本文關(guān)鍵詞：木質(zhì)纖維素原料的酶解糖化及厭氧發(fā)酵轉(zhuǎn)化機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 木質(zhì)纖維素 酶解糖化 預(yù)處理 甲烷發(fā)酵

【摘要】：將木質(zhì)纖維素原料轉(zhuǎn)化為生物能源是解決能源危機(jī)的重要途徑。本文針對(duì)木質(zhì)纖維素原料水解過程中的主要問題展開研究。首先依據(jù)復(fù)合菌系的產(chǎn)酶規(guī)律,優(yōu)化產(chǎn)酶條件,得到一組適合在液體中生長,并且能夠有效分泌胞外酶的微生物復(fù)合菌系WSD-5。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在通氣量為4L/mmin、不攪拌、3%的底物添加量下可以獲得最高活性的粗酶液,其中CMC酶活為3.43IU/ml、木聚糖酶活為15.18IU/ml。進(jìn)一步探究該復(fù)合酶系對(duì)木質(zhì)纖維素原料的酶解糖化和酸化能力,結(jié)果發(fā)現(xiàn)酶解3%底物添加量的小麥秸稈產(chǎn)生3254mG/L的還原糖；酸化第二天sCOD達(dá)到峰值,為4345mg/L,將酸化后的樣品進(jìn)行厭氧發(fā)酵,其產(chǎn)氣量和產(chǎn)甲烷含量分別高于未酸化樣品的22.3%和32.3%。通過復(fù)合菌系的產(chǎn)酶規(guī)律及性質(zhì),建立了“中溫產(chǎn)酶高溫糖化”的技術(shù)體系,根據(jù)此技術(shù)體系酶解小麥秸桿產(chǎn)生的總還原糖濃度為中溫發(fā)酵時(shí)的15倍以上。同時(shí)發(fā)現(xiàn)復(fù)合菌系WSD-5酶解半纖維素含量高的木質(zhì)纖維素原料的能力強(qiáng),且半纖維素含量與酶解轉(zhuǎn)化率具有正相關(guān)關(guān)系。 將復(fù)合菌系對(duì)天然木質(zhì)纖維素原料具有快速分解溶化的能力應(yīng)用于生物預(yù)處理中。利用MCl、WSD-5和XDC-2預(yù)處理小麥秸稈,通過酶解轉(zhuǎn)化率探究預(yù)處理時(shí)間對(duì)小麥秸稈纖維素轉(zhuǎn)化率的影響。在低等和高等酶添加量,小麥秸稈經(jīng)WSD-5預(yù)處理3天和7天的纖維素轉(zhuǎn)化率最大,分別為24.1%和76.3%。在中等酶添加量下,MC1預(yù)處理13的小麥秸稈獲得最高的纖維素轉(zhuǎn)化率,為56.1%。以這三種復(fù)合菌系預(yù)處理象草,并連接后續(xù)的酶解糖化和甲烷發(fā)酵實(shí)驗(yàn),以酶解總轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)氣量評(píng)估復(fù)合菌系的預(yù)處理能力。結(jié)果顯示,經(jīng)WSD-5預(yù)處理13天的象草在低等酶添加量下得到最高的總轉(zhuǎn)化率為43.3%；MC1預(yù)處理7天的象草在中、高等酶添加量下分別得到65.9%和83.2%的最高總轉(zhuǎn)化率。經(jīng)MCl、WSD-5和XDC-2預(yù)處理的象草的最高產(chǎn)甲烷量分別為未處理象草的1.39、1.49和1.32倍。 發(fā)現(xiàn)了不同的纖維素和半纖維素含量及發(fā)酵溫度對(duì)產(chǎn)甲烷效率的影響規(guī)律。在甲烷發(fā)酵過程中,高溫厭氧發(fā)酵體系對(duì)纖維素和半纖維素的緩沖能力強(qiáng)、水解快。在中溫條件下,厭氧發(fā)酵體系對(duì)半纖維素成分的水解顯著快于纖維素。發(fā)酵溫度和接種污泥來源對(duì)半纖維素的分解影響較小,而對(duì)纖維素的水解有顯著的影響。在高溫下,各底物所產(chǎn)生的總沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量均高于中溫厭氧發(fā)酵。當(dāng)纖維素比半纖維素為4：0和3：1時(shí),產(chǎn)甲烷量分別為1763.4和1588.2m1。而半纖維素含量較多的底物(纖維素：半纖維素為1：3和0：4)在中溫厭氧發(fā)酵條件下產(chǎn)生的甲烷量與高溫差異不顯著,產(chǎn)甲烷量分別為1547.3和1301.7ml。不同的污泥來源和發(fā)酵溫度對(duì)厭氧發(fā)酵體系的細(xì)菌群落影響較大,在污泥L中擬桿菌門和螺旋菌門含量多,而在污泥W和污泥L-50中厚壁菌門含量多。在污泥L中,底物性質(zhì)單一的微生物多樣性更豐富,在污泥W中,半纖維素含量多的微生物多樣性更高,而在L-50中底物性質(zhì)相對(duì)復(fù)雜的微生物豐富度更高。
