检索结果-内蒙古大学图书馆

生物产业技术 2018年第3期 45-49页

作者：赵启红陈洪章王岚中国科学院过程工程研究所生物质炼制工程北京市重点实验室中国科学院大学北京100190

生物丁醇是一种极具发展潜力的清洁可再生能源燃料。目前工业丁醇生产仍存在能耗高、产量低以及污染严重等问题。固态发酵体系中由于固体物含量较高容易造成传质传热困难、酶解效率低等难题,难以实现丁醇混菌固态发酵。针对以上问题,从... 详细信息

生物丁醇是一种极具发展潜力的清洁可再生能源燃料。目前工业丁醇生产仍存在能耗高、产量低以及污染严重等问题。固态发酵体系中由于固体物含量较高容易造成传质传热困难、酶解效率低等难题,难以实现丁醇混菌固态发酵。针对以上问题,从混合培养的优势以及固态发酵过程强化角度思考,以期为高效利用木质纤维素原料制备燃料丁醇提供新思路。

关键词：丁醇固态发酵菌种选育混菌培养木质纤维素周期蠕动

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汽爆秸秆半纤维素固态发酵柠檬酸的研究

汽爆秸秆半纤维素固态发酵柠檬酸的研究

引用

作者：谢军中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)

学位级别：硕士

面对当今社会的化石能源枯竭及环境恶化问题,木质纤维素基化学品是近年来世界各国生物质工程领域研究的热点。目前大多关注于纤维素和木质素的利用,对半纤维素利用的研究较少。半纤维素是植物纤维原料中含量较多的一类碳水化合物,是地... 详细信息

面对当今社会的化石能源枯竭及环境恶化问题,木质纤维素基化学品是近年来世界各国生物质工程领域研究的热点。目前大多关注于纤维素和木质素的利用,对半纤维素利用的研究较少。半纤维素是植物纤维原料中含量较多的一类碳水化合物,是地球上含量最丰富、价格最廉价的可再生资源之一,具有巨大的利用潜力和市场价值。半纤维素主要由五碳糖组成,相比纤维素来说,更容易被降解,有效利用这部分天然资源将有利于降低发酵工业的成本。目前半纤维素利用的少量研究主要集中在水解液液态发酵各类化学品,尚无固态发酵的相关研究。因此本论文以柠檬酸为目标产品,主要从以下几个方面对半纤维素的利用进行研究,并取得以下主要研究结果:(1)首先研究了汽爆对秸秆半纤维素解离度、单糖溶出等的影响,进一步通过红外光谱和紫外光谱扫描对其结构基团的变化进行表征,优化出汽爆秸秆半纤维素的操作参数,汽爆压力为1.0 MPa,处理时间为5 min或汽爆压力1.3 MPa,处理时间为3 min时,半纤维素水解糖浓度较高。(2)研究了蠕动强化汽爆秸秆半纤维素在低加酶量下高固半纤维素酶解效果。结果证明在添加0.1 FPU/g底物下,25%高固酶解时间为4 h,与静置酶解相比,酶解时间缩短了 6倍,总糖浓度增加了 23.8%。(3)研究了气相双动态汽爆秸秆半纤维素固态发酵柠檬酸工艺,证实了气相双动态技术是一种有效的强化技术,与传统的静置发酵相比,气相动态发酵技术可使柠檬酸产率提高74%。

关键词：汽爆柠檬酸固态发酵周期蠕动气相双动态

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生物数字图像快速检测及发酵过程蠕动强化

生物数字图像快速检测及发酵过程蠕动强化

引用

作者：夏梦雷中国科学院研究生院(过程工程研究所)

学位级别：博士

为解决秸秆丁醇转化率低的难题,论文分别从菌种选育和过程强化入手,基于数字图像技术和支持向量机,建立秸秆丁醇优良菌种的高通量筛选方法,以获得丁醇耐受菌株；并研发丁醇发酵的周期蠕动搅拌方式和氧化还原调控策略,强化菌种的发酵过... 详细信息

