利用糖蜜和秸秆水解液发酵生产丁醇的研究

【摘要】：丁醇是一种重要的化工有机溶剂,也是一种极具潜力的新型生物燃料。利用糖质非粮原料替代玉米等粮食原料发酵生产丙酮丁醇既可以降低原料成本,又顺应国家新能源政策,对实现可再生资源的能源化具有重要的意义。 本研究从实验室保藏的8株丙酮丁醇梭菌中筛选出一株能较好利用糖质原料的菌种C. saccharobutylicum DSM 13864进行糖蜜、木质纤维素水解液等糖质原料的丙酮丁醇发酵。 优化获得了糖蜜的最优培养基和培养条件:糖蜜6 %,CaCO3 3.2 g/L,(NH_4)2SO_4 2 g/L,K2HPO_4 0.5 g/L,玉米浆干粉20 g/L,MnSO_4·H2O 0.01 g/L,pH 6.0,接种量8 %,发酵温度37℃。在此条件下摇瓶发酵72 h,总溶剂产量达19.80 g/L,其中丙酮5.01 g/L,乙醇1.39 g/L,丁醇13.40 g/L。在5-L发酵罐中发酵36 h,总溶剂产量为17.88 g/L,生产强度和生产率分别为0.50 g/L/h、0.33 g ABE/g糖耗。在半连续发酵中,发酵稳定持续8 d (205 h,26循环),1级罐的平均细胞浓度为7.43 OD660,2级罐的平均总溶剂为15.27 g/L,生产强度为1.05 g/L/h。1级罐(7 h)和2级罐(14-18 h)的分批发酵时间缩短为21-25 h。在连续发酵中,发酵稳定持续160 h,平均总溶剂为12.41 g/L,生产强度为0.25 g/L/h。采用正交优化法确定了以玉米秸秆水解液为底物的最优培养基配方:CaCO3 2.0 g/L,(NH_4)2SO_4 1.0 g/L,K2HPO_4 0.5 g/L,玉米浆干粉15 g/L,MnSO_4·H2O 0.01 g/L。采用该最优培养基配方,3-L发酵罐中发酵培养40 h,总溶剂为16.1 g/L,其中丁醇10.59 g/L,发酵强度为0.40 g/L/h,生产率为0.33 g ABE/g糖耗。对发酵过程进行变温调控表明低温有利于溶剂积累,总溶剂由17.01 g/L提高为19.98 g/L。在稀释率为0.1 h-1的变温连续发酵过程中,80 h系统进入产溶剂稳定状态并持续至269 h,该阶段平均总溶剂为12.28 g/L(其中丁醇8.50 g/L),发酵强度为0.25 g/L/h;总溶剂最高可达15.29 g/L(其中丁醇10.82 g/L)。 【关键词】：Clostridium saccharobutylicum 丙酮丁醇发酵 糖蜜 玉米秸秆 木质纤维素水解液 半连续发酵 变温 连续发酵
【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
• Abstract4-7
• 第一章 前言7-17
• 1.1 正丁醇供需状况7-8
• 1.2 正丁醇概述8-9
• 1.2.1 正丁醇的性质及用途8
• 1.2.2 正丁醇的工业生产方法8-9
• 1.3 发酵法生产丙酮丁醇9-14
• 1.3.1 丙酮丁醇发酵历史9
• 1.3.2 丙酮丁醇发酵菌种9-10
• 1.3.3 丙酮丁醇发酵存在的主要问题10
• 1.3.4 廉价原料用于丙酮丁醇发酵的研究进展10-13
• 1.3.5 丙酮丁醇发酵工艺研究进展13-14
• 1.4 本课题来源及研究意义14-15
• 1.5 本课题主要研究内容15-17
• 第二章 材料与方法17-25
• 2.1 实验材料17-18
• 2.1.1 主要试剂及来源17
• 2.1.2 主要仪器及来源17
• 2.1.3 菌种17-18
• 2.1.4 培养基18
• 2.2 实验方法18-25
• 2.2.1 菌种活化与保藏18-19
• 2.2.2 种子培养19
• 2.2.3 糖质原料发酵菌株的选择19-20
• 2.2.4 糖蜜发酵生产丙酮丁醇20-22
• 2.2.5 秸秆水解液发酵生产丙酮丁醇22-24
• 2.2.6 检测方法24-25
• 第三章 结果与讨论25-43
• 3.1 糖质原料发酵菌株的选择25-28
• 3.1.1 丙酮丁醇梭菌系统发育树分析25-26
• 3.1.2 四株糖质原料菌种对糖蜜中糖类的利用情况26-27
• 3.1.3 C. saccharobutylicum DSM 13864 对秸秆水解液中糖类的利用情况27-28
• 3.2 糖蜜发酵生产丙酮丁醇28-35
• 3.2.1 糖蜜预处理方法的选择28
• 3.2.2 发酵培养基及培养条件优化28-31
• 3.2.3 5-L 发酵罐培养31-32
• 3.2.4 糖蜜半连续发酵32-33
• 3.2.5 糖蜜连续发酵33-35
• 3.3 秸秆水解液发酵生产丙酮丁醇35-43
• 3.3.1 秸秆预处理方法的选择35
• 3.3.2 最优纤维素酶酶用量的选择35-36
• 3.3.3 酶解最优固液比选择36-37
• 3.3.4 玉米秸秆水解液发酵培养基的筛选37
• 3.3.5 正交优化玉米秸秆水解液培养基成分37-39
• 3.3.6 3-L 发酵罐培养39
• 3.3.7 3-L 发酵罐变温调控培养39-40
• 3.3.8 不同变温调控方式对溶剂积累的影响40-41
• 3.3.9 变温连续发酵41-43
• 结论与展望43-44
• 致谢44-45
• 参考文献45-50
• 附录A：溶剂、有机酸标准曲线及气相色谱图50-51
• 附录B：丙酮丁醇梭菌菌体与菌落形态51-52
• 附录C：作者在攻读硕士学位期间发表的论文52

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