本文選題：木質(zhì)纖維素　切入點(diǎn)：微生物油脂　出處：《湖南大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：化石資源的大量消耗以及隨之而來的環(huán)境污染問題使得研究新的可再生清潔能源成為當(dāng)務(wù)之急。生物柴油被認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)的石化燃料替代品。目前普遍使用的生物柴油原料,如植物油脂和餐飲廢棄油脂等,已難以滿足日益擴(kuò)大的生物柴油市場需求。微生物油脂以其獨(dú)特的優(yōu)勢(例如生產(chǎn)周期較短,不受限于地理環(huán)境和季節(jié))被逐漸應(yīng)用于能源領(lǐng)域,成為生物柴油生產(chǎn)的發(fā)展趨勢之一。而尋找廉價(jià)的碳源培養(yǎng)基以降低其生產(chǎn)成本是大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用微生物油脂的關(guān)鍵。木質(zhì)纖維素原料在生物煉制過程中可產(chǎn)生多種含碳廢物。鑒于產(chǎn)油微生物對碳源利用的廣譜性,本文采用渾濁紅球菌(Rhodococcus opacus)PD630及DSM 1069作為產(chǎn)油功能菌,考察了熱解輕油、生物乙醇生產(chǎn)預(yù)處理廢液,以及制漿造紙黑液堿木質(zhì)素等木質(zhì)纖維素生物煉制廢物作為潛在的油脂生產(chǎn)原料的可行性,并通過凝膠滲透色譜(GPC)、核磁共振(NMR)、掃描電子顯微鏡(SEM)等檢測手段初步探討了其中的作用機(jī)理,旨在為微生物油脂應(yīng)用于生物柴油提供新的碳源途徑,同時(shí)為推動(dòng)木質(zhì)纖維素廢物的資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。本文具體的研究工作和主要成果歸納如下。首先,論文探索這兩種菌在熱解輕油培養(yǎng)基中的生長及油脂積累情況。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了兩組不同的p H值。研究證明細(xì)菌在酸性(p H=4)及中性(p H=7)條件下均可進(jìn)行細(xì)胞增殖,且在一定范圍內(nèi)細(xì)菌生物量隨著底物濃度的升高而增大。擴(kuò)大實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,將適應(yīng)后的菌體轉(zhuǎn)移至氮源缺乏的輕油培養(yǎng)基后均生長良好。其中酸性條件下菌體增殖更快,PD630和DSM 1069的最大生物量分別可達(dá)到0.82及0.90g/L,相比于p H=7的基質(zhì)分別增長了10.81和9.76%,且兩種細(xì)菌的油脂含量最大值均出現(xiàn)在16 h,分別占細(xì)菌干重的25.8和22.0%。另外酸性條件下DSM 1069的脂肪酸主要為飽和脂肪酸,隨著外界環(huán)境p H值增大到7,胞內(nèi)飽和脂肪酸合成減少,不飽和脂肪酸含量增加。而PD630在兩種p H值條件下均大量積累飽和脂肪酸,尤其在p H值為7時(shí),飽和脂肪酸的比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于不飽和脂肪酸。31P NMR及13C NMR分析表明發(fā)酵過程中,細(xì)菌主要攻擊脂肪鏈類物質(zhì),同時(shí)芳香族化合物單體及二聚體也發(fā)生相應(yīng)減少。不同木質(zhì)纖維素生物質(zhì)預(yù)處理廢液中也含有糖類及木質(zhì)素衍生物等多種有機(jī)物。本實(shí)驗(yàn)以熱水預(yù)處理及有機(jī)溶劑預(yù)處理廢液為研究對象,預(yù)實(shí)驗(yàn)首先分別考察了PD630及DSM 1069在葡萄糖、木糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖五種單糖不同濃度溶液下的生長情況,發(fā)現(xiàn)細(xì)菌主要利用六碳糖進(jìn)行細(xì)胞代謝,且菌體增長隨著單糖濃度的增大而增大。其中PD630可利用葡萄糖、甘露糖和半乳糖,而DSM 1069只能消耗前兩種糖類。熱水預(yù)處理廢液直接作為培養(yǎng)基質(zhì)時(shí)造成細(xì)菌大量死亡,表明預(yù)處理過程生成的HMF、呋喃甲醛等副產(chǎn)物嚴(yán)重抑制了細(xì)菌的生理活動(dòng)。