木糖在木质纤维素中是仅次于葡萄糖的第二大糖类,利用氧化葡萄糖酸杆菌氧化木糖生产木糖酸被认为是高效利用木糖的途径之一。其中氧传质是影响氧化葡萄糖酸杆菌木糖酸生产效率的关键性因素。本文通过氧化葡萄糖酸杆菌在不同氧传质条件下氧化木糖生产木糖酸的分批发酵实验,首先研究了氧传递系数kLa对木糖酸的产量、单位体积生产率以及细胞呼吸强度的影响以及氧传递速率和氧消耗速率之间动态关系,其次基于Monod方程建立受氧限制的比耗氧速率模型、以及根据不同氧传质条件构建氧化葡萄糖酸杆菌的发酵动力学模型,最后研究活性炭颗粒对氧化葡萄糖酸杆菌产木糖酸过程中氧传质强化作用,探究了不同固体体积分数、粒径、以及工艺条件对氧传质系数增强因子和木糖酸发酵性能的影响,具体内容如下:1.本论文首先探究了在氧化葡萄糖酸杆菌以木糖为底物好氧发酵生产木糖酸过程中,氧传递速率和氧消耗速率的匹配关系对木糖酸生产的影响。研究结果表明当初始菌体浓度固定,当氧传递系数小于阈值时木糖酸的生产效率随着氧传递系数增加而增加。当菌体浓度为1 g/L和1.5 g/L时,分别在阈值kLa为105.5 h-1、134.2 h-1条件下达到最大的木糖酸单位体积生产率6.0 g/L/h和9.0 g/L/h。而菌体浓度为2 g/L时在实验范围内最大的kLa(400h-1)条件下,单位体积生产率仅为10.15 g/L/h,未达到单位质量菌体的最大生产效率。2.溶氧作为氧化葡萄糖酸杆菌发酵过程中限制性因素,溶氧浓度与细胞呼吸强度的关系符合Monod方程,拟合得到氧化葡萄糖酸杆菌的氧饱和常数KO2为0.0123 mmol/L和理论最大呼吸强度约为19.00 mmol O2/g X/h,实际测定最大的细胞呼吸强度为18.1 mmol O2/g X/h。在上述研究的基础上分别构建了以氧传递、氧消耗、氧传递及氧消耗为限速步骤的三种不同模式的发酵动力学以及得到了氧化葡萄糖酸杆菌的动力学参数米氏常数Km约为0.019 mol/L和理论最大特定比生产率为6.97 g/gx/h。通过响应面实验得到最佳操作条件搅拌速度728 rpm,通气速率7 L/min,菌体浓度1.11 g/L,氧化葡萄糖酸杆菌在最佳操作条件下以木糖为底物发酵12 h后实现了最高的特定比生产率6.64±0.20 g/gx/h,与理论最大值6.97 g/gx/h较为接近。3.采用活性炭颗粒能增强氧传质,在优化后的添加条件粒径19μm、固体体积分数0.002%下氧传质增强因子E达到最大为1.49。当以固相体积分数0.002%、粒径19μm为氧化葡萄糖酸杆菌摇瓶发酵产木糖酸添加条件,产量与对照组相比提高了1.51倍。优化了添加活性炭颗粒后在5 L发酵罐中的操作条件,在最佳条件粒径19μm、固体体积分数0.002%、搅拌转速800 rpm、通气量4 L/min下对2 g/L氧化葡萄糖酸杆菌进行发酵培养,k La为520.7 h-1与不添加活性炭颗粒的kLa相比提高了40.4%,木糖酸的单位体积生产率达到13.04 g/L/h,特定比生产率达到6.52 g/gx/h接近理论最大特定比生产率。