微量通气对马克斯克鲁维酵母发酵木质纤维素水解液的影响

摘要

由于具有来源广泛、可再生性好、污染少等优势，以木质纤维素为原料生产燃料乙醇日益受到广泛关注，但木质纤维素预处理过程中产生的毒性副产物对发酵微生物的抑制作用是阻碍纤维素乙醇工业化发展的重要因素之一。本文采用定向驯化的方法选育出具有较高木质纤维素水解液抑制物耐受性菌株，并研究了微量通气的过程工程控制策略缓解抑制物对微生物的不利影响。主要研究结果如下：
　　（1）以经模拟木质纤维素水解液驯化获得的Kluyveromyces marxianus1727-5为出发菌株，对其在含玉米秸秆酸解液的培养基中进行驯化，获得一株对乙酸耐受能力略有提高的菌株K. marxianus1727-5-CS。
　　（2）分别以木糖、葡萄糖以及两者组成的混合糖为碳源，考察了无通气、恒定通气（通气速率0.1、0.2、0.5、1 vvm）条件下K. marxianus1727-5在添加了乙酸、甲酸、糠醛及5-HMF等混合抑制物的培养基中发酵。通气显著改善了菌株在木质纤维素水解液抑制物胁迫条件下的发酵性能，包括木糖消耗速率、木糖醇产率以及发酵时间。木糖发酵在0.5 vvm通气条件下木糖醇得率及生产率达到最大值分别为0.7 g/g、0.22 g/L/h，并且细胞抑制物耐受能力的改善作用与生物量的增加无关。在通气的条件下，葡萄糖发酵时间缩短的同时，乙醇得率相似为0.41±0.01 g/g。另外，甘油产量的明显降低，也表明通气减弱了抑制物胁迫对细胞的不利影响。高、低浓度葡萄糖与木糖共发酵，未通气时K. marxianus耗尽葡萄糖后，木糖利用几乎停滞，在0.5 vvm条件下有效缓解，残余木糖浓度分别由未通气的17.1、28.5降至3.6、11.1 g/L。此外，发现0.2 vvm通气条件下KmTPX1（抵御活性氧簇损伤的关键酶基因之一）转录水平是未通气对照组的3倍以上，这可能是通气使K. marxianus1727-5对多种木质纤维素水解液抑制物耐受性增强的重要原因之一。
　　（3）采用通气的方式进行氧化还原电位（ORP）调控，研究多种水解液抑制物存在条件下K. marxianus1727-5的葡萄糖、木糖发酵以及葡萄糖与木糖共发酵。在ORP调控策略下，多种抑制物胁迫及无氧环境对酵母生长代谢造成的损害得以有效改善，其基本趋势是预设ORP值越高，通气量越大，细胞活性越高，木糖、葡萄糖代谢速率加快。葡萄糖与木糖共发酵，ORP调控至-150、-110 mv水平，也有效解决了木糖利用停滞问题，其中-150 mv条件下木糖醇得率达到最大值0.40 g/g，而且乙醇得率也高达0.42 g/g。
　　（4）考察了两种通气策略下玉米秸秆水解液中的发酵。通气策略也同样有效缓解玉米秸秆水解液中较高浓度的多种抑制物对细胞的胁迫，改善了其发酵性能。实验结果表明相比于0.5 vvm恒定通气条件下的乙醇、木糖醇得率分别为0.42、0.13 g/g，ORP调控至-100 mv更合理有效，其得率分别高达0.44、0.48 g/g，且总通气量不到0.5 vvm通气条件下的10%。
　　综上所述，本文采用恒定速率和ORP调控通气策略有效改善了细胞对多种水解抑制物耐受能力，明显提高了发酵性能，且此类方法简单可行，具有重要的工业应用价值，将推动纤维素乙醇的产业化发展。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 纤维素乙醇研究进展

1.2 木质纤维素水解液主要抑制物种类及其影响机理

1.3 木质纤维素水解液抑制作用的规避策略

1.4 通气在微生物发酵中的应用

1.5 氧化还原电位调控通气策略在微生物发酵中的应用

1.6 课题的研究目的及意义

2 定向驯化筛选抑制物耐受的马克斯克鲁维酵母

2.1 引言

2.2 实验材料

2.3 实验方法

2.4 结果与讨论

2.5 小结

3 恒定通气策略对马克斯克鲁维酵母抑制物耐受及发酵的影响

3.1 引言

3.2 实验材料

3.3 实验方法

3.4 结果分析与讨论

3.5 小结

4 ORP调控对马克斯克鲁维酵母在木质纤维素水解液中发酵的影响

4.1 引言

4.2 实验材料

4.3 实验方法

4.4 结果分析与讨论

4.5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