脱毒和萃取技术发酵玉米秸秆水解液产丁醇研究

论文摘要

随着能源危机和环境问题的日益突出,使得新型可再生能源开发迫在眉睫。丁醇具有能量密度较高等优点,在替代汽油作为燃料方面性能优于乙醇。利用木质纤维质原料发酵生产丁醇,能够有效降低发酵过程的原料成本。本文在研究玉米秸秆水解液中有毒物质对丁醇发酵影响的基础上,探索了不同脱毒方法对玉米秸秆水解液中有毒物质的去除效果及其对丁醇发酵的影响,构建了玉米秸秆水解液高效脱毒技术体系;通过萃取剂的选择、丁醇萃取发酵条件的优化,建立高效的纤维丁醇萃取发酵工艺,以期为纤维丁醇工业化生产提供技术支撑。首先对6种玉米秸秆水解液中存在的抑制物进行研究,分析这些物质对发酵过程的影响。结果表明:在1 g/L添加量发酵结果中对C.acetobutylicum CICC 8016抑制作用从高到低依次为香豆酸、甲酸钠、乙酰丙酸、糠醛、5-HMF。添加0.5 g/L甲酸钠就可以抑制78.7%的总溶剂产量,添加3 g/L乙酰丙酸对总溶剂的抑制率只有12.4%。1 g/L糠醛存在时就会使发酵有所延滞,2 g/L就完全抑制了菌体生长和溶剂产生;而5-HMF在0.11 g/L的添加浓度对菌体生长和溶剂产生影响均不太明显。香豆酸在0.2 g/L以下的水平可以促进菌体生长,超过0.5 g/L抑制作用开始体现,1 g/L完全抑制菌体生长和溶剂产生。通过对overliming、汽提、萃取、离子交换树脂、旋转蒸发这5种脱毒方法的比较,得出Overliming、萃取、旋转蒸发、D941树脂对糖类损失率较低;汽提对甲酸和乙酸去除效果较好;Overliming、萃取、汽提旋转蒸发对5-HMF去除效果较好,但是Overliming和萃取对糠醛去除效果较差;阴离子交换树脂对脱毒效果整体较好,其对总酚去除率可达到86.2%以上。利用脱毒后水解液进行丁醇发酵结果表明使用阴离子交换树脂脱毒后丁醇发酵产量较其他处理高,其中D301弱碱性阴离子交换树脂对水解液脱毒后进行发酵丁醇和总溶剂产量最高,分别达到6.89和10.27 g/L,总溶剂得率为0.36 g/g,总糖利用率达到99.1%。D301脱毒后的5.7%水解糖丁醇发酵总溶剂为11.4 g/L。通过萃取剂的选择和玉米秸秆水解液丁醇发酵研究,确定油醇适合用于丁醇萃取发酵。玉米秸秆水解液萃取发酵的最适油醇添加时间为0 h,添加比例为1:1,得到优化后的发酵结果为丁醇产量3.28 g/L,总溶剂产量4.72 g/L,与传统发酵过程相比二者产量分别提高905.5%和881.4%。经过D301脱毒后5%水解糖浓度进行油醇萃取发酵萃取发酵（油醇添加比例为1:1）,丁醇和总溶剂产量分别达到10.34 g/L、14.72 g/L,发酵得率为0.31 g/g。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 文献综述
• 1 燃料丁醇研究现状
• 1.1 丁醇发酵概述
• 1.2 丁醇发酵技术的改进
• 2 萃取发酵
• 3 木质纤维素水解液脱毒与丁醇发酵研究进展
• 3.1 木质纤维素水解液的构成
• 3.2 水解抑制物对丁醇发酵的影响
• 3.2.1 酸类物质
• 3.2.2 醛类物质
• 3.2.3 酚类物质
• 3.3 水解液脱毒
• 3.3.1 物理法脱毒
• 3.3.2 化学法脱毒
• 3.3.3 生物脱毒
• 3.4 纤维丁醇脱毒发酵
• 4 课题研究意义、目的和内容
• 4.1 立题意义和目的
• 4.2 课题研究内容
• 5 技术路线
• 第二章 玉米秸秆水解液脱毒与丁醇发酵研究
• 1 材料与方法
