玉米秸秆的酶水解与丁醇发酵研究

【摘要】： 由于能源危机和化石燃料燃烧带来的环境污染,寻找出环境友好的可再生能源是十分必要的。丁醇不仅在食品、化工领域有着广泛的应用,还是一种极具潜力的新型生物燃料,被称为第二代生物燃料。农业秸秆是一种重要的可再生资源,但由农业秸秆引起的环境污染问题越来越引起人们的重视。因此,有效利用农业秸秆进行丁醇发酵,可以达到生物质能化和环境保护的双重目的。本文以玉米秸秆为原料,研究了玉米秸秆的预处理,固态发酵产酶和丁醇发酵的最佳条件。从而为农业秸秆的资源化利用提供了参考数据。 分别考察10%氨水和3%NaOH对秸秆预处理的效果。其中NaOH预处理后的纤维素含量比对照提高38.9%,木质素含量下降7.25%。氨水处理后纤维素含量比对照提高7.7%,半纤维素提高3.05%。而且氨水预处理后的秸秆有利于纤维素酶的固态发酵,NaOH预处理后的秸秆有利于纤维素的酶水解。 利用康宁木霉(Trichoderma koningii)对氨水预处理秸秆进行固态发酵产纤维素酶,研究了不同单因素条件下的产酶效果。固态发酵的产酶最佳条件为固液比1∶3,发酵时间84h,初始pH值为4,氮源是硫酸铵,其浓度2%～6%,接种量6%。 考察了NaOH预处理秸秆的酶水解条件。结果表明:酶水解的最佳温度为50℃,酶用量950FPU/g(秸秆),pH 4.5～5,底物浓度为3.33%,吐温80浓度为1.5%g/L。通过正交实验得知,酶水解最佳组合是反应时间60h,温度50℃,酶加量750u/g,底物浓度为3.33%。 利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CICC 8008)对葡萄糖为基质的培养液进行丁醇发酵,考察了不同单因素条件下的丁醇发酵效果。发酵条件优化的实验结果表明:CaCO_3的添加量0.8%,接种量8%,温度37℃,无机氮源为硫酸铵,硫酸铵浓度1%。以酶水解液为发酵基质,采用Plackett-Burman设计法对影响丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CICC 8008)厌氧发酵生产丁醇的15个因子进行筛选。结果表明,影响该菌厌氧发酵的主要影响因子为CaCO_3。在此基础上采用响应曲面法对CaCO_3、温度、发酵时间三个因子的影响进行了研究,得出多元二次回归方程拟合3种因素与丁醇产量间的函数关系。即当CaCO_3浓度为5.04g/L,温度为35℃,发酵时间70h时,丁醇最大产量的预测为6.57g/L。根据优化的结果验证实验准确性,结果表明丁醇的最大产量为6.20g/L,与预测值较为接近。这说明数据统计在酶水解液的丁醇发酵优化过程起十分重要的作用。 【关键词】：玉米秸秆 预处理 固态发酵 酶水解 丁醇发酵
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TQ920.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-11
• 1 绪论11-24
• 1.1 农业秸秆主要成分与结构11-13
• 1.2 国内外农业秸秆的研究状况13-18
• 1.2.1 农业秸秆预处理13-14
• 1.2.2 农业秸秆的固态发酵14-15
• 1.2.3 纤维素作用机理的研究15-16
• 1.2.4 农业秸秆酶水解的影响因素16-18
• 1.3 丁醇发酵18-23
• 1.3.1 丁醇的用途与工业生产18
• 1.3.2 丙酮丁醇梭菌和代谢机理18-21
• 1.3.3 丁醇发酵的工艺研究21-22
• 1.3.4 廉价原料22-23
• 1.4 本论文的研究内容及意义23-24
• 2 实验材料和方法24-33
• 2.1 实验材料24-26
• 2.1.1 实验仪器24
• 2.1.2 实验药品24-25
• 2.1.3 培养基25-26
• 2.1.4 参考菌株26
• 2.2 研究方法26-33
• 2.2.1 实验内容及操作条件26-27
• 2.2.2 实验检测项目及分析方法27-33
• 3 固态发酵生产纤维素酶及酶水解条件的优化33-39
• 3.1 预处理试剂的筛选33
• 3.2 秸秆的不同预处理法对固态发酵产酶的影响33-34
• 3.3 培养基含水量对固态发酵产酶的影响34-35
• 3.4 初始pH值对固态发酵产酶的影响35-36
• 3.5 不同的氮源对固态发酵产酶的影响36-37
• 3.6 硫酸铵浓度对固态发酵产酶的影响37
• 3.7 接种量对固态发酵产酶的影响37-38
• 3.8.本章小结38-39
• 4 纤维素酶水解最佳条件的确定39-48
• 4.1 不同预处理法对酶水解的影响39-40
• 4.2 秸秆粉碎程度对酶水解的影响40
• 4.3 温度对酶水解的影响40-41
• 4.4 酶用量对水解的影响41-42
• 4.5 pH对酶水解的影响42-43
• 4.6 底物浓度对酶水解的影响43
• 4.7 时间对酶水解的影响43-44
• 4.8 吐温-80对酶水解的影响44-45
• 4.9 正交实验确定最佳的酶水解条件45-47
• 4.1.0 本章小结47-48
• 5 丁醇发酵的研究48-71
• 5.1 丁醇发酵条件的优化48-55
• 5.1.1 碳酸钙添加量对丁醇发酵的影响48-49
• 5.1.2 葡萄糖浓度对丙酮丁醇发酵的影响49-51
• 5.1.3 接种量对丙酮丁醇梭菌产量的影响51
• 5.1.4 温度对丁醇发酵的影响51-53
• 5.1.5 氮源对丁醇发酵的影响53-54
• 5.1.6 硫酸铵浓度对丁醇发酵的影响54
• 5.1.7 碳源对丁醇发酵的影响54-55
• 5.2 酶水解液的丁醇发酵55-60
• 5.2.1 Plackett-Burman实验设计55-57
• 5.2.2 数据的统计分析57-60
• 5.3 显著性影响因素的优化60-70
• 5.3.1 中心组合设计60-62
• 5.3.2 数据的统计分析62-69
• 5.3.3 极值与极值条件69-70
• 5.3.4 极值条件下的丁醇发酵70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-77
• 附录A77-78
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况78-79
• 致谢79-80

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