半纤维素水解液发酵生产木糖醇研究

论文摘要

半纤维素是廉价的可再生资源,利用半纤维素水解液发酵生产木糖醇,与传统的加氢催化工艺相比,具有原料成本低、反应条件温和、能耗小、无污染等优势。本文对玉米芯半纤维素水解液的制备工艺以及水解液的脱毒处理,菌种诱变与驯化的选育,生物法制木糖醇工艺,发酵液脱色脱盐与木糖醇结晶工艺进行了研究。针对半纤维素酸水解过程中环境破坏严重的问题采用不使用任何化学试剂的物理法：挤压膨化法预处理玉米芯结合高温蒸煮来制备水解液,其条件是：挤压膨化后以1：20固液比170℃高温下蒸煮2h,总糖溶出量为19.35%。比较了石灰或碳酸钙中和、活性炭吸附、汽提挥发和离子交换树脂吸附等方法对玉米芯半纤维素水解液脱毒效果的影响。结果表明,采用CaCO3中和结合汽提挥发脱毒工艺,乙酸去除率达到56.84%,糠醛去除率为72.63%,该方法经济简便,具有良好的应用价值。为获得较高木糖醇产量的菌株,利用物理和化学的方法进行诱变育种。经过紫外诱变70s后诱变菌株的木糖醇产率得到了较大提高,木糖醇产率提高了5-6%。同时对菌株进行适应半纤维素水解液发酵环境,高底物浓度的发酵环境和适应低氮低无机盐浓度的发酵环境的驯化,选育出了优良的菌株。以脱毒后的高木糖浓度的半纤维素水解液为底物,在低氮源低无机盐的发酵环境下,对发酵的温度、氮源、无机缓冲盐、pH值,通气量,发酵时间以及种子条件和接种量等因素进行考察和优化,并进行摇瓶以及发酵罐放大的研究。确立了适宜的发酵条件：初始木糖浓度120g/L,酵母膏：0.8-1.00%或者玉米浆：2.0%,初始pH：6.00,30℃。应用三步溶氧调控工艺对通气量及时间进行优化。木糖醇产率和体积生产速率分别为76.5%,66.4%,和2.16g/L/h,2.05g/L/h。该结果与同类研究和报道相比处于先进水平。回收复用假丝酵母细胞发酵生产木糖醇,细胞具有新的生长和代谢特性。实验对初始pH值、氮源和无机缓冲盐的用量、溶氧调节,批次的发酵时间,温度等因子进行考察和研究,同时对批次发酵木糖醇的工艺进行优化发现：每隔一批补充一次普通发酵培养基所需的营养物质（氮源,无机盐等）,另一次只提供普通发酵培养基一半的营养物质,在工艺上略有改动即可保证发酵结果的较稳定性,在10批次的发酵过程中平均每批发酵时间为43.4h,木糖醇平均产率达74.3%和63.8%。同时采用了聚氨酯泡沫作为固定化连续发酵,平均每批发酵时间为41.3h,木糖醇产率达77.2%和66.8%,该工艺提高了菌体对发酵抑制物的耐受力,节约了生产成本,缩短了发酵周期,提高了发酵效率,具有良好的实际应用价值。木糖醇的结晶是木糖醇生产工艺中的关键环节。活性炭GH-86脱色效果较优。活性炭用量2%,70℃下脱色50min,木糖醇发酵液脱色率可达93.6%,木糖醇损失率为3.9%。采用先过阳离子732树脂后过阴离子D261树脂组合较优,在流量为2BV/h下,发酵液脱盐率达到98%以上,脱色率在与前一步活性炭共同处理后达到98%以上,树脂对残糖的吸附率超过30%,而木糖醇的损失率不到8%。处理后发酵液浓缩后加入1‰晶种,在-10℃下保存32小时进行结晶。从木糖醇发酵液中结晶,所得晶形完整、颜色透明纯净。木糖醇晶体经HPLC检测,纯度为为98.8%,结晶收率为60.2%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 木糖醇的性质和用途
• 1.2.1 木糖醇的物理化学性质
• 1.2.2 木糖醇的特性
• 1.2.3 木糖醇食品上的优良特性和应用
• 1.2.4 木糖醇的生理功能
• 1.2.5 木糖醇的广泛用途
• 1.3 半纤维素水解液的制备与脱毒
• 1.3.1 半纤维素水解液的制备
• 1.3.2 半纤维素水解液的脱毒
• 1.4 木糖醇的制备
• 1.4.1 木糖醇生产工艺
• 1.4.2 生物法制备木糖醇的研究进展
• 1.5 木糖醇的结晶与分离
• 1.6 本实验的研究意义及目的
• 第二章 半纤维素水解液的制备和前处理
