秸秆原料发酵产丁二酸研究

【摘要】：丁二酸,又叫琥珀酸,是工业上一种重要的四碳化合物,不仅能够直接合成其他有机合成原材料、专用化学品和中间产物,而且在农药生产、食品添加剂、染料生产以及可降解塑料等都有着广泛的应用。研究以农业废弃物秸秆为原料直接发酵生产丁二酸,为廉价原料生产丁二酸和农业废弃物秸秆再利用提供了新途径,具有重要的现实意义。本文主要从不同秸杆的碱预处理及其直接发酵产丁二酸发酵液的制备;钙盐法和有机溶剂萃取法提取发酵液中丁二酸工艺两方面进行研究。具体结果如下: 比较了玉米、小麦和水稻三种秸秆的碱预处理方法,得到1.0% NaOH溶液,120℃分别预处理玉米、小麦和水稻三种秸秆2 h,其木质素的脱除率最高(85%以上)、纤维素与半纤维素的总保留率均最高(85%以上)。以碱预处理后的秸秆为原料,在补加纤维素酶与纤维二糖酶的条件下,用A. sucinogenes F3-21直接摇瓶发酵,产丁二酸浓度分别为30.74 g/L、24.98 g/L和26.57 g/L;在5 L罐中厌氧发酵72 h,丁二酸浓度分别达到40.21 g/L,30.06 g/L和39.07 g/L,每克预处理秸秆产丁二酸分别为0.50 g、0.38 g和0.49 g,其中玉米秸秆的产酸能力最佳。 对预处理玉米秸秆发酵过程中的底物浓度、工业纤维素酶和木聚糖酶的添加量进行试验,得到:在底物浓度90 g/L,纤维素酶、纤维二糖酶和木聚糖酶添加量加分别为每克处理秸杆20 FPU、10 CBU和150 U时,在5 L罐中厌氧发酵72 h,产丁二酸达47.71 g/L,即每克预处理秸秆产丁二酸为0.53 g。 对钙盐法提取玉米秸秆发酵液中丁二酸工艺进行研究,确定发酵液处理、钙化和酸解脱色条件为:发酵液煮沸离心并浓缩至丁二酸含量约80 g/L;按照发酵液总酸与CaCl_2的摩尔比为1:1.3的钙盐加量,80℃钙化45 min;丁二酸钙加水调浆配成约10%含量,添加60%浓硫酸,80℃,0.8%活性炭,40 min,提取率达到96.58%;酸解液通过离子交换树脂脱盐、浓缩和低温结晶,结晶前总收率达到77.22%,结晶后样品纯度为99.98%。 对溶剂萃取法提取玉米秸秆发酵液中丁二酸的工艺进行研究,得到:以三辛胺和正辛醇(三辛胺:正辛醇=7:3(V/V))为萃取剂,在25℃,pH=2,料液与萃取剂比例1:1(V/V),萃取时间30 min条件下,其对秸杆发酵液中丁二酸的萃取率达到86.52%;在以1.5 mol/L Na_2CO_3溶液为反萃取剂,萃取相:反萃取剂=2:1(V/V),反萃取时间30 min的条件下,丁二酸的反萃取率达到86.07%,丁二酸盐浓度达到58.53 g/L。结晶前总收率达到70.21%,结晶后样品纯度为99.99%。 对钙盐法和溶剂萃取法进行收率、结晶进行比较,二者差别不明显。但溶剂萃取法在能耗方面要稍低于钙盐法,针对玉米秸秆发酵液的提取,溶剂萃取法可能有一定优势。 【关键词】：丁二酸 秸秆 同步糖化发酵 钙盐法 有机溶剂萃取法
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TQ923
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-6
• 目录6-8
• 第一章 前言8-20
• 1.1 丁二酸的概况8-10
• 1.1.1 丁二酸的理化性质8-9
• 1.1.2 丁二酸的用途与市场9-10
• 1.2 秸秆原料生产丁二酸10-12
• 1.2.1 秸秆原料的概况10
• 1.2.2 纤维原料的预处理方法10-12
• 1.3 木质纤维质原料生产丁二酸12-13
• 1.4 国内外发酵丁二酸的提取工艺研究概况13-17
• 1.4.1 钙盐与铵盐法14
• 1.4.2 溶剂萃取法14-15
• 1.4.3 离子交换吸附法15-16
• 1.4.4 膜分离法16
• 1.4.5 直接结晶法16-17
• 1.5 本论文的研究意义及主要研究内容17-20
• 1.5.1 研究意义17
• 1.5.2 论文的主要研究内容17-20
• 第二章 材料与方法20-26
• 2.1 材料20-22
• 2.1.1 主要试剂20
• 2.1.2 仪器设备20
• 2.1.3 菌株20-21
• 2.1.4 培养基21-22
• 2.1.5 酶制剂22
• 2.2 方法22-26
• 2.2.1 秸秆的预处理22
• 2.2.2 秸秆成分的测定22
• 2.2.3 纤维素酶的制备22
• 2.2.4 发酵方法22
• 2.2.5 纤维素酶活、纤维二糖酶活和木聚糖酶活的测定22-23
• 2.2.6 发酵产物的测定23
• 2.2.7 钙盐法提取方法23
• 2.2.8 有机溶剂萃取法提取方法23-24
• 2.2.9 水相与有机相中丁二酸的测定24-26
• 第三章 结果与讨论26-47
• 3.1 不同秸秆同步糖化发酵生产丁二酸26-28
• 3.1.1 玉米、小麦和水稻三种秸秆主要成分比较26
• 3.1.2 不同NaOH 浓度预处理对三种秸秆成分的影响26-28
• 3.2 三种预处理秸秆发酵生产丁二酸比较28-30
• 3.2.1 三种预处理秸秆原料摇瓶发酵生产丁二酸28
• 3.2.2 三种预处理秸秆在5 L 发酵罐上发酵产酸比较28-30
• 3.3 底物浓度和工业酶对玉米秸秆直接发酵生产丁二酸的影响30-33
• 3.3.1 提高底物浓度试验30-31
• 3.3.2 Accellerase(?) 1500 对发酵产酸的影响31
• 3.3.3 添加木聚糖酶对玉米秸秆酶解的影响31-32
• 3.3.4 酶液复配试验32-33
• 3.4 钙盐法提取丁二酸研究33-36
• 3.4.1 发酵液的预处理34
• 3.4.2 钙化工艺确定34-35
• 3.4.3 酸解、脱色与离交脱盐35-36
• 3.5 有机溶剂萃取法提取丁二酸36-43
• 3.5.1 模拟体系萃取36-38
• 3.5.2 实际发酵液萃取38-41
• 3.5.3 模拟体系反萃取41-43
• 3.5.4 实际发酵液反萃取的考查43
• 3.6 钙盐法与有机溶剂萃取法的比较43-47
• 3.6.1 收率43-44
• 3.6.2 结晶44-47
• 主要结论与展望47-48
• 致谢48-49
• 参考文献49-54
• 附录：作者在攻读硕士期间发表的论文54

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