玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究

【摘要】：我国玉米秸秆年产量高达1.7亿吨,但是利用率很低,相当数量的秸秆被焚烧,造成了严重的环境污染。玉米秸秆的主要成分木质纤维素可转化为多种化工产品如丁二酸等,转化的关键步骤是将木质纤维素酶解为可发酵糖。然而,木质纤维素由木质素、纤维素和半纤维素交联构成,结构紧密,要想得到高糖浓度酶解液需要对其进行预处理,以增加酶分子和纤维素的接触面积,提高酶解率。目前,整个工艺中存在预处理效果不明显、容易生成发酵抑制物、酶成本偏高、微生物发酵转化率较低等问题,严重影响了木质纤维素转化的工业化进程,而含硫酸根的预处理废液和发酵废液也需要处理。本论文旨在通过优化预处理、酶解、丁二酸发酵过程和微生物脱硫工艺等,达到提高酶解率、提高丁二酸产量和无污染高效脱除硫酸根的目标。首先,建立了玉米秸秆高温水热预处理(HCW)方法。扫描电镜(SEM)检测发现,该方法能够有效破坏秸秆木质纤维素的结构；加入少量硫酸铵,能更有效地破坏含有大量木质素的内层结构,使得纤维素结晶区域充分暴露,有利于与纤维素酶的结合。HCW预处理前后秸秆组成分析表明,90%以上半纤维素被去除,而纤维素不被降解。优化了HCW预处理过程,确定的最佳固液比为10%、反应温度为185℃,采用分批补料方式最终酶解率达到85%,酶解液中葡萄糖含量达到40g/L,仅含有微量的发酵抑制物。其次,研究了丁二酸放线杆菌(A.succinogenes) BE-1的生长、碳氮比、厌氧发酵过程,并优化了反应条件和补料策略,在初糖浓度为40～50g/L时,丁二酸转化率最高。采用10g/L酵母膏加6g/L玉米浆(CSL)复配的有机氮源(C/N=30)时,丁二酸的产量最高。低浓度(0.05～0.1 mol/L)Na+对BE-1的生长和产酸有一定促进作用,但高浓度(0.2～0.3 mol/L) Na+则有明显抑制作用。在7L搅拌发酵罐上研究了pH控制策略对丁二酸分批发酵的影响,利用MgCO3调节发酵液pH,能够避免高浓度Na+离子对菌体的抑制作用,从而提高丁二酸产量。采用分批补料发酵48 h丁二酸浓度达60g/L,丁二酸产量较分批发酵时(发酵48h,丁二酸浓度为30g/L)提高了100%。随后,针对含硫酸根的废液的处理,筛选出一株高效硫酸盐还原菌株Citrobacter sp. HCSR (CGMCC NO.4660),该菌是兼性厌氧菌。16S rDNA序列分析表明,该菌与弗氏柠檬酸杆菌相似性最高。该菌最适生长温度和pH分别为30℃和6.4～6.8,好氧条件下最大OD600是厌氧条件下的3.5倍,但是脱硫能力大大低于厌氧条件。采用先好氧再厌氧的双阶段培养法,7日后的硫酸盐脱除总量达到了21 mmol/L,相对于厌氧条件提高了79%。最后,采用共沉淀法合成了磁性Fe3O4纳米颗粒(MNPs)。然后用溶胶—凝胶法在MNPs的表面包覆了二氧化硅(SiO2)层,改善了颗粒的分散性避免了团聚。将包覆了SiO2的MNPs用于SRB细胞的固定化,研究发现,固定化细胞的最大脱硫总量达到了35 mmol/L,较游离细胞提高了75%。考察了四种不同SiO2包覆量的MNPs对固定化细胞活性的影响,发现300% SiO2包覆率的MNPs的效果最好,7日后硫酸盐去除率达到了92%。固定化细胞重复使用4次,硫酸盐去除率分别为94%,82%,57%和24%。总体反应时间可达到24日,脱硫总量达到了65.5 mmol/L,比未固定化前提高了450%。 【关键词】：玉米秸秆 高温水热预处理 丁二酸发酵 硫酸盐还原菌 纳米磁性颗粒
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ920.6
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 文献综述12-32
• 1.1 玉米秸秆预处理方法及酶解机理12-20
• 1.1.1 木质纤维素结构及特性12-14
• 1.1.2 影响酶解效果的阻碍因素14-15
• 1.1.3 玉米秸秆预处理工艺15-20
• 1.1.3.1 木质纤维素简单预处理工艺16-18
• 1.1.3.2 木质纤维素复合预处理工艺18-20
• 1.2 纤维素酶水解机理20-22
• 1.2.1 酶组分间的协同作用21
• 1.2.2 纤维素酶的来源21-22
• 1.3 秸秆酶解液发酵生产丁二酸22-24
• 1.3.1 发酵法生产丁二酸22
• 1.3.2 产丁二酸微生物22-23
• 1.3.3 玉米秸秆水解液发酵产丁二酸23-24
• 1.4 硫酸盐还原菌及其在发酵废水处理中的应用24-30
• 1.4.1 硫酸盐还原菌生物代谢过程24-25
• 1.4.2 SRB生物学分类25-26
• 1.4.3 影响SRB代谢的生态因子26-29
• 1.4.4 硫酸盐还原菌处理秸秆预处理酶解液发酵废水29-30
• 1.5 目前存在的问题与本论文研究思路30-32
• 1.5.1 存在的问题30-31
• 1.5.2 本论文的思路31-32
• 2 高温水热预处理对秸秆结构和组成的影响32-50
• 2.1 引言32-33
• 2.2 材料与方法33-35
• 2.2.1 秸秆机械破碎及干燥预处理33-34
• 2.2.2 HCW预处理实验设备、试剂及方法34
• 2.2.3 SEM扫描电镜样品准备及操作步骤34-35
• 2.2.4 高温水热预处理条件实验35
• 2.3 结果与讨论35-48
• 2.3.1 SEM电镜观察机械破碎预处理对细胞壁组织影响35-36
• 2.3.2 HCW预处理对底物化学组成变化影响36-37
• 2.3.3 SEM扫描电镜观察HCW预处理对秸秆细胞壁组织微观结构影响37-43
• 2.3.4 HCW预处理条件优化43-45
