造纸污泥发酵产乙醇的菌群驯化与过程优化

造纸污泥发酵产乙醇的菌群驯化与过程优化

论文摘要

造纸污泥是造纸企业在废水处理过程中产生的一种固体废弃物,简单的填埋、焚烧或不加任何处理直接排放容易对环境造成二次污染,也是一种资源浪费。造纸污泥中含有大量的纤维物质,可作为生物质原料发酵生产燃料乙醇,具有较好的资源化利用价值。本文基于实现造纸污泥的资源化利用,优化造纸污泥中纤维质生物转化乙醇工艺这一目的,进行了发酵菌驯化、里氏木霉RUT C-30发酵产纤维素酶、混合菌同步糖化共发酵转化燃料乙醇及戊糖、己糖共发酵过程的研究实验。APMP造纸废水经生物活性污泥法处理产生的造纸污泥总纤维素含量达到47.9%。通过利用污泥酶解液梯度驯化法驯化发酵菌株,酿酒酵母与KO11的OD值由2.226和1.978分别增加到2.493和2.187,分别提高约12.0%和10.6%,较好的适应了造纸污泥发酵的生长环境,获得了发酵的耐受菌株。以里氏木霉作为纤维素酶生产菌株,酿酒酵母和大肠杆菌KO11作为乙醇发酵菌进行了同步糖化共发酵实验。通过单因素和正交实验获得了底物浓度为5%时的最佳发酵条件:发酵温度38℃、纤维素酶用量20U/g底物、混合菌总接种量6%、酿酒酵母与大肠杆菌K011配比为1:1(细胞干重初始浓度分别为1.0 g/L和0.33 g/L)。在此最佳工艺条件下,进行乙醇混合菌发酵验证试验,乙醇产率可达0.115 g乙醇/g底物,发酵效率可达理论值的42.31%。通过单菌种发酵与混合菌发酵比较发现,混合菌发酵效果最好。通过纸层析法分析造纸污泥酶解液的单糖组成实验结果表明,酶解液中含有较多的木糖和葡萄糖,另外,还含有少量的阿拉伯糖和甘露糖等。混合菌发酵葡萄糖和木糖的混合液实验表明,发酵过程中总还原糖利用率达到90.8%,葡萄糖利用率高于木糖利用率,且在发酵过程中菌种先利用葡萄糖发酵。混合菌发酵造纸污泥酶解液实验结果表明:乙醇发酵集中在24h之内,乙醇最高浓度为5.67g/L,糖醇转化率达到理论值的63.06%。通过红外光谱分析表明,造纸污泥酶解及发酵前后最显著的变化是纤维素、半纤维素发生了剧烈降解,其原始污泥的多糖特征谱强于酶解和发酵后的多糖特征谱。通过扫描电镜观察结果表明,造纸污泥酶解后纤维素降解非常明显,发酵残渣中的纤维基本被降解完毕。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 造纸污泥概述
  • 1.2.1 造纸污泥的分类及主要成分
  • 1.2.2 造纸污泥的现状
  • 1.2.3 造纸污泥的常规处理方法
  • 1.3 造纸污泥生物转化燃料乙醇
  • 1.3.1 生物质燃料乙醇的现状
  • 1.3.2 木质纤维化学组成与结构
  • 1.3.3 纤维乙醇发酵的微生物
  • 1.3.4 微生物发酵生产乙醇机制
  • 1.3.5 造纸污泥产乙醇的国内外研究进展
  • 1.4 纤维素酶
  • 1.4.1 纤维素酶系组成和分类
  • 1.4.2 产纤维素酶的菌种
  • 1.4.3 纤维素酶酶解机制
  • 1.4.4 纤维素酶解的影响因素
  • 1.5 纤维素乙醇生产工艺
  • 1.5.1 分步糖化发酵
  • 1.5.2 同步糖化发酵
  • 1.5.3 同步糖化共发酵
  • 1.5.4 直接微生物转化法
  • 1.6 课题来源及研究意义和主要内容
  • 1.6.1 课题来源
  • 1.6.2 本研究的意义
  • 1.6.3 研究的主要内容
  • 第二章 造纸污泥发酵菌种的驯化及污泥成分测定
  • 2.1 引言
  • 2.2 实验材料
  • 2.2.1 造纸废水、污泥
  • 2.2.2 实验仪器
  • 2.2.3 菌种
  • 2.2.4 培养基
  • 2.3 实验方法
  • 2.3.1 菌落形态特征观察
  • 2.3.2 不同酶解液浓度下菌种生长曲线绘制
  • 2.3.3 菌种驯化培养
  • 2.3.4 造纸污泥成分分析
  • 2.3.5 造纸污泥中重金属含量的测定
  • 2.4 实验结果与分析
  • 2.4.1 菌落形态特征观察
  • 2.4.2 菌种在不同酶解液浓度下的生长曲线
  • 2.4.3 驯化培养结果
  • 2.4.4 造纸污泥成分分析
  • 2.4.5 造纸污泥中重金属含量
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 混合菌同步糖化共发酵造纸污泥产乙醇过程优化
  • 3.1 前言
  • 3.2 实验材料
  • 3.2.1 实验原料
  • 3.2.2 实验仪器
  • 3.2.3 实验菌种
  • 3.2.4 培养基
  • 3.3 实验方法
  • 3.3.1 气相色谱法测定乙醇含量
  • 3.3.2 纤维素酶液的制备及酶活的测定
  • 3.3.3 混合菌同步糖化共发酵产乙醇的条件优化
  • 3.3.4 单菌发酵和混合菌发酵生产乙醇比较
  • 3.4 结果与分析
  • 3.4.1 里氏木霉产纤维素酶过程
  • 3.4.2 底物浓度对发酵乙醇的影响
  • 3.4.3 发酵温度对发酵乙醇的影响
  • 3.4.4 纤维素酶用量对发酵乙醇的影响
  • 3.4.5 菌种接种量对发酵乙醇的影响
  • 3.4.6 菌种的不同接种比例对发酵乙醇的影响
  • 3.4.7 正交优化实验
  • 3.4.8 单菌发酵和混合菌发酵生产乙醇的比较
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 酶解液中己糖和戊糖共发酵过程研究
  • 4.1 前言
  • 4.2 实验材料
  • 4.2.1 实验材料
  • 4.2.2 实验仪器
  • 4.2.3 实验菌种
  • 4.2.4 培养基
  • 4.3 实验方法
  • 4.3.1 分析与测定方法
  • 4.3.2 混合菌培养生长曲线绘制
  • 4.3.3 发酵过程中糖消耗过程分析
  • 4.3.4 发酵过程中乙醇的产生与菌体生长的过程分析
  • 4.3.5 红外光谱分析造纸污泥酶解及发酵前后污泥的成分变化
  • 4.3.6 扫描电镜观察分析造纸污泥酶解与发酵前后物理结构变化
  • 4.4 结果与分析
  • 4.4.1 纸层析法测定造纸污泥水解液中的单糖组成
  • 4.4.2 混合菌培养生长曲线
  • 4.4.3 糖消耗过程分析
  • 4.4.4 发酵过程中乙醇的产生与菌体生长过程分析
  • 4.4.5 造纸污泥酶解及发酵前后的污泥残渣红外光谱分析
  • 4.4.6 扫描电镜观察
  • 4.5 本章小结
  • 第五章 结论与展望
  • 5.1 小结
  • 5.2 创新点
  • 5.3 展望
  • 参考文献
  • 附录A
  • 附录B
  • 致谢
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