秸秆的催化水解和发酵制备2,3-丁二醇

【摘要】：2,3-丁二醇（2,3-BD）是一种重要的生物基化学品，以秸秆为原料制备2,3-BD对促进秸秆原料的高值化利用具有重要意义。本文以麦秆和玉米芯为原料，通过预处理去除秸秆中的木质素，利用酶催化水解将预处理后所得的纤维素和半纤维素降解为己糖和戊糖等可发酵的糖，并通过肺炎克雷伯氏杆菌的生理代谢将糖转化为2,3-BD，最后从发酵液中分离出2,3-BD。 首先，对秸秆预处理和酶水解进行研究，得出较优的预处理条件：碱性H2O2溶液组成为2%的NaOH和1.5%的H2O2，碱性H2O2与乙醇比为1：1，固液比1：20，80oC处理3h。处理后麦秆和玉米芯的木质素脱除率分别达到91.0%和92.8%。酶水解条件优化结果为：温度50oC，pH值4.8，初始底物浓度80g/L，纤维素酶用量为28U/g（底物），β-葡萄糖苷酶用量为15U/g（底物），酶解80h，纤维素糖化率最高为87.6%。对酶催化水解后的麦秆和玉米芯水解液进行气相色谱-质谱联用分析，水解液主要成分为葡萄糖和木糖。 其次，对2,3-BD的发酵条件进行了探讨，肺炎克雷伯氏杆菌代谢葡萄糖合成2,3-BD较优发酵条件为：温度30oC，起始pH值为7.0，摇床转速150rpm，发酵96h，接种量8%（v/v），起始葡萄糖浓度为140g/L，蛋白胨浓度为6g/L；在此优化条件下，2,3-BD浓度为61.78g/L。利用秸秆水解液发酵制备2,3-BD，发酵培养基为：起始还原糖浓度为120g/L，蛋白胨浓度为6g/L，加入0.05g/L的CaCO3，在发酵过程中控制pH在6.0到6.5之间，产物浓度最高可达到50.97g/L。在补料发酵中，以碳氮比为21：1的方式添加碳源和氮源，可使产物浓度最高达91.88g/L，占理论产率的86%，糖的利用率为94.95%。 最后，用乙醇/磷酸氢二钾双水相体系萃取2,3-BD，适宜的萃取条件为乙醇和磷酸氢二钾的浓度分别是25%(w/w)和26%(w/w)，此时2,3-BD的萃取率可达97.86%。通过调节pH值和加入乙醇对下相中的磷酸氢二钾进行了回收，回收率可达到77.1%。 【关键词】：秸秆 预处理 酶水解 发酵 2 3-BD 双水相萃取
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TQ223.162
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-6
• Abstract6-8
• 目录8-10
• Contents10-12
• 图清单12-14
• 表清单14-16
• 1 绪论16-29
• 1.1 背景16-17
• 1.2 2,3-BD概况17
• 1.3 木质纤维素原料预处理17-20
• 1.4 木质纤维原料催化水解工艺20-22
• 1.5 发酵生产 2,3-BD22-26
• 1.6 2,3-BD的分离26-27
• 1.7 研究内容及意义27-29
• 2 实验部分29-38
• 2.1 实验材料与仪器29-30
• 2.2 检测方法30-33
• 2.3 秸秆的预处理33
• 2.4 酶催化水解秸秆33-35
• 2.5 利用秸秆水解液发酵生产 2,3-BD35-36
• 2.6 2,3-BD的分离纯化36-38
• 3 秸秆预处理的条件优化及结果分析38-43
• 3.1 秸秆原料的分析38
• 3.2 秸秆预处理的条件优化38-40
• 3.3 秸秆预处理残渣的红外光谱（FTIR）分析40-41
• 3.4 讨论与小结41-43
• 4 秸秆残渣的酶水解条件优化及结果分析43-53
• 4.1 纤维素酶水解的单因素实验43-46
• 4.2 酶水解正交实验结果与讨论46-47
• 4.3 β-葡萄糖苷酶协同水解的结果与讨论47-48
• 4.4 水解液的分析48-51
• 4.5 讨论与小结51-53
• 5 肺炎克雷伯氏杆菌发酵制备 2,3-BD53-64
• 5.1 肺炎克雷伯氏杆菌制备 2,3-BD培养基的基础研究53-57
• 5.2 利用秸秆水解液发酵制备 2,3-BD57-60
• 5.3 分批补料发酵制备 2,3-BD60-63
• 5.4 讨论与小结63-64
• 6 利用EA/DKP双水相分离 2,3-BD64-71
• 6.1 双水相相图的绘制64-65
• 6.2 发酵液的准备65-66
• 6.3 发酵液中 2,3-BD的萃取66-70
• 6.4 讨论与小结70-71
• 7 结论、创新点和建议71-74
• 7.1 结论71-72
• 7.2 建议72-73
• 7.3 创新点73-74
• 参考文献74-79
• 作者简历79-81
• 学位论文数据集81

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