【關(guān)鍵詞】：木質(zhì)纖維素 酶解糖化 預(yù)處理 甲烷發(fā)酵
【學(xué)位授予單位】：中國農(nóng)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)】：TQ925;Q814
【目錄】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第一章 前言10-29
• 1.1 研究背景10-14
• 1.1.1 我國能源局勢及發(fā)展趨勢10
• 1.1.2 生物質(zhì)能源的發(fā)展現(xiàn)狀及前景10
• 1.1.3 生物燃料乙醇及甲烷發(fā)酵研究現(xiàn)狀10-11
• 1.1.4 生物質(zhì)能源原料——木質(zhì)纖維素原料11-14
• 1.1.4.1 生物質(zhì)資源及其利用情況11-12
• 1.1.4.2 木質(zhì)纖維素的組成結(jié)構(gòu)12-14
• 1.2 木質(zhì)纖維素原料酶水解研究進(jìn)展14-19
• 1.2.1 纖維素酶和半纖維素酶的作用機(jī)理14-18
• 1.2.2 酶解木質(zhì)纖維素原料的研究進(jìn)展18
• 1.2.3 復(fù)合酶系水解木質(zhì)纖維素原料的研究18-19
• 1.3 木質(zhì)纖維素原料預(yù)處理技術(shù)的研究19-23
• 1.3.1 木質(zhì)纖維素預(yù)處理方法19-21
• 1.3.2 預(yù)處理技術(shù)在酶解糖化和厭氧發(fā)酵中的應(yīng)用21-22
• 1.3.3 復(fù)合菌系預(yù)處理木質(zhì)纖維素原料的研究22-23
• 1.4 木質(zhì)纖維素原料甲烷發(fā)酵的研究進(jìn)展23-24
• 1.5 研究目標(biāo)與內(nèi)容24-29
• 1.5.1 研究意義24-25
• 1.5.2 研究目標(biāo)25-26
• 1.5.3 研究內(nèi)容26-27
• 1.5.4 技術(shù)路線27-29
• 第二章 復(fù)合菌系WSD-5發(fā)酵條件的優(yōu)化及小麥秸稈的糖化和酸化特性29-42
• 2.1 材料與方法29-33
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料29-30
• 2.1.2 液體發(fā)酵條件的優(yōu)化30
• 2.1.3 小麥秸稈的總減重和各成分減重30-31
• 2.1.4 酶活的測定31
• 2.1.5 糖化實(shí)驗(yàn)31
• 2.1.6 酸化實(shí)驗(yàn)31-32
• 2.1.7 sCOD的測定32
• 2.1.8 厭氧發(fā)酵32
• 2.1.9 厭氧發(fā)酵過程中沼氣產(chǎn)量和甲烷含量的測定32
• 2.1.10 污泥性質(zhì)的測定32
• 2.1.11 發(fā)酵液中揮發(fā)性產(chǎn)物GC-MS測定32
• 2.1.12 液體培養(yǎng)與固體培養(yǎng)過程中微生物多樣性分析32-33
• 2.1.12.1 復(fù)合菌系WSD-5的微生物基因組DNA的提取32-33
• 2.1.12.2 復(fù)合菌系WSD-5的微生物基因組DNA樣品的PCR33
• 2.1.13 變性梯度凝膠電泳(DGGE)分析33
• 2.2 結(jié)果與分析33-41
• 2.2.1 發(fā)酵優(yōu)化33-36
• 2.2.2 底物添加量改變對(duì)復(fù)合菌系WSD-5分解小麥能力的影響36-37
