玉米秸秆的酶水解与丁醇发酵研究

【摘要】： 由于能源危机和化石燃料燃烧带来的环境污染,寻找出环境友好的可再生能源是十分必要的。丁醇不仅在食品、化工领域有着广泛的应用,还是一种极具潜力的新型生物燃料,被称为第二代生物燃料。农业秸秆是一种重要的可再生资源,但由农业秸秆引起的环境污染问题越来越引起人们的重视。因此,有效利用农业秸秆进行丁醇发酵,可以达到生物质能化和环境保护的双重目的。本文以玉米秸秆为原料,研究了玉米秸秆的预处理,固态发酵产酶和丁醇发酵的最佳条件。从而为农业秸秆的资源化利用提供了参考数据。 分别考察10%氨水和3%NaOH对秸秆预处理的效果。其中NaOH预处理后的纤维素含量比对照提高38.9%,木质素含量下降7.25%。氨水处理后纤维素含量比对照提高7.7%,半纤维素提高3.05%。而且氨水预处理后的秸秆有利于纤维素酶的固态发酵,NaOH预处理后的秸秆有利于纤维素的酶水解。 利用康宁木霉(Trichoderma koningii)对氨水预处理秸秆进行固态发酵产纤维素酶,研究了不同单因素条件下的产酶效果。固态发酵的产酶最佳条件为固液比1∶3,发酵时间84h,初始pH值为4,氮源是硫酸铵,其浓度2%～6%,接种量6%。 考察了NaOH预处理秸秆的酶水解条件。结果表明:酶水解的最佳温度为50℃,酶用量950FPU/g(秸秆),pH 4.5～5,底物浓度为3.33%,吐温80浓度为1.5%g/L。通过正交实验得知,酶水解最佳组合是反应时间60h,温度50℃,酶加量750u/g,底物浓度为3.33%。 利用丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CICC 8008)对葡萄糖为基质的培养液进行丁醇发酵,考察了不同单因素条件下的丁醇发酵效果。发酵条件优化的实验结果表明:CaCO_3的添加量0.8%,接种量8%,温度37℃,无机氮源为硫酸铵,硫酸铵浓度1%。以酶水解液为发酵基质,采用Plackett-Burman设计法对影响丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum CICC 8008)厌氧发酵生产丁醇的15个因子进行筛选。结果表明,影响该菌厌氧发酵的主要影响因子为CaCO_3。在此基础上采用响应曲面法对CaCO_3、温度、发酵时间三个因子的影响进行了研究,得出多元二次回归方程拟合3种因素与丁醇产量间的函数关系。即当CaCO_3浓度为5.04g/L,温度为35℃,发酵时间70h时,丁醇最大产量的预测为6.57g/L。根据优化的结果验证实验准确性,结果表明丁醇的最大产量为6.20g/L,与预测值较为接近。这说明数据统计在酶水解液的丁醇发酵优化过程起十分重要的作用。