菊芋块茎干粉生物乙醇发酵条件研究

摘要

菊芋是一种极具开发潜力的非粮资源，具有含糖高、耐干旱、耐贫瘠、环境适应性强等特点;菊芋块茎主要成分是菊粉，占其干重的70％左右，菊粉在菊粉酶作用下水解成果糖，果糖可直接利用于产生乙醇;这些优点使菊芋成为很有潜力的生产乙醇的经济作物。目前国内外的研究中，主要是利用提纯后的纯菊粉或者菊芋块茎浸提液发酵生产乙醇，由于该过程中原料加工复杂、原料利用率低下，导致生产成本极高，很难适合工业化生产。针对上述难题，本文利用一株能够分泌菊粉酶同步糖化发酵菊粉生产乙醇的酿酒酵母工程菌株S.cerevisiae6525，对直接以菊芋块茎干粉为原料进行同步糖化发酵生产乙醇过程开展相关研究;并获得如下结果。
　　1、发酵培养基的处理和补料方案研究
　　由于发酵培养基中主要成分是菊芋块茎干粉，容易造成培养基粘稠的问题，不利于发酵进行。通过对培养基进行121℃蒸煮20 s的原料预处理，结合初始干粉浓度240 g/L，24 h和48 h两次等量补充干粉浓度分别至270 g/L和300g/L的批式补料方案，可以较好地解决发酵培养基由于粘稠而无法高浓度发酵生物乙醇的难题，为直接利用菊芋块茎干粉高浓度发酵生物乙醇提供了可行性。
　　2、菊芋块茎干粉乙醇发酵条件优化
　　为得到适用于发酵罐发酵的工艺条件，在250 ml摇瓶体系中进行批式补料发酵实验，通过单因素实验对部分发酵条件进行了优化，确定最佳初始发酵培养基配方为:菊芋块茎干粉240 g/L，酵母粉10g/L。最佳发酵条件为:接种量10％，装液量50％，初始pH4.5，培养温度34℃，摇床转速180 rpm。在5L发酵罐中对该发酵条件进行了验证，结果经发酵72 h后，发酵液中乙醇浓度达到84.3 g/L，乙醇产率为88.6％。
　　3、菊芋块茎干粉乙醇发酵中试放大研究
　　在摇瓶最优发酵条件的基础上，于5L发酵罐中针对搅拌转速和通气量两个因素进行优化，获得最佳发酵条件为:接种量10％，装液量50％，初始pH4.5，培养温度34℃，搅拌转速220 rpm，通气量0 vvm。在该条件下，经过72 h发酵，乙醇浓度达到88.0 g/L，乙醇产率为92.6％。
　　基于5L发酵罐的发酵结果，分别在50 L和500 L发酵罐中进一步进行了放大实验。在50 L发酵罐体系中，发酵72 h后达到发酵终点，发酵液中乙醇浓度达到85.67g/L，乙醇产率为90.1％，整体发酵趋势与5L发酵罐中基本相同。
　　在500 L发酵罐体系中，发酵罐搅拌装置对发酵培养基的搅拌效果不如小型发酵罐，发酵终点推迟至84 h，发酵液中乙醇浓度为77 g/L，乙醇产率为81.0％，最高乙醇浓度和乙醇产率均有不同程度的下降。但是，通过对500 L发酵罐的放大验证实验，基本摸清了菊芋块茎干粉乙醇发酵规模化生产体系的一些技术难点，为将来利用菊芋块茎干粉工业化生产乙醇奠定了理论基础和技术支持。

目录

声明

摘要

第一章 文献综述

1．1 生物乙醇的发展历程与意义

1．2 生物乙醇产业的发展概况与趋势

1．3 基于生物质原料的乙醇发酵

1．3．1 糖类原料

1．3．2 淀粉类原料

1．3．3 木质纤维素类原料

1．4 乙醇发酵工艺与技术

1．4．1 同步糖化发酵技术

1．4．2 生料发酵

1．4．3 高浓度发酵

1．4．4 固定化发酵

1．4．5 高温发酵技术

1．5 菊芋乙醇发酵

1．5．1 菊芋的特点与优势

1．5．2 菊芋乙醇发酵研究进展

1．6 课题的意义与主要研究内容

第二章 菊芋块茎干粉发酵方案

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验试剂与仪器

2．1．3 菌种活化

2．1．4 种子液的制备

2．1．5 乙醇发酵

2．1．6 含菊芋块茎干粉发酵培养基预处理方案筛选

2．1．7 最适补料方案筛选

2．1．8 分析方法

2．2 结果与分析

2．2．1 菊芋块茎干粉糖分含量分析

2．2．2 含菊芋块茎干粉发酵培养基预处理方案筛选

2．2．3 最适补料方案筛选

2．3 本章小结

第三章 粗菊芋块茎干粉发酵乙醇条件研究

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验材料

3．1．2 实验试剂与仪器

3．1．3 菌种活化

3．1．4 种子液的制备

3．1．5 批式补料发酵

3．1．6 氮源对乙醇产率的影响

3．1．7 接种量对乙醇产率的影响

3．1．8 培养基初始pH对乙醇产率的影响

3．1．9 装液量对乙醇产率的影响

3．1．10 培养温度对乙醇产率的影响

3．1．11 5 L机械搅拌发酵罐验证发酵实验

3．1．12 分析方法

3．2 结果与分析

3．2．1 氮源对乙醇产率的影响

3．2．2 接种量对乙醇产率的影响

3．2．3 培养基初始pH对乙醇产率的影响

3．2．4 装液量对乙醇产率的影响

3．2．5 培养温度对乙醇产率的影响

3．2．6 5 L机械搅拌发酵罐验证发酵实验

3．3 本章小结

第四章 菊芋块茎干粉发酵中试放大研究

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验材料

4．1．2 实验试剂与仪器

4．1．3 菌种活化

4．1．4 5 L发酵罐发酵种子液的制备

4．1．5 50 L发酵罐发酵种子液的制备

4．1．6 500 L发酵罐发酵种子液的制备

4．1．7 乙醇发酵

4．1．8 通气量对乙醇产率的影响

4．1．9 搅拌桨转速对乙醇产率的影响

4．1．10 50 L机械搅拌发酵罐中试放大实验

4．1．11 500 L机械搅拌发酵罐中试放大实验

4．1．12 分析方法

4．2 结果与分析

4．2．1 通气量对乙醇产率的影响

4．2．2 搅拌桨转速对乙醇产率的影响

4．2．3 50 L机械搅拌发酵罐中试放大实验

4．2．4 500 L机械搅拌发酵罐中试放大实验

4．3 本章小结

全文总结

创新点

存在问题与展望

存在问题

后续研究工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表或待发表论文

致谢