毕赤酵母Pichia angophorae发酵海带不同组分生产燃料乙醇的研究

摘要

目前，化石能源占据了世界能源市场80％的份额。近年来随着化石能源使用的增加，引发了人们对全球暖化、大气污染等各种环境问题的关注。与化石燃料相比，生物乙醇具有燃烧效率高、无污染等特点，可有效减少污染性尾气和二氧化碳的排放。作为燃料乙醇的生产原料，海带Laminaria japonica具有很高的碳水化合物含量，具备其他陆生原料所没有的优势，如单位产量高，光合效率是陆生作物3～4倍，不会和农作物竞争耕地、淡水资源，可在各种水域生活，显著吸收二氧化碳。我国海带养殖面积由1978年的1.8万公顷发展到目前的4.1万公顷，总产量和养殖规模位居世界首位。若能有效利用海带为原料生产燃料乙醇将有效缓解当前影响全球的能源危机及环境问题。
　　 本文选取Pichia angophorae作为乙醇发酵菌株，先进行毕赤酵母P.angophorae发酵甘露醇产乙醇的条件优化研究，然后以发酵甘露醇产乙醇的最优条件，考察了在批次条件下，P.angophorae利用各种海带多糖及相应单糖组分产生酒精的情况，并在高温酸解海带L.japonica制取海带提取液后接入P.angophorae进行了初步发酵实验，以期为进一步优化P.angophorae发酵海带提取液产乙醇的条件奠定理论基础。
　　 实验结果表明，毕赤酵母P.angophorae在250 ml三角瓶中批次发酵甘露醇产乙醇的最适发酵培养基组成为甘露醇20g/L，酵母浸粉0.3g/L，麦芽浸粉0.3g/L，(NH4)2SO45g/L，KH2PO42g/L，MgSO4·7H2O0.4g/L。L9(34)正交实验结果表明最佳发酵条件为：温度32℃，摇床转速150rpm，初始pH值4.5，发酵液体积150 ml。发酵72h时，乙醇最高产量可达8.42g/L，相应的乙醇转换率为0.447g ethanol/g mannitol，达到理论产量的87.48％。
　　 在优化了毕赤酵母发酵甘露醇的条件后，以此为基础，研究了P.angophorae发酵褐藻L.japonica多糖及其相应单糖的情况。研究发现，P.angophorae除了褐藻酸钠和半乳糖无法利用外，可直接利用其它的褐藻多糖和相应单糖发酵产生乙醇。以发酵葡萄糖产生的乙醇最多，为8.81g/L(24h)，接下来乙醇产量较高的是甘露醇和甘露糖，最高乙醇产量分别为8.42g/L(72h)、8.23g/L(36h)。总的来说，毕赤酵母P.angophorae可利用的底物范围广，且对部分单糖如甘露醇、甘露糖及葡萄糖的乙醇转化效率高达0.42～0.45 g ethanol/g substrate，其作为褐藻燃料乙醇的发酵菌株具有很大的发展潜力。
　　 初步研究了毕赤酵母发酵海带L.japonica提取液生产乙醇的情况。首先通过4组单因素实验确定了在本实验条件下，酸水解海带粉的最优条件为：温度120℃，时间60min，硫酸浓度2％(V/V)，底物浓度5％(W/V)，最佳硫酸浓度与底物浓度之比为0.4:1。然后以上述最佳条件高温酸解海带粉制取海带粗提液并添加2％(W/V)活性炭脱色、脱毒后，接入毕赤酵母进行了84h的发酵。结果显示，毕赤酵母发酵海带提取液的最高乙醇转化率为0.415 g乙醇/g还原糖，乙醇最高浓度为1.58g/L(24h)。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 大型海藻生物质能研究现状及展望

1.1.1 大型海藻生物质能的研究意义

1.1.2 大型海藻资源分布

1.1.3 大型海藻组分

1.1.4 国内外大型海藻生物质能源研究与开发概况

1.1.5 展望

1.2 海带种类及其糖类成分

1.2.1 海带种类

1.2.2 海带的糖类成分

1.3 海带燃料乙醇的研究意义及发展概况

1.3.1 陆基生物乙醇的发展瓶颈

1.3.2 海带燃料乙醇的发展优势

1.3.3 海带燃料乙醇的研究概况

1.4 本次研究的意义与目的

2 P.angophorae发酵甘露醇产乙醇的条件优化

2.1 材料和方法

2.1.1 试剂与仪器

2.1.2 菌种

2.1.3 培养基

2.1.4 发酵条件及方法

2.1.5 取样及分析方法

2.2 结果与分析

2.2.1 不同甘露醇浓度发酵试验

2.2.2 正交实验

2.3 结论

3 海带L.japonica多糖及相应单糖组分的乙醇发酵

3.1 材料和方法

3.1.1 试剂和仪器

3.1.2 菌种

3.1.3 培养基

3.1.4 发酵条件及方法

3.1.5 取样及分析方法

3.2 结果与分析

3.2.1 乙醇产量

3.2.2 甘露醇的发酵

3.2.3 褐藻酸钠及其相应单糖的发酵

3.2.3 褐藻糖胶及其相应单糖的发酵

3.2.4 昆布多糖及相应单糖的发酵

3.3 结论

4 海带L.iaponica提取液的乙醇发酵

4.1 材料与方法

4.1.1 试剂与仪器

4.1.2 材料

4.1.3 菌种

4.1.4 培养基

4.1.5 实验方法

4.1.6 取样及分析方法

4.2 结果与分析

4.2.1 单因素实验确定酸水解海带粉最优条件

4.2.2 海带提取液的发酵

4.3 结论

5 全文结论与讨论

5.1 结论

5.2 问题与建议

5.2.1 褐藻酸钠的利用

5.2.2 褐藻酸钠裂解酶降解褐藻酸钠的分子机制

5.2.3 海带原料的前处理和同步糖化技术

5.2.4 海带提取液的成分优化

5.2.5 优良乙醇生产菌株的选育

5.2.6 多菌种混合协同发酵

5.2.7 发酵罐实验

5.2.8 代谢机理研究

致谢

参考文献

附录