粘红酵母利用纤维素水解液发酵制备微生物油脂的研究

论文摘要

能源与环境问题是当今世界各国所面临的两大难题。伴随着日趋严重的全球性能源短缺与环境恶化,从环境保护与资源开发的角度出发,积极开发替代化石燃料的可再生新能源是一种必然趋势,如生物柴油就是一种具有很大发展潜力的可再生清洁能源。目前,生物柴油原料油脂的主要来源是动植物脂肪以及餐饮废油,存在成本高以及收集和运输困难的问题,因此寻找一种廉价的原料成为了生物柴油产业化的关键。某些微生物能将五碳糖和六碳糖转化为油脂,这一特性适用于对木质纤维素水解糖化液的利用。因此微生物油脂可为生物柴油的制备提供更加廉价而广泛的原料。本文首先考察了粘红酵母As2.107在摇床及1L发酵罐上的发酵特性。结果表明:葡萄糖浓度在100g/L以下范围内不会对菌体造成抑制。有机氮为氮源时生物量高于以无机氮为氮源,但其油脂产量低于后者。以KNO3为氮源能够显著促进细胞的生长和油脂的积累。最佳的钾离子浓度为4g/L。在1L发酵罐上粘红酵母细胞生物量可达17.7g/L,油脂产量可达6.4g/L,最优化的培养条件为pH为6,温度为30℃,装液量为700mL,通气量为1vvm,转速为550 rpm。研究了补料培养对粘红酵母细胞生长及油脂积累的影响,补糖有利于油脂产量的提高。最佳的补料方式为:发酵48小时一次补加14g/L的葡萄糖。采用该补料策略,细胞生物量可达16.8g/L,油脂产量可达9.1g/L。研究了粘红酵母以工业木糖及混合糖为碳源发酵生产微生物油脂特性。结果表明,高的初始木糖浓度对粘红酵母细胞生长有一定的抑制作用,确定初始木糖浓度为35g/L,硝酸钾和酵母粉作为混合氮源,酵母粉浓度为4g/L,碳氮比为55,接种量为15%。H2PO4-的浓度为6g/L。当以混合糖为碳源,酵母粉最佳浓度为4g/L,碳氮比为55,接种量为10%,萄糖抑制粘红酵母对木糖的代谢,最佳的木糖和葡萄糖比例为2.5:1。当木糖和葡萄糖的比例按照2.5:1,补料时间为发酵7284小时,补料浓度为1525g/L时,细胞生物量、油脂产量和油脂含量可分别达到19.5g/L、11.6g/L和59.5%。本文还考察了木质纤维素水解液中糠醛和乙酸对菌体生长的影响。当糠醛和乙酸浓度大于2g/L时菌体完全不生长,糠醛和乙酸浓度为1g/L以下,随着糠醛浓度的降低,菌体生物量呈上升趋势,此时,糠醛对菌体生长的抑制作用大于乙酸。采用减压蒸馏脱出糠醛,并以浓缩的蔗渣和玉米芯水解液为碳源发酵制备微生物油脂,其生物量分别达到15.1g/L和13.7g/L,油脂含量分别达到32.5%和29.2%。因此,当甘蔗渣和玉米芯等纤维素原料水解并脱除糠醛和乙酸后,可以作为粘红酵母As2.107发酵制备油脂的原料。将微生物油脂作为原料,采用超临界反应制备生物柴油,对产物成分进行气相色谱分析表明微生物油脂可作为制备生物柴油的原料。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 产油微生物和微生物油脂简介
• 1.2.1 微生物油脂的概念及特点
• 1.2.2 微生物发酵产油脂的优点
• 1.2.3 产油微生物油脂含量及脂肪酸组成
• 1.2.4 国内外研究进展
• 1.3 微生物合成油脂的生化过程与代谢调控机理
• 1.3.1 微生物油脂的生物合成
• 1.3.2 微生物油脂合成代谢调控
• 1.4 微生物发酵产油脂生产工艺
• 1.4.1 微生物油脂的生产工艺
• 1.4.2 产油微生物的特点
• 1.4.3 微生物油脂的生产原料
• 1.4.4 菌体培养
• 1.4.5 微生物油脂的提取和精炼
• 1.5 木质纤维素的利用
• 1.5.1 木质纤维素物质的组成
• 1.5.2 木质纤维素的预处理
• 1.5.3 木质纤维素的水解技术
• 1.5.4 木质纤维素水解液的脱毒处理
