生物法生产手性乙偶姻及(2S，3S)-2，3-丁二醇的研究

摘要

随着化石燃料的不断减少，能源日益成为人们所关注的问题。化石燃料是非可再生资源，却是现代工业文明的命脉，人们不得不寻找新能源来替代。纤维素作为一种产量大、可再生的绿色资源，吸引了众多科研工作者。如果能够合理有效地将纤维素转化为我们需要的能源可能成为缓解甚至解决能源问题的一条途径。 燃料乙醇被人们广泛接受的同时，也使人们看到了新能源的前景。随着人们对纤维素酶研究越来越深入，可以将纤维素转化成可发酵糖，再转化成其它产物。本实验室从土壤中筛选到一株分泌降解木质纤维素的完全酶系的斜卧青霉（Penicillium decumbens）菌株114-2，再通过理化诱变得到了抗葡萄糖阻遏突变株JU-A10，能在产酶培养基上分泌大量纤维素酶。菌株JU-A10已经应用于纤维素酶和生物乙醇的工业生产。 丁醇不但能作为工业的重要原料，也能作为液体燃料。丁醇是四碳化合物，其燃烧释放的热值比乙醇更接近于石油，丁醇比乙醇更适合作为液体燃料。 本论文利用斜卧青霉突变株JU-A10生产的纤维素酶酶液对木糖渣（山东禹城龙力生物有限公司提取玉米芯中的低聚木糖后产生的工业废渣）进行糖化，并使用丙酮丁醇梭菌发酵生产丁醇。 本论文的主要实验内容包括： 1、应用斜卧青霉突变株JU-A10酶液对木糖渣的糖化。 首先获得斜卧青霉突变株JU-A10酶液，再对木糖渣进行糖化。JU-A10酶液的酶系最适温度在40℃-50℃，实验室前期工作中对于纤维素材料的糖化也均在50℃下进行。由于丙酮丁醇梭菌的培养温度为37℃，所以我们分别选择37℃和50℃对木糖渣进行糖化。结果发现，糖化前期50℃的酶解效果要好于37℃，后期则正好相反。对木糖渣和玉米芯粉糖化3天后，37℃下获得的还原糖浓度分别是37．1 g/L和37．7 g/L，，分别比50℃下获得的还原糖多9．7 g/L和7．6 g/L。所以最终选择糖化温度为37℃。此外，分别使用稀硫酸、稀NaOH溶液和自来水在121℃对木糖渣处理1h后用于糖化实验。结果发现，稀酸预处理的木糖渣在糖化过程中获得的还原糖最多，稀碱预处理的效果最差。最终选择采用稀硫酸或自来水进行预处理。 2、丙酮丁醇梭菌CICC8016和ATCC55025发酵特性的研究。 丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）CICC8016购自中国工业微生物菌种保藏中心；丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）ATCC55025由中国科学院青岛能源所李福利研究员赠送。 确定了丙酮丁醇梭菌培养生产丁醇的时间为3-4天。以比较适合CICC8016生长和生产的葡萄糖培养基P2为基础，分别对不同葡萄糖浓度和酵母粉浓度对其丁醇产量的影响进行了比较。确定了葡萄糖浓度为25 g/L，酵母粉浓度0．63 g/L时，可以得到较高的产量，其中丙酮产量为2．54 g/L，丁醇产量为7．21 g/L。丙酮丁醇梭菌ATCC55025在P2培养基中也可以良好地生长并生产丁醇。在葡萄糖为30g/L、酵母粉为8-15 g/L或者硫酸铵为8 g/L的条件下可获得的丙酮产量为4 g/L，丁醇产量为14 g/L。通过对比两株菌，丙酮丁醇梭菌ATCC55025对糖的利用能力更强，丁醇产量也更高。控制较低的初始pH可以使丙酮丁醇梭菌在初期生产丙酮、丁醇的产量有所增加，但是效果并不显著。 3、纤维素同步糖化发酵生产丁醇的研究。 丙酮丁醇梭菌具有较强的蛋白酶活性，可能水解纤维素酶蛋白用于菌体生长。在丙酮丁醇梭菌CICC8016和ATCC55025的培养物中添加纤维素酶，经过93 h的培养，滤纸酶活分别保留了86％和69％，表明同步糖化发酵生产丁醇是可行的。丙酮丁醇梭菌ATCC55025可以利用木糖渣糖化液中的纤维二糖。同时，木糖也可以被利用。 利用丙酮丁醇梭菌CICC8016对木糖渣进行同步糖化发酵时发现，发酵3天时发酵液中丁酸浓度很高。在发酵过程中添加葡萄糖，能够提高丁醇的产量，但不能使丁酸减少。如果采取少量多次或者流加的补糖方式，可能会达到比较好的结果。丙酮丁醇梭菌ATCC55025用于木糖渣糖化发酵时，同步糖化发酵的丁醇产量高于木糖渣预糖化12 h时的产量。以滤纸为底物同步糖化发酵时，丁醇产量高于以木糖渣为底物时的产量。利用50％乙醇预处理（200℃，20 min）过的木糖渣同步糖化发酵时，丁醇产量高于未处理木糖渣的产量。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明及缩略词

声明

第一章绪论

1.1纤维素酶系的组成及酶学性质

1.1.1纤维素酶系的组成

1.1.2纤维素酶的酶学性质

1.2产溶剂的梭菌

1.2.1丙酮丁醇梭菌

1.2.2丙酮-丁醇代谢机理

1.3丁醇作为液体燃料的优势及其在工业中的作用

1.3.1丁醇作为液体燃料的优势

1.3.2丁醇的生产方法

1.3.3发酵法生产丁醇的发展史及其应用

1.4发酵形式

1.4.1分步糖化发酵

1.4.2同步糖化发酵

1.5本研究的主要内容

参考文献

第二章纤维素的糖化

引言

2.1材料和方法

2.1.1菌株

2.1.2培养基及培养条件

2.1.3主要试剂

2.1.4主要仪器

2.1.5分析方法

2.2结果与讨论

2.2.1温度对木糖渣酶解的影响

2.2.2不同温度下木糖渣和玉米芯粉的糖化情况

2.2.3不同方式处理木糖渣后糖化对比

2.2.4纤维素酶用量对糖化的影响

2.2.5糖化液的糖分组成分析

2.3小结

参考文献

第三章产丁醇梭菌的研究

引言

3.1材料和方法

3.1.1菌株

3.1.2培养基及培养条件

3.1.3主要试剂

3.1.4主要仪器

3.1.5分析方法

3.2结果与讨论

3.2.1丙酮丁醇梭菌CICC8016发酵特性的研究

3.2.2丙酮丁醇梭菌ATCC55025发酵特性的研究

3.2.3丙酮丁醇梭菌CICC8016和ATCC55025的对比

3.3小结

参考文献

第四章纤维素丁醇的研究

引言

4.1材料和方法

4.1.1菌株

4.1.2培养基及培养条件

4.1.3主要试剂

4.1.4主要仪器

4.1.5分析方法

4.2结果与讨论

4.2.1丙酮丁醇梭菌CICCS016和ATCC55025对酶活的影响

4.2.2丙酮丁醇梭菌CICC8016生产丁醇的研究

4.2.3丙酮丁醇梭菌ATCC55025利用木糖渣产丁醇的研究

4.3小结

参考文献

全文总结和展望

攻读学位期间发表的学术论文

致谢