利用玉米秸稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)2，3-丁二醇

【摘要】： 2,3-丁二醇是重要的化工原料及液體燃料,利用生物質(zhì)轉(zhuǎn)化生產(chǎn)2,3-丁二醇是替代傳統(tǒng)化工合成的一種可行途徑。由于石油資源的日漸緊缺,利用廉價的木質(zhì)纖維作為原料發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇更具有競爭力和應用價值,本文以玉米秸稈作為初始原料,研究了預處理、纖維素酶解、單批發(fā)酵、分批補料發(fā)酵、同步糖化發(fā)酵等各環(huán)節(jié)的關鍵技術(shù)參數(shù),研究結(jié)果對于促進非糧食原料的生物轉(zhuǎn)化利用具有重要意義。 對玉米秸稈的預處理技術(shù)進行了研究,結(jié)果表明:稀酸處理可以脫除大部分的半纖維素,稀堿處理可以脫除大部分的木質(zhì)素。纖維素酶水解實驗結(jié)果表明:堿處理后玉米秸稈酶解液中的單糖含量較高,主要得益于木質(zhì)素的高脫除,以及潤張后的纖維素成分更容易被纖維素酶所降解,稀堿預處理是一種有效的預處理方案。 預處理過程引入了無機鹽,當代表性無機鹽Na_2SO_4濃度低于20g/L時,對后續(xù)發(fā)酵無明顯影響。乙酸和乙醇是主要的發(fā)酵副產(chǎn)物,當濃度分別超過20 g/L和5 g/L時,會對菌株生長產(chǎn)生明顯抑制作用。 發(fā)酵適宜的初始pH值為6.0～6.5,總糖濃度為80～100g/L產(chǎn)酸克雷伯菌Klebsiella oxytoca ZU-03利用秸稈纖維素水解液單批發(fā)酵實驗表明,在總糖濃度80g/L,30℃的條件下發(fā)酵64 h,總糖利用率可達到99.36%,2,3-丁二醇的質(zhì)量濃度為37.20g/L,產(chǎn)率為0.468g/g,達到理論產(chǎn)率的93.6%。在此過程中實現(xiàn)了來自半纖維素和纖維素的五碳糖和六碳糖的共利用。 單批發(fā)酵中出現(xiàn)的底物抑制瓶頸可以通過分批補料策略來克服。研究表明12h是比較合適的補料起始時間,比較合適的單次補料量是15g/L。補料成分的較佳碳氮比為16,連續(xù)發(fā)酵204 h產(chǎn)物濃度達到100.14g/L,最高產(chǎn)量達到108.13g/L,相對于單批發(fā)酵,產(chǎn)量提高了190.7%,通過分批補料操作獲得了較高的產(chǎn)物濃度,對于降低下游的分離成本具有實際價值。 同步糖化發(fā)酵法(Simultaneous saccharification and fermentation,SSF)生產(chǎn)2,3-丁二醇整合了酶解和發(fā)酵兩個重要環(huán)節(jié),不但省去了酶解液處理步驟,而且提高了生產(chǎn)效率,降低了成本。Klebsiella oxytoca ZU-03利用纖維原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的適宜的溫度為31℃,初始pH值為6.0,纖維素酶的合適用量為25 FPIU/g底物,纖維二糖酶用量是20 CBIU/g底物,SSF進行36 h,發(fā)酵液中2,3-丁二醇的濃度為23.30 g/L,產(chǎn)率為0.23 g/g底物。 利用玉米秸稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇,實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)廢棄物的再利用。和化學合成相比,生物轉(zhuǎn)化過程相對比較溫和,因此對設備的損耗和能源的需求較低。發(fā)酵得到了有用的化合物2,3-丁二醇。此過程的研究為促進可降解廢棄物的生物轉(zhuǎn)化和利用開拓了一個新的方向。 【關鍵詞】：玉米秸稈 預處理 纖維素 半纖維素 酶水解 2 3-丁二醇 分批補料發(fā)酵 同步糖化發(fā)酵
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：TQ923
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 文獻綜述12-31
• 1.1 2,3-丁二醇概況12-17
• 1.1.1 微生物生產(chǎn)2,3-丁二醇的代謝途徑13-14
• 1.1.2 2,3-丁二醇生產(chǎn)的菌種14-15
• 1.1.3 2,3-丁二醇生產(chǎn)底物的選擇15-17
• 1.2 影響微生物發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的因素17-19
• 1.2.1 pH值的影響17-18
• 1.2.2 溫度的影響18
• 1.2.3 溶氧對于發(fā)酵的影響18-19
• 1.2.4 添加因子對于發(fā)酵的影響19
• 1.3 纖維素原料的生物利用19-26
• 1.3.1 纖維素酶的生產(chǎn)19-20
• 1.3.2 木質(zhì)纖維原料20-22
• 1.3.3 纖維原料的預處理22-24
• 1.3.4 纖維素的酶法糖化24-25
• 1.3.4.1 纖維素酶系24
• 1.3.4.2 纖維素酶水解纖維素的機理24
• 1.3.4.3 影響纖維素酶水解纖維素的因素24-25
• 1.3.4.4 纖維素酶解的方式25
• 1.3.5 2,3-丁二醇生產(chǎn)菌種和纖維原料分解菌種的共培養(yǎng)25-26
• 1.4 基因工程改造菌株在2,3-丁二醇生產(chǎn)過程中的應用26-27
• 1.5 2,3-丁二醇的分離研究27-28
