以油醇为高效萃取剂的丁醇萃取发酵和回收萃余液中溶剂产物的研究

论文摘要

丁醇发酵的主要产物是丁醇和丙酮,高丁醇/低丙酮的发酵特征往往是人们所追求的目标。发酵最终的丁醇-丙酮产物比率取决于胞内还原力的强弱。还原力NADH充足则丁醇/丙酮比例高。在传统分批发酵中,通过向培养基中添加0.1%（w/v）的中性红或10g/L山梨醇或8mg/L烟酸来增加发酵系统的还原力。结果表明,培养基中加入0.1%（w/v）的中性红,每升发酵液的产气量与传统丁醇发酵相比,低5L左右;丁醇浓度增大了18.4%;丙酮浓度降低了21.3%。丁醇发酵的溶剂产物、特别是主产物丁醇,是典型的最终代谢抑制产物。利用油醇作为丁醇萃取剂进行萃取发酵可以解除丁醇的抑制和阻碍作用,从而极大地提高丁醇发酵生产强度。中性红可以部分代替铁氧还蛋白进行电子、质子的传递,强迫还原态的电子载体通过还原NAD来补充NADH,从而增加还原力。在15%的玉米醪培养基中添加0.1%（w/v）中性红,同时与油醇萃取发酵相耦联,可以进一步增强发酵性能。发酵结束后,油相中的丁醇浓度比传统萃取发酵提高了45.2%,溶剂总生产强度提高了24.5%。利用生物柴油作为丁醇萃取剂开展丁醇萃取发酵,发酵结束后得到的萃取有丁醇的生物柴油可以当成“高品质”生物柴油直接使用,从而省去了溶剂产品回收耗能过程。但是,上述萃取发酵也产生了大量的萃余液,回用部分萃余液于下一轮次的发酵用水拌料,可以起到节水的目的。但是,对萃余液的处理还存在两个大问题:一是萃余液中的残留丁醇浓度过高,使用萃余液进行拌料的轮次发酵无法正常进行;二是不能回用的萃余液中还含有一定的溶剂产物。如果利用丁醇的高效萃取剂-油醇对萃余液中的丁醇进行萃取、回收,增加油醇中的丁醇含量,产品蒸馏精制的成本将大大降低。但是,萃取剂油醇是价格昂贵产品,虽然它可以被循环使用,但其使用量（成本）依旧是一个大问题。为此,我们开展了利用油醇对萃余液进行多次萃取、多级数萃取组合系统的计算机模拟研究,对萃取工艺系统进行了优化。在萃余液初始丁醇浓度为10g/L时萃取条件为:各级的C1,C2,C3的值分别为0.2,0.2,0.4,这时油相中丁醇总浓度26.33g/L,水相中丁醇总浓度2.98g/L,萃取率0.70,总油醇用量0.8;萃余液初始丁醇浓度为6g/L时其萃取条件为:各级的C1,C2,C3的值分别为0.3,0.3,0.3,油相中丁醇总浓度24.93g/L,水相中丁醇总浓度2.52g/L,萃取率0.75,总油醇用量0.9。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 利用丙丁梭菌发酵溶剂产品的研究现状和发展趋势
• 1.1.2 丁醇萃取发酵的研究现状和发展趋势
• 1.1.3 油醇的应用及研究现状
• 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 传统丁醇发酵和萃取发酵的研究
• 2.1 引言
• 2.2 材料
• 2.2.1 试剂与材料
• 2.2.2 仪器与设备
• 2.2.3 微生物菌种
• 2.2.4 培养基
• 2.3 培养方法及条件
• 2.3.1 菌种活化方法
• 2.3.2 发酵培养方法
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 产气量的测定方法
• 2.4.2 溶剂产量的测定
• 2.4.3 淀粉及残糖分析方法
• 2.5 结果与讨论
• 2.5.1 添加中性红电子载体对传统分批发酵性能的影响
• 2.5.2 添加山梨醇对传统丁醇发酵性能的影响
• 2.5.3 添加烟酸对丁醇发酵性能的影响
• 2.5.4 传统发酵与油醇萃取发酵对发酵产气的影响
• 2.5.5 油醇萃取发酵对发酵性能的影响
• 2.5.6 油醇萃取发酵中丙酮的毒性作用
• 2.6 本章小结
• 第三章 添加微量电子载体与油醇萃取发酵耦联强化丁醇萃取发酵性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 材料、培养方法与条件、分析方法
• 3.3 实验内容
• 3.3.1 添加中性红电子载体与油醇萃取发酵相耦联对萃取发酵产气的影响
• 3.3.2 添加中性红电子载体与油醇萃取发酵相耦联对萃取发酵性能的影响
• 3.3.3 中性红电子载体在油醇萃取发酵系统中提高丁醇发酵性能的机理探讨
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 添加中性红电子载体与油醇萃取发酵相耦联对发酵产气的影响
• 3.4.2 添加中性红电子载体与油醇萃取发酵相耦联对发酵性能的影响
• 3.4.3 中性红电子载体在油醇萃取发酵系统中提高丁醇发酵性能的机理探讨
• 3.5 本章小结
• 第四章 利用油醇回收发酵萃余液中丁醇的萃取工艺和过程性能评价的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 材料
• 4.3 萃取过程的计算机模拟
• 4.3.1 单级萃取系统
• 4.3.2 简单的多级萃取系统
• 4.3.3 多级萃取系统1
• 4.3.4 多级萃取系统2
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 单级萃取
• 4.4.2 简单的多级萃取系统
• 4.4.3 两种多级萃取模型的建立
• 4.4.4 两种多级萃取系统的比较
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 论文发表和撰写一览表