乳酸(Lactic acid)是一種常見的有機酸,能夠使用生物方法從可再生碳源中發(fā)酵得來。近年來,生物可降解材料聚乳酸的需求量日益增加,而L-型乳酸的需求量日益高漲。L-型乳酸生產的傳統(tǒng)底物是純糖或者可食用的糧食作物,然而全球糧食資源的緊缺,使得利用纖維素物質生產L-型乳酸顯示出了巨大的工業(yè)化潛力。煙草廢棄物富含纖維素,是一種由煙草工業(yè)產生的的固體廢棄物,若將煙草廢棄物綠色高效地轉化為高附加值的L-型乳酸,就能夠實現生物資源的回收循環(huán)利用,這不僅能夠滿足L-型乳酸市場需求,而且有益于人體健康和環(huán)境質量,故此研究具有重要的理論探討和社會意義。本文使用對營養(yǎng)要求低和能夠同時利用葡萄糖和木糖生產光學產物的絲狀真菌——米根霉進行發(fā)酵生產L-型乳酸,以期從煙草廢棄物中高效地生產高濃度的L-型乳酸。然而在生產過程中,有幾個主要的問題需要解決:1)需要去除煙草廢棄物中的果膠和木質素物質以提高糖化效率;2)米根霉細胞的木糖代謝水平遠遠低于葡萄糖代謝;3)煙草廢棄物含有的大量的水溶性組分會干擾糖化過程。首先,針對去除煙草廢棄物中的果膠和木質素問題,采用了稀酸、蒸汽爆破和氧化技術聯用方法。氧化祛除病毒是我們實驗室的專利技術,再采用稀酸-蒸汽爆破法處理,最終選為煙草廢棄物的預處理方法。這種方法能夠提高煙草廢棄物的糖化效率并且保留了半纖維素部分。蒸汽爆破預處理后煙草廢棄物的纖維素和半纖維素相比對照組分別增加了55.4%和86.6%,而木質素減少了61.0%,果膠減少了38.3%。其次,針對提高米根霉的木糖代謝水平,發(fā)明了利用煙草廢棄物的水溶性組分作為固定化米根霉的種子培養(yǎng)基。這種新型的種子培養(yǎng)基能夠代替昂貴的傳統(tǒng)葡萄糖種子培養(yǎng)基并能有效提高固定化米根霉的木糖代謝水平。結果表明,煙草廢棄物萃取液加入5 g/L的葡萄糖和0.1 g/L的維生素C后最高提高了木糖2.12倍的吸收速率和1.73倍L-型乳酸的轉化率。使用補料式發(fā)酵獲得了最高濃度的L-型乳酸最終濃度:173.5 g/L,對應的生產速率為1.45 g/L/h,轉化率為0.86 g/g。隨后,為了徹底去除煙草廢棄物中的果膠物質,實現高濃度固體含量的同步糖化發(fā)酵,液化技術被用于在預處理之后處理煙草廢棄物。液化技術通過加入果膠酶和纖維素酶,減少了高固體含量發(fā)酵中93%的液體粘稠度并使得后續(xù)的同步糖化發(fā)酵縮短了40.0%的發(fā)酵時間和提高了66.2%的L-型乳酸最終濃度。最終在優(yōu)化了同步糖化發(fā)酵的條件以后,得到L-型乳酸濃度為125.2 g/L,這是目前文獻報道中同步糖化發(fā)酵產乳酸的最高濃度,并達到了工業(yè)有機酸生產的濃度要求。最后,為了降低在液化中使用果膠酶的成本,進行了固定化米根霉利用煙草廢棄物中的果膠生產果膠酶的研究。確定了米根霉在果膠作為唯一碳源時能夠生產出最高活性的果膠酶。進行擴大化發(fā)酵研究并確定了最優(yōu)發(fā)酵罐設置為:孢子接種濃度0.75×106,溶氧度30%,pH=5和溫度30℃。在半連續(xù)重復批次發(fā)酵中,固定化米根霉保持了四批次的高效生產,說明了固定化米根霉具有相當的穩(wěn)定性。在補料式發(fā)酵中,固定化米根霉生產的果膠酶酶活達到了目前報道的最高水平Endo-和Exo-PG酶分別為705.5和561.7 U/mL。完全能夠滿足液化步驟所需的果膠酶要求。
【學位單位】：重慶大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：X795
【部分圖文】：

（Briski et al, 2003; Piotrowska-Cyplik et al, 2009）。長期以來，我國對待煙草廢棄物的主要處理方式為像秸稈一樣燒掉，只部分煙草廢棄物進入了醫(yī)藥或者農藥生產系統(tǒng)中進行有效回收。這種粗濟和不環(huán)保的處理方式，不但大量浪費了寶貴的生物資源，而且造成了，惡化了當地居民健康和相關煙草種植生態(tài)環(huán)境，同時還讓假煙制造者。因此，如何綠色，高效和經濟的處理這些煙草廢棄物，已經成為我國煙業(yè)迫切需要解決的一個重大課題。進入二十一世紀，全球社會和經濟得到了長足的進步，人類也強烈感受污染，糧食緊缺和能源緊缺所帶來的各種問題。對此，對各種生物資源源進行充分的利用已經越來越成為當今全球的共識和主流。綠色，清潔經濟的處理煙草廢棄物并將其轉化為高實用性和高附加值的產品，對提民健康和環(huán)境質量，促進我國煙草經濟發(fā)展，實現生物資源的回收循環(huán)地社區(qū)提供就業(yè)崗位，促進社會和諧穩(wěn)定等一系列的問題都有著重要的

于煙草植株的固體廢棄物，比如種植過程中的報廢煙葉，桿，烤煙過程中被淘汰的次級煙和煙梗，陳化過程中的發(fā)煙葉剪切后剩下的煙末。由于含有數量可觀的木質纖維素部分是纖維素和半纖維素，煙草廢棄物可以被看做是一種使用煙草廢棄物作為原料生產 L-型乳酸有許多優(yōu)勢：能夠棄物成本低廉；相比傳統(tǒng)木質纖維素原料如玉米秸稈木質素集中化生產，煙草廢棄物的收集較為容易。霉是高效 L-型乳酸發(fā)酵的優(yōu)良菌種（Rhizopus oryzae）是一種常見腐生絲狀真菌，其在全球的包含了所有熱帶和亞熱帶地區(qū)（孫梅等，2005；刑來君等中都分離出了米根霉，包括土壤，蔬菜，水果，植物殘余等，2008）。作為一種快速生長的絲狀真菌，米根霉常常第一批占領者，快速分解掉其含有大分子物質并分泌有機酸，2009；朱羽，2007；潘麗軍等，2003；姜紹通等，2005）

技術路線
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本文編號：2848237