微生物利用甘油发酵生产乙醇的研究

论文摘要

近年来化石能源的日渐消耗引发了人们对新型、可再生能源的深刻思考,世界各国正积极开发和利用生物质燃料乙醇和生物柴油的生产技术。生物柴油作为乙醇之后的第二个有望得到大规模推广应用的生物能源产品,备受国内外各界的青睐。目前主要通过酯交换法生产生物柴油,在生产过程中产生了大量的副产物——粗甘油废液。如何合理利用粗甘油废液,是这一产业面临的新问题,寻求粗甘油利用的新途径已引起人们的普遍关注。本文从上述两个方面考虑,探索一条利用生物柴油废液发酵乙醇的生产途径,不仅可解决生物柴油生产过程中大量副产物甘油的再利用问题,也有望为非粮食原料生产乙醇找到另一种新途径。本课题以甘油为原料,微生物发酵法生产乙醇。研究了甘油和乙醇的快速测定方法,建立了发酵液中的甘油含量的HPLC法,及乙醇的气相色谱顶空进样检测法。对实验室现有菌种进行筛选,确定浸麻芽孢杆菌为后续乙醇发酵研究的菌种。浸麻芽孢杆菌种子培养条件优化后的结果为:甘油8g,葡萄糖12g,蛋白胨5g,酵母粉5g,碳酸钙10g,水1L,pH9.0。接种量为10%(v/v),41℃静止培养36h。优化后的发酵培养基为:甘油50g,谷氨酸钠5g,蛋白胨5g,酵母粉5g,氯化钠5g,硫酸锌1g,水1L,pH8.0。在上述工作基础上,浸麻芽孢杆菌发酵乙醇工艺条件优化得出,分批补料发酵可以有效地控制底物甘油的浓度,解除高浓度甘油对乙醇发酵的抑制作用。浸麻芽孢杆菌和红曲菌9906混合发酵可以明显地缩短乙醇发酵周期,提高乙醇产量。在混合发酵基础上,确定了乙醇补料发酵较优的工艺条件:三角瓶1L,装液量700mL红曲发酵液,甘油初始浓度0.217mol/L,以补料方式每隔60h分五次补加0.217mol/L甘油浓度的红曲发酵液,每次补加100mL,发酵培养360h,乙醇最高浓度达0.221mol/L,乙醇总产率0.628mmol/h,乙醇摩尔转化率为87%。5L玻璃三角瓶混合发酵甘油生产乙醇,其乙醇浓度达到0.370mol/L,甘油利用率为82.3%,乙醇摩尔转化率到达83%。采用混合发酵技术,利用粗甘油作为底物发酵生产乙醇。在0.109mol/L粗甘油下,混合发酵的乙醇/甘油转化率高达80.7%,接近乙醇/甘油真实理论摩尔转化率81.8%,但乙醇产量较低仅有0.067mol/L。主要原因是高浓度甘油对浸麻芽孢杆菌生长具有抑制作用;另一方面粗甘油中含有高浓度的盐离子以及未反应的游离脂肪酸,对浸麻芽孢杆菌都有较强的毒害作用。因而甘油不能被快速转化,乙醇产量也无法得到提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 生物能源研究概况
• 1.2 微生物利用甘油的研究进展
• 1.2.1 甘油代谢途径的研究
• 1.2.2 微生物利用甘油的研究
• 1.3 乙醇生产菌株的研究
• 1.4 乙醇发酵工艺的研究及其应用
• 1.4.1 糖化发酵
• 1.4.2 间歇式发酵
• 1.4.3 连续发酵
• 1.4.4 混合发酵
• 1.4.5 固定化发酵
• 1.5 立题意义
• 1.6 主要研究内容
• 第二章 发酵液中甘油和乙醇含量检测方法的研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 样品处理方法
• 2.1.3 高效液相色谱条件
• 2.1.4 气相色谱条件
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 发酵液中甘油含量检测方法的研究
• 2.2.2 发酵液中乙醇含量检测方法的研究
• 2.3 本章小结
• 第三章 菌种筛选及培养条件的优化研究
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 主要药品及试剂
• 3.1.2 主要仪器
• 3.1.3 菌株
• 3.1.4 培养基
• 3.1.5 培养方法
• 3.1.6 检测方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 红曲菌中筛选利用甘油产乙醇菌株
• 3.2.2 酵母菌中筛选利用甘油产乙醇菌株
• 3.2.3 细菌中筛选利用甘油产乙醇菌株
• 3.2.4 浸麻芽孢杆菌培养条件的优化
• 3.3 本章小结
• 第四章 浸麻芽孢杆菌发酵培养基优化及发酵工艺条件的研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 菌种
• 4.1.2 培养基及培养方法
• 4.1.3 菌体量测定方法
• 4.1.4 发酵液中甘油含量测定方法
• 4.1.5 发酵液中乙醇含量测定方法
• 4.1.6 计算公式
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 初始甘油浓度对浸麻芽孢杆菌发酵生产乙醇的影响
• 4.2.2 氮源对浸麻芽孢杆菌发酵生产乙醇的影响
• 4.2.3 无机盐对乙醇发酵的影响
• 4.2.4 不同初始pH 对乙醇发酵的影响
• 4.2.5 添加葡萄糖对乙醇发酵的影响
• 4.2.6 5L 玻璃三角瓶条件下乙醇发酵工艺条件的研究
• 4.2.7 5L 发酵罐条件下乙醇发酵工艺条件的研究
• 4.2.8 分批补料发酵生产乙醇的研究
• 4.3 本章小结
• 第五章 浸麻芽孢杆菌和红曲菌9906 混合发酵工艺条件的研究
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 菌种
• 5.1.2 培养基
• 5.1.3 培养条件
• 5.1.4 发酵液中甘油含量测定方法
• 5.1.5 发酵液中乙醇含量测定方法
• 5.1.6 计算公式
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 初始甘油浓度对乙醇混合发酵的影响
• 5.2.2 不同混合处理方法对乙醇发酵的影响
• 5.2.3 补料分批发酵生产乙醇的研究
• 5.2.4 混合发酵扩大规模生产乙醇的研究
• 5.2.5 利用粗甘油混合发酵生产乙醇的初步研究
• 5.2.6 乙醇代谢过程碳流分布的研究
• 5.3 本章小结
• 主要结论
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文