• 2.3.5 HCW预处理过程中发酵抑制物生成量45-46
• 2.3.6 HCW预处理过程中底物水溶性糖浓度变化46-48
• 2.4 本章小结48-50
• 3 高温水热预处理玉米秸秆酶解过程研究50-64
• 3.1 引言50-51
• 3.2 材料与方法51-52
• 3.2.1 材料及主要仪器51-52
• 3.2.2 纤维素酶解所采用预处理秸秆52
• 3.3 结果与讨论52-62
• 3.3.1 预处理温度对酶解率影响52-56
• 3.3.2 底物搅拌/未搅拌对酶解率影响56-57
• 3.3.3 预处理时间对酶解率影响57-58
• 3.3.4 固液比对酶解率影响58-61
• 3.3.5 分批补料方式对酶解率影响61-62
• 3.4 本章小结62-64
• 4 秸秆酶解液厌氧发酵产丁二酸过程研究64-86
• 4.1 引言64
• 4.2 材料与方法64-66
• 4.2.1 材料及主要仪器64
• 4.2.2 菌种64-65
• 4.2.3 种子培养基65
• 4.2.4 发酵培养基65
• 4.2.5 厌氧瓶发酵条件65-66
• 4.2.6 搅拌罐厌氧发酵条件66
• 4.2.7 发酵产物分析66
• 4.3 结果与讨论66-83
• 4.3.1 碳源对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响66-68
• 4.3.2 初糖浓度对A.succinogenes BE-1厌氧瓶发酵产丁二酸影响68-69
• 4.3.3 培养基碳氮比对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响69
• 4.3.4 氮源对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响69-71
• 4.3.5 Bio-oil对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响71-73
• 4.3.6 初糖浓度对A.succinogenes BE-1搅拌罐厌氧发酵产丁二酸影响73-75
• 4.3.7 pH对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响75-76
• 4.3.8 pH控制方式对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响76-78
• 4.3.9 离子浓度对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响78-80
• 4.3.10 pH调控方式对A.succinogenes BE-1厌氧发酵丁二酸的代谢通量分析80-82
• 4.3.11 补料策略对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响82-83
• 4.4 本章小结83-86
• 5 硫酸盐还原菌(SRB)的筛选及脱硫条件优化86-106
• 5.1 引言86-87
• 5.2 材料与方法87-89
• 5.2.1 富集培养基87
• 5.2.2 脱硫培养基87
• 5.2.3 菌种富集与分离方法87-88
• 5.2.4 16S rDNA测序分析与Biolog分析88
• 5.2.5 SEM扫描电镜样品准备及操作步骤88
• 5.2.6 检测分析方法88-89
• 5.3 结果与讨论89-103
• 5.3.1 菌体富集及SEM电镜观察形态特征89-90
• 5.3.2 16S rDNA基因序列分析及生化特征鉴定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 初始硫酸根浓度对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响95-97
• 5.3.6 pH及ORP对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响97-99
• 5.3.7 通气条件下对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响99-102
• 5.3.8 好氧-厌氧双阶段培养对Citrobacter sp.HCSR生长、pH及脱硫影响102-103
• 5.4 本章小结103-106
• 6 纳米磁颗粒固定化SRB应用于丁二酸发酵废液处理研究106-118
• 6.1 引言106-107
• 6.2 材料与方法107-109
• 6.2.1 材料与主要仪器107-108
• 6.2.2 磁性SiO_2纳米颗粒制备108
• 6.2.3 磁性SiO_2纳米颗粒表面硅烷化处理108
• 6.2.4 载体活化及对SRB细胞固定化108
• 6.2.5 固定化SRB细胞应用于丁二酸发酵废液脱硫108-109
• 6.3 结果与讨论109-116
• 6.3.1 磁性纳米SiO_2颗粒的制备及SEM电镜观察109-111
• 6.3.2 磁性纳米SiO_2颗粒固定化SRB细胞SEM观察111-112
• 6.3.3 磁性纳米SiO_2颗粒固定化前后对SRB脱硫影响112-113
• 6.3.4 SiO_2/Fe_3O_4包覆比例对MNPs固定化SRB细胞脱硫影响113-115
• 6.3.5 MNPs固定化SRB细胞重复脱硫115-116
• 6.4 本章小结116-118
• 7 结论与展望118-120
• 7.1 本论文主要结论118-119
• 7.2 本论文主要创新点119
• 7.3 研究展望119-120
• 参考文献120-134
• 附录134-144
• 个人简历及发表文章专利144-146
• 致谢146