• 1.6 生物柴油的制备方法
• 1.6.1 直接混合法
• 1.6.2 微乳液法
• 1.6.3 热解法
• 1.6.4 酯交换法
• 1.7 本课题的选题目的、意义和主要研究内容
• 1.7.1 选题目的、意义
• 1.7.2 主要研究内容
• 第2章 实验材料与分析方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 产油菌种
• 2.1.2 主要试剂
• 2.1.3 实验仪器
• 2.1.4 培养基
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 灭菌条件
• 2.2.2 斜面培养
• 2.2.3 种子培养
• 2.2.4 摇瓶培养及补料培养
• 2.2.5 1L 发酵罐培养
• 2.3 分析方法
• 2.3.1 菌体生物量的测定
• 2.3.2 菌体内油脂含量的测定
• 2.3.3 微生物油脂成分及生物柴油成分的测定
• 2.3.4 残糖量及木质纤维素水解液中不同成分的测定
• 第3章 粘红酵母以葡萄糖为碳源发酵生产微生物油脂特性
• 3.1 粘红酵母AS2.107 发酵产油脂批次培养条件优化
• 3.1.1 种子培养时间的确定
• 3.1.2 初始葡萄糖浓度的确定
• 3.1.3 不同氮源对发酵的影响
• 3.1.4 不同氮源进行种子培养发酵结果比较
• 3.1.5 溶氧对粘红酵母生物量和油脂产量的影响
• 3.2 粘红酵母发酵产油脂的特性
• 3.3 粘红酵母补料发酵生产微生物油脂
• 3.3.1 补料的确定
• 3.3.2 一次补料与二次补料的比较
• 3.4 1L 发酵罐批次发酵实验
• 3.4.1 合适通气量的选择
• 3.4.2 搅拌转速对发酵的影响
• 3.4.3 1L 发酵罐上菌体生长曲线
• 3.5 本章小结
• 第4章 粘红酵母以木糖为碳源发酵生产微生物油脂特性
• 4.1 以木糖为碳源发酵微生物油脂工艺优化
• 4.1.1 木糖起始浓度的考察
• 4.1.2 氮源选择实验
• 4.1.3 酵母粉浓度实验
• 4.1.4 碳氮比的确定
• 4.1.5 接种量的考察
• 4.1.6 磷酸二氢根离子的影响实验
• 4.2 粘红酵母以木糖为碳源发酵产油脂特性
• 4.3 本章小结
• 第5章 粘红酵母以混合糖为碳源发酵生产微生物油脂特性
• 5.1 混合糖批次发酵工艺优化
• 5.1.1 混合糖比例确定
• 5.1.2 接种量的确定
• 5.1.3 装液量的确定
• 5.1.4 酵母粉浓度的确定
• 5.1.5 碳氮比的确定
• 5.1.6 发酵液不同初始pH 时，以混合糖为碳源发酵情况比较
• 5.1.7 消除葡萄糖对木糖代谢抑制作用的尝试
• 5.1.8 菌体生长曲线，油脂积累曲线以及底物混合糖的消耗曲线
• 5.2 混合糖补料发酵生产微生物油脂
• 5.2.1 补糖种类的选择
• 5.2.2 补糖时间的确定
• 5.2.3 补糖浓度的确定
• 5.3 本章小结
• 第6章 以纤维素水解液发酵生产微生物油脂特性
• 6.1 水解液的制备
• 6.1.1 碱处理
• 6.1.2 酸处理
• 6.1.3 浓缩和脱糠醛
• 6.2 木质纤维素水解液中抑制物对菌体发酵的影响
• 6.2.1 糠醛对菌体发酵的影响
• 6.2.2 乙酸对菌体发酵的影响实验
• 6.3 以纤维素水解液为碳源，菌体生长曲线
• 6.4 本章小结
• 第7章 微生物油脂成分分析以及生物柴油的制备
• 7.1 微生物油脂的提取
• 7.2 微生物油脂的分析
• 7.3 以微生物油脂为原料进行生物柴油的制备
• 7.3.1 超临界转酯化反应
• 7.3.2 各种原料制备生物柴油的色谱图比较
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 致谢