高效利用玉米秸秆的产氢菌种及其产氢性能研究

论文摘要

随着能源危机、粮食短缺、环境污染等问题越来越严重,如何使废弃物无害化、资源化已成为世界性亟待解决的关键问题。秸秆是一种丰富的农业废弃物、因其具有充足的供应和低廉的价格,若利用微生物技术将其转化为氢气,既能降低产氢成本,又能使废弃物得到资源化,从清洁能源开发和废物利用的角度都具有极大的社会效益和经济效益。秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素构成,其中纤维素和半纤维素是可发酵性碳水化合物,可在微生物或酶的作用下将其转化为糖后再供微生物利用生成燃料氢气。但目前以秸秆为原料制备生物燃料研究中多数只强调对纤维素组分的转化利用,而半纤维素组分则作为废弃物处理,既造成环境污染,又造成资源浪费。同时,在纤维素物质转化过程中,纤维素酶解技术存在的主要障碍是纤维素酶活力较低、生产成本较高。针对目前制约秸秆木质纤维原料生物转化产氢研究中的主要技术瓶颈,本研究进行了戊糖发酵产氢菌和纤维素降解产氢菌的分离筛选,并分别考察了其利用半纤维素水解液和纤维素物质发酵产氢性能,同时结合预处理技术建立了玉米秸秆高效利用组合体系,论文取得主要研究成果如下:分离获得一株高效戊糖发酵产氢菌Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16,该菌在碳源浓度10g/L,温度60oC,初始pH 6.5条件下,利用葡萄糖和木糖的最大比产氢率和产氢速率分别为2.42mol H2/mol glucose、12.9mmol H2/L·h和2.19mol H2/mol xylose、10.7 mmol H2/L·h。同时探讨了该菌同步发酵葡萄糖木糖混合糖产氢代谢特性,研究表明菌株W16能同时利用葡萄糖和木糖发酵产氢,但葡萄糖的代谢速率快于木糖的代谢速率。预处理水解液中常见抑制物影响试验表明菌株W16具有较强的乙酸钠和酚类化合物香兰素的耐受能力,而对呋喃衍生物糠醛、羧甲基糠醛和酚类化合物紫丁香醛较敏感。利用响应曲面法优化玉米秸秆半纤维素稀酸水解条件,在酸浓度1.69%、处理时间117min最优水解条件下,玉米秸秆中半纤维素的脱除程度达80.5%,水解液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖含量分别为9.11g/L、1.85g/L和0.88g/L。半纤维素水解液产氢性能表明菌株W16能有效利用半纤维素水解液进行发酵产氢,水解液含有的乙酸糠醛等副产物没有对其产生抑制作用。建立了嗜热厌氧纤维素降解产氢菌的筛选方法,并获得了一株具有良好纤维素降解产氢能力的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18。该菌能有效利用微晶纤维素、木聚糖、纤维素滤纸发酵产氢,也能利用未经处理的天然木质纤维原料玉米秸秆、稻草和玉米芯产氢。在碳源浓度为5g/L的微晶纤维素粉和玉米秸秆粉培养基中其产氢能力及对底物的降解率分别为44.5mmol/L（243.7ml/g-微晶纤维素）、8.45mmol/L（80.2ml/g-玉米秸秆）和81.9%、47.2%。纤维素酶学特性分析表明菌株M18所产纤维素酶为诱导酶,只有在纤维素类物质的诱导下才能产生,不同细胞组分酶活性检测表明其所产纤维素酶主要分布在细胞外。借助SEM、FTIR、XRD、13C-NMR、GC-MS分析手段及纤维素、半纤维素分解酶活测定全面、系统的解析了菌株M18对玉米秸秆的降解特性,得出了菌株M18诱导产酶的过程也是秸秆降解的过程,明确了其在秸秆降解过程中对纤维素和半纤维素的降解优势,并且半纤维素的降解优先于纤维素的降解,在降解过程中,纤维素分子内氢键发生断裂,纤维素结晶区和非结晶区都遭到破坏,纤维素和半纤维素在纤维素酶和半纤维素酶的作用下被降解成小分子物质后而被菌株M18直接利用并进一步发酵产生氢气,同时也表明木质素的存在是制约秸秆生物转化的主要障碍。针对秸秆中木质素的存在影响了菌株M18对纤维素和半纤维素的生物转化效率针,通过比较不同预处理方法的特点及作用机理,采用氢氧化钠预处理技术对玉米秸秆进行脱木素,预处理后得到纤维素固体残渣和碱溶半纤维素糖类水溶液两部分。利用戊糖发酵菌W16和纤维素降解菌M18各自优势将碱溶半纤维素糖类的回收利用与固体残渣中纤维素和半纤维素的氢气转化进行有机整合,从而实现了玉米秸秆的高效转化。与未经处理的玉米秸秆相比,其产氢量提高了36.8%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的及意义
• 1.2 氢能与发酵法生物制氢技术
