解除以木薯为原料的丁醇发酵相转型延迟并提高发酵效率的研究

论文摘要

目前,粮食危机、能源安全和低碳经济问题是全世界所关注的三大主题。可再生的生物质资源可以替代化石能源,减少CO2的排放、促进低碳经济的实现。木薯是一种高产的“非粮”生物质作物,因其“不与人争粮、不与粮争地”的特征被推上了发展清洁、可再生能源的前沿。本论文在7 L静态发酵罐中,以“非粮”木薯为原料开展丁醇发酵,研究探索用木薯替代玉米进行丁醇发酵的可行性、存在的问题并提出解决问题的办法,为以木薯为原料的丁醇发酵工业化生产提供参考和一定的基础数据。研究内容和主要结果如下:（1）利用木薯粉替代玉米粉为原料进行丁醇发酵,丁醇生产效率低,发酵性能远不如使用玉米培养基的发酵。主要体现在发酵产酸相向溶剂生产相的转型严重迟延或无法转型、发酵时间长、丁醇生产效率低。（2）在木薯发酵初始培养基中添加1%的尿素可以促使丁酸和乙酸的快速积累,但是,发酵却停滞于产酸期而无法继续进行下去。（3）在木薯发酵初始培养基中添加1%的尿素,并在发酵途中适时添加2.5 g/L的酵母浸粉,可以促进发酵产酸相向溶剂生产相的顺利转型,转型延迟时间缩短10～30 h左右。在此条件下,丁醇发酵性能得到显著改善,丁醇生产效率接近甚至超过使用玉米培养基时的水平,其中:传统发酵的丁醇生产效率为0.267 g/（L?h）,比使用玉米培养基时的丁醇生产效率提高了33%;油醇萃取发酵的丁醇生产效率达到0.340 g/（L?h）,与使用玉米培养基时的丁醇生产效率（0.352 g/（L?h））基本持平。（4）实时荧光定量PCR的测量结果表明,添加酵母浸粉后,基于木薯原料的丁醇发酵的丙酮合成酶-CoA转移酶的编码基因ctfAB的转录水平大幅提升。此条件下,代谢主路（丙酮与丁醇合成支路）被激活,生成积累的乙酸和丁酸可以重新得到利用、并被迅速消耗。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 丁醇、丙酮溶剂产品及丙酮-丁醇发酵的发展现状
• 1.1.2 生物丁醇的发展优势
• 1.1.3 “非粮”原料木薯的研究现状
• 1.1.4 以油醇为萃取剂的丁醇萃取发酵、研究进展及其利用现状
• 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 材料与方法
• 2.1 试剂和材料
• 2.2 仪器和设备
• 2.3 发酵菌种保存
• 2.4 发酵培养基
• 2.4.1 活化和保藏菌种的培养基
• 2.4.2 玉米培养基
• 2.4.3 木薯培养基
• 2.5 培养方法
• 2.5.1 菌种活化方法
• 2.5.2 发酵方法
• 2.6 分析方法
• 2.6.1 产气量的测定
• 2.6.2 溶剂产量的测定方法
• 2.6.3 总糖和还原糖的测定方法
• 2.6.4 氧化还原值（ORP）和pH 和的测定方法
• 2.6.5 培养基中可溶性蛋白的测定方法
• 2.6.6 氨基酸的测定方法
• 2.6.7 利用实时荧光定量PCR 测定相关基因转录水平
• 第三章 结果与讨论
• 3.1 分别使用玉米粉和木薯粉为发酵原料时，丁醇传统发酵和油醇萃取发酵的性能比较
• 3.2 木薯粉发酵生产丁醇不能正常进行的原因
• 3.3 木薯粉发酵生产丁醇中外加尿素为氮源刺激有机酸快速合成
• 3.4 木薯粉发酵生产丁醇过程中添加酵母浸粉刺激丁醇合成
• 3.5 实时荧光定量PCR 测定代谢途径关键酶的相关基因转录水平的变化、探究酵母浸粉刺激发酵转型正常进行的原因
• 主要结论与展望
• 主要结论
• 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