利用稻草秸秆和谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂的研究

【摘要】： 生物絮凝剂制备成本偏高已成为限制其工业化生产和大规模应用的瓶颈问题,基于此提出以农业废弃物稻草秸秆和工业废弃物谷氨酸发酵废水为廉价的碳源和氮源制取复合型生物絮凝剂。探讨了秸秆的预处理方法并优化预处理工艺;优化了以稻草秸秆为底物制取生物絮凝剂的发酵工艺;优化了谷氨酸发酵废水培养基配方;研究了产絮菌F2-F6在谷氨酸发酵废水培养基中的发酵条件;解析了产絮菌F2-F6在废水培养基和絮凝剂培养基中的生长过程和絮凝活性物质产生过程;定量分析了复合型生物絮凝剂的产量、产率和由此产生的经济效益。 结果表明,稀碱预处理要明显好于稀酸预处理。采用正交试验等方法对稀碱预处理进行了工艺优化,最优预处理条件:稻草秸秆40目,在80℃条件下,质量分数为1%的NaOH反应90min。预处理后的稻草秸秆经过微生物降解,转化率可以达到70.3%,还原糖产率为10.6%。产絮菌F2-F6利用稻草秸秆糖化液产絮,絮凝率为94%;稻草秸秆经过纤维素复合酶水解,在秸秆浓度50g/L,酶用量0.2g酶/g秸秆条件下,酶解得率为49.65%,以酶解液培养产絮菌F2-F6产絮,絮凝率达到96.5%。说明稻草秸秆经过预处理后,完全可以作为廉价碳源替代葡萄糖制取复合型生物絮凝剂,每吨稻草秸秆制取复合型生物絮凝剂产量最大值为8.7×104g。 对以谷氨酸发酵废水作为替代培养基制备复合型生物絮凝剂进行了研究。结果表明:浓度为20%的谷氨酸发酵废水中补加8g/L的葡萄糖,无需添加额外的氮源即可作为替代培养基培养产絮菌F2-F6,絮凝率可以达到95.4%。废水培养基培养产絮菌F2-F6的最佳发酵条件为:发酵温度30℃、初始pH为7.0、摇床转速为140r/min、8%的种子液接种量、发酵时间20h。每升谷氨酸发酵废水可以制备复合型生物絮凝剂8.5475g。发酵过程中,产絮菌细胞生长和絮凝产物合成对发酵体系中溶解氧的要求存在差异,结合分阶段供氧控制策略,谷氨酸发酵废水和絮凝剂培养基制备生物絮凝剂的发酵过程中,需要集中大量供氧的时间分别为8h和21h。 【关键词】：稻草秸秆资源化 预处理 两段式发酵 谷氨酸发酵废水 复合型生物絮凝剂
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 生物絮凝剂的研究现状和发展趋势11-17
• 1.1.1 生物絮凝剂及其特点11-15
• 1.1.2 生物絮凝剂的应用15
• 1.1.3 存在问题和发展趋势15-17
• 1.2 稻草秸秆和谷氨酸发酵废水资源化利用现状17-23
• 1.2.1 秸秆的资源化利用17-18
• 1.2.2 木质纤维素的预处理18-21
• 1.2.3 谷氨酸发酵废水资源化利用现状21-23
• 1.3 课题来源23
• 1.4 研究目的和意义23-24
• 1.5 研究的主要内容24-25
• 第2章 试验材料、设备和方法25-34
• 2.1 实验材料25-26
• 2.1.1 原料和菌株25
• 2.1.2 培养基25-26
• 2.2 试验试剂和仪器26-27
• 2.2.1 试剂26
• 2.2.2 仪器26-27
• 2.3 试验方法27-30
• 2.3.1 产絮菌复壮27-28
• 2.3.2 纤维素降解菌HIT-3 的复壮28
• 2.3.3 产絮菌生长曲线测定28
• 2.3.4 絮凝效果测定28
• 2.3.5 纤维素菌生长曲线测定28
• 2.3.6 稻草秸秆预处理28-29
• 2.3.7 两段式发酵工艺29
• 2.3.8 稻草秸秆微生物降解29
• 2.3.9 稻草秸秆酶水解29
• 2.3.10 絮凝活性成分粗提29-30
• 2.3.11 谷氨酸发酵废水预处理30
• 2.4 分析方法30-34
• 2.4.1 还原糖含量测定30
• 2.4.2 葡萄糖标准曲线的测定30-31