• 2.2.3 WSD-5在固體和液體培養(yǎng)條件下的微生物多樣性分析37-38
• 2.2.4 WSD-5對(duì)小麥秸稈的糖化和酸化能力38-41
• 2.3 結(jié)論41-42
• 第三章 復(fù)合菌系WSD-5中溫產(chǎn)酶高溫糖化規(guī)律及其對(duì)小麥秸稈的水解特性42-50
• 3.1 材料與方法42-44
• 3.1.1 菌種與粗酶液的制備42
• 3.1.2 培養(yǎng)基42-43
• 3.1.3 小麥秸稈預(yù)處理43
• 3.1.4 酶活的測定43
• 3.1.5 秸稈的總減重及其各成份的減重43
• 3.1.6 培養(yǎng)過程中OD值及pH值的測定43
• 3.1.7 復(fù)合酶系對(duì)秸稈的水解糖化43
• 3.1.8 還原糖的測定43-44
• 3.1.9 有機(jī)酸的測定44
• 3.2 結(jié)果與分析44-49
• 3.2.1 粗酶液酶活的測定44
• 3.2.2 產(chǎn)酶過程中pH值及OD值44-45
• 3.2.3 產(chǎn)酶過程中產(chǎn)生的還原糖濃度45-46
• 3.2.4 產(chǎn)酶過程中底物的分解率46
• 3.2.5 WSD-5粗酶液對(duì)小麥秸稈的酶解能力46-49
• 3.3 結(jié)論49-50
• 第四章 半纖維素含量對(duì)復(fù)合菌系WSD-5酶解能力的影響50-61
• 4.1 材料與方法50-51
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料50
• 4.1.2 木聚糖酶的制備50
• 4.1.3 粗酶液酶解五種底物50-51
• 4.1.4 分析方法51
• 4.1.5 五種底物原料的成分分析51
• 4.1.6 五種底物酶解液sCOD的測定51
• 4.2 結(jié)果與分析51-59
• 4.2.1 五種底物原料的成分分析51-52
• 4.2.2 五種原料酶解過程中總還原糖的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)化率52-53
• 4.2.3 半纖維素含量與總轉(zhuǎn)化率的關(guān)系53-55
• 4.2.4 酶解過程中產(chǎn)生的還原糖55-56
• 4.2.5 酶解過程中半纖維素的轉(zhuǎn)化率56-57
• 4.2.6 酶解過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸57-58
• 4.2.7 酶解過程中sCOD的測定58-59
• 4.3 結(jié)論59-61
• 第五章 三種復(fù)合菌系預(yù)處理時(shí)間對(duì)小麥秸稈纖維素轉(zhuǎn)化率的影響61-73
• 5.1 材料與方法61-64
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)材料61
• 5.1.2 復(fù)合菌系對(duì)小麥秸稈的生物預(yù)處理61-62
• 5.1.3 酶水解62
• 5.1.4 粗酶液及商業(yè)酶活性的測定62-63
• 5.1.5 預(yù)處理過程中生物量(OD)及pH值的測定63
• 5.1.6 小麥秸稈各成分組成分析及其減重率的測定63
• 5.1.7 酶解過程中總還原糖的測定63
• 5.1.8 酶解過程中還原糖濃度的測定63-64
• 5.2 結(jié)果與分析64-72
• 5.2.1 復(fù)合菌系預(yù)處理小麥秸稈過程中酶活性的動(dòng)態(tài)變化64
• 5.2.2 復(fù)合菌系預(yù)處理小麥秸稈過程中生物量及pH值的動(dòng)態(tài)變化64-65
• 5.2.3 復(fù)合菌系預(yù)處理過程中小麥秸稈的總減重65-66
• 5.2.4 復(fù)合菌系預(yù)處理小麥秸稈過程中各成分的減重66-68
• 5.2.5 酶解過程中小麥秸稈的總轉(zhuǎn)化率68-69
• 5.2.6 酶解小麥秸稈過程中纖維素的轉(zhuǎn)化率69-72
• 5.3 結(jié)論72-73
• 第六章 三種復(fù)合菌系的預(yù)處理對(duì)象草糖化及厭氧發(fā)酵的影響73-87
