木质纤维素原料的酶解糖化及厌氧发酵转化机理研究

发布时间：2017-10-10 14:12

  本文关键词：木质纤维素原料的酶解糖化及厌氧发酵转化机理研究

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【摘要】：将木质纤维素原料转化为生物能源是解决能源危机的重要途径。本文针对木质纤维素原料水解过程中的主要问题展开研究。首先依据复合菌系的产酶规律,优化产酶条件,得到一组适合在液体中生长,并且能够有效分泌胞外酶的微生物复合菌系WSD-5。结果发现在通气量为4L/mmin、不搅拌、3%的底物添加量下可以获得最高活性的粗酶液,其中CMC酶活为3.43IU/ml、木聚糖酶活为15.18IU/ml。进一步探究该复合酶系对木质纤维素原料的酶解糖化和酸化能力,结果发现酶解3%底物添加量的小麦秸秆产生3254mG/L的还原糖；酸化第二天sCOD达到峰值,为4345mg/L,将酸化后的样品进行厌氧发酵,其产气量和产甲烷含量分别高于未酸化样品的22.3%和32.3%。通过复合菌系的产酶规律及性质,建立了“中温产酶高温糖化”的技术体系,根据此技术体系酶解小麦秸杆产生的总还原糖浓度为中温发酵时的15倍以上。同时发现复合菌系WSD-5酶解半纤维素含量高的木质纤维素原料的能力强,且半纤维素含量与酶解转化率具有正相关关系。 将复合菌系对天然木质纤维素原料具有快速分解溶化的能力应用于生物预处理中。利用MCl、WSD-5和XDC-2预处理小麦秸秆,通过酶解转化率探究预处理时间对小麦秸秆纤维素转化率的影响。在低等和高等酶添加量,小麦秸秆经WSD-5预处理3天和7天的纤维素转化率最大,分别为24.1%和76.3%。在中等酶添加量下,MC1预处理13的小麦秸秆获得最高的纤维素转化率,为56.1%。以这三种复合菌系预处理象草,并连接后续的酶解糖化和甲烷发酵实验,以酶解总转化率和产气量评估复合菌系的预处理能力。结果显示,经WSD-5预处理13天的象草在低等酶添加量下得到最高的总转化率为43.3%；MC1预处理7天的象草在中、高等酶添加量下分别得到65.9%和83.2%的最高总转化率。经MCl、WSD-5和XDC-2预处理的象草的最高产甲烷量分别为未处理象草的1.39、1.49和1.32倍。 发现了不同的纤维素和半纤维素含量及发酵温度对产甲烷效率的影响规律。在甲烷发酵过程中,高温厌氧发酵体系对纤维素和半纤维素的缓冲能力强、水解快。在中温条件下,厌氧发酵体系对半纤维素成分的水解显著快于纤维素。发酵温度和接种污泥来源对半纤维素的分解影响较小,而对纤维素的水解有显著的影响。在高温下,各底物所产生的总沼气产量和甲烷产量均高于中温厌氧发酵。当纤维素比半纤维素为4：0和3：1时,产甲烷量分别为1763.4和1588.2m1。而半纤维素含量较多的底物(纤维素：半纤维素为1：3和0：4)在中温厌氧发酵条件下产生的甲烷量与高温差异不显著,产甲烷量分别为1547.3和1301.7ml。不同的污泥来源和发酵温度对厌氧发酵体系的细菌群落影响较大,在污泥L中拟杆菌门和螺旋菌门含量多,而在污泥W和污泥L-50中厚壁菌门含量多。在污泥L中,底物性质单一的微生物多样性更丰富,在污泥W中,半纤维素含量多的微生物多样性更高,而在L-50中底物性质相对复杂的微生物丰富度更高。
【关键词】：木质纤维素 酶解糖化 预处理 甲烷发酵
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ925;Q814
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第一章 前言10-29
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 我国能源局势及发展趋势10
• 1.1.2 生物质能源的发展现状及前景10
• 1.1.3 生物燃料乙醇及甲烷发酵研究现状10-11
• 1.1.4 生物质能源原料——木质纤维素原料11-14
