高效纤维素降解菌的选育与利用秸秆生产酒精的初步研究

论文摘要

随着能源危机和环境污染问题的日益突出,世界能源结构正在经历由化石能源为主向可再生能源为主的变革。而生物质资源转化体系是引领第三次世界能源革命的技术平台。在此背景下,燃料乙醇已被视为替代和节约汽油的最佳燃料,尤其是纤维素乙醇已被当作最佳液体燃料并具有生态效益而成为工业生物技术的研究热点。本课题以获得高效的纤维素降解菌为出发点,从腐烂的秸秆、树叶和污染的食用菌袋等样品中,在以滤纸为唯一碳源的选择培养基中筛选出68株生长快、有溃烂斑的菌株,再经刚果红筛选平板进一步鉴别,获得水解圈较大的菌株32株。在此基础上,经以滤纸为唯一碳源的液体培养基观察滤纸的崩溃情况和以秸秆为唯一碳源的液体发酵培养基中测定秸秆失重率和产酶的情况,最终筛选出了能够高效降解纤维素的4株好氧菌F-1、F-7、J-1、J-7,其中F-1和F-7为细菌,J-1和J-7为真菌。以细菌F-7和真菌J-7为出发菌株进行了纤维素降解菌液体发酵单因子优化实验,发现细菌F-7在液体发酵培养基中最适条件为:pH 5.0,培养温度36℃,转速150 r/min,接种量为15%,添加1%的酵母粉,以硫酸铵为氮源,这时CMC酶活达到最高值30.28 U,比条件优化前提高了10.7%。真菌J-7在液体发酵培养基中最适条件为:pH 5.0,培养温度为36℃,转速150 r/min,接种量为10%,添加1%的酵母粉,以硫酸铵为氮源,CMC酶活达到最高值70.3 U,比条件优化前提高了25.3%。对J-7最有效的分段变温处理是在45℃培养36 h然后在28℃产酶,酶活最高达到了74.7 U,比在28℃不变温的情况下提高了5.8%。本论文对利用秸秆进行乙醇发酵的条件进行了初步的研究,确定了最佳的J-7纤维素降解时间为72 h,再以15%的接种量接种酵母进行厌氧发酵24 h,得到的发酵液中乙醇浓度达到最高为12.92 mg/ml。并且通过分批加液的方法有效地提高秸秆纤维素的降解效率,增加乙醇的产率。在乙醇发酵体系中,最初加入50%的培养液,而后在24 h和36 h分别补加25%的培养液最有利于乙醇的生产,乙醇的浓度可高达13.56 mg/ml,比一次性加入全部培养液时高出了6.8%。本课题研究通过优化J-7和F-7的秸秆降解条件后可以在较短时间内高效的降解纤维素,特别是利用J-7降解秸秆的糖化液进行发酵生产乙醇取得了很好的发酵效果,在纤维素资源的开发利用和利用纤维素发酵生产乙醇等方面具有重要意义。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1 燃料乙醇的研究意义及发展概况
• 1.1 燃料乙醇简介
• 1.2 燃料乙醇的研究意义
• 1.2.1 燃料乙醇应用的背景
• 1.2.2 燃料乙醇的优点和意义
• 1.3 燃料乙醇的发展概况
• 2 利用木质纤维素生产燃料乙醇的研究
• 2.1 木质纤维素原料的组成
• 2.2 木质纤维素的预处理
• 2.3 木质纤维素的水解
• 2.3.1 纤维素酶的组成及作用机制
• 2.3.2 纤维素酶的来源
• 2.3.3 纤维素酶的生产
• 2.3.4 影响木质纤维素水解的因素
• 2.4 乙醇发酵
• 2.4.1 乙醇发酵菌种
• 2.4.2 发酵工艺
• 2.4.3 乙醇的回收和脱水
• 3 本研究的内容与意义
• 第二章 高效纤维素降解菌的筛选与分离
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.1.1 菌种来源
• 1.1.2 培养基
• 1.1.3 试剂及常用缓冲液
• 1.1.4 仪器设备
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 样品的采集
• 1.2.2 高效纤维素降解菌的初筛实验
• 1.2.3 高效纤维素降解菌的复筛实验
• 1.2.4 葡萄糖标准曲线的绘制
• 1.2.5 粗酶液的制备
• 1.2.6 羧甲基纤维素酶活（CMCase）的测定
• 1.2.7 菌株的鉴定方法
• 2 结果与分析
• 2.1 纤维素降解菌的初筛结果
• 2.1.1 5种菌源初筛出的菌种
• 2.1.2 刚果红筛选培养基筛选结果
• 2.1.3 滤纸纤维素培养基筛选结果
• 2.1.4 秸秆失重法筛选结果
• 2.2 高效纤维素降解菌的复筛结果
• 2.2.1 葡萄糖标准曲线
• 2.2.2 CMC酶活力复筛结果
• 2.3 菌株鉴定结果
• 3 小结与讨论
• 3.1 高效纤维素降解菌的初筛
• 3.2 高效纤维素降解菌的复筛
• 第三章 高效纤维素降解菌液体发酵条件研究
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.1.1 菌株
• 1.1.2 培养基
• 1.1.3 试剂及常用缓冲液
• 1.1.4 仪器
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 单菌种液体发酵方法
• 1.2.2 分段变温液体发酵的方法
• 1.2.3 混合菌种液体发酵
• 1.2.4 粗酶液的提取
• 1.2.5 CMC酶活力测定
• 2.结果与分析
• 2.1 pH值对液体发酵产酶的影响
• 2.2 温度对液体发酵产酶的影响
• 2.3 转速对液体发酵产酶的影响
• 2.4 接种量对液体发酵产酶的影响
• 2.5 添加辅助碳源对产酶的影响
• 2.6 添加不同氮源对产酶的影响
• 2.7 分段变温对产酶的影响
• 2.8 混合菌种液体发酵对产酶的影响
• 3.小结与讨论
• 第四章 利用秸秆生产酒精的初步研究
• 1 材料和方法
• 1.1 实验材料
• 1.1.1 菌株
• 1.1.2 培养基
• 1.1.3 试剂及常用缓冲液
• 1.1.4 仪器
• 1.2 实验方法
• 1.2.1 乙醇发酵
• 1.2.2 还原糖含量测定
• 1.2.3 乙醇蒸馏
• 1.2.4 乙醇含量的测定
• 1.2.5 可溶性糖的硅胶G薄层层析
• 1.2.6 分批加液发酵法
• 2.结果与分析
• 2.1 乙醇标准曲线
• 2.2 发酵液成分分析
• 2.3 乙醇发酵的条件优化
• 2.3.1 秸秆的降解时间对乙醇发酵的影响
• 2.3.2 酵母发酵时间对乙醇发酵的影响
• 2.3.3 酵母的接种量对乙醇发酵的影响
• 2.3.4 分批加液对乙醇发酵的影响
• 3.小结与讨论
• 参考文献
• 致谢