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

丁二酸合成研究进展    薛锋;

丁二酸的电解合成    杨水金,黄善仪,朱庆仁

发酵法生产丁二酸中试技术通过验收    

生物法制取丁二酸中试取得突破    

羧乙基硫代丁二酸的合成研究    刘克杰;应建康;段利波;

碱性树脂分离丁二酸性质研究    李松;姚忠;刘辉;吴昊;姜岷;

重组大肠杆菌厌氧发酵产丁二酸培养条件的优化    姜岷;王益娜;陈可泉;马江锋;李建;刘忠敏;

农作物秸秆发酵制备丁二酸的代谢工艺优化    李兴江;罗水忠;姜绍通;潘丽军;

一株丁二酸高产菌株的筛选和鉴定    姜岷;蔡婷;陈可泉;苏溧;谢鑫;

发酵法生产丁二酸研究进展及其应用前景    武敏敏;刘宏娟;张建安;薛建伟;李晋平;

碱性树脂选择性分离丁二酸    刘辉;马哲;徐晓滢;李松;姚忠;

丁二酸单乙酯的绿色合成与表征    王风贺;邹鹏飞;雷武;夏明珠;王风云;

9-(2-丁二酸单酰乙氧基甲基)鸟嘌呤的合成及工艺优化    刘捷;穆冰彦;聂品;马丽;赵东欣;卢奎;

支持向量机在丁二酸发酵过程建模中的应用    袁安平;张湜;姜珉;陈可泉;

聚丁二酸丁二酯/聚丁二酸丙二酯共聚物的合成与结晶性能研究    徐永祥;徐军;孙元碧;刘德华;郭宝华;林峰;

手性N-烷基-α-亚胺基-1,4-丁二酸的合成研究    郁兆莲;李森兰;陈庆华;

生物法千吨装置产出高纯丁二酸    陶炎

发酵法丁二酸中试技术通过验收    劲博

绿色无隔膜法丁二酸技术获认同    翁国娟

生物法制取丁二酸中试取得突破    陶炎

扬子石化生物制取丁二酸    程龙根

玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究    周威

玉米秸秆生物炼制丁二酸的研究    郑璞

卡马西平—丁二酸共晶热力学研究及溶液络合机理的探索    许慎敏

混合二元酸综合利用工程基础研究    孙晓波

运动发酵单胞菌丁二酸合成代谢途径构建及应用研究    税宗霞

聚异丁烯丁二酸山梨醇酯的合成及应用研究    颜小东

DBA废液中二元羧酸的提取分离工艺研究    郭敬敬

生物法制备丁二酸项目可行性研究    薛擎宇

丁二酸的绿色电化学合成技术    张晓忠

嗜乙酰乙酸棒杆菌代谢改造合成丁二酸的研究    刘伟

玉米秸秆原料发酵生产丁二酸工艺研究    方林

羧基烷基硫代丁二酸的合成及其缓蚀阻垢机理研究    任保勇

玉米秸秆水解液发酵产丁二酸研究    叶小金

丁二酸产生菌的选育及其转化条件的研究    贾全栋