• 2.4.3 酶活标准曲线的测定31-32
• 2.4.4 纤维素降解菌产纤维素酶活测定32
• 2.4.5 粗纤维含量测定32
• 2.4.6 木质素、纤维素和半纤维素含量测定32-33
• 2.4.7 TOC 和TN 测定33
• 2.4.8 溶解氧测定33
• 2.4.9 稻草秸秆预处理前后、降解前后表面形貌观察33
• 2.4.10 谷氨酸发酵废水水质指标测定33-34
• 第3章 纤维素降解菌和产絮菌的复壮34-47
• 3.1 纤维素降解菌HIT-3 的形态特征34-36
• 3.2 纤维素降解前后形态变化36-37
• 3.3 纤维素降解菌HIT-3 的复壮37-38
• 3.4 产絮菌的形态特征38-39
• 3.5 产絮菌的复壮39-46
• 3.5.1 絮凝剂产生菌传代稳定性实验40-42
• 3.5.2 混合发酵产絮菌F2-F6 的生长、产絮过程42-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第4章 稻草秸秆资源化制取复合型生物絮凝剂47-67
• 4.1 稻草秸秆预处理48-52
• 4.1.1 稀酸稀碱预处理48-49
• 4.1.2 稀碱预处理优化试验49-50
• 4.1.3 稻草秸秆粒度对还原糖产率和转化率的影响50
• 4.1.4 氢氧化钠预处理对稻草秸秆成分的影响50-51
• 4.1.5 预处理对稻草秸秆表面形貌的影响51-52
• 4.2 纤维素糖化52-59
• 4.2.1 纤维素降解菌糖化纤维素52-56
• 4.2.2 纤维素复合酶系糖化纤维素56-59
• 4.3 以稻草秸秆糖化液为底物制取生物絮凝剂59-63
• 4.3.1 稻草秸秆菌解糖化液为底物制取生物絮凝剂59-62
• 4.3.2 稻草秸秆酶解糖化液为底物制取生物絮凝剂62-63
• 4.4 稻草秸秆制取生物絮凝剂产量分析63
• 4.5 稻草秸秆制取生物絮凝剂经济效益分析63-65
• 4.6 本章小结65-67
• 第5章 利用谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂67-84
• 5.1 谷氨酸发酵废水培养基的优化67-71
• 5.1.1 谷氨酸发酵废水水质分析67-68
• 5.1.2 废水浓度对絮凝活性的影响68
• 5.1.3 葡萄糖浓度对絮凝活性的影响68-69
• 5.1.4 不同碳源对絮凝活性的影响69-70
• 5.1.5 不同氮源对絮凝活性的影响70-71
• 5.2 谷氨酸发酵废水培养产絮菌F2-F6 的发酵条件71-75
• 5.2.1 初始pH 值71
• 5.2.2 摇床转速71-72
• 5.2.3 发酵温度72-73
• 5.2.4 发酵时间73-74
• 5.2.5 接种量74-75
• 5.3 产絮菌F2-F6 在谷氨酸发酵废水培养基中的生长75-77
• 5.3.1 絮菌F2-F6 生长过程75-76
• 5.3.2 絮凝活性物质产生过程76-77
• 5.4 产絮菌 F2-F6 在谷氨酸发酵废水和常规絮凝剂培养基中生 长过程比较77-80
• 5.4.1 产絮菌F2-F6 在两种培养基中生长曲线的比较77-78
• 5.4.2 产絮菌F2-F6 在两种培养基中絮凝活性的比较78-79
• 5.4.3 产絮菌F2-F6 在两种培养基中溶解氧变化比较79-80
• 5.5 以谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂的产量分析80-81
• 5.6 以谷氨酸发酵废水制取生物絮凝剂经济效益分析81-82
• 5.7 本章小结82-84
• 结论84-86
• 参考文献86-91
• 攻读学位期间发表的学术论文91-93
• 致谢93

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