石灰法聯(lián)合非離子型樹脂吸附法可有效去除廢液中的副產(chǎn)物。去毒后,火炬松預(yù)處理廢液(DPAH)中R.opacus PD630和DSM 1069細(xì)菌生物量均在72 h達(dá)到最大,分別為0.96 g/L、1.03 g/L,而楓香樹預(yù)處理廢液(DSAH)中細(xì)菌的生長延滯期較長,其達(dá)到的最大生物量分別為1.18 g/L(PD630)及1.06 g/L(DSM 1069)。另外,DSAH培養(yǎng)基中PD630菌體含油量最大可達(dá)到28.6%,油脂產(chǎn)量為0.25 g/L。而DSM 1069可在DPAH為碳源時(shí)達(dá)到產(chǎn)油水平,其最大油脂含量及油脂產(chǎn)量分別為為28.3%、0.31 g/L。有機(jī)溶劑預(yù)處理廢液中除了溶出的半纖維素衍生糖類之外,還含有木質(zhì)素降解的芳香環(huán)衍生物。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,R.opacus DSM 1069可同時(shí)利用乙醇預(yù)處理廢液中的糖類(主要為葡萄糖)和芳香環(huán)化合物,并將其轉(zhuǎn)化為菌體油脂。其最大油脂含量出現(xiàn)在48 h,油脂含量為26.88%。發(fā)酵前及48 h的油脂成分主要為偶數(shù)碳鏈的脂肪酸,包括棕櫚酸(C16:0)、硬脂酸(C18:0)及油酸(C18:1)。接著,本研究考察了R.opacus DSM 1069對黑液提取堿木質(zhì)素(BL-Kraft lignin)及商業(yè)堿木質(zhì)素的降解。研究發(fā)現(xiàn),以BL-Kraft lignin為碳源時(shí),所得菌體最大油脂含量僅為6%。GPC、13C NMR及HSQC-NMR等分析手段表明細(xì)菌主要利用堿木質(zhì)素中高含量的小分子抽提物進(jìn)行細(xì)胞增殖。為提高油脂產(chǎn)量及木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率,實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步引入氧降解處理方法對堿木質(zhì)素進(jìn)行預(yù)處理(O2-Kraft lignin)。以商用堿木質(zhì)素(其木質(zhì)素含量為88.11%,抽提物及糖類含量極少)為研究對象。結(jié)果表明,未處理的堿木質(zhì)素(Untreated-Kraft lignin)和氧降解處理強(qiáng)度不足的堿木質(zhì)素(O2-Kraft lignin-A)均難以維持細(xì)菌生長。當(dāng)增加預(yù)處理強(qiáng)度(預(yù)處理B)時(shí),堿木質(zhì)素大分子結(jié)構(gòu)斷裂,分子量明顯減小。細(xì)菌在O2-Kraft lignin-B培養(yǎng)基中增殖顯著,發(fā)酵后菌落數(shù)比發(fā)酵前增加了~460倍。36 h時(shí)測得最大油脂含量為14.21%,油脂產(chǎn)量為0.067 mg/m L,堿木質(zhì)素轉(zhuǎn)化率為28%。其中油脂脂肪酸組成主要為棕櫚酸(C16:0)和硬脂酸(C18:0)。結(jié)合GPC、31P NMR、HSQC-NMR結(jié)果可以推測,細(xì)菌可分泌酶液將木質(zhì)素碎片降解為單體或者二聚體,并進(jìn)一步將其轉(zhuǎn)化為原兒茶酸等β-酮己二酸代謝途徑前體。木質(zhì)素較小分子量部分被細(xì)菌利用,而難降解的大分子物質(zhì)被殘留下來。本文研究了多種木質(zhì)纖維素生物煉制廢物作為微生物油脂生產(chǎn)原料的可能性,為發(fā)展廉價(jià)碳源從而實(shí)現(xiàn)微生物油脂生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性提供了一條新的途徑,對進(jìn)一步降低生物柴油成本,推動(dòng)了生物柴油的廣泛應(yīng)用具有重要意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TE667

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本文編號：1681905