玉米秸秆水解液为底物发酵产丁醇的研究

【摘要】：玉米秸秆是一类含丰富纤维素的生物质,以玉米秸秆为原料生产化学品和生物能源得到广泛关注。产醇梭菌能够以玉米秸秆水解物为底物生长并产生如丁醇、乙醇以及丙酮的代谢物,因此极具工业应用潜力。本研究以柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液代替传统的乙酸-乙酸钠缓冲液作为玉米秸秆预处理物酶解的缓冲液,经过72-96 h水解,水解液中还原糖浓度高出14%,能够满足实验要求。通过向玉米秸秆水解液中添加以下五种物质:活性炭,Ca(OH)2,活性炭+Ca(OH)2,亚硫酸钠,连二亚硫酸钠,研究了不同抑制剂脱除方法对水解液各组分及其对发酵的影响。结果表明,抑制剂脱除率由高到低依次为:活性炭+Ca(OH)2活性炭Ca(OH)2亚硫酸钠和连二亚硫酸钠,这与对还原糖造成的损失一致。对C.beijerincii 8052发酵水解液的影响,由好到差依次为:Ca(OH)2活性炭活性炭+Ca(OH)2亚硫酸钠和连二亚硫酸钠。活性炭+Ca(OH)2的组合虽能最大程度去除抑制剂,但水解液中残留组分对厌氧发酵产生一定影响在50°C、110转/分条件下,以Ca(OH)2对水解液进行抑制剂的脱除,C.beijerinckii 8052发酵脱毒后的水解液,获得丁醇的量为8.7 g/L,这比抑制剂未脱除情况下高出52%。通过紫外诱变提高C.beijerinckii 8052的糖摄取量,以此来提高丁醇产量,经过连续诱变,获得一株突变株CM20,利用其发酵脱毒后的纤维素水解液,糖利用率提高14%,ABE(丙酮、丁醇和乙醇)产量可达19 g/L,其中丁醇产量10.8 g/L。此外,研究还发现,CO存在下的C.beijerinckii 8052发酵,发酵结束后,产物丁醇、乙醇、丙酮三者的比例发生了明显的变化。 【关键词】：玉米秸秆 拜氏梭菌 丁醇 抑制剂 CO
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ923
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-7
• 第一章 引言7-17
• 1.1 生物燃料研究概况及发展趋势7-8
• 1.2 木质纤维素原料的化学组成8-9
• 1.3 利用木质纤维素生产丁醇技术路线9
• 1.4 木质纤维素类生物质预处理方法的研究进展9-10
• 1.5 预处理过程中产生抑制剂种类及对发酵影响研究进展10-11
• 1.5.1 呋喃衍生物10
• 1.5.2 低分子量的脂肪酸10-11
• 1.5.3 酚醛化合物11
• 1.6 抑制剂脱除方法的研究进展11-12
• 1.6.1 化学方法11
• 1.6.2 基因工程方法11-12
• 1.6.3 物理方法12
• 1.7 耐抑制剂菌株的研究进展12-13
• 1.8 以丁醇为产物的微生物13-14
• 1.9 微生物丁醇耐受性研究进展14-15
• 1.10 外源物质对梭状芽孢杆菌产溶剂影响的研究进展15-16
• 1.11 研究内容及意义16-17
• 第二章 玉米秸秆预处理物发酵产丁醇前期实验条件探索17-23
• 2.1 引言17
• 2.2 材料与设备17-18
• 2.2.1 玉米秸秆预处理物17
• 2.2.2 纤维素酶17
• 2.2.3 试剂17
• 2.2.4 主要设备17-18
• 2.3 实验方法18
• 2.3.1 纤维素酶比酶活测定方法18
• 2.3.2 还原糖测定方法18
• 2.3.3 丁醇、丙酮及乙醇测定方法18
• 2.4 结果与讨论18-22
• 2.4.1 标准曲线18-20
• 2.4.2 纤维素酶酶活测定20
• 2.4.3 不同固液比（w/v）对汽爆秸秆水解液中还原糖浓度的影响20
• 2.4.4 不同缓冲液对秸秆预处理物水解的影响20-21
• 2.4.5 水解时间对秸秆预处理物水解的影响21-22
• 本章小结22-23
• 第三章 不同脱毒方法对水解液各组分及发酵的影响23-29
• 3.1 引言23
• 3.2 材料与设备23
• 3.2.1 菌株23
• 3.2.2 主要试剂23
• 3.2.3 主要设备23
• 3.3 实验方法23-24
• 3.3.1 抑制剂脱除方法23-24
• 3.3.2 可溶性木素的检测方法24
• 3.3.3 水解液中糠醛、羟甲基糠醛和香草醛浓度的测定方法24
• 3.4 结果与讨论24-28
• 3.4.1 玉米秸秆水解液中抑制剂成分检测24-25
• 3.4.2 脱毒方法的选择25
• 3.4.3 脱毒后水解液中主要抑制剂含量变化25-26
• 3.4.4 两种产溶剂梭菌发酵水解液的比较26
• 3.4.5 不同抑制剂脱除方法对C. beijerinckii NCIMB 8052发酵的影响26-28
• 本章小结28-29
• 第四章C. beijerinckii NCIMB 8052发酵Ca(OH)_2 脱毒玉米秸秆水解液29-41
• 4.1 引言29
• 4.2 试剂、设备、方法29-31
• 4.2.1 试剂29
• 4.2.2 设备仪器29-30
• 4.2.3 培养基30
• 4.2.4 培养方法30
• 4.2.5 发酵液在 600 nm下吸光度的测定方法30
• 4.2.6 细菌基因组提取方法30
• 4.2.7 细菌RNA提取方法30-31
• 4.2.8 cDNA第一链的合成方法31
• 4.3 结果与讨论31-40
• 4.3.1 Ca(OH)_2 脱毒前后抑制剂含量变化情况31-32
• 4.3.2 C.beijerinckii NCIMB 8052发酵纤维素水解液糖的利用量和溶剂产量32-35
• 4.3.3 以基因组含量表示细胞量可能性实验35-36
• 4.3.4 RT-PCR分析Ca(OH)_2 的引入对C. beijerinckii NCIMB 8052部分基因表达量的影响36-40
• 4.3.4.1 RNA 的提取36-37
• 4.3.4.2 目的基因选择、引物设计及基因相对表达量计算方法37-38
• 4.3.4.3 RTPCR体系38
• 4.3.4.4 结果分析38-40
• 本章小结40-41
• 第五章 驯化、紫外诱变及CO协同在梭菌发酵中的作用41-49
• 5.1 引言41
• 5.2 材料、设备、方法41-42
• 5.2.1 主要材料41
• 5.2.2 主要设备41
• 5.2.3 主要方法41-42
• 5.3 结果与讨论42-48
• 5.3.1 C. beijerinckii NCIMB 8052的驯化结果42-43
• 5.3.2 C. acetobutylicum ATCC 824的驯化43-44
• 5.3.3 紫外诱变C. beijerinckii NCIMB 8052提高丁醇产量44-45
• 5.3.4 CO协同对C. beijerinckii NCIMB 8052发酵的影响45-48
• 5.3.4.1 N_2和CO协同C. beijerinckii NCIMB 8052发酵葡萄糖碳源培养基的比较46-47
• 5.3.4.2 CO协同C. beijerinckii NCIMB 8052发酵水解液碳源培养基和葡萄糖碳源培养基比较47-48
• 本章小结48-49
• 第六章 总结及展望49-51
• 总结49
• 展望49-51
• 参考文献51-59
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果59-61
• 附录 英文缩略词说明61-63
• 致谢63-65

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