红薯燃料乙醇生产菌种的筛选及同步糖化发酵条件的优化

论文摘要

发展燃料乙醇产业是当今各国开发替代石油的清洁能源的重中之重。考虑到粮食安全和我国的实际情况,“十一五”期间我国将重点推进不与粮争水争地,不与人争粮的非粮作物原料进行燃料乙醇生产,走自主创新、节能降耗,清洁生产的技术路线。本文主要对燃料乙醇高产菌种的选育及其发酵条件的优化进行了研究,取得了较理想的进展,具体如下:1.通过TTC法初筛和发酵法复筛,从113个样品中筛选到2个发酵性能较好的菌株,并以此两菌株为亲本进行了紫外诱变,并给予高温条件为其诱变后的筛选因素,从中选育出一株能在42℃正常生长的酵母菌Sky-1.5,经测试,其能在38℃的高温发酵条件下,葡萄糖利用率达到87.53%,乙醇浓度达到9.7583%（m/m）,发酵完成后残糖浓度也仅为2.08 g/L。最后对筛选出的菌株Sky-1.5进行了初步的形态和生理生化特征鉴定,确定Sky-1.5为酿酒酵母。2.对酵母菌Sky-1.5同步糖化发酵生产乙醇的动力学过程进行了研究。依据菌体生长速率定义和菌体比生长速率的定义,建立了红薯同步糖化发酵生产酒精的发酵动力学方程式,并通过拟合曲线,证明了此模型适合酵母菌Sky-1.5同步糖化发酵生产乙醇。3.通过单次单因子实验法并利用JMP软件中的Plackett-Burman设计和Design-Expert软件中的响应面法,对红薯同步糖化发酵生产乙醇的发酵条件进行了优化。先采用Plackett-Burman设计对发酵条件相关影响因素的效应进行评价,确定了有显著效应的因素为初始pH,接种量,发酵温度。然后用Box-Behnken设计及响应面分析确定了主要影响因素的最佳条件。结果表明最佳的发酵条件为:初始pH4.4,接种量8.3%,发酵温度36.7℃。比较优化前后的摇瓶分批发酵实验结果表明,酵母菌Sky-1.5在优化条件下的淀粉利用率增加到89.38%,比优化前的86.77%提高了3.25%。4.以摇瓶优化得到的结果为基础进行了50L发酵罐上的以红薯干粉为原料的发酵实验。实验结果表明摇瓶发酵规模上对发酵条件的优化是可以放大运用的。在50L发酵罐上发酵72h,红薯干的淀粉利用率达到了89.43%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 燃料乙醇生产的意义
• 1.2 国内外燃料乙醇的生产状况
• 1.2.1 美国燃料乙醇的生产状况
• 1.2.2 巴西的燃料乙醇生产状况
• 1.2.3 我国的燃料乙醇生产状况
• 1.3 燃料乙醇的生产方法
• 1.3.1 合成法
• 1.3.2 发酵法
• 1.4 燃料乙醇的发酵技术
• 1.4.1 发酵微生物的选育
• 1.4.2 燃料乙醇的发酵工艺
• 1.5 酒精发酵过程中的动力学研究
• 1.5.1 菌体生长模型
• 1.5.2 底物糖消耗模型
• 1.5.3 酒精形成模型
• 1.6 本课题研究的内容和研究意义
• 1.6.1 本课题研究的内容
• 1.6.2 本课题研究的意义
• 第2章 菌种的自然选育
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料
• 2.2.1 实验仪器
• 2.2.2 主要试剂及培养基
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 培养物的分离
• 2.3.2 初筛（TTC法）
• 2.3.3 复筛
• 2.3.4 主要分析方法
• 2.4 结果分析
• 2.4.1 TTC法初筛
• 2.4.2 酵母菌的复筛
• 2.5 小结
• 第3章 紫外诱变与温度互作试验
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料与培养基的配制
• 3.2.1 出发菌株
• 3.2.2 主要仪器设备
• 3.2.3 培养基
• 3.3 主要分析方法
• 3.3.1 平板菌落计数法
• 3.3.2 酵母细胞的显微镜直接计数
• 3.3.3 酒精度的检测
• 3.3.4 糖浓度的检测
• 3.4 实验方法
• 3.4.1 生长曲线的制作
• 3.4.2 紫外线诱变菌体致死率曲线的测定
• 3.4.3 紫外诱变后高温条件下的筛选实验
• 3.4.4 乙醇转化率实验
• 3.4.5 菌种的初步鉴定
• 3.4.6 菌种的保藏
• 3.5 实验结果分析
• 3.5.1 复酵菌种Sky-1与Sky-2的菌种生长曲线
• 3.5.2 Sky-1与Sky-2的紫外致死率
• 3.5.3 紫外诱变实验
• 3.5.4 诱变种的乙醇发酵实验
• 3.5.5 菌种鉴定
• 3.6 小结
• 第4章 酵母同步糖化发酵生产乙醇的动力学研究
• 4.1 前言
• 4.2 实验材料和培养基的配制
• 4.2.1 主要实验仪器
• 4.2.2 发酵培养基的配制
• 4.3 分析方法
• 4.3.1 菌体干重的测量
• 4.3.2 酒精度的检测
• 4.3.3 糖浓度的检测
• 4.4 实验方法
• 4.5 结果讨论与分析
• 4.5.1 红薯同步糖化发酵生产燃料乙醇动力学方程的建立
• 4.5.2 酒精发酵动力学模型与实验参数的拟合
• 4.6 小结
• 第5章 红薯同步糖化法生产燃料乙醇的发酵条件研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验材料
• 5.2.1 生产菌种和材料
• 5.2.2 主要实验仪器
• 5.3 主要分析方法
• 5.3.1 残糖浓度的检测
• 5.3.2 pH值的测定
• 5.3.3 乙醇浓度的检测
• 5.3.4 淀粉含量的测定
• 5.4 实验方法
• 5.4.1 酵母菌Sky-1.5生长曲线的测定
• 5.4.2 培养条件的优化
• 5.5 结果与分析
• 5.5.1 酵母菌Sky-1.5的生长曲线的测定
• 5.5.2 发酵条件的单因素实验
• 5.5.3 Plackett-Burman实验
• 5.5.4 Box-Behnken响应面法
• 5.5.5 模型验证
• 5.5.6 优化条件下的发酵
• 5.6 小结
• 第6章 50L发酵罐条件初探
• 6.1 前言
• 6.2 实验材料和发酵培养基
• 6.2.1 发酵菌种
• 6.2.2 发酵培养基
• 6.3 分析方法
• 6.3.1 乙醇浓度的检测
• 6.3.2 残糖浓度的检测
• 6.3.3 淀粉含量的检测
• 6.3.4 pH值的测定
• 6.4 实验方法
• 6.4.1 在50L发酵罐上以葡萄糖为原料对生产菌种生产能力的检验
• 6.4.2 以红薯为原料在50L自控式发酵罐上的分批发酵实验
• 6.5 结果分析
• 6.5.1 在50L发酵罐上以葡萄糖为原料对Sky-1.5生产能力的检验
• 6.5.2 以红薯为原料在50L自控式发酵罐上的分批发酵实验
• 6.6 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.1.1 菌种的自然选育
• 7.1.2 菌种的紫外诱变
• 7.1.3 动力学研究
• 7.1.4 红薯发酵生产乙醇的培养条件的响应面优化
• 7.1.5 50L发酵罐生产条件的验证
• 7.2 进一步工作的方向
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果