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《华东理工大学》 2019年
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木质纤维素生物质中游离单糖的固态发酵和重金离子的富集研究

董维涛  
【摘要】:木质纤维素生物质中含有较多的游离单糖和重金属离子。其中,游离单糖的存在会增加预处理过程中抑制物的生成量,降低纤维素乙醇的生产效率;重金属离子的存在会增加纤维素乙醇生产过后废水的处理难度与成本,甚至造成重金属的二次污染,降低植物修复的有效性。因此,必须降低木质纤维素生物质中游离单糖的含量,以期增加纤维素乙醇生产效率;避免纤维素乙醇生产过程中重金属离子的二次污染,以期实现重金属离子的进一步富集。本研究拟解决这两个问题,提出了预处理前木质纤维素生物质的固态发酵与含镉纤维素乙醇发酵残液的干燥固定与微生物转运。本研究第一部分研究了预处理前玉米秸秆中水溶性游离单糖的转化对纤维素乙醇发酵的影响。结果表明,通过在预处理前采用黑曲霉固态有氧发酵方式将玉米秸秆中游离葡萄糖和果糖转化为柠檬酸,能够有效地降低预处理过程中酸催化剂的用量和5-羟甲基糠醛生成量,缩短脱毒时间并提高纤维素乙醇的发酵效率。这一实验结果在纤维素乙醇的实际生产过程中具有重要借鉴意义。本研究第二部分尝试采用纤维素乙醇干法生物炼制处理含镉木质纤维素生物质并对该过程中镉的富集情况进行了研究。含镉玉米秸秆和白杨木屑经干法生物炼制过程分别获得了63.0 g/L和45.5 g/L的纤维素乙醇。同时,在避免重金属镉二次污染的前提下,实现了重金属镉的有效富集(分别约为5.2倍和4.5倍),为植物修复土壤重金属镉污染后生物质的处理提供了一个方向。本研究第三部分对麦秆水解液中重金属镉的微生物去除法进行了实验探究。采用三种微生物菌株对含镉麦秆水解液进行了生物去除实验。当麦秆水解液中初始镉含量为0-10 mg/L时,酿酒酵母和谷氨酸棒状杆菌对镉的去除能力较强(均高于43.0%);皮状丝孢酵母对镉的吸附去除能力较弱(低于25.0%)。同时,酿酒酵母、皮状丝孢酵母和谷氨酸棒状杆菌对葡萄糖的消耗能力依次降低。该结果表明,谷氨酸棒状杆菌具有从木质纤维素水解液中去除重金属镉的潜力,也为进一步提高含镉木质纤维素生物质的处理效益提供了一个方向。综上所述,本研究将玉米秸秆中游离葡萄糖和果糖在预处理前经固态发酵方式转化为柠檬酸有效地增加了纤维素乙醇发酵效率。同时,含镉木质纤维素乙醇生产过程中镉的完全保留和有效富集以及谷氨酸棒状杆菌对镉的高吸附能力的发现为含镉木质纤维素生物质的有效处理和镉的进一步富集提供了方向。
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