以秸秆和谷氨酸废液制取生物絮凝剂及其净水效能研究

【摘要】：生物絮凝剂作为一种高效、无毒、安全、可生物降解的绿色净水剂,代表了絮凝剂的重要研发方向之一。然而制备成本偏高和作用范围相对较窄等劣势是制约其规模化应用的主要瓶颈问题。针对上述问题,本文立足于廉价生物质废料的资源化利用,开展了以秸秆和谷氨酸废液制取生物絮凝剂及其净水效能的研究。 在优化了产絮菌F2-F6发酵条件的基础上,考察分批补料发酵方式对产絮菌F2-F6的影响。确定初始葡萄糖浓度为10g/L时,碳源补料的最佳参数为：碳源最佳补料种类为葡萄糖,最佳补料时间为发酵15h时,补料浓度为0.1%,补料方式为一次性投加；氮源补料不会增加生物絮凝剂产量,无需补加氮源。产絮菌F2-F6经分批补料发酵24h后,其生物量增加了37.04%,絮凝剂产量增加了40.9%,糖利用率提高了5.51%,絮凝剂得率提高了28.15%,结果显示分批补料发酵效果明显好于分批发酵。 根据产絮菌F2-F6发酵过程的特点,在Logistic方程和Luedeking-Piret方程的基础上,建立了其发酵过程中菌体生长、基质消耗和产物形成的动力学方程。采用Origin7.5软件对试验数据进行处理,得到了产絮菌F2-F6的分批发酵动力学模型参数；模型预测值和试验值吻合较好,说明所建立的方程能较好地预测其实际发酵过程,具有很好的适用性。 采用正交试验等方法对秸秆预处理工艺进行了优化,优化后的预处理条件为：粒度40目的秸秆,在温度80℃、质量分数1%的NaOH溶液中反应90min。预处理后的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利用秸秆糖化液产絮,絮凝率可达94%；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%。说明秸秆经过预处理后,可以作为碳源替代葡萄糖制取生物絮凝剂,每吨秸秆制取生物絮凝剂产量最大值为87kg。 基于谷氨酸废液的浓度梯度策略构建谷氨酸废液培养基：浓度为20%的谷氨酸废液中补加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,絮凝率可达95.4%。废水培养基培养产絮菌F2-F6的最佳发酵条件为：温度30℃、初始pH7.0、摇床转速140rpm、种子液接种量8%、发酵时间20h。每升谷氨酸废液可以制备生物絮凝剂8.5g。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,在谷氨酸废液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。 结合谷氨酸生产工艺特点,提出了以秸秆和谷氨酸废液为底物生产生物絮凝剂的工艺流程,确定了生产过程主要操作条件及控制策略；并制定了生物絮凝剂生产的产品质量标准；对经济效益、环境效益和社会效益进行了简要分析。针对饮用水原水进行了生物絮凝剂与助剂的复配絮凝试验,并探讨最佳投剂方式及投剂量。结果显示,将生物絮凝剂与助剂复配使用可以得到最佳处理效果,在满足出水水质需求的同时,总投剂量显著降低。 【关键词】：生物絮凝剂 产絮菌 分批补料发酵 发酵动力学 谷氨酸废液
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X703.5
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-16
• 第1章 绪论16-31
• 1.1 研究背景16
• 1.1.1 生物絮凝剂16
• 1.1.2 生物絮凝剂研究中存在的问题16
• 1.2 国内外研究现状16-29
• 1.2.1 生物絮凝剂种质资源研究进展16-21
• 1.2.2 生物絮凝剂发酵控制及发酵动力学21-24
• 1.2.3 生物质秸秆和谷氨酸废液资源化利用24-26
• 1.2.4 生物絮凝剂的应用研究26-29
• 1.3 课题研究的目的、意义及主要内容29-31
• 1.3.1 课题来源29
• 1.3.2 研究目的及意义29
• 1.3.3 研究内容29
• 1.3.4 技术路线29-31
• 第2章 试验材料和方法31-39
• 2.1 试验材料31
• 2.1.1 原料和菌株31
• 2.1.2 培养基31
• 2.2 试验试剂和仪器31-33
• 2.2.1 试剂31-32
• 2.2.2 仪器32-33
• 2.3 试验方法33-35
• 2.3.1 秸秆预处理33
• 2.3.2 谷氨酸废液预处理33
• 2.3.3 菌株培养方法33
• 2.3.4 菌浊的测定33
• 2.3.5 菌体干重的测定33
• 2.3.6 产絮菌生长曲线测定33-34
• 2.3.7 纤维素菌生长曲线测定34
• 2.3.8 絮凝活性成分粗提34
• 2.3.9 还原糖产率计算方法34
• 2.3.10 酶解得率计算方法34
• 2.3.11 发酵液中残糖的测定34-35
• 2.3.12 混凝杯罐试验35
