玉米秸稈高溫水熱預(yù)處理、酶解及丁二酸發(fā)酵研究

【摘要】：我國(guó)玉米秸稈年產(chǎn)量高達(dá)1.7億噸,但是利用率很低,相當(dāng)數(shù)量的秸稈被焚燒,造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染。玉米秸稈的主要成分木質(zhì)纖維素可轉(zhuǎn)化為多種化工產(chǎn)品如丁二酸等,轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵步驟是將木質(zhì)纖維素酶解為可發(fā)酵糖。然而,木質(zhì)纖維素由木質(zhì)素、纖維素和半纖維素交聯(lián)構(gòu)成,結(jié)構(gòu)緊密,要想得到高糖濃度酶解液需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理,以增加酶分子和纖維素的接觸面積,提高酶解率。目前,整個(gè)工藝中存在預(yù)處理效果不明顯、容易生成發(fā)酵抑制物、酶成本偏高、微生物發(fā)酵轉(zhuǎn)化率較低等問(wèn)題,嚴(yán)重影響了木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的工業(yè)化進(jìn)程,而含硫酸根的預(yù)處理廢液和發(fā)酵廢液也需要處理。本論文旨在通過(guò)優(yōu)化預(yù)處理、酶解、丁二酸發(fā)酵過(guò)程和微生物脫硫工藝等,達(dá)到提高酶解率、提高丁二酸產(chǎn)量和無(wú)污染高效脫除硫酸根的目標(biāo)。首先,建立了玉米秸稈高溫水熱預(yù)處理(HCW)方法。掃描電鏡(SEM)檢測(cè)發(fā)現(xiàn),該方法能夠有效破壞秸稈木質(zhì)纖維素的結(jié)構(gòu)；加入少量硫酸銨,能更有效地破壞含有大量木質(zhì)素的內(nèi)層結(jié)構(gòu),使得纖維素結(jié)晶區(qū)域充分暴露,有利于與纖維素酶的結(jié)合。HCW預(yù)處理前后秸稈組成分析表明,90%以上半纖維素被去除,而纖維素不被降解。優(yōu)化了HCW預(yù)處理過(guò)程,確定的最佳固液比為10%、反應(yīng)溫度為185℃,采用分批補(bǔ)料方式最終酶解率達(dá)到85%,酶解液中葡萄糖含量達(dá)到40g/L,僅含有微量的發(fā)酵抑制物。其次,研究了丁二酸放線桿菌(A.succinogenes) BE-1的生長(zhǎng)、碳氮比、厭氧發(fā)酵過(guò)程,并優(yōu)化了反應(yīng)條件和補(bǔ)料策略,在初糖濃度為40～50g/L時(shí),丁二酸轉(zhuǎn)化率最高。采用10g/L酵母膏加6g/L玉米漿(CSL)復(fù)配的有機(jī)氮源(C/N=30)時(shí),丁二酸的產(chǎn)量最高。低濃度(0.05～0.1 mol/L)Na+對(duì)BE-1的生長(zhǎng)和產(chǎn)酸有一定促進(jìn)作用,但高濃度(0.2～0.3 mol/L) Na+則有明顯抑制作用。在7L攪拌發(fā)酵罐上研究了pH控制策略對(duì)丁二酸分批發(fā)酵的影響,利用MgCO3調(diào)節(jié)發(fā)酵液pH,能夠避免高濃度Na+離子對(duì)菌體的抑制作用,從而提高丁二酸產(chǎn)量。采用分批補(bǔ)料發(fā)酵48 h丁二酸濃度達(dá)60g/L,丁二酸產(chǎn)量較分批發(fā)酵時(shí)(發(fā)酵48h,丁二酸濃度為30g/L)提高了100%。隨后,針對(duì)含硫酸根的廢液的處理,篩選出一株高效硫酸鹽還原菌株Citrobacter sp. HCSR (CGMCC NO.4660),該菌是兼性厭氧菌。16S rDNA序列分析表明,該菌與弗氏檸檬酸桿菌相似性最高。該菌最適生長(zhǎng)溫度和pH分別為30℃和6.4～6.8,好氧條件下最大OD600是厭氧條件下的3.5倍,但是脫硫能力大大低于厭氧條件。采用先好氧再厭氧的雙階段培養(yǎng)法,7日后的硫酸鹽脫除總量達(dá)到了21 mmol/L,相對(duì)于厭氧條件提高了79%。最后,采用共沉淀法合成了磁性Fe3O4納米顆粒(MNPs)。然后用溶膠—凝膠法在MNPs的表面包覆了二氧化硅(SiO2)層,改善了顆粒的分散性避免了團(tuán)聚。將包覆了SiO2的MNPs用于SRB細(xì)胞的固定化,研究發(fā)現(xiàn),固定化細(xì)胞的最大脫硫總量達(dá)到了35 mmol/L,較游離細(xì)胞提高了75%?？疾炝怂姆N不同SiO2包覆量的MNPs對(duì)固定化細(xì)胞活性的影響,發(fā)現(xiàn)300% SiO2包覆率的MNPs的效果最好,7日后硫酸鹽去除率達(dá)到了92%。固定化細(xì)胞重復(fù)使用4次,硫酸鹽去除率分別為94%,82%,57%和24%。總體反應(yīng)時(shí)間可達(dá)到24日,脫硫總量達(dá)到了65.5 mmol/L,比未固定化前提高了450%。 【關(guān)鍵詞】：玉米秸稈 高溫水熱預(yù)處理 丁二酸發(fā)酵 硫酸鹽還原菌 納米磁性顆粒
