丁醇萃取发酵耦联生产“改良型”生物柴油过程的性能优化研究

论文摘要

传统方法下丙酮-丁醇发酵的溶剂浓度低,回收精制发酵产物大量耗能,因此开发使用无产物精制、直接利用发酵产物的生物加工过程备受关注。一些国外研究报道表明,向生物柴油中添加化学合成的丁醇是改善生物柴油品质的有效途径。采用生物柴油作为发酵萃取剂,既可以从发酵液中移除毒性溶剂产物、缓解产物抑制作用、提高发酵生产强度,又可以将萃取有丁醇的生物柴油作为“高品质”生物柴油直接推广使用,省去耗能的溶剂产品回收过程。本研究中,发酵生产以玉米醪为培养基。前期研究使用的是7%（w/v）的玉米醪培养基,发酵结束后淀粉耗尽,萃取发酵的优势没有得到充分发挥。为进一步强化丁醇萃取发酵性能,本研究将玉米醪培养基的浓度从7%提高到15%。这样不仅不会引起底物抑制作用,而且可以确保在萃取发酵过程中始终有足够营养成分。通过优化生物柴油添加量,使丁醇静态萃取发酵性能进一步得到强化,在优化条件下总溶剂产量达到31.55 g/L-发酵液,比传统分批发酵提高了54.88%。回用萃余液用于次轮发酵的配料,既可以节省宝贵的水资源,又可减少污染排放的负荷。研究结果表明,条件控制得当,50%左右的萃余液可以得到回用,有望逐步向国家倡导的“节能减排”工业生产模式靠近。在丙酮-丁醇发酵中,溶剂产物丁醇的生成需要消耗大量的还原力（NADH）,而生成丙酮的一路则不需要任何还原力。强化还原力（添加电子载体物质）可以强化丁醇的生成。本研究向培养基中添加0.1%（w/v）中性红,并且与地沟生物柴油耦联发酵。实验结果表明,与对照（无中性红）相比,生物柴油中的丁醇浓度和“实质性丁醇得率”分别从11.3g/L和13.8%增加到13.4 g/L和18.1%,提高幅度分别达到19%和31%,同时萃余液相中丙酮浓度降低28%,高丁醇/低丙酮的发酵特征和目标得到初步体现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 生物柴油的背景、优缺点及其国内外研究现状
• 1.1.2 丙丁梭菌的研究现状和发展趋势
• 1.1.3 生物柴油耦联丁醇发酵的优点和研究现状
• 1.2 立题意义
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究内容
• 第二章 高初始玉米醪浓度下的丁醇萃取发酵研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料与方法
• 2.2.1 试剂与材料
• 2.2.2 仪器与设备
• 2.2.3 微生物菌种
• 2.2.4 培养基
• 2.2.5 培养方法
• 2.2.6 分析方法
• 2.2.7 实验内容
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 高初始玉米醪浓度下底物抑制的探讨
• 2.3.2 生物柴油添加量对丁醇萃取发酵性能的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 回用丁醇萃取发酵萃余液的研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料与方法
• 3.2.1 试剂与材料
• 3.2.2 仪器与设备、微生物菌种、菌种活化方法
• 3.2.3 萃余液的制备
• 3.2.4 回收萃余液的培养基制备
• 3.2.5 培养方法
• 3.2.6 分析方法
• 3.2.7 实验内容
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 回用萃余液的传统分批发酵
• 3.3.2 回用萃余液的萃取发酵
• 3.4 本章小结
• 第四章 加入微量电子供体提高“实质性丁醇得率”
• 4.1 引言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 试剂与材料
• 4.2.2 仪器与设备、微生物菌种、菌种活化方法、培养基、培养方法、分析方法
• 4.2.3 实验原理
• 4.2.4 实验内容
• 4.2.5 结果与讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文