以菊芋为原料同步糖化发酵生产燃料乙醇研究

论文摘要

菊芋是多年生草本植物,具有耐干旱、耐贫瘠、环境适应性强等特点,可生长于沙漠、荒山等各种土壤条件下,而且种植简易,产量极高（3-5吨/亩）,是一种极具发展潜力的非粮作物。菊芋主要成分是菊粉,占其干重的80%左右。菊粉在菊粉酶作用下水解成果糖,果糖可被酿酒酵母直接利用产生乙醇。以菊芋等非粮作物为原料发酵生产乙醇已成为燃料乙醇产业新的研究方向。目前,以菊芋为原料发酵生产乙醇主要有两种方法,即分步糖化发酵法和同步糖化发酵法。与分步糖化发酵法相比,同步糖化发酵法可实现一个菌种,一步发酵产乙醇,既简化了发酵工艺,又可节约菌种培养成本,具有巨大优势。为了筛选出酶活力高,发酵性能好的酿酒酵母菌株,本试验测定了6株酿酒酵母（31009、31133、1446、1416、1575、安琪）的菊粉酶活,并比较了其乙醇发酵能力。结果表明,酿酒酵母安琪的菊粉酶活最高,为11.46 U/mL。其乙醇发酵能力也为最高,发酵完成后,乙醇浓度为50.38 g/L。酿酒酵母安琪的菊粉酶活与产乙醇能力正相关。由于安琪酿酒酵母的菊粉酶活较低,不能满足工业生产要求。本试验进行了紫外和微波复合诱变,选育出一株菊粉酶活力较高的菌株Y05,其菊粉酶活达到了90.97 U/mL,是出发菌株的8倍。Y05菌株进行菊粉乙醇发酵,乙醇浓度达到了71.78 g/L,比未诱变菌株提高了42.48 %,效果显著。经遗传稳定性试验表明Y05的遗传性状稳定。本试验还对Y05的菊芋汁乙醇发酵条件进行了研究,结果表明,Y05的最适发酵条件为:菊粉浓度20%（w/v）,发酵温度34℃,pH值4.0,接种量为15 %。此外,高浓度菊粉不存在底物抑制作用。种子液制备方法对乙醇发酵影响显著,种子培养基中添加2%的菊粉有利于Y05诱导产酶。试验过程中还发现,外加氮源中,玉米浆、（NH4）2SO4对乙醇发酵有显著促进作用,尿素、NH4Cl的抑制作用明显。发酵促进剂中,生物素、吐温20、油酸对乙醇发酵有促进作用,而硬脂酸有抑制作用。试验中还研究了外加盐离子对乙醇发酵的影响,结果表明,添加Ca2+、Mg2+、Se4+对乙醇发酵有促进作用,其中Ca2+、Mg2+促进作用显著,I-对乙醇的生成有显著的抑制作用。当乙醇发酵培养基成分为:菊芋汁浓度236.09 g/L,玉米浆5.0 g/L、（NH4）2SO4 5.0 g/L,生物素1.0×10-4 g/L、吐温20 1.5 g/L、油酸0.5 g/L,CaCl2 4.0×10-2 g/L、MgSO4 0.5 g/L,Na2SeO3 2.0×10-2 g/L;发酵条件为:发酵温度34℃,pH4.0,种子培养基中添加2%菊粉诱导产酶,接种量15 %,发酵完成后,乙醇浓度达到了93.41 g/L,乙醇得率为0.415 g/g,总糖利用率为95.31 %,比出发菌株安琪酿酒酵母分别提高了85.41 %、8.92 %、37.57 %。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料乙醇发展的历史及意义
• 1.2 燃料乙醇生产现状
• 1.3 现有乙醇发酵技术
• 1.3.1 淀粉质原料发酵生产燃料乙醇
• 1.3.2 木质纤维素发酵生产燃料乙醇
• 1.4 菊芋发酵生产燃料乙醇
• 1.4.1 菊芋
• 1.4.2 菊粉
• 1.4.3 菊粉酶
• 1.4.3.1 菊粉酶的分类
• 1.4.3.2 菊粉酶的应用
• ⑴果葡糖浆的生产
• ⑵低聚果糖的生产
• 1.4.4 产菊粉酶微生物
• 1.4.5 产菊粉酶酵母的选育
• 1.4.5.1 高酶活产菊粉酶微生物菌株的筛选
• 1.4.5.2 高酶活产菊粉酶微生物菌株的诱变选育
• 1.4.6 以菊芋为原料生产燃料乙醇研究现状
• 1.4.6.1 分步糖化发酵（SHF）
• 1.4.6.2 同步糖化发酵（SSF）
• 1.5 本课题的目的与意义
• 1.6 主要研究内容
• 第2章 产菊粉酶酿酒酵母筛选
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 材料
• 2.1.2 试验方法
• 2.1.3 分析方法
• 2.2 结果与讨论
• 2.2.1 产菊粉酶酿酒酵母菊粉酶活测定
• 2.2.2 产菊粉酶酿酒酵母乙醇发酵能力比较
• 2.3 本章小结
• 第3章 高菊粉酶活酿酒酵母的诱变选育
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 材料
• 3.1.2 试验方法
• 3.1.3 分析方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 诱变剂量的确定
• 3.2.2 高菊粉酶活菌株的筛选
• 3.2.3 乙醇发酵能力比较
• 3.2.4 遗传稳定性试验
• 3.3 本章小结
• 第4章 菊芋乙醇发酵条件研究
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 材料
• 4.1.2 试验方法
• 4.1.3 分析方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 菊芋汁浓度及离子强度对乙醇发酵影响
• 4.2.2 种子液制备方法对乙醇发酵影响
• 4.2.3 接种量对乙醇发酵影响
• 4.2.4 温度对乙醇发酵影响
• 4.2.5 初始pH 对乙醇发酵影响
• 4.2.6 氮源对菊芋汁乙醇发酵影响
• 4.2.7 发酵促进剂对菊芋汁乙醇发酵的影响
• 4.2.8 外加盐离子对菊芋汁乙醇发酵的影响
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间所发表的论文
• 致谢