基于棉花秸秆的微生物合成乙醇研究

【摘要】： 以棉花秸秆为原料,研究了原料预处理的方法,筛选了乙醇发酵菌株,并系统研究了秸秆水解液发酵转化乙醇的工艺,研究结果如下: 1、考察了碱处理对棉秆酶解糖化的影响,结果表明:碱预处理主要是通过对棉秆中的半纤维素、木质素作用来破坏棉花秸秆的纤维质结构;2%NaOH,固液比1:20,120℃,处理棉秆75min,棉秆中的木质素、半纤维素分别降低49.83%,55.75%;利用碱/微波(700W)预处理棉秆15min,棉秆中的木质素、半纤维素分别降低51.76%,56.76%,提高微波功率对于处理后的棉杆中纤维素、高聚糖(纤维素+木质素)收率无明显影响,但功率越高、所需时间越短;温度45℃,pH4.6,复合纤维素酶用量4μL/g为较好的酶解糖化条件;碱预处理棉花秸秆酶水解96h,水解率为20.01%,碱/微波预处理棉花秸秆酶水解48h,水解率为20.05%。 2、考察了酸处理对棉秆糖化的影响,结果表明:酸主要是通过对棉秆中的半纤维素及少量纤维素水解来破坏棉花秸秆的纤维质结构;2.5%H2SO4,固液比1:12,110℃,处理棉秆4h,其水解率达29.61%;酸/微波(300W)预处理棉秆45min,棉秆水解率为14.32%,提高微波的作用功率可以缩短预处理时间,但是却会减弱半纤维素水解的程度,其酶水解率(72h)为酸预处理棉秆的49.1%。 3、考察了酸预处理、碱预处理、碱/微波预处理后的棉花秸秆的酶水解动力学,结果表明五种预处理后的棉秆酶水解都受产物还原糖的竞争抑制,都可以用下面的动力学模型对酶水解过程进行较好描述: 4、从石河子周边筛选得到31株可利用木糖合成乙醇的菌株。采用紫外诱变筛选得到乙醇发酵菌株Y68,其对木糖的发酵能力较出发菌株提高3.70倍。对Y68基本生长及发酵特性进行了研究,并将其应用于不同预处理后棉秆糖化液的发酵。实验结果表明:实验范围内Y68的最适生长温度范围为35℃-38℃,最适生长pH值为5.5,最大乙醇耐受力为14%。混合糖发酵过程中:接种量5%,发酵温度35℃-38℃,pH 5.5,摇床转速80r/min为较佳条件。酸预处理较碱预处理而言,需较长的发酵时间。不同棉秆水解液中可发酵糖乙醇转化率均高于56.81%。 【关键词】：预处理 酶水解 糖化 酵母 乙醇发酵 棉花秸秆
【学位授予单位】：石河子大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TQ223.122
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-12
• 前言12-13
• 第一章 文献综述13-28
• 1.1 生物质能与燃料乙醇13-14
• 1.1.1 生物质能13
• 1.1.2 燃料乙醇13
• 1.1.3 燃料乙醇的生产工艺13-14
• 1.2 棉花秸秆的化学组成与植物秸秆结构14-17
• 1.2.1 棉花秸秆的化学组成14-16
• 1.2.2 植物秸秆的结构16-17
• 1.3 植物秸秆原料的预处理17-20
• 1.3.1 物理方法17-18
• 1.3.2 化学方法18-19
• 1.3.3 物理-化学方法19-20
• 1.3.4 生物方法20
• 1.4 植物纤维素原料的酶水解20-24
• 1.4.1 纤维素酶及其水解作用机制20-23
• 1.4.2 纤维素酶水解的影响因素23-24
• 1.4.3 纤维素酶水解动力学24
• 1.5 植物纤维素原料的乙醇发酵24-26
• 1.5.1 植物纤维素原料乙醇发酵菌种24-25
• 1.5.2 植物纤维素原料的乙醇发酵工艺25-26
• 1.6 本研究工作的意义与研究内容26-28
• 第二章 材料与方法28-36
• 2.1 材料28-29
• 2.1.1 棉花秸秆28
• 2.1.2 酶制剂28
• 2.1.3 菌株的分离28
• 2.1.4 培养基28-29
• 2.2 方法29-36
• 2.2.1 分析方法29-33
• 2.2.2 棉花秸秆的预处理方法33-34