• 1.1.4.1 生物质资源及其利用情况11-12
• 1.1.4.2 木质纤维素的组成结构12-14
• 1.2 木质纤维素原料酶水解研究进展14-19
• 1.2.1 纤维素酶和半纤维素酶的作用机理14-18
• 1.2.2 酶解木质纤维素原料的研究进展18
• 1.2.3 复合酶系水解木质纤维素原料的研究18-19
• 1.3 木质纤维素原料预处理技术的研究19-23
• 1.3.1 木质纤维素预处理方法19-21
• 1.3.2 预处理技术在酶解糖化和厌氧发酵中的应用21-22
• 1.3.3 复合菌系预处理木质纤维素原料的研究22-23
• 1.4 木质纤维素原料甲烷发酵的研究进展23-24
• 1.5 研究目标与内容24-29
• 1.5.1 研究意义24-25
• 1.5.2 研究目标25-26
• 1.5.3 研究内容26-27
• 1.5.4 技术路线27-29
• 第二章 复合菌系WSD-5发酵条件的优化及小麦秸秆的糖化和酸化特性29-42
• 2.1 材料与方法29-33
• 2.1.1 实验材料29-30
• 2.1.2 液体发酵条件的优化30
• 2.1.3 小麦秸秆的总减重和各成分减重30-31
• 2.1.4 酶活的测定31
• 2.1.5 糖化实验31
• 2.1.6 酸化实验31-32
• 2.1.7 sCOD的测定32
• 2.1.8 厌氧发酵32
• 2.1.9 厌氧发酵过程中沼气产量和甲烷含量的测定32
• 2.1.10 污泥性质的测定32
• 2.1.11 发酵液中挥发性产物GC-MS测定32
• 2.1.12 液体培养与固体培养过程中微生物多样性分析32-33
• 2.1.12.1 复合菌系WSD-5的微生物基因组DNA的提取32-33
• 2.1.12.2 复合菌系WSD-5的微生物基因组DNA样品的PCR33
• 2.1.13 变性梯度凝胶电泳(DGGE)分析33
• 2.2 结果与分析33-41
• 2.2.1 发酵优化33-36
• 2.2.2 底物添加量改变对复合菌系WSD-5分解小麦能力的影响36-37
• 2.2.3 WSD-5在固体和液体培养条件下的微生物多样性分析37-38
• 2.2.4 WSD-5对小麦秸秆的糖化和酸化能力38-41
• 2.3 结论41-42
• 第三章 复合菌系WSD-5中温产酶高温糖化规律及其对小麦秸秆的水解特性42-50
• 3.1 材料与方法42-44
• 3.1.1 菌种与粗酶液的制备42
• 3.1.2 培养基42-43
• 3.1.3 小麦秸秆预处理43
• 3.1.4 酶活的测定43
• 3.1.5 秸秆的总减重及其各成份的减重43
• 3.1.6 培养过程中OD值及pH值的测定43
• 3.1.7 复合酶系对秸秆的水解糖化43
• 3.1.8 还原糖的测定43-44
• 3.1.9 有机酸的测定44
• 3.2 结果与分析44-49
• 3.2.1 粗酶液酶活的测定44
• 3.2.2 产酶过程中pH值及OD值44-45
• 3.2.3 产酶过程中产生的还原糖浓度45-46
• 3.2.4 产酶过程中底物的分解率46
• 3.2.5 WSD-5粗酶液对小麦秸秆的酶解能力46-49
• 3.3 结论49-50
• 第四章 半纤维素含量对复合菌系WSD-5酶解能力的影响50-61
• 4.1 材料与方法50-51
• 4.1.1 实验材料50
• 4.1.2 木聚糖酶的制备50
• 4.1.3 粗酶液酶解五种底物50-51
• 4.1.4 分析方法51
• 4.1.5 五种底物原料的成分分析51
• 4.1.6 五种底物酶解液sCOD的测定51
• 4.2 结果与分析51-59
• 4.2.1 五种底物原料的成分分析51-52
• 4.2.2 五种原料酶解过程中总还原糖的产生及转化率52-53
• 4.2.3 半纤维素含量与总转化率的关系53-55
• 4.2.4 酶解过程中产生的还原糖55-56
• 4.2.5 酶解过程中半纤维素的转化率56-57
