【摘要】：廢棄物處理能源化符合國家節(jié)能減排和低碳發(fā)展戰(zhàn)略需求,也是環(huán)境領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。利用豐富而廉價(jià)的可再生秸稈類生物質(zhì)制取氫氣是一種獲得氫氣的新方法,在產(chǎn)生可再生清潔能源的同時(shí)可以有效解決農(nóng)業(yè)廢棄物的處置問題,是未來能源發(fā)展的主要趨勢。然而,由于秸稈類生物質(zhì)的復(fù)雜性及難降解性,如何高效獲取富含葡萄糖和木糖混合糖的秸稈水解液,以及解決目前發(fā)酵產(chǎn)氫微生物木糖代謝能力不足的問題對于實(shí)現(xiàn)秸稈廢棄物資源的高值利用至關(guān)重要。本研究以本實(shí)驗(yàn)室篩選得到的能夠利用葡萄糖木糖發(fā)酵嗜熱產(chǎn)氫菌熱解糖厭氧芽孢桿菌W16(Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16)為研究對象,以建立經(jīng)濟(jì)高效轉(zhuǎn)化秸稈類生物質(zhì)產(chǎn)氫體系為目標(biāo)展開研究,考察了產(chǎn)氫菌W16葡萄糖木糖共利用發(fā)酵產(chǎn)氫規(guī)律,提出了采用補(bǔ)料分批發(fā)酵方式解決混合底物中木糖利用率低的問題;并分析了不同葡萄糖木糖碳源響應(yīng)下細(xì)胞的代謝差異特征及可能的代謝調(diào)控機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)葡萄糖木糖混合糖的同步高效轉(zhuǎn)化提供重要的理論基礎(chǔ);在此基礎(chǔ)上,采用生物法預(yù)處理及酶解糖化玉米秸稈,探討了產(chǎn)氫菌W16利用玉米秸稈水解液發(fā)酵產(chǎn)氫效能,為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物玉米秸稈的高值利用以及生物轉(zhuǎn)化過程經(jīng)濟(jì)可行性提供技術(shù)理論依據(jù)。通過不同葡萄糖木糖混合糖濃度比下發(fā)酵產(chǎn)氫特性,確定了產(chǎn)氫菌W16能夠同時(shí)利用葡萄糖和木糖發(fā)酵產(chǎn)氫,但與葡萄糖的利用相比,木糖的消耗速率隨著混合糖中葡萄糖濃度的升高而不斷下降,結(jié)合節(jié)點(diǎn)插值擬合分析表明,當(dāng)混合糖中葡萄糖含量高于58.2.%時(shí),其對木糖利用的抑制作用明顯增大,而當(dāng)葡萄糖含量降至21.7%以下,其自身利用會(huì)受到一定程度反饋抑制。針對高葡萄糖木糖濃度比下木糖利用率低的問題,提出連續(xù)以及補(bǔ)料分批發(fā)酵過程稀釋率及水力停留時(shí)間(Hydraulic retention time,HRT)調(diào)控策略,其中采用補(bǔ)料分批發(fā)酵方式,通過控制各段運(yùn)行參數(shù),在HRT為12h條件下,產(chǎn)氫速率達(dá)到最大值8.9 mmol/L/h的同時(shí),相應(yīng)的葡萄糖木糖利用率分別提升至92.2%以及82.2%。采用Illumina 2000高通量測序平臺(tái)轉(zhuǎn)錄組學(xué)測序技術(shù)探究產(chǎn)氫菌W16葡萄糖木糖共發(fā)酵產(chǎn)氫內(nèi)在分子機(jī)理。對產(chǎn)氫菌W16在葡萄糖,木糖以及葡萄糖木糖混合糖作為碳源下差異基因的調(diào)控與表達(dá)情況進(jìn)行分析,結(jié)果表明產(chǎn)氫菌W16在不同碳源下編碼木糖特異性轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因高豐度是實(shí)現(xiàn)葡萄糖木糖共利用的主要因素。而當(dāng)葡萄糖在混合糖中大量存在時(shí),木糖異構(gòu)酶的高葡萄糖親和力導(dǎo)致即使木糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白基因高豐度,木糖利用仍受到一定程度抑制。當(dāng)混合糖基質(zhì)中木糖大量存在時(shí),葡萄糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)基因豐度普遍下降,造成葡萄糖利用減緩。以上糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在不同混合糖下表達(dá)差異是菌株W16實(shí)現(xiàn)葡萄糖木糖共發(fā)酵,并且在發(fā)酵過程中存在相互影響的主要原因。基于菌株W16利用葡萄糖木糖發(fā)酵產(chǎn)氫特點(diǎn),建立合理有效的玉米秸稈預(yù)處理及酶解糖化方式。通過不同預(yù)處理方式下玉米秸稈化學(xué)組分及形態(tài)結(jié)構(gòu)比較結(jié)果表明,采用白腐真菌CGMCC 5.776(Phanerochaete chrysosporium CGMCC 5.776)生物預(yù)處理玉米秸稈在去除35.3%木質(zhì)素,降低纖維素結(jié)晶度的同時(shí),只有9.5%的全纖維素?fù)p失。該預(yù)處理過程可以有效強(qiáng)化玉米秸稈酶解糖化效能至原來的1.6倍。同時(shí),選用綠色木霉CGMCC 3.2876(Trichoderma viride CGMCC 3.2876)胞外粗酶液對生物預(yù)處理玉米秸稈進(jìn)行酶解糖化,在溫度49.7°C,p H 5.0,酶投加量35.7 IU/g,以及底物濃度為38.5 g/L的最優(yōu)條件下,每100g玉米秸稈能夠產(chǎn)生27.2g可溶性還原糖,高達(dá)理論值的67%。通過采用批式,連續(xù)以及補(bǔ)料分批發(fā)酵方式發(fā)酵產(chǎn)氫發(fā)現(xiàn),在補(bǔ)料分批發(fā)酵方式下產(chǎn)氫菌W16利用生物預(yù)處理玉米秸稈水解液發(fā)酵產(chǎn)氫,最高產(chǎn)氫速率可達(dá)到9.1 mmol/L/h。為進(jìn)一步提高產(chǎn)氫效能,提出了糖水解-暗發(fā)酵一體式產(chǎn)氫對策,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過調(diào)整反應(yīng)過程中溫度,底物濃度以及酶投加量,糖化及發(fā)酵產(chǎn)氫過程可以在有效縮短反應(yīng)時(shí)間至72h的同時(shí),產(chǎn)氫量達(dá)到89.3 m L H2/g-玉米秸稈。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：X172;X712
【圖文】：