• 1.6 國內(nèi)2,3-丁二醇的生產(chǎn)研究情況28-29
• 1.7 生物法生產(chǎn)2,3-丁二醇的展望29-30
• 1.8 本論文的研究思路30-31
• 第二章 玉米秸稈的預處理和酶解31-43
• 2.1 材料與方法32-35
• 2.1.1 原料與試劑32-33
• 2.1.1.1 原料32
• 2.1.1.2 化學試劑和酶制劑32-33
• 2.1.2 實驗方法33-35
• 2.1.2.1 預處理工藝33
• 2.1.2.2 酶解方法33
• 2.1.2.3 分析方法33-35
• 2.1.2.4 酶活力測定35
• 2.2 結(jié)果與討論35-41
• 2.2.1 稀硫酸預處理35-37
• 2.2.1.1 稀硫酸預處理前后玉米秸稈的成分變化35-36
• 2.2.1.2 玉米秸稈經(jīng)稀酸預處理后的酶水解36-37
• 2.2.2 氫氧化鈉堿預處理37-38
• 2.2.2.1 氫氧化鈉預處理前后玉米秸稈的成分分析37-38
• 2.2.2.2 玉米秸稈經(jīng)NaOH預處理后酶水解38
• 2.2.3 酸處理和堿處理的比較38-41
• 2.2.3.1 預處理前后玉米秸稈的成分變化38-39
• 2.2.3.2 預處理對物料重量損失和主要成分脫除率的比較39
• 2.2.3.3 兩種預處理對于玉米秸稈酶水解促進的比較39-41
• 2.2.4 堿處理殘渣的酶解進程41
• 2.3 小結(jié)41-43
• 第三章 利用玉米秸稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇43-52
• 3.1 材料與方法43-44
• 3.1.1 材料與試劑43
• 3.1.2 菌種43
• 3.1.3 玉米秸稈水解液的制備43-44
• 3.1.4 培養(yǎng)基44
• 3.1.5 實驗方法44
• 3.2 實驗結(jié)果與討論44-50
• 3.2.1 酶解液中葡萄糖和木糖的比例變化對于發(fā)酵的影響44-45
• 3.2.2 玉米秸稈水解液中硫酸鈉濃度對于2,3-丁二醇發(fā)酵的影響45-46
• 3.2.3 乙酸對發(fā)酵的影響46-47
• 3.2.4 副產(chǎn)物乙醇對于玉米秸稈水解液發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的影響47
• 3.2.5 初始pH值對發(fā)酵的影響47-48
• 3.2.6 玉米秸稈水解液濃縮后總糖濃度對發(fā)酵的影響48-49
• 3.2.7 Klebsiella oxytoca ZU-03發(fā)酵產(chǎn)2,3-丁二醇的時間進程49-50
• 3.3 結(jié)論50-52
• 第四章 分批補料發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇52-63
• 4.1 材料與方法52-53
• 4.1.1 材料與試劑52
• 4.1.2 纖維原料及預處理52
• 4.1.3 玉米秸稈水解液的制備52
• 4.1.4 培養(yǎng)基52-53
• 4.1.5 搖瓶發(fā)酵和補料操作53
• 4.1.6 補料量不同時補料方案53
• 4.1.7 補料成分中碳氮比不同時補料方案53
• 4.1.8 分析檢測方法53
• 4.2 實驗結(jié)果與討論53-61
• 4.2.1 初始補料時間的確定53-55
• 4.2.2 2,3-丁二醇補料發(fā)酵中合適的單次補料量55-58
• 4.2.3 氮源對于補料的影響58-61
• 4.2.3.1 補料成分中碳氮比和原培養(yǎng)基相同58-59
• 4.2.3.2 補料成分碳氮比不同59-61
• 4.3 結(jié)論61-63
• 第五章 纖維素原料同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇63-71
• 5.1 材料與方法63-64
• 5.1.1 主要儀器與試劑63
• 5.1.2 菌種及保藏63
• 5.1.3 纖維原料及預處理63-64
• 5.1.4 酶制劑64
• 5.1.5 培養(yǎng)基64
• 5.1.5.1 斜面培養(yǎng)基64
• 5.1.5.2 種子培養(yǎng)基64
• 5.1.6 菌種的制備64
• 5.1.7 同步糖化發(fā)酵(SSF)64
• 5.1.8 分析方法64
• 5.1.8.1 酶活力測定64
• 5.1.8.2 成分分析64
• 5.2 實驗結(jié)果與討論64-69
• 5.2.1 同步糖化發(fā)酵關鍵因子溫度的確定64-65
• 5.2.2 同步糖化發(fā)酵關鍵因子pH的確定65-66
• 5.2.3 同步糖化發(fā)酵關鍵因子纖維素用量的確定66-67
• 5.2.4 纖維二糖酶用量的確定67-68
• 5.2.5 同步糖化發(fā)酵的進程68-69
• 5.3 結(jié)論69-71
• 第六章 結(jié)論與建議71-74
• 6.1 結(jié)論71-73
• 6.2 展望73-74
• 論文發(fā)表情況74-75
• 參考文獻75-80

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氮源控制對玉米芯殘渣同步糖化發(fā)酵生產(chǎn)2,3-丁二醇的影響    彭曉培;張翠英;李維;陳超;王永帥;肖冬光;

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粘質(zhì)沙雷氏菌利用蔗糖和檸檬酸銨生產(chǎn)2,3-丁二醇的研究    楊云龍;張燎原;孫建安;魏東芝;周文瑜;沈亞領;朱家文;

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