利用甲醇废水制备细菌纤维素的研究

摘要

细菌纤维素(bacterial cellulose，简称BC)是由微生物产生的一类超纯纤维素，与天然植物纤维相比，具有更加优越的独特性能，其应用范围涉及了食品、造纸、医学工程等多个领域，具有广阔的商业前景。但是与生产植物纤维素的现代化工业相比，细菌纤维素的生物研发工程进展滞后，存在产量低、成本昂贵的问题。本研究针对细菌纤维素生产成本高，特别是培养基碳源成本较高的问题，拟开发出低成本的培养基碳源。甲醇废水主要含有甲醇、水及少量其他有机物，主要存在于发酵、化工、农药、医药等行业的生产过程中。以木醋杆菌（Gluconacetobacter xylinus）为菌种，利用甲醇废水中有机物作为碳源，制备细菌纤维素，不仅有效地降低了原材料的生产成本，同时实现了废水的资源化。
　　 将木醋杆菌接入甲醇浓度逐渐升高的培养基中进行驯化，发现木醋杆菌在甲醇浓度≤4.5％（体积比）时可以存活，在甲醇浓度≤2.7％（体积比）时可以产细菌纤维素，确定木醋杆菌对甲醇具有高耐受性并产细菌纤维素。由此，在培养基中添加上述浓度的甲醇作为碳源，进行甲醇模拟废水培养基产细菌纤维素的可行性研究。随后采用实际甲醇废水配制的培养基，通过比较纤维素产量和甲醇去除率，确定甲醇废水培养基（酵母粉10.0g，碳酸钙20.0g，加入甲醇废水1000mL，pH调节至6.8），于30℃、180r.min-1动态发酵10d，纤维素产量达到最高为0.21 g·L-1，是葡萄糖培养基的70％;对比分析甲醇废水发酵前后水质,甲醇浓度降低了65％，出水COD，BOD5，TOC去除率达10％以上，优于其他发酵方式。该过程的发酵产物，通过红外光谱分析，发现都存在-OH，-CH2，-CH，C-O，C-C等细菌纤维素典型基团的吸收峰;通过透射电镜和扫描电镜观测、持水性分析、热失重分析，都表现出典型的纤维层状网络结构和良好的持水性;通过X射线衍射分析及核磁共振分析，纤维素特征峰与葡萄糖培养基相似，都含有细菌纤维素的主要晶型——纤维素Ⅰ型;但同时也含有大量的纤维素Ⅱ型，从而导致结晶度低于葡萄糖培养基。

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摘要

1 绪论

1．1 细菌纤维素概况

1．1．1 细菌纤维素结构

1．1．2 细菌纤维素特点

1．1．3 细菌纤维素发酵生产

1．1．4 环境工程中应用进展

1．2 甲醇废水及处理技术现况

1．2．1 甲醇废水来源

1．2．2 甲醇废水水质特点

1．2．3 甲醇危害

1．2．4 甲醇废水处理技术现状

1．3 研究目的和研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 研究目的

2 材料与方法

2．1 实验材料

2．1．1 菌种及其来源

2．1．2 培养基

2．1．3 试剂与仪器

2．2 研究方法

2．2．1 微生物学实验

2．2．2 生理生化实验

2．2．3 仪器分析

3 甲醇模拟废水产细菌纤维素发酵过程研究

3．1 发酵产细菌纤维素甲醇浓度影响研究

3．1．1 木醋杆菌菌体形态特征和培养特征

3．1．2 甲醇模拟废水培养基

3．1．3 甲醇浓度影响研究

3．2 甲醇模拟废水静态发酵过程分析

3．2．1 pH及ORP值

3．2．2 菌浓

3．2．3 甲酵浓度

3．2．4 残糖浓度

3．2．5 细菌纤维素产量

3．3 甲醇模拟废水动态发酵过程分析

3．3．1 pH及ORP值

3．3．2 菌浓

3．3．3 甲醇浓度

3．3．4 残糖浓度

3．3．5 细菌纤维素产量

3．4 甲醇模拟废水发酵动力学研究

3．4．1 生长曲线与发酵过程分析

3．4．2 菌体生长动力学模型

3．4．3 产物合成动力学模型

3．4．4 底物消耗动力学模型

3．5 小结

4 甲醇废水产细菌纤维素发酵过程研究

4．1 甲醇废水水质分析

4．2 甲醇废水静态发酵过程分析

4．2．1 pH及ORP值

4．2．2 菌浓

4．2．3 甲醇浓度

4．2．4 残糖浓度

4．2．5 细菌纤维素产量

4．3 甲醇废水动态发酵过程分析

4．3．1 pH及ORP值

4．3．2 菌浓

4．3．3 甲醇浓度

4．3．4 残糖浓度

4．3．5 细菌纤维素产量

4．4 发酵后甲醇废水水质分析

4．5 甲醇去除率及纤维素产量的比较

4．6 小结

5 细菌纤维素结构分析和性能表征

5．1 红外光谱分析

5．2 透射电子显微镜分析

5．2．1 滴样法

5．2．2 切片法

5．3 扫描电子显微镜分析

5．3．1 纤维素未提纯观测

5．3．2 纤维素提纯后观测

5．4 持水性分析

5．5 热失重分析

5．6 X射线衍射分析

5．7 交叉极化／魔角旋转固体核磁共振分析

5．8 小结

6 结论

参考文献

发表论文情况

致谢