• 2.2.3 酶水解34
• 2.2.4 酵母菌的筛选34
• 2.2.5 菌种基本性能的测定34-35
• 2.2.6 紫外诱变35-36
• 第三章 碱预处理对棉秆糖化的影响36-46
• 引言36
• 3.1 棉花秸秆中的主要成分36
• 3.2 碱处理对棉秆化学组成的影响36-40
• 3.2.1 温度的影响36-37
• 3.2.2 NaOH 浓度的影响37-38
• 3.2.3 固液比的影响38-39
• 3.2.4 处理时间的影响39-40
• 3.3 碱预处理棉秆糖化（酶水解）工艺条件优化40-42
• 3.3.1 酶用量的影响40
• 3.3.2 酶解温度的影响40-41
• 3.3.3 pH 的影响41
• 3.3.4 碱预处理棉秆酶解糖化工艺条件优化41-42
• 3.4 碱/微波处理条件对棉秆化学组成的影响42-44
• 3.5 两种碱预处理棉花秸秆的比较44-45
• 3.5.1 不同碱预处理方法对棉花秸秆中主要组分的影响44
• 3.5.2 不同碱预处理方法对棉花秸秆酶解糖化的影响44-45
• 3.6 小结45-46
• 第四章 酸预处理对棉秆糖化的影响46-54
• 引言46
• 4.1 酸处理对棉秆水解的影响46-48
• 4.1.1 粒度的影响46
• 4.1.2 温度的影响46-47
• 4.1.3 酸浓度的影响47-48
• 4.1.4 固液比的影响48
• 4.2 酸预处理棉秆工艺条件优化48-49
• 4.3 酸预处理对水解液中还原糖及棉秆的主要化学组成的影响49-50
• 4.4 酸/微波处理对于棉秆主要化学组成及水解液中还原糖含量的影响50-52
• 4.5 两种酸预处理棉花秸秆的比较52-53
• 4.5.1 不同酸预处理方法对于棉秆主要组成的影响52
• 4.5.2 不同酸预处理方法对棉秆酶解糖化的影响52-53
• 4.6 小结53-54
• 第五章 不同预处理方法处理棉秆酶水解动力学比较54-61
• 引言54
• 5.1 数学模型的建立54-55
• 5.2 模型参数的求取55-58
• 5.2.1 预处理后棉花秸秆中可酶水解纤维素含量的确定55
• 5.2.2 模型参数R 和K 的确定55-56
• 5.2.3 模型参数K_G 的确定56-58
• 5.3 模型计算与实验结果比较58-59
• 5.4 三种不同预处理棉花秸秆的酶水解动力学模型参数的对比分析59
• 5.5 小结59-61
• 第六章 乙醇发酵菌的选育61-70
• 引言61
• 6.1 乙醇发酵菌株的初步筛选61-65
• 6.1.1 菌株的初筛61
• 6.1.2 菌株的复筛61
• 6.1.3 菌种基本生理特性的测定61-64
• 6.1.4 菌种基本发酵特性的测定64-65
• 6.2 菌种诱变及诱变株基本生理特性的研究65-69
• 6.2.1 紫外诱变65-66
• 6.2.2 诱变株的筛选66-67
• 6.2.3 温度对诱变株生长的影响67-68
• 6.2.3 pH 对诱变株生长的影响68
• 6.2.4 诱变株的生长曲线68-69
• 6.3 小结69-70
• 第七章 菌株Y68 发酵乙醇的研究70-79
• 引言70
• 7.1 各种营养及抑制因子对Y68 乙醇发酵的影响70-74
• 7.1.1 碳源的影响70-71
• 7.1.2 氮源的影响71-72
• 7.1.3 金属离子的影响72-74
• 7.1.4 乙酸的影响74
• 7.2 发酵条件的影响74-77
• 7.2.1 种子接种量的影响74-75
• 7.2.2 温度的影响75
• 7.2.3 pH 的影响75-76
• 7.2.4 氧的影响76-77
• 7.3 不同预处理棉秆乙醇发酵的比较77-78
• 7.4 小结78-79
• 第八章 结论与展望79-82
• 8.1 结论79-80
• 8.2 展望80-82
• 参考文献82-88
• 致谢88-89
• 个人简历89-90
• 导师评阅表90

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