为解决秸秆丁醇转化率低的难题,论文分别从菌种选育和过程强化入手,基于数字图像技术和支持向量机,建立秸秆丁醇优良菌种的高通量筛选方法,以获得丁醇耐受菌株；并研发丁醇发酵的周期蠕动搅拌方式和氧化还原调控策略,强化菌种的发酵过程。论文取得了如下主要研究结果：(1)基于数字图像分析,建立了还原糖数字图像快速检测方法。基于数字图像分析方法,研究了葡萄糖与二硝基水杨酸显色反应颜色变化规律,发现反应溶液的颜色在Red-Green-Blue空间中的R基色与葡萄糖浓度的相关性为99.8%,优于传统分光光度计法的97.6%。随后,构建神经网络,利用溶液颜色测定葡萄糖浓度,并建立了自动化检测方法。该方法检测范围为0-10g/L,是传统DNS的3.3倍；检测速度为150样品/15min,是传统DNS的5-10倍。该方法同样适用于木糖、果糖、甘露糖等其他还原糖。(2)运用数字图像分析和支持向量机方法,建立了丁醇高产菌株自动化筛选方法。对丙酮丁醇梭菌发酵数据进行统计分析,确定产溶剂初期(48 h)葡萄糖利用率、溶液pH和菌体氧化还原力可作为丁醇高产菌株的筛选标记,并利用二硝基水杨酸、pH复合指示剂和刃天青实现了筛选标记的可视化；同时,构建支持向量机模型,利用筛选标记的数字图像信息预测菌种的丁醇合成能力,准确率为79.8%,优于人工神经网络的76.4%和非线性拟合的56.3%。基于此,开发了基于数字图像的菌种高通量筛选方法。本方法筛选速率约为“气相法”的250倍,为传统“变色圈法”的100倍。最终,通过筛选得到了一株高产菌株IPE-005,该菌株在葡萄糖基质中总溶剂浓度和丁醇浓度分别为17.5和10.9 g/L,与出发菌相比分别提高了30.5%和78.6%。数字图像筛选方法同样在红曲筛选上取得了良好效果。(3)系统解析了不同抑制物及其复合物对于菌种IPE-005的抑制作用,并利用代谢通量分析研究了不同抑制物的抑制机理。研究表明丁醇高产菌株IPE-005可耐受5g/L糠醛、5g/L 5-羟甲基糠醛、4g/L乙酸和2.5g/L可溶性木质素,分别比出发菌株(Clostridium acetobutylicum ATCC 824)提高了25%,50%,12.5%和47.1%。同时,抑制物存在明显的“低促高抑”现象。对出发菌、耐受菌在抑制物胁迫下的代谢通量进行了统计学对比分析,发现5-羟甲基糠醛、糠醛和可溶性木质素的影响集中在中心碳代谢(磷酸戊糖途径、TCA循环和糖酵解途径),而乙酸的影响分布于中心碳代谢、丙酮酸代谢途径。机理分析表明抑制物胁迫诱发菌体增加糖酵解、TCA和酸合成途径的碳通量,增强能量(ATP)和还原力(NADPH)合成。(4)发明了丁醇发酵周期蠕动搅拌方式,并研究了其强化机理。传统旋涡搅拌方式进行对比研究。发酵试验表明周期蠕动下的菌体量、丁醇产量和总溶剂是传统旋涡搅拌的1.92、2.06和2.04倍,是静置培养下的1.64、1.19和1.41倍。水力学特性分析表明周期蠕动与传统旋涡搅拌在流体类型、剪切力强度、湍流强度和混合效率方面具有明显差异。在相同的旋涡半径下,周期蠕动具有较低的流速(<传统搅拌的60%)、较高的湍流强度(>传统搅拌的10倍)。代谢通量分析表明,6-磷酸葡萄糖、丙酮酸、乙酰CoA,草酰乙酸和α-酮戊二酸是搅拌作用力影响丁醇代谢的关键节点；周期蠕动主要通过三个方面影响菌体的代谢过程：氧化还原平衡状态、能量物质的供应和菌体对于丁醇胁迫的应激反应。(5)基于细胞氧化还原电位(ORP)对于丁醇合成的重要作用,设计了ORP调控策略,系统解析了ORP调控对于秸秆水解液可发酵性的影响及作用原理。结果表明,当秸秆酶解液溶液ORP控制在-350 mV时,发酵周期缩短了6h,总溶剂和丁醇的总浓度达到了18.1和10.2g/L,比未调控组提高了27.5%和34.2%。机理研究表明ORP调控可将酸类合成的代谢流引向丁醇合成,-350 mV条件下胞内的ATP、NADPH/NADPH+和NADH/NAD+比对照组(未施加ORP调控)分别提高了25.1%,81.8%和62.5%,细胞膜的完整度也提高了29%。

关键词：秸秆丁醇数字图像支持向量机周期蠕动氧化还原调控

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汽爆秸秆高固酶解发酵过程强化的研究

汽爆秸秆高固酶解发酵过程强化的研究

引用

作者：刘志华中国科学院研究生院(过程工程研究所)

学位级别：博士

木质纤维素高固炼制过程具有可发酵糖浓度高,产物浓度高,分离成本低,废水排放少等诸多优势,是实现木质纤维素工业化利用的重要途径。围绕木质纤维素高固炼制过程存在的主要问题,即(1)预处理如何提高可发酵糖得率；(2)如何移除高固酶解... 详细信息