背景來源來源于國家創(chuàng)新研究群體基金（No.50821002）；國家生物質(zhì)高效生物轉(zhuǎn)化脫毒水解液產(chǎn)氫微生物體系0388）的資助。現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢界，經(jīng)濟(jì)發(fā)展進(jìn)入到空前發(fā)展的階段，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)三服務(wù)行業(yè)都進(jìn)入蓬勃發(fā)展。然而經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使應(yīng)的需求和使用也大幅提高。國際能源署（IEA）于《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒 2014》報(bào)告，對全球能源圖告指出，截至到 2013 年底，全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍以化33%，天然氣 24%，煤炭 30%，核能 4%，水電 7%，可示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文的比重略有下降，創(chuàng)歷史新低，不過其在全部能源消耗中所占化石燃料消費(fèi)仍占據(jù)中國能源消耗的主導(dǎo)地位，并且中國煤炭占世界煤炭消費(fèi)量的 50.3%。與世界能源消耗結(jié)構(gòu)相比，中國對單一，對煤炭的依賴性較高。專家預(yù)測這一形式在未來 20 性改變。然而，按照目前的開采量，全球已探明的煤炭，石油能源將分別在今后 110 年、50 年和 55 年左右耗盡，而中國源儲(chǔ)量也已日益減少，僅分別夠使用 30 年，11 年和 28 年。缺以及化石能源燃燒所造成的環(huán)境污染和氣候變化對人類生存嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，針對這一問題，我國出臺(tái)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行020年）》中明確指出：開發(fā)潛力大的新型生物燃料，推進(jìn)能源實(shí)現(xiàn)可再生能源技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，并實(shí)施新能源集成利用示范重睫。

通常需先將復(fù)雜碳水化合物簡單預(yù)處理水解后生成單糖, 而后由不含細(xì)胞色素型的電子供體型細(xì)菌如專性厭氧發(fā)酵細(xì)菌（丁酸梭菌），通過丙酮酸或丙酮酸式二碳物質(zhì)產(chǎn)氫（如圖1-3）; 而兼性厭氧菌（如腸桿菌屬）可以以細(xì)胞色素為電子供體，利用甲酸裂解過程產(chǎn)氫，如圖1-4所示。圖 1-3 丙酮酸脫羧產(chǎn)氫過程Fig. 1-3 Profile of decarboxylation of keto-acetic acid for H2production圖 1-4 甲酸裂解產(chǎn)氫過程Fig. 1-4 Cleavage of formic acid for H2production1989年，Tanisho 等[23, 24]通過考察產(chǎn)氣腸桿菌發(fā)酵產(chǎn)氫過程中NADH/NAD+的平衡調(diào)節(jié)作用，對上述產(chǎn)氫理論進(jìn)行了進(jìn)一步發(fā)展和完善，提出產(chǎn)氫發(fā)酵的途徑除甲酸途徑外，還有 NADH/NAD+ 平衡調(diào)節(jié)途徑。任南琪等[25]于二十世紀(jì)九十年代發(fā)現(xiàn)在較低 pH 下利用糖蜜廢水進(jìn)行產(chǎn)酸發(fā)酵的 CSTR 反應(yīng)器內(nèi)生成了大量氫氣，而此時(shí)的液相末端產(chǎn)物主要為乙酸和乙醇，基于此構(gòu)建出以

本文編號(hào)：2777815