• 1.2.1 氢的优越性及制取方法
• 1.2.2 发酵法生物制氢研究
• 1.2.3 高温发酵生物制氢研究
• 1.2.4 发酵法生物制氢研究中存在的问题
• 1.3 秸秆生物质资源及其应用
• 1.3.1 秸秆的结构与组成
• 1.3.2 秸秆的利用现状
• 1.4 秸秆的生物转化
• 1.4.1 秸秆降解微生物
• 1.4.2 嗜热厌氧纤维素降解菌
• 1.4.3 纤维素降解酶系统
• 1.5 利用秸秆生物质发酵产氢
• 1.5.1 秸秆纤维原料的预处理
• 1.5.2 秸秆水解液发酵产氢
• 1.5.3 秸秆纤维素发酵产氢
• 1.5.4 秸秆生物转化氢气技术前景
• 1.5.5 秸秆发酵产氢研究中存在的问题
• 1.6 本课题主要研究内容及技术路线
• 第2章 试验材料与方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 菌种来源
• 2.1.2 玉米秸秆来源
• 2.1.3 试验装置
• 2.1.4 主要仪器设备
• 2.1.5 培养基配制
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 产氢细菌的富集驯化
• 2.2.2 产氢细菌的分离筛选
• 2.2.3 微生物群落结构分析
• 2.2.4 产氢细菌的鉴定
• 2.2.5 间歇发酵产氢试验研究
• 2.2.6 秸秆氢氧化钠预处理
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 蛋白质浓度的测定
• 2.3.2 纤维素酶活和半纤维素酶活的测定
• 2.3.3 不同细胞组分制备及酶活分析
• 2.3.4 玉米秸秆原料成分分析
• 2.3.5 玉米秸秆降解过程中的形态观察
• 2.3.6 玉米秸秆降解过程中的结构分析
• 2.3.7 发酵液GC-MS分析
• 2.3.8 发酵产物的分析
• 第3章 戊糖发酵产氢菌的选育及其利用半纤维素水解液发酵产氢性能
• 3.1 引言
• 3.2 戊糖发酵产氢细菌的富集
• 3.3 戊糖发酵产氢细菌的分离筛选
• 3.4 戊糖发酵产氢细菌的鉴定
• 3.4.1 菌株的形态学特征
• 3.4.2 菌株的生理生化特性
• 3.4.3 菌株的分子生物学鉴定
• 3.5 戊糖发酵产氢菌W16 的生长及产氢特性
• 3.5.1 利用不同碳源产氢能力
• 3.5.2 有机氮源对生长及产氢的影响
• 3.5.3 温度对生长及产氢的影响
• 3.5.4 初始pH对生长及产氢的影响
• 3.5.5 初始木糖浓度对生长及产氢的影响
• 3.5.6 利用不同浓度比葡萄糖木糖混合糖发酵产氢特性
• 3.5.7 水解液衍生物对菌株W16 生长及产氢的影响
• 3.6 菌株W16 利用半纤维素水解液发酵产氢性能
• 3.6.1 半纤维素水解液的制备
• 3.6.2 半纤维素水解液发酵产氢能力
• 3.7 本章小结
• 第4章 纤维素降解产氢菌的选育及其利用纤维素发酵产氢性能
• 4.1 引言
• 4.2 纤维素降解产氢细菌的富集
• 4.3 纤维素降解产氢细菌的分离筛选
• 4.4 纤维素降解产氢细菌的鉴定
• 4.4.1 细菌的形态学特征
• 4.4.2 细菌的生理生化特性
• 4.4.3 细菌的分子生物学鉴定
• 4.5 纤维素降解产氢菌M18 产氢特性
• 4.5.1 不同碳源产氢能力
• 4.5.2 M18 降解纤维素产氢影响因子
• 4.6 M18 产纤维素酶的特性分析
• 4.6.1 不同底物对纤维素酶活性的影响
• 4.6.2 纤维素酶表达的细胞部位
• 4.7 M18 直接转化纤维素产氢代谢特征
• 4.7.1 M18 降解纤维素的生物学特性
• 4.7.2 M18 直接转化纤维素产氢的动力学特性
• 4.8 M18 与现有纤维素降解产氢菌的差异
• 4.9 本章小结
• 第5章 玉米秸秆为原料生物转化产氢研究
• 5.1 引言
• 5.2 T. thermosaccharolyticum M18 直接利用玉米秸秆发酵产氢
• 5.2.1 M18 直接发酵玉米秸秆产氢性能
• 5.2.2 发酵过程中玉米秸秆的降解特性
• 5.2.3 发酵过程中产酶的变化
• 5.2.4 M18 降解玉米秸秆产氢机制的分析
• 5.3 预处理强化玉米秸秆发酵产氢
• 5.3.1 玉米秸秆预处理条件的确定
• 5.3.2 M18 利用预处理后玉米秸秆残渣发酵产氢
• 5.3.3 W16 利用预处理洗脱液中半纤维素糖类发酵产氢
• 5.3.4 NaOH预处理强化玉米秸秆产氢能力分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历