木质纤维素高固炼制过程具有可发酵糖浓度高,产物浓度高,分离成本低,废水排放少等诸多优势,是实现木质纤维素工业化利用的重要途径。围绕木质纤维素高固炼制过程存在的主要问题,即(1)预处理如何提高可发酵糖得率；(2)如何移除高固酶解发酵“固体效应”提高过程转化效率；(3)如何实现葡萄糖木糖的高效共发酵,以及如何构建各个单元的集成工艺体系来实现高效炼制等,本论文对木质纤维素炼制核心单元操作—预处理、酶解及发酵—进行了研究,研究结果如下：(1)针对常规汽爆预处理聚糖回收率低,降解物多及酶解效率偏低等问题,发明了一种低温维持高压爆破汽爆炼制新方法。最优条件下(160℃,48 min),葡聚糖和木聚糖回收率分别为93.4%和71.6%；葡聚糖和木聚糖转化率分别为82.3%和79.6%,汽爆酶解过程葡萄糖、木糖和总糖得率分别达到77.3%、62.8%和72.3%,均优于常规汽爆(200℃,6 min)。低温维持高压爆破汽爆具有维持温度和处理强度低等优势,是一种高效的预处理新方法。(2)高固酶解体系存在“固体效应”,导致酶解效率降低。基于仿生学原理,模拟瘤胃结构功能特点,发明了汽爆秸秆高固酶解周期蠕动强化新方法；开发了从秸秆中提取原料制备蠕动材料新工艺,即利用秸秆制备木糖和糠醛,通过糠醛合成聚四氢呋喃二醇制备聚四氢呋喃醇聚氨酯弹性体。(3)研究了周期蠕动对高固酶解聚糖转化率、体系粘度、酶失活的影响。相比于摇床振荡,15%-30%固体载荷,周期蠕动酶解葡聚糖和木聚糖转化率分别提高了4.1%-11.2%和2.8%-9.2%。相比于摇床振荡,15%-30%固体载荷,周期蠕动酶解表观粘度降低,固态到泥浆态转变点缩短6-14 h,纤维素酶失活降低3.2%-7.9%。结果表明周期蠕动是一种高效的强化方式,可以显著提高汽爆玉米秸秆高固酶解效率。(4)研究了高固酶解秸秆水分作用规律与酶解效率的关系,发现指数模型能够很好地表示未处理／汽爆玉米秸秆与水分的相互作用。汽爆增加了玉米秸秆葡聚糖含量,结晶度,比表面积,孔体积,平均孔直径,孔隙度,氧碳比,从而强化了玉米秸秆与水分的相互作用。汽爆通过增加玉米秸秆表面的结合水强度和含量,增加了聚糖对水和酶的可及性,其与酶解前36 h束缚水被释放共同作用提高了酶解聚糖转化率。(5)解析了周期蠕动对高固酶解水束缚的影响及其与酶解效率的关系。相比于摇床振动酶解,周期蠕动酶解水池峰高前24 h增加了7.7%-43%,增加峰高的变化趋势与增加葡聚糖转化率的变化趋势一致,说明周期蠕动在酶解初始阶段释放了束缚水,提高了酶解聚糖转化率。研究发现对水束缚的影响按照吐温80,乙醇,木糖,葡萄糖和微晶纤维素顺序增加,亚微观颗粒和大颗粒残渣是影响水束缚的两个主要因素。(6)秸秆异质性与高固酶解效率密切相关,探究了选择性结构功能拆分及应力应变行为对汽爆及高固酶解的作用规律。与汽爆茎节和茎皮相比,汽爆髓芯,叶鞘,叶和整株玉米秸秆硬度较低,消耗总功少,有利于混合效率和酶解聚糖转化率提高。相比于摇床振荡,周期蠕动酶解12h内体系硬度和总功消耗降低,聚糖转化率提高。选择性结构功能拆分可实现不同形态学部位在最佳汽爆和酶解条件转化,周期蠕动改变高固酶解体系的应力应变行为,从而提高聚糖转化率。高固酶解体系应力应变行为及其与酶解效率作用规律的解析,为高固酶解工艺开发和设计提供了新的理论支撑。(7)研究了S. cerevisiae IPE003高固酶解发酵,比较了几种不同酶解发酵策略,包括分步糖化发酵,分步糖化共发酵,同步糖化发酵和同步糖化共发酵。S. cerevisiaeIPE003同步糖化共发酵汽爆玉米秸秆96 h后,葡聚糖和木聚糖转化率分别为82.0%和82.1%,乙醇浓度达到60.8 g/L,乙醇得率达到75.3%,乙醇产率为0.63 g L-1h-1。S. cerevisiae IPE003能高效地共发酵葡萄糖和木糖,提高了乙醇的浓度,得率和产率,解决了酶解高糖抑制、发酵乙醇浓度低、木糖难利用及废水排放多等问题。研究结果表明低温维持高压爆破汽爆有效克服木质纤维素生物质抗降解性,提高了炼制效率；新型周期蠕动强化方式能够有效移除高固酶解体系“固体效应”,包括降低体系表观粘度、酶失活、水束缚及机械强度等,从而提高了高固酶解转化率和产率；S. cerevisiae IPE003能高效地共发酵葡萄糖和木糖,预处理酶解发酵的高效集成工艺能够有效提高秸秆高固转化效率。本论文研究为木质纤维素炼制及木质纤维素乙醇工业化莫定了理论基础。

关键词：汽爆高固酶解木质纤维素乙醇周期蠕动过程强化

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