• 2.1 前言
• 2.2 材料
• 2.2.1 原材料
• 2.2.2 试剂
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 半纤维素水解液的制备方法
• 2.3.2 半纤维素水解液脱毒方法
• 2.3.3 还原糖的测定方法
• 2.3.4 总糖含量的测定方法
• 2.3.5 半纤维素水解液以及发酵液成分分析方法
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 玉米芯半纤维素水解液的物理法制备
• 2.4.2 酸法制玉米芯半纤维素水解液工艺的优化
• 2.4.3 半纤维素酸水解液脱毒工艺的优化
• 2.5 小结
• 第三章 菌种诱变与驯化
• 3.1 前言
• 3.2 材料
• 3.2.1 菌种
• 3.2.2 试剂
• 3.2.3 原材料
• 3.3 实验方法
• 3.3.1 培养方法
• 3.3.2 分析方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 菌种的诱变与筛选
• 3.4.2 菌种驯化与选育
• 3.5 小结
• 第四章 生物转化制木糖醇工艺
• 4.1 前言
• 4.2 材料与方法
• 4.2.1 菌种
• 4.2.2 原材料
• 4.2.3 摇瓶培养基
• 4.2.4 发酵罐培养基
• 4.2.5 试剂
• 4.3 分析方法
• 4.3.1 发酵液菌浓的测定
• 4.3.2 发酵液菌体的观察
• 4.3.3 半纤维素水解液及发酵液成分分析
• 4.3.4 湿菌重与干菌重的测定
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 发酵过程的OD生长曲线
• 4.4.2 温度的影响
• 4.4.3 种子培养的优化
• 4.4.4 底物的影响
• 4.4.5 其他糖类对发酵结果的影响
• 4.4.6 发酵液中残糖的考察
• 4.4.7 氮源和无机缓冲盐的优化
• 4.4.8 初始pH值对发酵的影响
• 4.4.9 摇瓶发酵通气量的优化
• 4.4.10 发酵罐的溶氧对发酵影响的研究
• 4.4.11 摇瓶与发酵罐发酵结果的比较
• 4.4.12 发酵动力学初探
• 4.5 小结
• 第五章 细胞的回收复用以及固定化
• 5.1 前言
• 5.2 材料
• 5.2.1 菌种
• 5.2.2 原材料
• 5.2.3 摇瓶培养基
• 5.2.4 发酵罐培养基
• 5.2.5 试剂
• 5.3 分析方法
• 5.3.1 发酵液菌浓的测定
• 5.3.2 发酵液菌体的观察
• 5.3.3 半纤维素水解液及发酵液成分分析
• 5.3.4 湿菌重与干菌重的测定
• 5.3.5 热带假丝酵母的批次发酵实验方法
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 聚氨酯泡沫的物理条件的探索
• 5.4.2 聚氨酯泡沫发酵前处理的研究
• 5.4.3 聚氨酯固定化发酵培养条件的优化
• 5.4.4 聚氨酯固定化发酵与普通发酵相似的影响因素
• 5.4.5 氮源对多批次发酵的影响
• 5.4.6 无机盐对多批次发酵的影响
• 5.4.7 聚氨酯固定化与游离细胞回复利用多批次发酵的对比研究
• 5.5 小结
• 第六章 发酵液的脱色脱盐与木糖醇的结晶
• 6.1 前言
• 6.2 材料与方法
• 6.2.1 实验材料
• 6.2.2 实验方法
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 活性炭对发酵液的脱色研究
• 6.3.2 离子交换树脂对发酵液脱盐的研究
• 6.3.3 离子交换树脂对发酵液脱盐工艺的进一步考证与优化
• 6.3.4 木糖醇发酵液结晶工艺的研究
• 6.4 小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 附件