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玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究; Study on Hot Compressed Water Pretreatment, Enzymolysis and Succinic Acid Fermentation of Corn Stover
周威
Subtype博士
Thesis Advisor邢建民
2015-06
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline生物化工
Keyword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
Abstract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40 g/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40-50 g/L时,丁二酸转化率最高。采用10 g/L酵母膏加6 g/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60 g/L,丁二酸产量较分批发酵时(发酵48h,丁二酸浓度为30 g/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 mM,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 mM,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 mM,比未固定化前提高了450%。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20336
Collection研究所(批量导入)
Recommended Citation
GB/T 7714
周威. 玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究, Study on Hot Compressed Water Pretreatment, Enzymolysis and Succinic Acid Fermentation of Corn Stover[D]. 中国科学院研究生院,2015.
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