玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究

发布时间：2024-04-24 04:07

　　我国玉米秸秆年产量高达1.7亿吨,但是利用率很低,相当数量的秸秆被焚烧,造成了严重的环境污染。玉米秸秆的主要成分木质纤维素可转化为多种化工产品如丁二酸等,转化的关键步骤是将木质纤维素酶解为可发酵糖。然而,木质纤维素由木质素、纤维素和半纤维素交联构成,结构紧密,要想得到高糖浓度酶解液需要对其进行预处理,以增加酶分子和纤维素的接触面积,提高酶解率。目前,整个工艺中存在预处理效果不明显、容易生成发酵抑制物、酶成本偏高、微生物发酵转化率较低等问题,严重影响了木质纤维素转化的工业化进程,而含硫酸根的预处理废液和发酵废液也需要处理。本论文旨在通过优化预处理、酶解、丁二酸发酵过程和微生物脱硫工艺等,达到提高酶解率、提高丁二酸产量和无污染高效脱除硫酸根的目标。首先,建立了玉米秸秆高温水热预处理(HCW)方法。扫描电镜(SEM)检测发现,该方法能够有效破坏秸秆木质纤维素的结构；加入少量硫酸铵,能更有效地破坏含有大量木质素的内层结构,使得纤维素结晶区域充分暴露,有利于与纤维素酶的结合。HCW预处理前后秸秆组成分析表明,90%以上半纤维素被去除,而纤维素不被降解。优化了HCW预处理过程,确定的最佳固液比为1...

【文章页数】：146 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 文献综述
    1.1 玉米秸秆预处理方法及酶解机理
        1.1.1 木质纤维素结构及特性
        1.1.2 影响酶解效果的阻碍因素
        1.1.3 玉米秸秆预处理工艺
            1.1.3.1 木质纤维素简单预处理工艺
            1.1.3.2 木质纤维素复合预处理工艺
    1.2 纤维素酶水解机理
        1.2.1 酶组分间的协同作用
        1.2.2 纤维素酶的来源
    1.3 秸秆酶解液发酵生产丁二酸
        1.3.1 发酵法生产丁二酸
        1.3.2 产丁二酸微生物
        1.3.3 玉米秸秆水解液发酵产丁二酸
    1.4 硫酸盐还原菌及其在发酵废水处理中的应用
        1.4.1 硫酸盐还原菌生物代谢过程
        1.4.2 SRB生物学分类
        1.4.3 影响SRB代谢的生态因子
        1.4.4 硫酸盐还原菌处理秸秆预处理酶解液发酵废水
    1.5 目前存在的问题与本论文研究思路
        1.5.1 存在的问题
        1.5.2 本论文的思路
2 高温水热预处理对秸秆结构和组成的影响
    2.1 引言
    2.2 材料与方法
        2.2.1 秸秆机械破碎及干燥预处理
        2.2.2 HCW预处理实验设备、试剂及方法
        2.2.3 SEM扫描电镜样品准备及操作步骤
        2.2.4 高温水热预处理条件实验
    2.3 结果与讨论
        2.3.1 SEM电镜观察机械破碎预处理对细胞壁组织影响
        2.3.2 HCW预处理对底物化学组成变化影响
        2.3.3 SEM扫描电镜观察HCW预处理对秸秆细胞壁组织微观结构影响
        2.3.4 HCW预处理条件优化
        2.3.5 HCW预处理过程中发酵抑制物生成量
        2.3.6 HCW预处理过程中底物水溶性糖浓度变化
    2.4 本章小结
3 高温水热预处理玉米秸秆酶解过程研究
    3.1 引言
    3.2 材料与方法
        3.2.1 材料及主要仪器
        3.2.2 纤维素酶解所采用预处理秸秆
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 预处理温度对酶解率影响
        3.3.2 底物搅拌/未搅拌对酶解率影响
        3.3.3 预处理时间对酶解率影响
        3.3.4 固液比对酶解率影响
        3.3.5 分批补料方式对酶解率影响
    3.4 本章小结
4 秸秆酶解液厌氧发酵产丁二酸过程研究
    4.1 引言
    4.2 材料与方法
        4.2.1 材料及主要仪器
        4.2.2 菌种
        4.2.3 种子培养基
        4.2.4 发酵培养基
        4.2.5 厌氧瓶发酵条件
        4.2.6 搅拌罐厌氧发酵条件
        4.2.7 发酵产物分析
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 碳源对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.2 初糖浓度对A.succinogenes BE-1厌氧瓶发酵产丁二酸影响
        4.3.3 培养基碳氮比对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.4 氮源对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.5 Bio-oil对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.6 初糖浓度对A.succinogenes BE-1搅拌罐厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.7 pH对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.8 pH控制方式对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.9 离子浓度对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
        4.3.10 pH调控方式对A.succinogenes BE-1厌氧发酵丁二酸的代谢通量分析
        4.3.11 补料策略对A.succinogenes BE-1厌氧发酵产丁二酸影响
    4.4 本章小结
5 硫酸盐还原菌(SRB)的筛选及脱硫条件优化
    5.1 引言
    5.2 材料与方法
        5.2.1 富集培养基
        5.2.2 脱硫培养基
        5.2.3 菌种富集与分离方法
        5.2.4 16S rDNA测序分析与Biolog分析
        5.2.5 SEM扫描电镜样品准备及操作步骤
        5.2.6 检测分析方法
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 菌体富集及SEM电镜观察形态特征
        5.3.2 16S rDNA基因序列分析及生化特征鉴定
        5.3.3 Citrobacter sp.HCSR的脂肪酸分析
        5.3.4 Citrobacter sp.HCSR的BIOLOG分析
        5.3.5 初始硫酸根浓度对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响
        5.3.6 pH及ORP对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响
        5.3.7 通气条件下对Citrobacter sp.HCSR脱硫影响
        5.3.8 好氧-厌氧双阶段培养对Citrobacter sp.HCSR生长、pH及脱硫影响
    5.4 本章小结
6 纳米磁颗粒固定化SRB应用于丁二酸发酵废液处理研究
    6.1 引言
    6.2 材料与方法
        6.2.1 材料与主要仪器
        6.2.2 磁性SiO₂纳米颗粒制备
        6.2.3 磁性SiO₂纳米颗粒表面硅烷化处理
        6.2.4 载体活化及对SRB细胞固定化
        6.2.5 固定化SRB细胞应用于丁二酸发酵废液脱硫
    6.3 结果与讨论
        6.3.1 磁性纳米SiO₂颗粒的制备及SEM电镜观察
        6.3.2 磁性纳米SiO₂颗粒固定化SRB细胞SEM观察
        6.3.3 磁性纳米SiO₂颗粒固定化前后对SRB脱硫影响
        6.3.4 SiO₂/Fe₃O₄包覆比例对MNPs固定化SRB细胞脱硫影响
        6.3.5 MNPs固定化SRB细胞重复脱硫
    6.4 本章小结
7 结论与展望
    7.1 本论文主要结论
    7.2 本论文主要创新点
    7.3 研究展望
参考文献
附录
个人简历及发表文章专利
致谢



本文编号：3963208