本文關(guān)鍵詞：纖維素廢棄物生物制備L-乳酸的研究

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【摘要】：本文為實現(xiàn)米根霉利用木質(zhì)纖維原料低成本、高得率生產(chǎn)L-乳酸,進(jìn)行了以下幾方面的研究：首先研究了米根霉L-乳酸發(fā)酵的碳源(葡萄糖、木糖)差異,并合理利用其廢菌體；采用常壓室溫等離子體誘變技術(shù)篩選出耐高溫米根霉菌株,有效緩解同步糖化發(fā)酵中酶解與發(fā)酵的溫度差異；以低聚木糖生產(chǎn)廢渣為底物,探究了基于木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化L-乳酸的最佳工藝路線,有利于解決低聚木糖工業(yè)加工中的大量廢渣再利用問題；在此基礎(chǔ)上,深入研究木質(zhì)纖維原料降解產(chǎn)物對米根霉發(fā)酵過程中菌體生長、產(chǎn)物合成及關(guān)鍵酶活的影響；成功應(yīng)用纖維床生物反應(yīng)器固定化米根霉進(jìn)行同步糖化發(fā)酵；最后,在固定化米根霉發(fā)酵的基礎(chǔ)上,從原料低聚木糖生產(chǎn)廢渣到成品L-乳酸全工藝過程進(jìn)行了經(jīng)濟核算,探討了其工業(yè)化可行性和經(jīng)濟效益。研究結(jié)果如下：(1)通過添加不同氮源濃度和無機鹽對米根霉發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸影響的研究,最適(NH4)2SO4濃度為1.5 g/L, KH2PO4濃度為0.15 g/L, MgSO4-7H2O濃度0.375 g/L,ZnSO4-7H2O濃度為0.10 g/L。初始葡萄糖質(zhì)量濃度為80 g/L時,糖酸轉(zhuǎn)化率最高為0.76,糖醇轉(zhuǎn)化率為0.09,生物量對葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為0.05。LDH(f)比酶活為0.94 U/mg, ADH(f)比酶活為20.07 U/mg, ADH(b)比酶活為3.62 U/mg。米根霉能利用低濃度的劣質(zhì)碳源木糖制備L-乳酸,初始木糖質(zhì)量濃度為15 g/L時,糖酸轉(zhuǎn)化率為0.58,糖醇轉(zhuǎn)化率為0.04,生物量對葡萄糖的轉(zhuǎn)化率為0.10。LDH(f)比酶活為0.19 U/mg, ADH(f)比酶活為5.98 U/mmg,ADH(b)比酶活為0.89 U/mmg。米根霉發(fā)酵葡萄糖、木糖產(chǎn)L-乳酸的關(guān)鍵酶是LDH,產(chǎn)乙醇的關(guān)鍵酶是ADH, L-乳酸和乙醇產(chǎn)量分別與LDH酶基因和ADH酶基因的表達(dá)量(比酶活力)呈正相關(guān)性。(2)從L-乳酸發(fā)酵后積累的米根霉菌體生物量中提取真菌殼聚糖。米根霉殼聚糖具有較高的脫乙酰度(89.4%)、較低的粘度(5.13 mPa-s)和結(jié)晶度,無明顯X-衍射峰,其分子量、熱穩(wěn)定性、紅外光譜分析與商品殼聚糖類似。(3)低聚木糖生產(chǎn)廢渣可酶解性能較好,底物濃度10%的低聚木糖生產(chǎn)廢渣酶解48h,葡萄糖和木糖濃度分別為61.32 g/L和15.90 g/L,纖維素和木聚糖酶水解得率分別為84.32%和63.06%。米根霉以10%底物濃度的低聚木糖生產(chǎn)廢渣水解糖液為碳源發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸,發(fā)酵液中L-乳酸濃度、糖酸轉(zhuǎn)化率和得率分別為34.00 g/L、0.54和0.34 g/g廢渣。(4)采用等離子體誘變技術(shù)篩選獲得一株耐高溫L-乳酸發(fā)酵菌株米根霉NL02,米根霉NL02以含100 g/L葡萄糖的發(fā)酵培養(yǎng)基于40℃下,L-乳酸濃度、副產(chǎn)物乙醇濃度和糖酸轉(zhuǎn)化率分別為72.46 g/L、5.59 g/L和0.73。米根霉NL02以10%底物濃度的低聚木糖生產(chǎn)廢渣同步糖化發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸,L-乳酸濃度和乳酸得率分別達(dá)60.29 g/L和0.60 g/g廢渣,酸醇比為10.56；L-乳酸產(chǎn)量和L-乳酸得率是10%底物濃度的低聚木糖生產(chǎn)廢渣分步水解發(fā)酵的1.76倍。(5)與堿預(yù)處理玉米芯相比,稀酸蒸汽爆破玉米秸稈酶水解液中的降解產(chǎn)物總量高出8.11倍。稀酸預(yù)處理所生成的乳酸發(fā)酵潛在抑制物明顯高于堿預(yù)處理。米根霉耐受甲酸和乙酸的濃度達(dá)到4 g/L,耐受乙酰丙酸的濃度為10 g/L。而對呋喃類物質(zhì)的耐受性較弱,0.6 g/L的糠醛或1g/L的5-羥甲基糠醛能完全抑制米根霉的生理活性。木質(zhì)素來源的酚類降解產(chǎn)物較碳水化合物降解產(chǎn)物對米根霉L-乳酸發(fā)酵的抑制作用更強。木質(zhì)纖維素預(yù)處理過程中生成的降解產(chǎn)物對米根霉L-乳酸發(fā)酵的抑制毒性大小依次為：糠醛5-羥甲基糠醛甲酸乙酸乙酰丙酸,芳香醛類(紫丁香醛、4-羥基苯甲醛、香草醛)的抑制毒性強于芳香酸類(紫丁香酸、4-羥基苯甲酸、香草酸)。反式肉桂酸和紫丁香醛的毒性最大；3,4-二羥基苯甲酸、4-羥基苯甲酸、香草酸、4-羥基苯甲醛和香草醛的毒性適中；紫丁香酸、對香豆酸和阿魏酸對米根霉的發(fā)酵基本沒有抑制作用。在實際的水解液中,低濃度的木質(zhì)纖維素降解產(chǎn)物因其耦合抑制效應(yīng)對L-乳酸發(fā)酵的影響較大。(6)基于米根霉發(fā)酵乳酸的菌體形態(tài)特征變化規(guī)律,提出并建立了纖維床生物反應(yīng)器固定化米根霉發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸技術(shù),可較好地控制菌絲形態(tài)和提高生產(chǎn)效率。利用纖維床生物反應(yīng)器固定化米根霉發(fā)酵系統(tǒng),以10%(w/v)低聚木糖生產(chǎn)廢渣為原料同步糖化發(fā)酵,產(chǎn)品L-乳酸的得率達(dá)到0.42 g/g物料。采用纖維床生物反應(yīng)器固定化米根霉發(fā)酵產(chǎn)L-乳酸技術(shù),以低聚木糖生產(chǎn)廢渣為原料年產(chǎn)5.0萬噸L-乳酸的車間單位生產(chǎn)成本為2760.14 $/MT MP,其中原材料和公用工程費用分別占75.79%和13.28%,項目年利潤率可達(dá)30.87%,投資回收期為3.24年。
【學(xué)位授予單位】：南京林業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ921.3

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本文編號：1170737