玉米秸秆制取生物乙醇关键技术的研究

论文摘要

在国内外化石能源日益枯竭、环境不断恶化、寻找新型替代能源的呼声不断高涨的情况下,生物乙醇以其清洁、燃烧值高、原料丰富、可再生等优点赢得了全球的普遍关注。本论文正是在此情况下,对利用玉米秸秆为原料发酵生物乙醇进行研究。本文主要从富含纤维素原料的环境中筛选纤维素酶高产菌种,并以酸处理秸秆为底物发酵生产纤维素酶。利用刚果红培养基和CMC-Na培养基进行初筛和复筛,得到一株纤维素酶高产菌株。对其进行生物学鉴定,初步确定为Penicillium sp.CLF-Y。利用响应面优化法对Penicillium sp.CLF-Y的产酶培养基进行优化,得出优化模型,产酶培养基的优化组合为碳氮比14.65、液固比34.36、缓冲液体积13.29mL、秸秆：麦麸（g：g）7：3、装液量120mL、微量元素1.5mL、pH 5.2。β-D-葡萄糖苷酶活力达到1215.38u／L,较优化前提高了84.64%。由动力学研究得出β-D-葡萄糖苷酶的Km和Vmax分别为1.951mg／mL、0.427 mg／（mL-min）。最适反应温度为50℃,最适pH为4.8。粗酶液中加入甘油后,可提高纤维素酶的热稳定性,常温下其半衰期由216.6h增加到495.1h。通过对两种情况下ΔH*、ΔS*、ΔG*及活化能的计算,在另一方面证明了甘油可提高纤维素酶的热稳定性。利用Penicillium sp.CLF-Y合成的粗酶液水解酸处理秸秆后获得可发酵还原糖后,分别采用同步糖化发酵法和分步糖化发酵法对生物乙醇发酵工艺进行研究,得出两种工艺条件下秸秆的乙醇得率分别为0.176g／gDCS和0.128g／gDCS。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外能源现状
• 1.2 木质纤维素
• 1.2.1 木质纤维素的组成
• 1.2.2 纤维素
• 1.2.3 半纤维素
• 1.2.4 木质素
• 1.3 纤维素降解菌的研究现状
• 1.4 纤维素酶
• 1.4.1 纤维素酶的作用机理
• 1.4.2 不同因素对纤维素酶的影响
• 1.4.3 纤维素酶的热力学研究
• 1.5 响应面优化法在培养基优化方面的应用
• 1.6 生物乙醇
• 1.6.1 生物乙醇发酵菌种
• 1.6.2 生物乙醇的发酵生产
• 1.6.3 生物乙醇的应用前景
• 1.7 本文研究背景与主要内容
• 第二章 实验材料与方法
• 2.1 实验仪器
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 培养基
• 2.2.2 试剂与材料
• 2.2.3 待筛选样品
• 2.3 还原糖浓度的测定
• 2.3.1 总还原糖标准曲线的绘制
• 2.3.2 葡萄糖浓度的测定
• 2.3.3 木糖浓度的测定
• 2.4 酶活力的测定
• 2.4.1 实验试剂
• 2.4.2 羧甲基纤维素酶活力（CMCA）的测定
• 2.4.3 滤纸酶活力（FPA）的测定
• 2.4.4 β-D-葡萄糖苷酶活力的测定
• 2.5 乙醇的检测
• 2.6 蛋白质的检测
• 2.7 木质纤维素成分的测定
• 第三章 纤维素酶高产菌种的筛选
• 3.1 实验原理
• 3.2 纤维素酶高产菌的筛选
• 3.2.1 样品的处理
• 3.2.2 分离纯化
• 3.2.3 刚果红培养基筛选
• 3.2.4 高产纤维素酶菌种的复筛
• 3.3 菌株产酶特性的初步探索
• 3.3.1 纤维素酶的存在状态
• 3.3.2 最佳pH值的确定
• 3.3.3 最佳产酶时间的确定
• 3.4 纤维素酶高产菌的鉴定
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 初筛结果
• 3.5.2 菌种复筛结果
• 3.5.3 菌株产酶特性
• 3.5.4 菌种鉴定的结果
• 第四章 产酶培养基的优化
• 4.1 引言
• 4.2 单因素实验
• 4.2.1 氮源的确定
• 4.2.2 碳氮比的确定
• 4.2.3 秸秆与麦麸的配比
• 4.2.4 液固比的确定
• 4.2.5 装液量的确定
• 4.2.6 pH值的确定
• 4.2.7 缓冲液体积的确定
• 4.2.8 微量元素体积的确定
• 4.3 响应曲面优化法
• 4.3.1 Planckett-Burman实验
• 4.3.2 最陡爬坡实验
• 4.3.3 中心复合实验
• 4.3.4 产酶培养基验证实验
• 4.4 实验结果与分析
• 4.4.1 单因素实验
• 4.4.2 Planckett-Burman实验结果与分析
• 4.4.3 最陡爬坡实验结果与分析
• 4.4.4 中心复合实验结果与分析
• 4.4.5 验证实验结果与分析
• 4.5 结论
• 第五章 β-D-葡萄糖苷酶动力学研究
• 5.1 实验步骤
• 5.1.1 温度对酶活力的影响
• 5.1.2 β-D-葡萄糖苷酶动力学参数的确定
• 5.1.3 甘油对β-D-葡萄糖苷酶热稳定性的影响
• 5.1.4 β-D-葡萄糖苷酶热动力学的研究
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 最适反应温度的确定
• m和最大反应速率V_max的确定'>5.2.2 米氏常数K_m和最大反应速率V_max的确定
• 5.2.3 热动力学研究结果与分析
• 5.3 小结
• 第六章 生物乙醇的生产
• 6.1 发酵原理
• 6.2 实验方法
• 6.2.1 纤维素酶的发酵生产
• 6.2.2 秸秆的酶解
• 6.2.3 SHF法发酵生物乙醇
• 6.2.4 SSF法发酵生物乙醇
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 Saccharomyces cerevisiae在SHF下的乙醇产量
• 6.3.2 Saccharomyces cerevisiae在SSF下的乙醇产量
• 6.3.3 两种工艺条件的分析比较
• 6.4 小结
• 结论与展望
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果
• 致谢