均直径。也要测量下面的屋里参量：PH值，DOT，OUR和，同时液体表观粘度也要每隔24小时测量一次。表格5中是每个试验的初始条件。表格3：在不同发酵培养基中氧气的饱和值 表格4：试验过程的物理条件表格5：试验的初始条件表格6：试验的主要结果结果和讨论：在表格6中显示了用不同的反应器配置进行的留个试验获得的主要结果。使用泡沫柱反应器获得了柠檬酸的最高产量：50%的发酵糖可以转化为柠檬酸。用搅拌式反应器
