摘 要

枯草芽孢杆菌作为在微生物采油方面有着突出表现的菌种，对日益紧张的石油资源有着特殊的意义。为了在工业中满足枯草芽孢杆菌的大批量生产，同时产品适应长时间远距离储存和运输，本课题探索了喷雾干燥的条件对于制备枯草芽孢杆菌菌剂成品质量的影响，并对菌剂成品质量的相关检验项目如含水量，活菌数等进行多次检测进行验证。实验结果表明：干燥保护剂乳糖的保护效果最好，乳糖的最适浓度为15%，最适进料速度为600 mL/h，最适宜的进风温度为120℃；最适起始菌浓为将发酵原液进行10倍浓缩。采用本实验得出的最适喷雾干燥工艺条件，干燥前的菌浓为7.6×10⁹CFU/mL，干燥后的菌浓为4.5×10⁹CFU/mL，喷雾干燥后菌种存活率为59%，干燥后芽孢率60 %。

关键词：菌粉制剂；枯草芽孢杆菌；喷雾干燥

Preparation of Bacillus subtilis by spray drying

ABSTRACT

Bacillus subtilis, as an outstanding strain in microbial oil production, has a special significance for the increasingly tight oil resources. In order to meet the needs of mass production in industry of Bacillus subtilis, and make sure the products can be stored for long time and be transported to somewhere are in far distance, this paper explores the effects to the quality of Bacillus subtilis products due to the conditions of spray drying preparation. This paper also measures the number of survival bacteria before spray drying and after spray drying, and calculates the water contents, the survival rate and the bacterial spore rate of biomass after spray drying. The experimental results show that lactose has the best protective effect of drying protective agent. The optimum concentration of lactose was 15%. The best optimum temperature is 120 ℃. The optimal feed rate is 600 mL/h. The optimum initial concentration for fermentation liquid was concentrated 10 times. Under the most optimum process of spray drying, the concentration of bacteria before drying was 7.6*10⁹ CFU/mL, and the concentration of dried bacteria was 4.5*10⁹ CFU/mL. After the most optimum spray drying, the survival rate of the bacteria was 59 %, and the rate of bacteria spore after drying was 60 %.

Keywords: concentrated inoculants; Bacillus subtilis; spray drying

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 研究背景 1

1.2 菌剂制备的方法 1

1.2.1 真空冷冻干燥法 2

1.2.2喷雾干燥法 2

1.2.3喷雾干燥工艺的研究现状 3

1.3研究目的及意义 3

第二章 实验材料与方法 5

2.1 实验材料 5

2.1.1 菌株 5

2.1.2 培养基 5

2.1.3 实验试剂 5

2.1.4 实验设备 6

2.2 实验方法 6

2.2.1 分析方法 6

2.2.2 培养方法 7

2.2.3 喷雾干燥保护剂种类的优化 7

2.2.4 不同浓度保护剂的优化 7

2.2.5 进风温度的优化 8

2.2.6 进料速度的优化 8

2.2.7 起始菌浓的优化 8

第三章 实验结果与讨论 9

3.1保护剂种类对枯草芽孢杆菌喷雾干燥的影响 9

3.2 不同浓度乳糖保护剂对枯草芽孢杆菌喷雾干燥影响 10

3.3 进风温度对枯草芽孢杆菌喷雾干燥的影响 10

3.4 进料速度对枯草芽孢杆菌喷雾干燥的影响 11

3.5 起始菌浓对枯草芽孢杆菌喷雾干燥的影响 12

第四章 结论与展望 14

4.1 小结 14

4.2 展望 14

参考文献 15

致谢 17

第一章 文献综述

1.1 研究背景

石油在当今社会属于非再生能源，在过去和现在的工业化进程中都发挥着不可或缺的作用。就目前全球资源紧缺的现状，需要我们采用更有效的科学手段来提高能源的利用率，表现在石油产业方面主要是改善采油相关的技术，提高石油生产能力^[1]。枯草芽孢杆菌被发现是一株可以应用于微生物采油的优势菌种。通过高密度培养的技术手段，将高浓度的发酵液，制备成浓缩型菌粉，不仅操作简单方便，而且菌剂易于携带，可降低现场运输成本。

枯草芽孢杆菌归属于内生抗逆孢子的细菌，在社会中的多个行业都有应用，是芽孢杆菌属的一种。^[2]，在自然界中大多分布于泥土，河湖，动植物体表等地。它生长繁殖快，对人类无毒害作用，且能够生成大量的酶系类物质^[3]。枯草芽孢杆菌可以压制某些病原菌的活性，对有益微生物的成长有利，应用于饲料中可改善养殖动物的肠胃功能。枯草芽孢杆菌在处于恶劣，对生存不利情况时，会在体内长出具有很强免疫抵抗力的芽孢来保护自己。根据“渗透调节皮层膨胀学说”：有可变化合价的阳离子及水分通过芽孢衣时较困难，而皮层存在极高浓度的离子液体，导致细胞内部产生较大浓度差异，因此细胞中心的器官中由于压差只存在极少的水分，所以枯草芽孢杆菌有一定抗热能力，对高压、酸碱毒物、氧气等不良因素承受力也较强。由上可知枯草芽孢杆菌具有耐恶劣条件的特质，在喷雾干燥和冷冻干燥等工业生产过程中，制成的成品质量稳定，活性高 ^[4]。

1.2 菌剂制备的方法

发酵菌剂的制备应遵循菌种存活率高，有利于长期保存和运输，适合工业化大批量生产等原则。目前微生物菌种经过增殖活化培养，浓缩后，经干燥制成品质稳定的菌粉。制备发酵用粉状菌剂常采用的干燥法有两种，分别是真空冷冻干燥法和喷雾干燥法 ^[5]。

1.2.1 真空冷冻干燥法

真空冷冻干燥法是采用冰在一定条件下能升华的性质，将生产原料在低温下冷冻，而后原料在真空环境中，固相的水分省略变成液相的中间环节成为气相，而一般真空干燥原产品中的水分是由水转变成水汽蒸发进行干燥，因而冷冻干燥也叫冷冻升华干燥^[6]。

真空冷冻干燥法的优缺点如下^[7]：（1）含水的生物样品，水分由固相从原料中迁移转化为气相，在此过程中原料保持原状不收缩，干燥后的产品保持原来的物理状态，如蓬松，多孔等真空冷冻干燥后仍能保持此种特质。（2）此种干燥方法原料在真空，低温的条件下进行干燥，对产品品质损伤较小，当干燥时通入惰性气体时，可以保证有燃烧性和易氧化的产品的质量。（3）真空冷冻干燥后的物料质量极轻，水分含量低，适合长时间保存。（4）此方法干燥后的产品复水后与原料相比差别不大，能保留原材料中人们喜爱的部分。（5）干燥过程中可以回收挥发的液体，循环利用，降低成本，但真空冷冻干燥需间歇操作，不能连续生产。（6）真空冷冻干燥热量消耗少，但是一次投资成本较高，工业化生产中无法普遍使用。

1.2.2喷雾干燥法

喷雾干燥法是将需要干燥的原乳浊液或糊状料液经过口径很细的压力入口喷洒为极细小的雾滴之后，在温度较高的环境中瞬间汽化，最终生成末状制剂^[8]。