纤维素废弃物生物制备L-乳酸的研究

发布时间：2017-11-11 09:15

  本文关键词：纤维素废弃物生物制备L-乳酸的研究

  更多相关文章： 纤维素废弃物 L-乳酸 同步糖化发酵 发酵抑制物 纤维床生物反应器

【摘要】：本文为实现米根霉利用木质纤维原料低成本、高得率生产L-乳酸,进行了以下几方面的研究：首先研究了米根霉L-乳酸发酵的碳源(葡萄糖、木糖)差异,并合理利用其废菌体；采用常压室温等离子体诱变技术筛选出耐高温米根霉菌株,有效缓解同步糖化发酵中酶解与发酵的温度差异；以低聚木糖生产废渣为底物,探究了基于木质纤维原料生物转化L-乳酸的最佳工艺路线,有利于解决低聚木糖工业加工中的大量废渣再利用问题；在此基础上,深入研究木质纤维原料降解产物对米根霉发酵过程中菌体生长、产物合成及关键酶活的影响；成功应用纤维床生物反应器固定化米根霉进行同步糖化发酵；最后,在固定化米根霉发酵的基础上,从原料低聚木糖生产废渣到成品L-乳酸全工艺过程进行了经济核算,探讨了其工业化可行性和经济效益。研究结果如下：(1)通过添加不同氮源浓度和无机盐对米根霉发酵产L-乳酸影响的研究,最适(NH4)2SO4浓度为1.5 g/L, KH2PO4浓度为0.15 g/L, MgSO4-7H2O浓度0.375 g/L,ZnSO4-7H2O浓度为0.10 g/L。初始葡萄糖质量浓度为80 g/L时,糖酸转化率最高为0.76,糖醇转化率为0.09,生物量对葡萄糖的转化率为0.05。LDH(f)比酶活为0.94 U/mg, ADH(f)比酶活为20.07 U/mg, ADH(b)比酶活为3.62 U/mg。米根霉能利用低浓度的劣质碳源木糖制备L-乳酸,初始木糖质量浓度为15 g/L时,糖酸转化率为0.58,糖醇转化率为0.04,生物量对葡萄糖的转化率为0.10。LDH(f)比酶活为0.19 U/mg, ADH(f)比酶活为5.98 U/mmg,ADH(b)比酶活为0.89 U/mmg。米根霉发酵葡萄糖、木糖产L-乳酸的关键酶是LDH,产乙醇的关键酶是ADH, L-乳酸和乙醇产量分别与LDH酶基因和ADH酶基因的表达量(比酶活力)呈正相关性。(2)从L-乳酸发酵后积累的米根霉菌体生物量中提取真菌壳聚糖。米根霉壳聚糖具有较高的脱乙酰度(89.4%)、较低的粘度(5.13 mPa-s)和结晶度,无明显X-衍射峰,其分子量、热稳定性、红外光谱分析与商品壳聚糖类似。(3)低聚木糖生产废渣可酶解性能较好,底物浓度10%的低聚木糖生产废渣酶解48h,葡萄糖和木糖浓度分别为61.32 g/L和15.90 g/L,纤维素和木聚糖酶水解得率分别为84.32%和63.06%。米根霉以10%底物浓度的低聚木糖生产废渣水解糖液为碳源发酵产L-乳酸,发酵液中L-乳酸浓度、糖酸转化率和得率分别为34.00 g/L、0.54和0.34 g/g废渣。(4)采用等离子体诱变技术筛选获得一株耐高温L-乳酸发酵菌株米根霉NL02,米根霉NL02以含100 g/L葡萄糖的发酵培养基于40℃下,L-乳酸浓度、副产物乙醇浓度和糖酸转化率分别为72.46 g/L、5.59 g/L和0.73。米根霉NL02以10%底物浓度的低聚木糖生产废渣同步糖化发酵产L-乳酸,L-乳酸浓度和乳酸得率分别达60.29 g/L和0.60 g/g废渣,酸醇比为10.56；L-乳酸产量和L-乳酸得率是10%底物浓度的低聚木糖生产废渣分步水解发酵的1.76倍。(5)与碱预处理玉米芯相比,稀酸蒸汽爆破玉米秸秆酶水解液中的降解产物总量高出8.11倍。稀酸预处理所生成的乳酸发酵潜在抑制物明显高于碱预处理。米根霉耐受甲酸和乙酸的浓度达到4 g/L,耐受乙酰丙酸的浓度为10 g/L。而对呋喃类物质的耐受性较弱,0.6 g/L的糠醛或1g/L的5-羟甲基糠醛能完全抑制米根霉的生理活性。木质素来源的酚类降解产物较碳水化合物降解产物对米根霉L-乳酸发酵的抑制作用更强。木质纤维素预处理过程中生成的降解产物对米根霉L-乳酸发酵的抑制毒性大小依次为：糠醛5-羟甲基糠醛甲酸乙酸乙酰丙酸,芳香醛类(紫丁香醛、4-羟基苯甲醛、香草醛)的抑制毒性强于芳香酸类(紫丁香酸、4-羟基苯甲酸、香草酸)。反式肉桂酸和紫丁香醛的毒性最大；3,4-二羟基苯甲酸、4-羟基苯甲酸、香草酸、4-羟基苯甲醛和香草醛的毒性适中；紫丁香酸、对香豆酸和阿魏酸对米根霉的发酵基本没有抑制作用。在实际的水解液中,低浓度的木质纤维素降解产物因其耦合抑制效应对L-乳酸发酵的影响较大。(6)基于米根霉发酵乳酸的菌体形态特征变化规律,提出并建立了纤维床生物反应器固定化米根霉发酵产L-乳酸技术,可较好地控制菌丝形态和提高生产效率。利用纤维床生物反应器固定化米根霉发酵系统,以10%(w/v)低聚木糖生产废渣为原料同步糖化发酵,产品L-乳酸的得率达到0.42 g/g物料。采用纤维床生物反应器固定化米根霉发酵产L-乳酸技术,以低聚木糖生产废渣为原料年产5.0万吨L-乳酸的车间单位生产成本为2760.14 $/MT MP,其中原材料和公用工程费用分别占75.79%和13.28%,项目年利润率可达30.87%,投资回收期为3.24年。
【学位授予单位】：南京林业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ921.3

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