利用稻草秸秆和谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂的研究

论文摘要

生物絮凝剂制备成本偏高已成为限制其工业化生产和大规模应用的瓶颈问题,基于此提出以农业废弃物稻草秸秆和工业废弃物谷氨酸发酵废水为廉价的碳源和氮源制取复合型生物絮凝剂。探讨了秸秆的预处理方法并优化预处理工艺;优化了以稻草秸秆为底物制取生物絮凝剂的发酵工艺;优化了谷氨酸发酵废水培养基配方;研究了产絮菌F2-F6在谷氨酸发酵废水培养基中的发酵条件;解析了产絮菌F2-F6在废水培养基和絮凝剂培养基中的生长过程和絮凝活性物质产生过程;定量分析了复合型生物絮凝剂的产量、产率和由此产生的经济效益。结果表明,稀碱预处理要明显好于稀酸预处理。采用正交试验等方法对稀碱预处理进行了工艺优化,最优预处理条件:稻草秸秆40目,在80℃条件下,质量分数为1%的NaOH反应90min。预处理后的稻草秸秆经过微生物降解,转化率可以达到70.3%,还原糖产率为10.6%。产絮菌F2-F6利用稻草秸秆糖化液产絮,絮凝率为94%;稻草秸秆经过纤维素复合酶水解,在秸秆浓度50g/L,酶用量0.2g酶/g秸秆条件下,酶解得率为49.65%,以酶解液培养产絮菌F2-F6产絮,絮凝率达到96.5%。说明稻草秸秆经过预处理后,完全可以作为廉价碳源替代葡萄糖制取复合型生物絮凝剂,每吨稻草秸秆制取复合型生物絮凝剂产量最大值为8.7×104g。对以谷氨酸发酵废水作为替代培养基制备复合型生物絮凝剂进行了研究。结果表明:浓度为20%的谷氨酸发酵废水中补加8g/L的葡萄糖,无需添加额外的氮源即可作为替代培养基培养产絮菌F2-F6,絮凝率可以达到95.4%。废水培养基培养产絮菌F2-F6的最佳发酵条件为:发酵温度30℃、初始pH为7.0、摇床转速为140r/min、8%的种子液接种量、发酵时间20h。每升谷氨酸发酵废水可以制备复合型生物絮凝剂8.5475g。发酵过程中,产絮菌细胞生长和絮凝产物合成对发酵体系中溶解氧的要求存在差异,结合分阶段供氧控制策略,谷氨酸发酵废水和絮凝剂培养基制备生物絮凝剂的发酵过程中,需要集中大量供氧的时间分别为8h和21h。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 生物絮凝剂的研究现状和发展趋势
• 1.1.1 生物絮凝剂及其特点
• 1.1.2 生物絮凝剂的应用
• 1.1.3 存在问题和发展趋势
• 1.2 稻草秸秆和谷氨酸发酵废水资源化利用现状
• 1.2.1 秸秆的资源化利用
• 1.2.2 木质纤维素的预处理
• 1.2.3 谷氨酸发酵废水资源化利用现状
• 1.3 课题来源
• 1.4 研究目的和意义
• 1.5 研究的主要内容
• 第2章 试验材料、设备和方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 原料和菌株
• 2.1.2 培养基
• 2.2 试验试剂和仪器
• 2.2.1 试剂
• 2.2.2 仪器
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 产絮菌复壮
• 2.3.2 纤维素降解菌HIT-3 的复壮
• 2.3.3 产絮菌生长曲线测定
• 2.3.4 絮凝效果测定
• 2.3.5 纤维素菌生长曲线测定
• 2.3.6 稻草秸秆预处理
• 2.3.7 两段式发酵工艺
• 2.3.8 稻草秸秆微生物降解
• 2.3.9 稻草秸秆酶水解
• 2.3.10 絮凝活性成分粗提
• 2.3.11 谷氨酸发酵废水预处理
• 2.4 分析方法
• 2.4.1 还原糖含量测定
• 2.4.2 葡萄糖标准曲线的测定
• 2.4.3 酶活标准曲线的测定
• 2.4.4 纤维素降解菌产纤维素酶活测定
• 2.4.5 粗纤维含量测定
• 2.4.6 木质素、纤维素和半纤维素含量测定
• 2.4.7 TOC 和TN 测定
• 2.4.8 溶解氧测定
• 2.4.9 稻草秸秆预处理前后、降解前后表面形貌观察
• 2.4.10 谷氨酸发酵废水水质指标测定
• 第3章 纤维素降解菌和产絮菌的复壮
• 3.1 纤维素降解菌HIT-3 的形态特征
• 3.2 纤维素降解前后形态变化
• 3.3 纤维素降解菌HIT-3 的复壮
• 3.4 产絮菌的形态特征
• 3.5 产絮菌的复壮
• 3.5.1 絮凝剂产生菌传代稳定性实验
• 3.5.2 混合发酵产絮菌F2-F6 的生长、产絮过程
• 3.6 本章小结
• 第4章 稻草秸秆资源化制取复合型生物絮凝剂
• 4.1 稻草秸秆预处理
• 4.1.1 稀酸稀碱预处理
• 4.1.2 稀碱预处理优化试验
• 4.1.3 稻草秸秆粒度对还原糖产率和转化率的影响
• 4.1.4 氢氧化钠预处理对稻草秸秆成分的影响
• 4.1.5 预处理对稻草秸秆表面形貌的影响
• 4.2 纤维素糖化
• 4.2.1 纤维素降解菌糖化纤维素
• 4.2.2 纤维素复合酶系糖化纤维素
• 4.3 以稻草秸秆糖化液为底物制取生物絮凝剂
• 4.3.1 稻草秸秆菌解糖化液为底物制取生物絮凝剂
• 4.3.2 稻草秸秆酶解糖化液为底物制取生物絮凝剂
• 4.4 稻草秸秆制取生物絮凝剂产量分析
• 4.5 稻草秸秆制取生物絮凝剂经济效益分析
• 4.6 本章小结
• 第5章 利用谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂
• 5.1 谷氨酸发酵废水培养基的优化
• 5.1.1 谷氨酸发酵废水水质分析
• 5.1.2 废水浓度对絮凝活性的影响
• 5.1.3 葡萄糖浓度对絮凝活性的影响
• 5.1.4 不同碳源对絮凝活性的影响
• 5.1.5 不同氮源对絮凝活性的影响
• 5.2 谷氨酸发酵废水培养产絮菌F2-F6 的发酵条件
• 5.2.1 初始pH 值
• 5.2.2 摇床转速
• 5.2.3 发酵温度
• 5.2.4 发酵时间
• 5.2.5 接种量
• 5.3 产絮菌F2-F6 在谷氨酸发酵废水培养基中的生长
• 5.3.1 絮菌F2-F6 生长过程
• 5.3.2 絮凝活性物质产生过程
• 5.4 产絮菌 F2-F6 在谷氨酸发酵废水和常规絮凝剂培养基中生 长过程比较
• 5.4.1 产絮菌F2-F6 在两种培养基中生长曲线的比较
• 5.4.2 产絮菌F2-F6 在两种培养基中絮凝活性的比较
• 5.4.3 产絮菌F2-F6 在两种培养基中溶解氧变化比较
• 5.5 以谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂的产量分析
• 5.6 以谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂经济效益分析
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