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高固含量木质纤维素发酵过程的流变学与油脂发酵研究

阚家伦  
【摘要】:木质纤维素生物炼制过程的不同阶段在不同类型的反应器中进行。在高固含量的生物炼制过程中,木质纤维素体系的流变学性质差异巨大,而工业规模的大型反应器设计需要对所处理的木质纤维素体系的流变性质进行准确测定。前期的研究已经对高固含量下的木质纤维素原始物料、预处理步骤的物料以及糖化阶段的物料体系进行了详细的流变性质考察和相应的反应器优化设计,但高固含量发酵阶段的流变学性质尚未涉及。发酵是木质纤维素生物炼制过程的核心环节,发酵反应器的设计关乎反应的产品生成效率与反应能耗,直接影响生产成本,因此发酵过程流变性质的研究至关重要。本文第一部分首先对木质纤维素发酵过程进行了归类分析,把木质纤维素生物炼制发酵从流变学研究的角度分为三种类型:(1)完全均相发酵。以纤维素乳酸发酵为代表,其过程既没有气体输入,也没有气体产生,可以近似看作为一个液相均相体系;(2)气液两相体系,其中气相均匀产生,不涉及搅拌和气体传质。以纤维素乙醇发酵为代表案例,发酵过程产生CO2,是一个气液两相的体系,但CO2在体系中均匀分布;(3)气液两相体系,其中气体由外部输入并伴有强搅拌和气(氧气)液传质。以纤维素葡萄糖酸和木糖酸共发酵为代表案例,气液两相体系,伴随着高需求的氧气从气相到液相的传递,需要强烈的搅拌和氧传递实现气体分布均匀。本实验对这种高固含量、高粘度木质纤维素发酵过程的流变性质进行了深入探索并发现这三种发酵过程的流变性质变化趋势非常相似,葡萄糖酸木糖酸共发酵、乙醇发酵和乳酸发酵的发酵液粘度在发酵过程中一直下降,流动性越来越好,并且剪切变稀性质也越来越弱。在测定以上三种具有代表性发酵体系流变参数的基础上,结合已建立的计算流体力学模型,对发酵反应器进行模拟,计算得到最优混合效率和最低能耗的反应器的设计参数,进而为工业规模发酵反应器优化放大提供重要依据。本文第二部分主要是微生物油脂发酵研究。由于油脂酵母自身因素以及木质纤维素水解液环境等多方面影响,细胞积累油脂的能力有限。本文采用逐步提高离心转速的方法对高含油率的酵母细胞进行了筛选和适应性进化研究。通过甲基磺酸乙酯(ethylmethylsulfone,EMS)与紫外复合诱变方式对离心筛选得到的高含油率皮状丝孢酵母Trichosporon cutaneum MS 28进行了五组条件的诱变处理,随后再对诱变菌株离心筛选;对木质纤维素水解液中适应能力较差的解脂耶氏酵母Yarrowia lipolytica DSM 3286、圆红冬孢酵母Rhodosporidium toruloides CGMCC 2.1609、粘红酵母Rhodotorula glutinis CGMCC 2.703进行了适应性进化和离心筛选。结果表明皮状丝孢酵母T.cutaneum MS 28的含油率没有进一步提高,解脂耶氏酵母Y.lipolytica DSM 3286的细胞含油率比原始菌株提高了两倍左右,而圆红冬孢酵母R.toruloides CGMCC 2.1609以及粘红酵母R.glutinis CGMCC 2.703由于生长能力较差,目前在长周期适应性进化过程中。通过上述研究,木质纤维素生物炼制的发酵过程流变学研究和油脂发酵研究为各种类型的纤维素能源和化学品的工业规模发酵提供了反应器设计的重要基础依据,对降低木质纤维素生物炼制过程的生产成本,实现高效率的生物燃料、生物化学品的工业化生产具有重要意义。


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