一株拜氏梭菌利用甘蔗废糖蜜生产丙酮丁醇的研究

论文摘要

丙酮、丁醇发酵作为一种转化生物质为液体燃料（丁醇）和工业原料的重要手段又重新引起人们的重视。丁醇作为一种重要的化学品和新一代的生物燃料，其生物法制备方法已逐渐成为世界范围内的研究热点。当前迫切需要解决的是进一步降低生物丁醇的制造成本，以获得相对于石化合成路线的市场竞争优势。根据我国农产品种植结构，传统丙酮丁醇发酵中最常用的底物主要是玉米、薯干、谷物等淀粉质原料，这些农产品一定程度上可作为日常生活用粮，也用作禽畜饲料和工业用粮。考虑到国家的粮食安全问题，生物丁醇产业发展的出路在于非粮食类底物的高效利用以及木质纤维素用于溶剂发酵并达到工业化规模生产的水平。在纤维丁醇生产工艺处于尚难产业化，有待完善的条件下，利用非粮廉价原料糖蜜发酵生产丙酮丁醇有易实现生产的连续化、管道化、成本低等优点,可在糖蜜发酵生产酒精工艺的基础上不需增加大的投资,只需改换菌种和有相应的工艺条件即可利用糖蜜发酵生产出丙酮丁醇产品。已被鉴定的糖-发酵菌株大多数属于拜氏梭菌，本研究采用购自德国微生物菌种保藏中心（DSMZ）的一株拜氏梭菌（Clostridium beijerinckii DSM6422）进行甘蔗糖蜜发酵生产丙酮丁醇的初步研究。研究从发酵培养基的成分及发酵培养条件入手，包括对初始糖浓度、原料的预处理、外加氮源、最佳氮源浓度、碳酸钙的添加量、种龄、接种量、温度、pH各方面进行考察。研究显示：用甘蔗糖蜜作为原料须进行预处理，否则糖蜜中所含的一些胶体、不溶固体颗粒等杂质等对发酵影响很大，且用硫酸预处理糖蜜效果最好；由于糖蜜中已经含有一些氮元素，菌株对外加氮源的选择性并不强，然而糖蜜中氮元素还不能完全满足发酵的需要，故从生产成本考虑，须选择相对廉价的硫酸铵作为外加氮源，其浓度为2g/L；因为该菌株在发酵过程中pH的波动较大，所造成的恶劣的环境不利于菌的生长与发酵，所以添加碳酸钙对pH进行适当的缓冲，碳酸钙的添加量为10g/L；种子菌活力是否旺盛直接影响着发酵的时间与质量，通过对种子菌培养时间的考察，确定22h为种子菌的培养时间；接种量的大小对发酵也有一定影响，实验确定了用6%（v/v）的作为发酵的最适接种量；温度对发酵的速率，发酵的质量有较大的影响，30oC为该菌的最佳发酵温度；初始pH对菌的生长很重要且易于调控，通过研究得出该菌的最适初始pH为7.0。通过对该菌最适发酵培养基及发酵条件的研究，在最佳条件下摇瓶发酵96h后发酵液中的丁醇浓度为10.32g/L，总溶剂产量为16.27g/L，丁醇和总溶剂产量分别都比原来增长了3倍，残糖从38.82g/L降到了6.82g/L，糖的利用率提高了53.3%。用5L发酵罐进行扩大培养，从而研究该菌的具体发酵特性，在扩大培养中该菌利用糖蜜发酵的初始总糖浓度为60g/L，96h时总溶剂浓度为16.18g/L，其中丁醇浓度为10.08g/L，总溶剂产率为30.2%，糖利用率为89.3%。发酵水平与摇瓶相当，说明摇瓶优化实验合理，发酵罐的控制良好。通过在5L发酵罐中进行两段式控温的研究，菌体生长时用37oC进行培养，发酵温度控制在30oC，发酵结束时总溶剂产量为15.70g/L，其中丁醇浓度为9.94g/L，但发酵周期只需72h，比正常发酵的周期缩短了24h，这样提高了设备的利用率，有效地节约了生产成本。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1.文献综述
• 1.1 丙酮丁醇的相关情况
• 1.1.1 丙酮的性质和用途
• 1.1.2 丁醇的性质和用途
• 1.1.3 丁醇优势及消费情况
• 1.2 丙酮丁醇梭菌及其代谢机理
• 1.2.1 丙酮丁醇梭菌
• 1.2.2 丙酮丁醇梭菌的代谢机理
• 1.3 丙酮丁醇发酵的研究状况
• 1.3.1 丙酮丁醇发酵的历史
• 1.3.2 丙酮丁醇的研究现状
• 2.引言
• 3.材料与方法
• 3.1 实验材料
• 3.1.1 菌种
• 3.1.2 主要仪器
• 3.1.3 主要试剂
• 3.1.4 培养基及培养方法
• 3.1.5 分析方法
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 C. beijerinckii DSM 6422 对糖蜜中糖类的利用情况
• 3.2.2 不同糖蜜预处理方法对发酵的影响
• 3.2.3 种龄对发酵的影响
• 3.2.4 接种量对发酵的影响
• 3.2.5 不同初始糖浓度对发酵的影响
• 3.2.6 外加氮源对发酵的影响
• 3.2.7 最佳氮源浓度确定
• 3.2.8 不同温度对发酵的影响
• 3.2.9 不同 pH 对发酵的影响
• 3.2.10 不同碳酸钙浓度对发酵的影响
• 3.2.11 优化条件下摇瓶实验
• 3.2.12 5 L 发酵罐 C. beijerinckii DSM 6422 发酵糖蜜试验
• 3.2.13 5 L 发酵罐两段式控温发酵糖蜜试验
• 4.结果与分析
• 4.1 C. beijerinckii DSM 6422 对糖蜜中糖类的利用情况
• 4.2 不同糖蜜预处理方法对发酵的影响
• 4.3 种龄对发酵的影响
• 4.4 接种量对发酵的影响
• 4.5 不同初始糖浓度对发酵的影响
• 4.6 外加氮源对发酵的影响
• 4.7 最佳氮源浓度确定
• 4.8 不同温度对发酵的影响
• 4.9 不同 pH 对发酵的影响
• 4.10 不同碳酸钙浓度对发酵的影响
• 4.11 优化条件下摇瓶发酵试验
• 4.12 5 L 发酵罐 C. beijerinckii DSM 6422 发酵糖蜜试验
• 4.13 5 L 发酵罐两段式控温发酵糖蜜试验
• 5.结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介