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(過(guò)程工程研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ920.6
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 文獻(xiàn)綜述12-32
• 1.1 玉米秸稈預(yù)處理方法及酶解機(jī)理12-20
• 1.1.1 木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)及特性12-14
• 1.1.2 影響酶解效果的阻礙因素14-15
• 1.1.3 玉米秸稈預(yù)處理工藝15-20
• 1.1.3.1 木質(zhì)纖維素簡(jiǎn)單預(yù)處理工藝16-18
• 1.1.3.2 木質(zhì)纖維素復(fù)合預(yù)處理工藝18-20
• 1.2 纖維素酶水解機(jī)理20-22
• 1.2.1 酶組分間的協(xié)同作用21
• 1.2.2 纖維素酶的來(lái)源21-22
• 1.3 秸稈酶解液發(fā)酵生產(chǎn)丁二酸22-24
• 1.3.1 發(fā)酵法生產(chǎn)丁二酸22
• 1.3.2 產(chǎn)丁二酸微生物22-23
• 1.3.3 玉米秸稈水解液發(fā)酵產(chǎn)丁二酸23-24
• 1.4 硫酸鹽還原菌及其在發(fā)酵廢水處理中的應(yīng)用24-30
• 1.4.1 硫酸鹽還原菌生物代謝過(guò)程24-25
• 1.4.2 SRB生物學(xué)分類25-26
• 1.4.3 影響SRB代謝的生態(tài)因子26-29
• 1.4.4 硫酸鹽還原菌處理秸稈預(yù)處理酶解液發(fā)酵廢水29-30
• 1.5 目前存在的問(wèn)題與本論文研究思路30-32
• 1.5.1 存在的問(wèn)題30-31
• 1.5.2 本論文的思路31-32
• 2 高溫水熱預(yù)處理對(duì)秸稈結(jié)構(gòu)和組成的影響32-50
• 2.1 引言32-33
• 2.2 材料與方法33-35
• 2.2.1 秸稈機(jī)械破碎及干燥預(yù)處理33-34
• 2.2.2 HCW預(yù)處理實(shí)驗(yàn)設(shè)備、試劑及方法34
• 2.2.3 SEM掃描電鏡樣品準(zhǔn)備及操作步驟34-35
• 2.2.4 高溫水熱預(yù)處理?xiàng)l件實(shí)驗(yàn)35
• 2.3 結(jié)果與討論35-48
• 2.3.1 SEM電鏡觀察機(jī)械破碎預(yù)處理對(duì)細(xì)胞壁組織影響35-36
• 2.3.2 HCW預(yù)處理對(duì)底物化學(xué)組成變化影響36-37
• 2.3.3 SEM掃描電鏡觀察HCW預(yù)處理對(duì)秸稈細(xì)胞壁組織微觀結(jié)構(gòu)影響37-43
• 2.3.4 HCW預(yù)處理?xiàng)l件優(yōu)化43-45
• 2.3.5 HCW預(yù)處理過(guò)程中發(fā)酵抑制物生成量45-46
• 2.3.6 HCW預(yù)處理過(guò)程中底物水溶性糖濃度變化46-48
• 2.4 本章小結(jié)48-50
• 3 高溫水熱預(yù)處理玉米秸稈酶解過(guò)程研究50-64
• 3.1 引言50-51
• 3.2 材料與方法51-52
• 3.2.1 材料及主要儀器51-52
• 3.2.2 纖維素酶解所采用預(yù)處理秸稈52
• 3.3 結(jié)果與討論52-62
• 3.3.1 預(yù)處理溫度對(duì)酶解率影響52-56
• 3.3.2 底物攪拌/未攪拌對(duì)酶解率影響56-57
• 3.3.3 預(yù)處理時(shí)間對(duì)酶解率影響57-58
• 3.3.4 固液比對(duì)酶解率影響58-61
• 3.3.5 分批補(bǔ)料方式對(duì)酶解率影響61-62
• 3.4 本章小結(jié)62-64
• 4 秸稈酶解液厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸過(guò)程研究64-86
• 4.1 引言64
• 4.2 材料與方法64-66
• 4.2.1 材料及主要儀器64
• 4.2.2 菌種64-65
• 4.2.3 種子培養(yǎng)基65
• 4.2.4 發(fā)酵培養(yǎng)基65
• 4.2.5 厭氧瓶發(fā)酵條件65-66
• 4.2.6 攪拌罐厭氧發(fā)酵條件66
• 4.2.7 發(fā)酵產(chǎn)物分析66
• 4.3 結(jié)果與討論66-83
• 4.3.1 碳源對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響66-68
• 4.3.2 初糖濃度對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧瓶發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響68-69
