两种梭菌的丁醇发酵工艺优化及动力学研究

发布时间：2020-04-10 12:02

【摘要】：丁醇是一种具有较高的内能与热值,能与汽油以较高比例进行混合的能源。通过生物发酵法制备丁醇既有助于促进能源多样化,帮助我们摆脱对传统化石能源的严重依赖,也有利于减少温室气体排放,缓解对环境的压力。但是,在实际生产过程中也存在着许多亟待解决的问题,例如目标产物对于产溶菌株的毒性作用大、发酵产品难分离等。针对这些问题,本文首先利用响应面法优化探究丙酮丁醇梭菌与拜氏梭菌菌种吸附剂制备工艺条件,并通过丁醇在有机相中溶解度的不同,从油醇、正辛醇、油酸乙酯、油酸和醋酸丁酯5种有机溶剂中筛选出合适的萃取剂用作萃取发酵。研究结果表明,在菌种吸附剂制备中,当海藻酸钠量为0.55 g,分散剂与菌种溶液比为1.05,氯化钙浓度为8.24 g/L时,包埋丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌的海藻酸钙吸附剂具备最大吸附性能;在5种有机溶剂中,由于正辛醇对丁醇分配系数最高且对乙醇和丙酮的分配系数低,因此选择正辛醇作为萃取剂,进一步研究发现水相与有机相5:1的比例为最佳比例。其次,优化发酵工艺,通过考察热激对梭菌的影响,以及在不同比例的初始酵母抽提物浓度(0.0 g/L,0.01 g/L,0.05 g/L,0.1 g/L,0.15 g/L),不同比例的葡萄糖浓度(40g/L,50g/L,60g/L,70g/L)、不同pH(3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5)的情况下梭菌发酵结果。结果表明,当种子液经过热激后,初始酵母抽提物浓度0.1 g/L,葡萄糖浓度60 g/L,丙酮丁醇梭菌和拜氏梭菌发酵液初始pH分别为5.5和5.0时,发酵效果最好。优化后的梭菌固定化耦合萃取连续发酵中,待稳定后,折合发酵层总丁醇浓度基本稳定在12 g/L左右。最后,本文针对丙酮丁醇梭菌与拜氏梭菌的固定化耦合萃取连续发酵结果,结合Logistics方程建立梭菌固定化耦合萃取连续发酵菌体生长动力学模型;以发酵产物丁醇浓度与时间的关系,使用Luedeking-Piret方程建立梭菌固定化耦合萃取连续发酵产物生成动力学模型;以葡萄糖浓度与时间的关系,根据基质平衡原理建立梭菌固定化耦合萃取连续发酵底物消耗动力学模型。对以上模型进行验证,结果表明实验值与模型值匹配较好,利用该模型可预测丙酮丁醇梭菌与拜氏梭菌在固定化耦合萃取连续发酵产丁醇过程中菌体生长、底物消耗和产物生成的规律。
【图文】：

效果图,萃取剂,效果,正辛醇

２．４．３．１萃取剂的选择逡逑选取油醇、正辛醇、油酸乙酯、油酸和醋酸丁酯５种萃取剂对丙酮、丁醇与逡逑乙醇的混合溶液进行萃取，，３邋ｈ后取样分析，根据气相分析得结果如图２－８所示。逡逑４．0邋Ｆ逦■■丁醇逡逑？逦＿丙酮逡逑３邋５邋－逦Ｍ乙醇逡逑Ｉ邋Ｉ逡逑｜２－°；｜邋Ｉ邋｜邋Ｉ逡逑油醇正辛醇油酸乙酯油酸醋酸丁酯逡逑图２－８不同萃取剂分配效果逡逑Ｆｉｇ．２－８邋Ｔｈｅ邋ｅｆｆｅｃｔｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｘｔｒａｃｔａｎｔｓ逡逑根据图２－８结果可得，正辛醇与醋酸丁酯对正丁醇的分配系数相对较高，都逡逑高于油醇的分配系数。在丁醇、丙酮、乙醇同时存在的模拟发酵状态下，正辛醇逡逑２９逡逑

效果图,水相,有机相,丁醇

酵液同时取样，进行色谱分析。为了更清晰直观的展示吸附剂耦合萃取发酵的丁逡逑醇产量结果，这里采用杨立荣［７３］的处理方案，即将油相丁醇浓度与水相丁醇浓度逡逑折合成水相总丁醇浓度。所得结果如图２－１０所示。逡逑３０逡逑
【学位授予单位】：福州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ923

【相似文献】