• 1.1 菌种
• 1.2 玉米秸秆
• 1.3 离子交换树脂
• 1.4 酶制剂
• 1.5 培养基
• 1.5.1 活化培养基
• 1.5.2 种子培养基
• 1.5.3 发酵培养基
• 1.5.4 抑制物添加培养基
• 1.6 菌种活化
• 1.7 种子液制备
• 1.8 玉米秸秆水解液制备
• 1.9 水解液脱毒
• 1.9.1 阴离子交换树脂脱毒
• 1.9.2 Overliming过中和酸碱脱毒
• 1.9.3 萃取脱毒
• 1.9.4 汽提脱毒
• 1.9.5 旋转蒸发脱毒
• 1.10玉米秸秆水解液脱毒后发酵试验
• 1.11总溶剂的测定
• 1.12残糖、有机酸和抑制物测定方法
• 1.13总酚测定方法
• 1.14溶剂产生速率和发酵得率的计算
• 2 结果与分析
• 2.1 玉米秸秆水解液成分分析
• 2.2 玉米秸秆水解液中抑制物对C. acetobutylicum CICC8016丁醇发酵的影响
• 2.2.1 甲酸钠对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.2 乙酸钠对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.3 乙酰丙酸对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.4 香豆酸对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.5 5-羟甲基糠醛对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.6 糠醛对C. acetobutylicum CICC8016的影响
• 2.2.7 6 种水解液抑制物对C. acetobutylicum CICC 8016发酵影响比较
• 2.3 玉米秸秆水解液脱毒研究
• 2.3.1 Overliming（过中和酸碱）脱毒法
• 2.3.2 萃取脱毒法
• 2.3.3 汽提脱毒法
• 2.3.4 旋转蒸发脱毒法
• 2.3.5 离子交换树脂脱毒法
• 2.3.6 5 种脱毒方法脱毒效果比较
• 2.4 玉米秸秆水解液脱毒后丁醇发酵研究
• 2.5 高浓度玉米秸秆水解糖D301脱毒后丁醇发酵
• 3 本章小结
• 第三章 玉米秸秆水解液丙酮丁醇萃取发酵研究
• 1 材料与方法
• 1.1 材料
• 1.2 萃取剂
• 1.3 菌种活化和种子液制备
• 1.4 生物柴油前处理
• 1.5 萃取剂分离系数的测定
• 1.6 丁醇萃取发酵
• 1.6.1 生物相容性试验
• 1.6.2 萃取剂添加时间试验
• 1.6.3 萃取剂添加比例试验
• 1.7 玉米秸秆水解液制备
• 1.8 总溶剂和残糖的测定
• 1.9 分配系数、萃取效率、萃取强度和萃取产量的计算
• 2 结果与分析
• 2.1 萃取剂分配系数的测定
• 2.2 萃取剂生物相容性试验
• 2.3 水解液丁醇萃取发酵与传统发酵比较
• 2.4 油醇添加时间对萃取发酵效果的影响
• 2.5 油醇添加比例对萃取效果的影响
• 2.6 玉米秸秆水解液经D301脱毒后油醇萃取发酵
• 2.7 高糖浓度玉米秸秆水解液经D301脱毒后油醇萃取发酵
• 3 本章小结
• 第四章 结果与讨论
• 1 本文主要结论
• 2 讨论
• 2.1 玉米秸秆水解液中抑制物对丁醇发酵的影响
• 2.2 纤维丁醇脱毒和发酵
• 2.3 油醇在纤维丁醇萃取发酵中的优点和存在的问题
• 2.4 展望
• 参考文献