• 4.3.3 培養(yǎng)基碳氮比對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響69
• 4.3.4 氮源對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響69-71
• 4.3.5 Bio-oil對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響71-73
• 4.3.6 初糖濃度對(duì)A.succinogenes BE-1攪拌罐厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響73-75
• 4.3.7 pH對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響75-76
• 4.3.8 pH控制方式對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響76-78
• 4.3.9 離子濃度對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響78-80
• 4.3.10 pH調(diào)控方式對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵丁二酸的代謝通量分析80-82
• 4.3.11 補(bǔ)料策略對(duì)A.succinogenes BE-1厭氧發(fā)酵產(chǎn)丁二酸影響82-83
• 4.4 本章小結(jié)83-86
• 5 硫酸鹽還原菌(SRB)的篩選及脫硫條件優(yōu)化86-106
• 5.1 引言86-87
• 5.2 材料與方法87-89
• 5.2.1 富集培養(yǎng)基87
• 5.2.2 脫硫培養(yǎng)基87
• 5.2.3 菌種富集與分離方法87-88
• 5.2.4 16S rDNA測(cè)序分析與Biolog分析88
• 5.2.5 SEM掃描電鏡樣品準(zhǔn)備及操作步驟88
• 5.2.6 檢測(cè)分析方法88-89
• 5.3 結(jié)果與討論89-103
• 5.3.1 菌體富集及SEM電鏡觀察形態(tài)特征89-90
• 5.3.2 16S rDNA基因序列分析及生化特征鑒定90-92
• 5.3.3 Citrobacter sp.HCSR的脂肪酸分析92-93
• 5.3.4 Citrobacter sp.HCSR的BIOLOG分析93-95
• 5.3.5 初始硫酸根濃度對(duì)Citrobacter sp.HCSR脫硫影響95-97
• 5.3.6 pH及ORP對(duì)Citrobacter sp.HCSR脫硫影響97-99
• 5.3.7 通氣條件下對(duì)Citrobacter sp.HCSR脫硫影響99-102
• 5.3.8 好氧-厭氧雙階段培養(yǎng)對(duì)Citrobacter sp.HCSR生長(zhǎng)、pH及脫硫影響102-103
• 5.4 本章小結(jié)103-106
• 6 納米磁顆粒固定化SRB應(yīng)用于丁二酸發(fā)酵廢液處理研究106-118
• 6.1 引言106-107
• 6.2 材料與方法107-109
• 6.2.1 材料與主要儀器107-108
• 6.2.2 磁性SiO_2納米顆粒制備108
• 6.2.3 磁性SiO_2納米顆粒表面硅烷化處理108
• 6.2.4 載體活化及對(duì)SRB細(xì)胞固定化108
• 6.2.5 固定化SRB細(xì)胞應(yīng)用于丁二酸發(fā)酵廢液脫硫108-109
• 6.3 結(jié)果與討論109-116
• 6.3.1 磁性納米SiO_2顆粒的制備及SEM電鏡觀察109-111
• 6.3.2 磁性納米SiO_2顆粒固定化SRB細(xì)胞SEM觀察111-112
• 6.3.3 磁性納米SiO_2顆粒固定化前后對(duì)SRB脫硫影響112-113
• 6.3.4 SiO_2/Fe_3O_4包覆比例對(duì)MNPs固定化SRB細(xì)胞脫硫影響113-115
• 6.3.5 MNPs固定化SRB細(xì)胞重復(fù)脫硫115-116
• 6.4 本章小結(jié)116-118
• 7 結(jié)論與展望118-120
• 7.1 本論文主要結(jié)論118-119
• 7.2 本論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)119
• 7.3 研究展望119-120
• 參考文獻(xiàn)120-134
• 附錄134-144
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷及發(fā)表文章專利144-146
• 致謝146

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