• 2.3.13 絮凝效果测定35
• 2.3.14 质量标准中各项指标的测定35
• 2.4 分析方法35-39
• 2.4.1 还原糖含量测定35-36
• 2.4.2 酶活的测定36
• 2.4.3 纤维素降解菌产纤维素酶活测定36
• 2.4.4 木质素、纤维素和半纤维素含量测定36-37
• 2.4.5 TOC、TN测定及溶解氧测定37
• 2.4.6 秸秆预处理前后、降解前后表面形貌观察37
• 2.4.7 谷氨酸废液水质指标测定37
• 2.4.8 酶解液成分分析37-39
• 第3章 生物絮凝剂分批补料发酵优化控制与动力学特性39-75
• 3.1 引言39
• 3.2 生物絮凝剂产生菌F2-F6发酵条件优化39-50
• 3.2.1 种龄39-41
• 3.2.2 发酵时间41-42
• 3.2.3 发酵温度42-43
• 3.2.4 pH43-46
• 3.2.5 溶解氧46-48
• 3.2.6 摇床转速48-49
• 3.2.7 装液量49-50
• 3.3 生物絮凝剂分批补料发酵50-62
• 3.3.1 分批发酵培养过程分析50-52
• 3.3.2 补加碳源52-60
• 3.3.3 补加氮源60-61
• 3.3.4 分批补料发酵效果与分批发酵效果对比61-62
• 3.4 生物絮凝剂产生菌发酵动力学特性62-74
• 3.4.1 动力学模型的选择62-65
• 3.4.2 动力学方程的求解与分析65-74
• 3.5 本章小结74-75
• 第4章 以秸秆为原料制取生物絮凝剂75-92
• 4.1 引言75
• 4.2 纤维素降解菌HIT-3的复壮75-76
• 4.3 秸秆预处理工艺优化76-80
• 4.3.1 稀酸稀碱预处理76-77
• 4.3.2 稀碱预处理条件的优化77-78
• 4.3.3 秸秆粒度对还原糖产率和转化率的影响78
• 4.3.4 氢氧化钠预处理对秸秆成分的影响78-79
• 4.3.5 预处理对秸秆表面形貌的影响79-80
• 4.4 预处理后秸秆纤维素的糖化80-87
• 4.4.1 纤维素降解菌对预处理后秸秆的糖化作用80-83
• 4.4.2 纤维素复合酶系对预处理后秸秆的糖化作用83-87
• 4.5 以秸秆糖化液为底物制取生物絮凝剂87-91
• 4.5.1 秸秆糖化液灭菌和除菌处理对絮凝效果的影响87-88
• 4.5.2 灭菌后秸秆糖化液的碳氮含量88
• 4.5.3 产絮菌F2-F6的产絮能力88-89
• 4.5.4 补加氮源后产絮菌F2-F6产絮凝剂的絮凝效果89-91
• 4.5.5 秸秆制取生物絮凝剂产量分析91
• 4.6 本章小结91-92
• 第5章 谷氨酸废液制备生物絮凝剂92-108
• 5.1 引言92
• 5.2 谷氨酸废液的来源及性质92-94
• 5.2.1 谷氨酸废液的来源92-93
• 5.2.2 谷氨酸废液性质93-94
• 5.3 谷氨酸废液培养基的配置与优化94-97
• 5.3.1 谷氨酸废液水质分析94
• 5.3.2 废水浓度对絮凝活性的影响94-95
• 5.3.3 葡萄糖浓度对絮凝活性的影响95-96
• 5.3.4 不同碳源对絮凝活性的影响96
• 5.3.5 不同氮源对絮凝活性的影响96-97
• 5.4 环境因素对产絮菌F2-F6的影响97-103
• 5.4.1 初始pH值97-98
• 5.4.2 摇床转速98-99
• 5.4.3 发酵温度99
• 5.4.4 发酵时间99-100
• 5.4.5 接种量100-101
• 5.4.6 最佳环境条件下产絮菌F2-F6的生长101-103
• 5.5 以谷氨酸废液为原料制取生物絮凝剂103-107
• 5.5.1 产絮菌F2-F6在两种培养基中生长过程比较103-106
• 5.5.2 以谷氨酸废液制取生物絮凝剂的产量分析106-107
• 5.6 本章小结107-108
• 第6章 生物絮凝剂生产工艺设计及应用试验108-119
• 6.1 引言108
• 6.2 生物絮凝剂生产工艺设计108-113
• 6.2.1 生产原料主要技术规格、用量108
• 6.2.2 设备选型108-109
• 6.2.3 生产工艺流程109-111
• 6.2.4 生产过程主要操作条件与控制策略111
• 6.2.5 生物絮凝剂产品质量标准的拟定111-113
• 6.3 综合效益分析113-115
• 6.3.1 经济效益113-114
• 6.3.2 环境效益114
• 6.3.3 社会效益114-115
• 6.4 对夏季富营养化饮用水原水的处理115-118
• 6.4.1 水质在线检测115-116
• 6.4.2 处理效果116-118
• 6.5 本章小结118-119
• 结论119-121
• 参考文献121-130
• 读博士学位期间发表的相关学术论文130-132
• 致谢132-133
• 个人简历133

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