玉米秸秆原料发酵生产丁二酸工艺研究

摘要

丁二酸是工业上一种重要的四碳化合物，它作为有机合成原材料、中间产物或化学品，广泛应用于制药、食品添加剂、绿色溶剂及可降解塑料等多种领域。研究玉米秸秆发酵生产丁二酸，不仅可为低成本生产生物基丁二酸提供参考，同时也可避免采用与人争粮的发酵原料，促进农林废弃物利用，具有重要的实际应用意义。本论文主要进行了玉米秸秆水解糖发酵生产丁二酸的工艺条件，以及玉米秸秆分步糖化发酵和同步糖化发酵生产丁二酸的初步工艺条件的研究。
　　 比较了以玉米秸秆水解糖为碳源，不同氮源条件下琥珀酸放线杆菌ActinobacillussuccinogenesSF-9的丁二酸发酵产酸能力。结果表明玉米浆可以替代酵母膏作为丁二酸发酵的廉价氮源。厌氧摇瓶丁二酸发酵单因素试验，得到在初糖浓度50g/L时，玉米浆的较佳用量为20g/L。在5L搅拌罐上，考察了不同初始玉米秸秆水解糖浓度对A。succinogenesSF-9发酵生产丁二酸的影响，结果显示高初始秸秆糖浓度对琥珀酸放线杆菌的生长有抑制作用。采用补料分批发酵，发酵60h丁二酸的产量达到42.7g/L，丁二酸产率82.7%，生产强度0.81g/(L·h)。
　　 考察了不同预处理方式对玉米秸秆原料的成分变化、酶解得率和酶解水解液发酵产丁二酸的影响，得出NaOH预处理为最佳的处理方式。玉米秸秆经过1%的NaOH溶液120℃下处理1h，木质素的去除率达到74.5%，处理后的固体成分中纤维总量为88.4%。
　　 在研究里氏木霉TrichodermareeseiSW09-1液体发酵生产纤维素酶的初步条件基础上，确定了用SW09-1发酵所产的纤维素酶液，酶解预处理后的玉米秸秆的酶解条件。，以NaOH预处理后的烘干玉米秸秆为底物，在底物浓度为80g/L，酶用量25FPIU/g底物，pH为4.8，温度50℃下，酶解36h，还原糖浓度达到57.9g/L，酶解率为73.35%。当加入10IU/g底物的市售纤维二糖酶后，还原糖浓度达到67.6g/L，酶解率为86.0%。将此酶解液用A.succinogenesSF-9在厌氧摇瓶中进行分批发酵，发酵64h可产丁二酸35.08g/L。1g预处理的玉米秸秆可得0.439g丁二酸。
　　 初步研究了玉米秸秆同步发酵糖化发酵生产丁二酸的工艺条件，考察了不同底物浓度，液体酶用量，不同温度下同步糖化发酵产酸的情况。在厌氧摇瓶中，70g/L的NaOH预处理后的烘干玉米秸秆的培养基中，加入20FPIU/g底物的T.reeseiSW09-1发酵所产的纤维素酶液，接入A.succinogenesSF-9，38℃发酵72h，生产丁二酸35.53g/L。1g预处理的玉米秸秆可转化为0.507g丁二酸。在5L发酵中进行玉米秸秆原料的同步糖化发酵，65.63g/L的玉米秸秆发酵48h可生成丁二酸47.38g/L，1g预处理的玉米秸秆可转化为0.722g丁二酸。展现了良好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 玉米秸秆原料的概况

1.1.1 玉米秸秆的纤维素化学组成

1.1.2 纤维素酶的性质和制备

1.2 纤维素原料的预处理

1.2.1 物理方法

1.2.2 化学方法

1.2.3 生物方法

1.3 丁二酸的概况

1.3.1 丁二酸的理化性质

1.3.2 丁二酸的用途和市场概况

1.3.3 丁二酸的生产方法以及微生物发酵法研究进展

1.4 植物纤维质原料生产丁二酸

1.4.1 纤维质原料水解糖生产丁二酸研究现状

1.4.2 使用植物纤维原料同步糖化生产丁二酸

1.5 本论文的研究意义和主要研究内容

1.5.1 课题来源

1.5.2 研究意义

1.5.3 论文的主要研究内容

第二章 材料和方法

2.1 材料

2.1.1 菌种

2.1.2 试剂

2.1.3 主要仪器

2.1.4 培养基

2.1.5 酶制剂

2.2 方法

2.2.1 秸秆原料预处理

2.2.2 秸秆原料成分分析

2.2.3 液体深层发酵生产纤维素酶

2.2.4 纤维素酶活测定

2.2.5 玉米秸秆的酶解

2.2.6 糖含量的测定

2.2.6 玉米秸秆酶解液分批发酵生产丁二酸

2.2.7 玉米秸秆同步糖化发酵生产丁二酸

2.2.8 丁二酸生产菌SF-9的培养方法和发酵条件

2.2.9 菌体生物量的测定

2.2.10 发酵产物的分析

第三章 结果与讨论

3.1 玉米秸秆水解糖发酵生产丁二酸

3.1.1 不同氮源对秸秆水解糖发酵丁二酸产量的影响

3.1.2 不同玉米浆浓度对秸秆水解糖发酵丁二酸的影响

3.1.3 不同秸秆水解糖浓度在5 L发酵罐丁二酸发酵性能的比较

3.1.4 玉米秸秆糖原料补料分批发酵生产丁二酸

3.2 玉米秸秆原料直接发酵生产丁二酸

3.2.1 里氏木霉纤维素酶的制备

3.2.2 玉米秸秆预处理方法的确定

3.2.3 玉米秸秆批式酶解条件

3.2.4 玉米秸秆分步发酵生产丁二酸

3.2.5 玉米秸秆同步糖化发酵条件的初步研究

结论与展望

致谢

参考文献

附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文