固定化米根霉发酵烟草废弃物生产高浓度L-型乳酸

发布时间：2020-10-20 04:54

　　 乳酸(Lactic acid)是一种常见的有机酸,能够使用生物方法从可再生碳源中发酵得来。近年来,生物可降解材料聚乳酸的需求量日益增加,而L-型乳酸的需求量日益高涨。L-型乳酸生产的传统底物是纯糖或者可食用的粮食作物,然而全球粮食资源的紧缺,使得利用纤维素物质生产L-型乳酸显示出了巨大的工业化潜力。烟草废弃物富含纤维素,是一种由烟草工业产生的的固体废弃物,若将烟草废弃物绿色高效地转化为高附加值的L-型乳酸,就能够实现生物资源的回收循环利用,这不仅能够满足L-型乳酸市场需求,而且有益于人体健康和环境质量,故此研究具有重要的理论探讨和社会意义。本文使用对营养要求低和能够同时利用葡萄糖和木糖生产光学产物的丝状真菌——米根霉进行发酵生产L-型乳酸,以期从烟草废弃物中高效地生产高浓度的L-型乳酸。然而在生产过程中,有几个主要的问题需要解决:1)需要去除烟草废弃物中的果胶和木质素物质以提高糖化效率;2)米根霉细胞的木糖代谢水平远远低于葡萄糖代谢;3)烟草废弃物含有的大量的水溶性组分会干扰糖化过程。首先,针对去除烟草废弃物中的果胶和木质素问题,采用了稀酸、蒸汽爆破和氧化技术联用方法。氧化祛除病毒是我们实验室的专利技术,再采用稀酸-蒸汽爆破法处理,最终选为烟草废弃物的预处理方法。这种方法能够提高烟草废弃物的糖化效率并且保留了半纤维素部分。蒸汽爆破预处理后烟草废弃物的纤维素和半纤维素相比对照组分别增加了55.4%和86.6%,而木质素减少了61.0%,果胶减少了38.3%。其次,针对提高米根霉的木糖代谢水平,发明了利用烟草废弃物的水溶性组分作为固定化米根霉的种子培养基。这种新型的种子培养基能够代替昂贵的传统葡萄糖种子培养基并能有效提高固定化米根霉的木糖代谢水平。结果表明,烟草废弃物萃取液加入5 g/L的葡萄糖和0.1 g/L的维生素C后最高提高了木糖2.12倍的吸收速率和1.73倍L-型乳酸的转化率。使用补料式发酵获得了最高浓度的L-型乳酸最终浓度:173.5 g/L,对应的生产速率为1.45 g/L/h,转化率为0.86 g/g。随后,为了彻底去除烟草废弃物中的果胶物质,实现高浓度固体含量的同步糖化发酵,液化技术被用于在预处理之后处理烟草废弃物。液化技术通过加入果胶酶和纤维素酶,减少了高固体含量发酵中93%的液体粘稠度并使得后续的同步糖化发酵缩短了40.0%的发酵时间和提高了66.2%的L-型乳酸最终浓度。最终在优化了同步糖化发酵的条件以后,得到L-型乳酸浓度为125.2 g/L,这是目前文献报道中同步糖化发酵产乳酸的最高浓度,并达到了工业有机酸生产的浓度要求。最后,为了降低在液化中使用果胶酶的成本,进行了固定化米根霉利用烟草废弃物中的果胶生产果胶酶的研究。确定了米根霉在果胶作为唯一碳源时能够生产出最高活性的果胶酶。进行扩大化发酵研究并确定了最优发酵罐设置为:孢子接种浓度0.75×106,溶氧度30%,pH=5和温度30℃。在半连续重复批次发酵中,固定化米根霉保持了四批次的高效生产,说明了固定化米根霉具有相当的稳定性。在补料式发酵中,固定化米根霉生产的果胶酶酶活达到了目前报道的最高水平Endo-和Exo-PG酶分别为705.5和561.7 U/mL。完全能够满足液化步骤所需的果胶酶要求。
【学位单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：X795
【部分图文】：

（Briski et al, 2003; Piotrowska-Cyplik et al, 2009）。长期以来，我国对待烟草废弃物的主要处理方式为像秸秆一样烧掉，只部分烟草废弃物进入了医药或者农药生产系统中进行有效回收。这种粗济和不环保的处理方式，不但大量浪费了宝贵的生物资源，而且造成了，恶化了当地居民健康和相关烟草种植生态环境，同时还让假烟制造者。因此，如何绿色，高效和经济的处理这些烟草废弃物，已经成为我国烟业迫切需要解决的一个重大课题。进入二十一世纪，全球社会和经济得到了长足的进步，人类也强烈感受污染，粮食紧缺和能源紧缺所带来的各种问题。对此，对各种生物资源源进行充分的利用已经越来越成为当今全球的共识和主流。绿色，清洁经济的处理烟草废弃物并将其转化为高实用性和高附加值的产品，对提民健康和环境质量，促进我国烟草经济发展，实现生物资源的回收循环地社区提供就业岗位，促进社会和谐稳定等一系列的问题都有着重要的

于烟草植株的固体废弃物，比如种植过程中的报废烟叶，杆，烤烟过程中被淘汰的次级烟和烟梗，陈化过程中的发烟叶剪切后剩下的烟末。由于含有数量可观的木质纤维素部分是纤维素和半纤维素，烟草废弃物可以被看做是一种使用烟草废弃物作为原料生产 L-型乳酸有许多优势：能够弃物成本低廉；相比传统木质纤维素原料如玉米秸秆木质素集中化生产，烟草废弃物的收集较为容易。霉是高效 L-型乳酸发酵的优良菌种（Rhizopus oryzae）是一种常见腐生丝状真菌，其在全球的包含了所有热带和亚热带地区（孙梅等，2005；刑来君等中都分离出了米根霉，包括土壤，蔬菜，水果，植物残余等，2008）。作为一种快速生长的丝状真菌，米根霉常常第一批占领者，快速分解掉其含有大分子物质并分泌有机酸，2009；朱羽，2007；潘丽军等，2003；姜绍通等，2005）

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