• 6.1 材料與方法73-76
• 6.1.1 實(shí)驗(yàn)材料73
• 6.1.2 生物預(yù)處理73-74
• 6.1.3 酶水解74
• 6.1.4 厭氧發(fā)酵74-75
• 6.1.5 粗酶液及商業(yè)酶活性的測定75
• 6.1.6 預(yù)處理過程中生物量(OD)及pH值的測定75
• 6.1.7 象草各成分組成分析及其減重率的測定75
• 6.1.8 預(yù)處理過程中化學(xué)需氧量(COD)及可溶性化學(xué)需氧量(sCOD)的測定75-76
• 6.1.9 酶解過程中總還原糖的測定76
• 6.1.10 酶解過程中還原糖的測定76
• 6.2 結(jié)果與分析76-86
• 6.2.1 預(yù)處理過程中酶活性動(dòng)態(tài)變化76-77
• 6.2.2 預(yù)處理過程中生物量和pH值的動(dòng)態(tài)變化77-78
• 6.2.3 預(yù)處理過程中象草的減重78
• 6.2.4 預(yù)處理過程中象草各成分的減重78-80
• 6.2.5 預(yù)處理對(duì)酶解糖化及糖生產(chǎn)的影響80-83
• 6.2.6 預(yù)處理對(duì)水解液sCOD、COD平衡及厭氧發(fā)酵的影響83-86
• 6.3 結(jié)論86-87
• 第七章 甲烷發(fā)酵中纖維素與半纖維素的分解和產(chǎn)氣特性87-104
• 7.1 材料與方法87-89
• 7.1.1 實(shí)驗(yàn)材料87
• 7.1.2 批次厭氧發(fā)酵87-88
• 7.1.3 批次厭氧發(fā)酵過程中pH值的測定88
• 7.1.4 批次厭氧發(fā)酵過程中酶活性的測定88
• 7.1.5 批次厭氧發(fā)酵過程中沼氣產(chǎn)量的測定88
• 7.1.6 批次厭氧發(fā)酵過程中甲烷含量的測定88-89
• 7.1.7 Miseq高通量測序分析微生物多樣性的方法89
• 7.2 結(jié)果與分析89-103
• 7.2.1 批次厭氧發(fā)酵過程中pH值的變化89-91
• 7.2.2 批次厭氧發(fā)酵過程中酶活值的變化91-93
• 7.2.3 批次厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)沼氣量93-95
• 7.2.4 批次厭氧發(fā)酵過程中的甲烷產(chǎn)量95-98
• 7.2.5 甲烷發(fā)酵過程中微生物的多樣性分析98-103
• 7.3 結(jié)論103-104
• 第八章 綜合討論與展望104-108
• 8.1 綜合討論104-105
• 8.1.1 酶解規(guī)律特性104
• 8.1.2 預(yù)處理對(duì)酶解糖化和厭氧發(fā)酵的效果104-105
• 8.1.3 甲烷發(fā)酵中的纖維素半纖維素分解特性105
• 8.2 創(chuàng)新點(diǎn)105-106
• 8.3 展望106-108
• 參考文獻(xiàn)108-118
• 致謝118-119
• 作者簡介119

【參考文獻(xiàn)】

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6 曲音波;;纖維素乙醇產(chǎn)業(yè)化[J];化學(xué)進(jìn)展;2007年Z2期

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8 張輝;劉維紅;楊啟銀;戴傳超;;幾種微生物在牛糞堆肥中的試驗(yàn)研究[J];江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué);2006年01期

9 張曉倫,劉旭,饒澤昌;高效纖維素分解菌混合培養(yǎng)及其降解能力[J];南昌大學(xué)學(xué)報(bào)(理科版);2005年05期

10 孫健,陳礪,王紅林;纖維素原料生產(chǎn)燃料酒精的技術(shù)現(xiàn)狀[J];可再生能源;2003年06期

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本文編號(hào)：1006802