大肠杆菌利用水稻脆性秸秆发酵产乙醇的研究

【摘要】：纤维乙醇作为可替代石油资源的生物质能源，受到了广泛地关注。本文采用一种新型的生物质原料——水稻脆性秸秆作研究对象来发酵产乙醇，试图找到新的秸秆利用途径。以普通秸秆作为对照，分析了普通秸秆和脆性秸秆的结构组成，对比了两种秸秆在酸碱预处理后还原糖及预处理副产物的组分差别，进一步研究了预处理副产物对大肠杆菌发酵产乙醇的毒害，最后对脆性秸秆发酵产乙醇的条件和工艺进行了优化。 对稻脆性秸秆（编号2006C28，选育自扬稻6号，Oryza sative.L）组分分析发现，相比于普通秸秆，脆性秸秆纤维素含量降低了15%，半纤维素和木质素含量分别提高了17%和5%。采用2.0%H2SO4(w/v)处理两种秸秆，脆性秸秆的总还原糖产率高出普通秸秆13%，葡萄糖和木糖产率分别是普通秸秆的1.38和1.06倍，阿拉伯糖产率则无明显差异。主要的酸水解副产物除了甲酸外，两种秸秆产生的乙酸、糠醛和5-羟甲基糠醛(5-HMF)无显著差异。采用最佳酸碱预处理及酶水解条件对酸处理后材料加入纤维素酶进行水解，结果每克脆性秸秆得到的总还原糖量为541.2±8.0mg，比普通秸秆高出41.9mg。同时脆性秸秆的葡萄糖产量和木糖产量分别高出普通秸秆的12%和24%，阿拉伯糖则无显著差异。扫描电镜观察材料的表面形态结果表明，脆性秸秆细胞破坏程度更大。 进一步探讨秸秆水解副产物组分对Escherichia coli SZ470发酵的影响，研究结果表明1.2g/L乙酸和3.0g/L邻苯二酚在其单独存在时均能100%抑制Escherichia coli SZ470细胞生长；糠醛对菌体的生长抑制作用在其浓度为1.2g/L达最大。响应面分析的结果显示乙酸和糠醛组合对大肠杆菌的菌体生长及乙醇产量有显著的协同促进作用，而糠醛与邻苯二酚共同存在时对乙醇得率有显著的协同抑制作用。 利用脆性秸秆水解液发酵产乙醇的最优条件是5%接种量，35℃及初始pH6.5。分步糖化发酵的结果表明脆性秸秆乙醇产量为12.94±0.60g/L，高出普通秸秆(10.06±0.59g/L)29%。两种秸秆经同步糖化发酵96h后，脆性秸秆的乙醇得率是普通秸秆的1.25倍。 【关键词】：水稻脆性秸秆 稀酸秸秆水解液 乙醇发酵 有害副产物 大肠杆菌
【学位授予单位】：湖北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-7
• 目录7-10
• 第1章 引言10-23
• 1.1 利用木质纤维素生物质发酵产乙醇的研究背景10-20
• 1.1.1 木质纤维素生物质的结构及预处理10-14
• 1.1.2 木质纤维素酸解液中抑制剂的分类及其抑制作用机理14-17
• 1.1.3 利用生物质水解液发酵生产乙醇的研究现状17-20
• 1.2 水稻脆性秸秆的研究现状20-22
• 1.2.1 水稻脆茎突变体与普通茎秆的差异20
• 1.2.2 水稻脆性秸秆的特点20-21
• 1.2.3 水稻脆性秸秆作为生物质原料的特性21-22
• 1.3 本研究的主要内容与意义22-23
• 第2章 脆性秸秆的成分及预处理23-39
• 2.1 实验材料23-24
• 2.1.1 水稻秸秆原料23
• 2.1.2 仪器23-24
• 2.1.3 试剂24
• 2.2 实验方法24-26
• 2.2.1 酸碱预处理24-25
• 2.2.2 纤维素酶处理25
• 2.2.3 分析方法25-26
• 2.3 结果与分析26-36
• 2.3.1 理化分析26-27
• 2.3.2 稀酸预处理27-31
• 2.3.3 石灰预处理31-33
• 2.3.4 NaOH 预处理33-34
• 2.3.5 纤维素酶处理34-36
• 2.3.6 秸秆处理前后的电镜分析36
• 2.4 本章小结36-39
• 第3章 脆性秸秆水解液中副产物对 Escherichia coli SZ470 发酵的影响39-54
• 3.1 实验材料39-40
• 3.1.1 菌株39
• 3.1.2 培养基39-40
• 3.1.3 试剂40
• 3.1.4 仪器及设备40
• 3.2 实验方法40-42
• 3.2.1 菌种活化40
• 3.2.2 单因素考察抑制因子对 Escherichia coli SZ470 细胞生长及发酵产乙醇的影响40
• 3.2.3 乙酸、糠醛与邻苯二酚对 Escherichia coli SZ470 细胞生长及产物积累的协同影响40-41
• 3.2.6 分析方法41-42
• 3.3 结果与分析42-53
• 3.3.1 乙酸对 E.coli SZ470 菌体生长及发酵的影响42-43
• 3.3.2 糠醛对 E.coli SZ 470 细胞生长及发酵的影响43-46
• 3.3.3 邻苯二酚对 E.coli SZ 470 细胞生长及发酵的影响46-47
• 3.3.4 响应面分析三种抑制因子对 E.coli SZ 470 的协同影响47-53
• 3.4 本章小结53-54
• 第4章 Escherichia coli SZ 470 利用脆性秸秆水解液发酵产乙醇的研究54-62
• 4.1 实验材料54
• 4.1.1 菌种54
• 4.1.2 材料及试剂54
• 4.1.3 实验仪器及设备54
• 4.2 实验方法54-56
• 4.2.1 秸秆稀酸水解液的制备54-55
• 4.2.2 种子的制备55
• 4.2.3 利用秸秆酸解液摇瓶发酵产乙醇条件的优化55
• 4.2.4 分步糖化发酵产乙醇55-56
• 4.2.5 同步糖化发酵产乙醇56
• 4.2.6 分析方法56
• 4.3 结果与分析56-61
• 4.3.1 接种量对乙醇产量的影响56-57
• 4.3.2 温度对乙醇产量的影响57-58
• 4.3.3 初始 pH 对乙醇产量影响58-59
• 4.3.4 两种材料糖化后发酵产乙醇的比较59-60
• 4.3.5 两种材料同步糖化发酵产乙醇的比较60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第5章 总结与展望62-64
• 5.1 结论62-63
• 5.2 展望63-64
• 参考文献64-69
• 致谢69-70
• 附录70

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