• 4.2.6 酶解过程中产生的有机酸57-58
• 4.2.7 酶解过程中sCOD的测定58-59
• 4.3 结论59-61
• 第五章 三种复合菌系预处理时间对小麦秸秆纤维素转化率的影响61-73
• 5.1 材料与方法61-64
• 5.1.1 实验材料61
• 5.1.2 复合菌系对小麦秸秆的生物预处理61-62
• 5.1.3 酶水解62
• 5.1.4 粗酶液及商业酶活性的测定62-63
• 5.1.5 预处理过程中生物量(OD)及pH值的测定63
• 5.1.6 小麦秸秆各成分组成分析及其减重率的测定63
• 5.1.7 酶解过程中总还原糖的测定63
• 5.1.8 酶解过程中还原糖浓度的测定63-64
• 5.2 结果与分析64-72
• 5.2.1 复合菌系预处理小麦秸秆过程中酶活性的动态变化64
• 5.2.2 复合菌系预处理小麦秸秆过程中生物量及pH值的动态变化64-65
• 5.2.3 复合菌系预处理过程中小麦秸秆的总减重65-66
• 5.2.4 复合菌系预处理小麦秸秆过程中各成分的减重66-68
• 5.2.5 酶解过程中小麦秸秆的总转化率68-69
• 5.2.6 酶解小麦秸秆过程中纤维素的转化率69-72
• 5.3 结论72-73
• 第六章 三种复合菌系的预处理对象草糖化及厌氧发酵的影响73-87
• 6.1 材料与方法73-76
• 6.1.1 实验材料73
• 6.1.2 生物预处理73-74
• 6.1.3 酶水解74
• 6.1.4 厌氧发酵74-75
• 6.1.5 粗酶液及商业酶活性的测定75
• 6.1.6 预处理过程中生物量(OD)及pH值的测定75
• 6.1.7 象草各成分组成分析及其减重率的测定75
• 6.1.8 预处理过程中化学需氧量(COD)及可溶性化学需氧量(sCOD)的测定75-76
• 6.1.9 酶解过程中总还原糖的测定76
• 6.1.10 酶解过程中还原糖的测定76
• 6.2 结果与分析76-86
• 6.2.1 预处理过程中酶活性动态变化76-77
• 6.2.2 预处理过程中生物量和pH值的动态变化77-78
• 6.2.3 预处理过程中象草的减重78
• 6.2.4 预处理过程中象草各成分的减重78-80
• 6.2.5 预处理对酶解糖化及糖生产的影响80-83
• 6.2.6 预处理对水解液sCOD、COD平衡及厌氧发酵的影响83-86
• 6.3 结论86-87
• 第七章 甲烷发酵中纤维素与半纤维素的分解和产气特性87-104
• 7.1 材料与方法87-89
• 7.1.1 实验材料87
• 7.1.2 批次厌氧发酵87-88
• 7.1.3 批次厌氧发酵过程中pH值的测定88
• 7.1.4 批次厌氧发酵过程中酶活性的测定88
• 7.1.5 批次厌氧发酵过程中沼气产量的测定88
• 7.1.6 批次厌氧发酵过程中甲烷含量的测定88-89
• 7.1.7 Miseq高通量测序分析微生物多样性的方法89
• 7.2 结果与分析89-103
• 7.2.1 批次厌氧发酵过程中pH值的变化89-91
• 7.2.2 批次厌氧发酵过程中酶活值的变化91-93
• 7.2.3 批次厌氧发酵过程中的产沼气量93-95
• 7.2.4 批次厌氧发酵过程中的甲烷产量95-98
• 7.2.5 甲烷发酵过程中微生物的多样性分析98-103
• 7.3 结论103-104
• 第八章 综合讨论与展望104-108
• 8.1 综合讨论104-105
• 8.1.1 酶解规律特性104
• 8.1.2 预处理对酶解糖化和厌氧发酵的效果104-105
• 8.1.3 甲烷发酵中的纤维素半纤维素分解特性105
• 8.2 创新点105-106
• 8.3 展望106-108
• 参考文献108-118
• 致谢118-119
• 作者简介119

【参考文献】

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本文编号：1006802