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题名	玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究; Study on Hot Compressed Water Pretreatment, Enzymolysis and Succinic Acid Fermentation of Corn Stover
作者	周威
学位类别	博士
答辩日期	2015-06
授予单位	中国科学院研究生院
导师	邢建民
关键词	玉米秸秆 高温水热预处理 丁二酸发酵 硫酸盐还原菌 纳米磁性颗粒
学位专业	生物化工
中文摘要	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10%、反应温度为185℃，采用分批补料方式最终酶解率达到85%，酶解液中葡萄糖含量达到40 g/L，仅含有微量的发酵抑制物。 其次，研究了丁二酸放线杆菌(A. succinogenes) BE-1的生长、碳氮比、厌氧发酵过程，并优化了反应条件和补料策略，在初糖浓度为40-50 g/L时，丁二酸转化率最高。采用10 g/L酵母膏加6 g/L 玉米浆(CSL)复配的有机氮源（C/N＝30）时，丁二酸的产量最高。低浓度（0.05-0.1 mol/L）Na+对BE-1的生长和产酸有一定促进作用，但高浓度（0.2-0.3 mol/L）Na+则有明显抑制作用。在7L搅拌发酵罐上研究了pH控制策略对丁二酸分批发酵的影响，利用MgCO3调节发酵液pH，能够避免高浓度Na+离子对菌体的抑制作用，从而提高丁二酸产量。采用分批补料发酵48 h丁二酸浓度达60 g/L，丁二酸产量较分批发酵时（发酵48h，丁二酸浓度为30 g/L）提高了100%。 随后，针对含硫酸根的废液的处理，筛选出一株高效硫酸盐还原菌株Citrobacter sp. HCSR（CGMCC NO.4660），该菌是兼性厌氧菌。16S rDNA序列分析表明，该菌与弗氏柠檬酸杆菌相似性最高。该菌最适生长温度和pH分别为30℃和6.4-6.8，好氧条件下最大OD600是厌氧条件下的3.5倍，但是脱硫能力大大低于厌氧条件。采用先好氧再厌氧的双阶段培养法，7日后的硫酸盐脱除总量达到了21 mM，相对于厌氧条件提高了79%。 最后，采用共沉淀法合成了磁性Fe3O4纳米颗粒（MNPs）。然后用溶胶－凝胶法在MNPs的表面包覆了二氧化硅（SiO2）层，改善了颗粒的分散性避免了团聚。将包覆了SiO2的MNPs用于SRB细胞的固定化，研究发现，固定化细胞的最大脱硫总量达到了35 mM，较游离细胞提高了75%。考察了四种不同SiO2包覆量的MNPs对固定化细胞活性的影响，发现300% SiO2包覆率的MNPs的效果最好，7日后硫酸盐去除率达到了92%。固定化细胞重复使用4次，硫酸盐去除率分别为94%，82%，57%和24%。总体反应时间可达到24日，脱硫总量达到了65.5 mM，比未固定化前提高了450%。
语种	中文
公开日期	2016-05-03
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.ipe.ac.cn/handle/122111/20336]
专题	过程工程研究所_研究所（批量导入）
推荐引用方式 GB/T 7714	周威. 玉米秸秆高温水热预处理、酶解及丁二酸发酵研究, Study on Hot Compressed Water Pretreatment, Enzymolysis and Succinic Acid Fermentation of Corn Stover[D]. 中国科学院研究生院. 2015.

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