产酸克雷伯氏菌利用玉米芯全糖发酵生产2，3-丁二醇

论文摘要

2, 3-丁二醇是一种重要的化工原料,广泛用于化工、食品、燃料以及航空航天等多个领域。玉米芯作为一种丰富廉价的木质纤维素资源,可以用于生物转化法生产2, 3-丁二醇,在开发新能源和环境保护等方面具有重要的经济效益和社会效益。利用酸水解的方法对玉米芯进行预处理,固相部分主要是可酶解为葡萄糖的纤维素,可利用产酸克雷伯氏菌通过同步糖化发酵生产2, 3-丁二醇;而以木糖为主要成分的半纤维素水解液经过脱毒处理后也可作为生产2, 3-丁二醇的原料。本文研究了温度、pH值、通气条件、初糖浓度及乙酸对发酵生产2, 3-丁二醇的影响,得到发酵木糖生成2, 3-丁二醇的最优条件是:温度为35℃、pH值为6.0、通气量为0.3vvm空气、初始木糖浓度为60-80g·L-1。发酵液中乙酸浓度不超过6g·L-1时有利于产酸克雷伯氏菌生产2, 3-丁二醇,添加乙酸后的发酵最适pH值为6.3。在最优条件下,添加乙酸进行发酵罐木糖流加实验,可得到总浓度高达74.1g·L-1的2, 3-丁二醇和乙偶姻。通过响应面设计研究了稀硫酸水解温度、时间、硫酸浓度对玉米芯半纤维素水解液中还原糖、乙酸、糠醛得率的影响。以乙酸和还原糖得率为响应值获得水解反应模型,由模型得到酸水解预处理的最优条件是:温度为122.5℃,时间为1.11h,硫酸浓度为0.5%。在此基础上,研究了酸水解预处理条件对玉米芯纤维素酶解效果的影响。以纤维素酶解总糖得率为响应值,得到预处理最优条件是:温度为122.6℃,时间为0.5h,硫酸浓度为0.5%。对半纤维素酸水解液进行了不同脱毒方法的研究,发现活性炭吸附脱毒和氯仿萃取脱毒具有比较好的效果。通过将水解液先氯仿萃取、再活性炭吸附,最后中和至中性的脱毒方法,得到对菌体抑制作用较低的水解液,利用该底物发酵可得总浓度为34.3g·L-1的2, 3-丁二醇和乙偶姻。以最优酸水解条件预处理得到的玉米芯为原料,以还原糖浓度和酶解率为指标,研究了影响酶解的各种因素。结果表明,酶解的最优条件是:温度为45℃,酶解液pH值为4.8,底物浓度为10-20%,酶用量为10-15FPU·g-1底物。在发酵罐中进行同步糖化发酵实验,得到总浓度为37.2g·L-1的2, 3-丁二醇和乙偶姻。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 2, 3-丁二醇的研究意义及发展概况
• 1.2.1 2, 3-丁二醇的研究意义
• 1.2.2 生物转化法生产2, 3-丁二醇的生产概况
• 1.3 木质纤维素的原料组成及利用现状
• 1.3.1 木质纤维素物质的组成
• 1.3.2 木质纤维素的利用现状
• 1.4 木质纤维素生产2, 3-丁二醇工艺
• 1.4.1 糖化过程
• 1.4.2 发酵工艺
• 1.5 植物半纤维素酸水解液发酵制备2，3-丁醇的研究
• 1.5.1 植物纤维原料的水解及杂质的生成
• 1.5.2 水解液制备的研究
• 1.5.3 水解液的脱毒
• 1.6 论文研究思路
• 第二章 实验材料及实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 原料
• 2.1.2 菌种
• 2.1.3 试剂
• 2.1.4 培养基
• 2.1.5 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 产酸克雷伯氏菌培养
• 2.2.2 玉米芯稀硫酸水解
• 2.2.3 玉米芯的酶解
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 菌体浓度的测定
• 2.3.2 单糖、2, 3-丁二醇及反应过程中的副产物浓度的测定
• 2.3.3 玉米芯各成分分析方法
• 2.3.4 滤纸酶活（FPA）测定方法
• 2.3.5 玉米芯底物消耗率和酶解率的测定
• 第三章 菌种发酵特性及发酵条件的优化
• 3.1 产酸克雷伯氏菌种子培养的细胞生长曲线
• 3.2 发酵温度对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.3 pH 值对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.4 通气条件对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.5 初糖浓度对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.5.1 葡萄糖初始浓度对发酵的影响
• 3.5.2 木糖初始浓度对发酵的影响
• 3.5.3 混合糖初始浓度对发酵的影响
• 3.6 乙酸对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.6.1 乙酸浓度对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.6.2 添加乙酸后pH 值对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.7 木糖流加对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.7.1 摇瓶发酵木糖流加对产酸克雷伯氏菌发酵的影响
• 3.7.2 发酵罐木糖流加实验
• 3.8 本章小结
• 第四章 玉米芯稀硫酸水解预处理实验的研究
• 4.1 稀硫酸水解的响应面设计
• 4.2 玉米芯酸水解预处理对半纤维素水解液成分的影响
• 4.2.1 实验结果
• 4.2.2 结果分析
• 4.3 玉米芯酸水解预处理对纤维素酶解的影响
• 4.3.1 实验结果
• 4.3.2 结果分析
• 4.4 玉米芯酸水解预处理最优条件的选择
• 4.5 本章小结
• 第五章 玉米芯稀硫酸水解液脱毒方法的研究
• 5.1 玉米芯稀硫酸水解液的脱毒方法
• 5.1.1 真空浓缩脱毒
• 5.1.2 NaOH 中和与Ca（OH）2 过中和脱毒
• 5.1.3 活性炭吸附脱毒
• 5.1.4 萃取脱毒
• 5.1.5 各种脱毒方法的回收率
• 5.2 脱毒后玉米芯稀硫酸水解液的发酵
• 5.2.1 NaOH 中和与Ca（OH）2 过中和脱毒的发酵情况比较
• 5.2.2 活性炭吸附脱毒的发酵情况
• 5.2.3 萃取脱毒的发酵情况
• 5.2.4 吸附、萃取、吸附与萃取耦合脱毒的发酵情况比较
• 5.2.5 水解液流加实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 预处理后玉米芯酶解及发酵实验的研究
• 6.1 酸处理后玉米芯的成分组成
• 6.2 酸处理后玉米芯酶解条件的优化
• 6.2.1 温度对玉米芯酶解率的影响
• 6.2.2 pH 值对玉米芯酶解率的影响
• 6.2.3 酶用量对玉米芯酶解率的影响
• 6.2.4 底物浓度对玉米芯酶解率的影响
• 6.2.5 酶解曲线
• 6.3 同步糖化发酵
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表学术论文