高密度限氧酵母发酵木糖生产乙醇及其细胞应激乙醇耐受机理的研究

论文摘要

木糖是木质纤维原料中半纤维素水解的主要成分,充分利用木糖发酵生产乙醇对纤维乙醇的发展有重要的意义。目前,发酵木糖的自然菌对木糖的利用率低、发酵周期长,且产乙醇量低,从而限制自然发酵菌的大规模应用。通过选用自然发酵菌树干毕赤酵母进行高密度培养,并优化培养条件,实现发酵液中高细胞浓度,并对高密度限氧酵母的循环利用性、发酵性能和应激乙醇的耐受性进行研究。稀酸预处理秸秆中,酸水解的H+作用秸秆表面显露的官能团,使木糖从木聚糖结构链上释放出来。处理后的秸秆表面结构松散,内孔隙度增大,比表面积增大,有利于酶与秸秆接触,加快酶解糖化速率。通过二次回归正交设计对酸处理中时间、浓度和固液比进行优化,确定适宜的工艺条件：反应时间2h,稀酸浓度4.1%、液固比22：1。在研究发酵过程的影响因素中发现,通过不同纱布层来限制发酵中氧的传递,保证发酵液中微量氧满足细胞代谢中的氧化还原平衡和细胞的生长。同时在发酵过程中适宜的转速有利于保证酵母的摄糖和摄氧能力,加强发酵液的流动性,保持细胞活力,并降低发酵产物对细胞生长和代谢的抑制作用。实验表明,当木糖浓度为60 g/L,转速为140 r/min下发酵48 h,糖的利用率达到99.57%。对比游离细胞发酵结果表明,高密度限氧酵母对糖的利用和产乙醇量高于游离细胞。在发酵半纤维素水解液得到的结果比不上纯糖发酵,但其效率要高于游离细胞。因此,利用高密度限氧酵母发酵可提高细胞浓度,缩短发酵周期,最终提高对木糖的利用率和发酵效率。最后,考察高密度酵母应激乙醇耐受性能的结果表明,外加高乙醇浓度的木糖发酵中,高密度限氧酵母细胞浓度和酒精度减少,对木糖的利用减慢。但相比于游离细胞而言,外加高浓度乙醇时,高密度细胞的木糖利用率要高于游离细胞,其受高浓度乙醇的影响小于游离细胞。说明高密度细胞在应激高浓度乙醇时,细胞内和细胞间相互起到保护和抵抗作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 国内外生物乙醇的发展
• 1.2.1 国外生物乙醇的研究
• 1.2.2 我国生物乙醇的研究
• 1.3 木质纤维原料制取乙醇的研究
• 1.3.1 木质纤维原料
• 1.3.2 木质纤维原料的预处理
• 1.3.3 纤维素和半纤维素的水解
• 1.3.4 葡萄糖和木糖的发酵
• 1.3.5 乙醇发酵工艺
• 1.3.6 乙醇的分离和回收
• 1.3.7 发酵产物的综合利用和发酵液的处理
• 1.4 发酵菌种的选育
• 1.4.1 自然发酵菌种
• 1.4.2 基因工程菌
• 1.5 高密度细胞技术在生物乙醇中的发展及应用
• 1.5.1 高密度细胞
• 1.5.2 高密度细胞培养及发展现状
• 1.5.3 影响高密度限氧发酵菌发酵木糖的因素
• 1.6 课题的提出、意义及主要内容
• 1.6.1 课题的提出及意义
• 1.6.2 主要的研究内容
• 1.7 本研究的创新之处
• 第二章 纤维乙醇工艺中酸处理秸秆反应条件的优化
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 主要试剂和仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 秸秆的预处理与酶解
• 2.2.2 二次回归优化预处理过程
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 DNS法测定木糖含量
• 2.3.2 秸秆纤维结构分析
• 2.4 实验结果与讨论
• 2.4.1 不同稀硫酸浓度对木糖含量影响
• 2.4.2 稀酸处理时间对秸秆水解木糖含量影响
• 2.4.3 液固比对酸处理秸秆中木糖含量影响
• 2.4.4 二次回归正交设计分析
• 2.4.5 预处理和酶解后秸秆原料的结构分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 高密度限氧酵母菌的培养
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 菌株
• 3.1.2 主要仪器和试剂
• 3.1.3 培养基
• 3.2 培养方法
• 3.2.1 种子培养
• 3.2.2 摇瓶增殖培养
• 3.2.3 摇瓶分批发酵
• 3.3 分析方法
• 3.3.1 细胞生长曲线测定
• 3.3.2 细胞干重测定
• 3.3.3 残糖浓度测定
• 3.3.4 乙醇浓度测定
• 3.4 实验结果与讨论
• 3.4.1 高密度限氧酵母菌的培养
• 3.4.2 PH对高密度细胞发酵的影响
• 3.4.3 培养温度对高密度细胞发酵的影响
• 3.4.4 转速对高密度细胞发酵的影响
• 3.4.5 底物浓度对高密度细胞发酵的影响
• 3.4.6 限氧条件对高密度细胞发酵的影响
• 3.5 高密度限氧酵母菌发酵机理的初步探讨
• 3.5.1 氧及其传递与转速的关系
• 3.5.2 底物浓度与转速的关系
• 3.6 本章小结
• 第四章 高密度限氧酵母菌发酵木糖
• 4.1 实验材料
• 4.1.1 菌株
• 4.1.2 主要仪器和试剂
• 4.1.3 培养基
• 4.2 实验方法
• 4.2.1 摇瓶增殖培养
• 4.2.2 摇瓶分批发酵
• 4.2.3 高密度酵母的循环利用
• 4.2.4 高浓度木糖发酵
• 4.2.5 高密度限氧酵母菌发酵水解液
• 4.3 分析方法
• 4.3.1 细胞干重测定
• 4.3.2 残糖浓度测定
• 4.3.3 乙醇浓度测定
• 4.4 实验结果与讨论
• 4.4.1 高密度限氧酵母菌的循环发酵性
• 4.4.2 对比游离细胞的乙醇发酵能力
• 4.4.3 发酵高浓度木糖的能力
• 4.4.4 高密度限氧酵母菌发酵半纤维素水解液
• 4.5 本章小结
• 第五章 高密度限氧酵母菌应激乙醇的耐受性机理
• 5.1 实验材料
• 5.1.1 菌株
• 5.1.2 主要仪器和试剂
• 5.1.3 培养基
• 5.2 实验方法
• 5.2.1 摇瓶增殖培养
• 5.2.2 摇瓶测定酵母细胞的乙醇耐受性
• 5.3 分析方法
• 5.3.1 细胞干重测定
• 5.3.2 残糖浓度测定
• 5.3.3 乙醇浓度测定
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 外加乙醇对高密度细胞浓度的影响
• 5.4.2 外加乙醇对发酵残糖的影响
• 5.4.3 外加乙醇对细胞产乙醇能力的影响
• 5.4.4 对比游离细胞的乙醇耐受性
• 5.5 高密度限氧酵母菌应激乙醇的耐受性机理
• 5.5.1 乙醇对酵母细胞生理的影响
• 5.5.2 细胞的乙醇耐受性与结构相关
• 5.5.3 细胞乙醇耐受性与基因有关
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的文章
• 致谢