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固态发酵纤维素酶的研究
Alternative TitleCellulase Production by Solid-state Fermentation
李燕军
Subtype博士
Thesis Advisor陈洪章
2013-05-01
Degree Grantor中国科学院研究生院
Degree Discipline生物化工
Keyword汽爆麦秆   固态发酵   纤维素酶   脉孢菌   分泌组学   双向电泳
Abstract固态发酵节能、节水、投资成本低、操作简单,能够利用秸秆类木质纤维素资源生产高附加值的产品。从一开始进行纤维素酶的基础研究和产业应用,就采用的是条件容易控制的液态发酵,无论从微生物的适应性还是过程的控制都取得了很大的进展,然而纤维素酶的成本还是高过大规模应用的需要。固态发酵生产纤维素酶,能够比液态发酵产生更高浓度和更加稳定的酶,能够利用廉价的生物质作为培养基质和诱导物,成本大大降低,再加上生物炼制领域对酶制剂纯度的要求低,固态发酵可预期为今后纤维素酶生产的主要方式。然而,目前固态发酵的研究还不够深入,尤其对微生物生理学的认知较少。为了丰富固态发酵产酶微生物,提供适于进行固态发酵基础研究的生物材料,我们筛选了一株好食脉孢菌,考察了它利用汽爆麦秆生产纤维素酶的能力,同时研究了在固态发酵、液态发酵培养时胞外分泌组学的差异。进行了压力脉动强化纤维素酶固态发酵的研究。为了开发加酶沼气发酵工艺,研究了麦秆的沼气发酵性能。论文取得的主要结果如下: (1)分离纯化了一株在汽爆麦秆上迅速蔓延、产橘黄色孢子的丝状真菌,鉴定为好食脉孢菌。以葡萄糖为底物发酵乙醇速率快,由于辅酶因子不平衡,利用木糖的能力差。与长梗木霉对照进行纤维素酶固态发酵,好食脉孢菌还原糖的生成和利用达到了动态平衡,而长梗木霉由于β-葡萄糖苷酶活性低,出现了纤维二糖的积累。认为理想的纤维素酶固态发酵类似于同步糖化发酵,没有还原糖的积累,同时发现微生物代谢、基质利用与产酶不成正相关。 (2)在汽爆麦秆提供简单营养和诱导产酶条件下,好食脉孢菌固态发酵生物量、胞外分泌蛋白和纤维素酶(FPA, CMCase和β-glucosidase)活性显著高于为液态发酵,体现出固态发酵利用木质纤维素生产纤维素酶的优势。通过分泌组学比较发现,固态发酵和液态发酵都产生了普遍被认为重要的纤维素酶和半纤维素酶类,除了酶蛋白外,固态发酵产生了跟菌体自身生长相关的蛋白,而液态发酵则分泌更多参与糖代谢和逆境胁迫的蛋白,说明固态发酵提供了类似丝状真菌生长的自然环境,有利于菌丝的生长和酶蛋白的分泌,而液态发酵则像是菌体的逆境胁迫。固态发酵的双向电泳图共识别到100个蛋白点,液态发酵识别到118个点,固态发酵和液态发酵在分子量50-70 kDa附近积累了高丰度的纤维素酶类蛋白,同时液态发酵在分子量20 kDa左右出现高丰度蛋白,根据前面鉴定了结果,推测属于逆境胁迫蛋白。 (3)研究了压力脉动固态发酵反应器中,空气压力、排气孔径对排气时间和纤维素酶发酵的影响。发现空气压力和排气孔径对纤维素酶生产具有重要影响,最优的压力和孔径分布为0.2 MPa和0.3 cm,二者共同决定了适宜的排气时间。基于这一结果,我们给出了指导反应器放大的公式:S = 9.57 V / t。 (4)研究了氨水预处理后麦秆组分的变化和沼气发酵性能。氨水处理可以去除40%的木质素,半纤维素在中强度处理下约有60%的保留,纤维素含量变化不明显。通过响应面模型得出最佳处理条件为:用14.8%的氨水,在51.0°C下处理27.0 h,对应的沼气产量为572.84 mLN g-1VS。木质素去除与沼气生成在一定程度上线性相关,但二者对相同处理条件有着不同的响应模式。
Other AbstractSolid-state fermentation (SSF), with the advantages of water and energy-saving, low capital investiment and easily handling, has been regarded as a feasible process for transforming lignocellulosic materials, such as agricultural residues to value-added products. From the very beginning of basic studies and industiral applications of cellulase, the submerged fermentation (SmF) was employed. Through many years’ efforts, cellulase-producing strains are more adaptable to SSF, and the process control technologies are well developed, however, the production cost of cellulase is still to high to be used in large-scale biorefineries. In terms of cellulase fermentation, higher cellulase yields and better stabilities are often reported in SSF rather than in SSF, and the relatively abundant and cheaper biomass is often used as medium and enzyme inducer, therefore the cost can be reduced remarkbly. The SSF process is predicted to be the main method for cellulase production in future, considering the purity less required in biorefinery applications.
Pages161
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/8257
Collection研究所(批量导入)
Recommended Citation
GB/T 7714
李燕军. 固态发酵纤维素酶的研究[D]. 中国科学院研究生院,2013.
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