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发酵法生产正丁醇

作　者: 姜静
导　师: 袁其朋
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 生物丁醇超声处理脂肪酸木薯萃取
分类号: TQ223.124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 312次
引　用: 1次
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内容摘要

正丁醇不仅是重要的化工原料和有机溶剂,也是一种十分有发展前景的生物燃料。近年来随着人们对低碳经济的推崇,生物丁醇的生产又重新受到了各方的关注。目前制约生物丁醇生产进一步发展的原因主要有三点：一是丁醇对生产菌株的毒性作用,导致终产物浓度较低；二是原料成本过高；三是传统的蒸馏分离能耗过大。为了改善这种状况本文从三个主要方面对丁醇发酵进行了研究：(1)将超声技术应用于丁醇发酵过程,并对相关机制进行探讨；(2)研究木薯粉作为原料进行丁醇发酵的可行性；(3)利用液液萃取对产物进行分离,并探讨同步萃取发酵的可行性。本文首次将超声技术应用于丁醇发酵过程,取得了良好的效果。将培养物在0h超声处理15min,丁醇和总溶剂的产量分别可达8.82和13.12g/L,比对照组分别提高了30.2%和22.8%。菌体生长,糖类代谢,脂肪酸成分等方面的变化可以初步解释超声处理对发酵过程的影响机制。其中,总糖利用度的提高是导致丁醇产量提高的直接原因。这一结果表明了可利用超声来提高原料的利用度,降低生产成本。脂肪酸流动性的增大可促进物质运输,同时有利于增强溶剂基因正向调节因子的活性。同时,脂肪酸中长链不饱和脂肪酸含量也有所提高。这些结果表明丙酮丁醇梭菌在超声处理下的脂肪酸变化很可能是对于环境的一种适应机制,类似于微生物对于一些毒性物质例如有机溶剂的适应。尽管超声对于发酵的作用机制很复杂,我们对于脂肪酸成分的研究则为这一机制的全面认识提供了一个新的参考方向。而超声技术的应用更是为降低丁醇发酵的生产成本提供了一个新的思路。若能进一步研究该方法应用于工业化生产的可行性,必将对该领域的发展做出巨大贡献。在木薯发酵方面,优选了0.5g／L的大豆蛋白胨为最佳氮源,此时木薯发酵的丁醇产量可达7.17g／L,与传统的玉米发酵相当。并考察了中性红、甲醇、丁酸等影响因子对发酵的影响。其中,对丁醇发酵有促进作用的是中性红,最优比例为0.12g/L,可使产量提高28.5%。只有甲醇浓度在0.3%时,才对发酵有微弱的促进作用。丁酸的添加反而使得产物浓度降低,可能是由于其对微生物的毒性作用占据了主导作用所致。二氯甲烷,正辛醇和正壬醇对水溶液中的正丁醇都有良好的萃取效果。并且从水溶性,价格等综合考虑选择正辛醇为最佳萃取溶剂。在发酵液的萃取方面,正辛醇对丁醇的萃取率仍可达到75%以上,二次发酵后,丁醇产量提高10.46%。表明其适用于真正生产过程中的分离萃取。但是在萃取结合发酵同步进行的情况下,可能由于萃取剂的毒性作用等因素,导致萃取发酵的数据不稳定,可重复性差。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-25
  1.1 燃料丁醇发展现状  13
  1.2 生产丁醇的主要菌株及代谢过程  13-14
  1.3 溶剂对菌株的毒性作用及其机制  14-16
    1.3.1 溶剂对菌株的毒性作用  14
    1.3.2 丁醇及其他环境因素对菌株的脂肪酸成分的影响  14-15
    1.3.3 丁醇毒性的基因水平研究  15-16
  1.4 基因组研究进展  16-19
    1.4.1 Sol操纵子与Spo0A基因  18
    1.4.2 丁醇形成途径基因的高效表达及支路关键基因的表达抑制  18
    1.4.3 通过芽孢形成基因调节丁醇产量  18-19
    1.4.4 构建其他载体  19
  1.5 廉价原料在丁醇生产过程中的应用  19-20
  1.6 分离方法以及与发酵的耦合  20-23
    1.6.1 吸附法  20-21
    1.6.2 汽提法  21
    1.6.3 萃取  21-22
    1.6.4 渗透蒸发  22
    1.6.5 对蒸馏工艺的改进  22-23
  1.7 超声处理对发酵过程的影响  23-24
    1.7.1 超声处理发酵液对发酵过程的影响  23
    1.7.2 超声预处理原料对发酵过程的影响  23-24
  1.8 本实验的研究内容  24-25
第二章超声处理对丁醇发酵的影响  25-45
  2.1 引言  25
  2.2 材料  25-27
    2.2.1 菌种与培养基  25-26
    2.2.2 主要试剂  26-27
    2.2.3 主要仪器和设备  27
  2.3 方法  27-32
    2.3.1 菌种培养方法与取样条件  27-28
    2.3.2 超声处理方法  28
    2.3.3 脂肪酸提取及衍生化  28
    2.3.4 分析方法  28-32
      2.3.4 1 发酵产物分析  28-31
      2.3.4.2 残糖分析  31-32
      2.3.4.3 生长曲线测定  32
      2.3.4.4 脂肪酸甲酯的测定  32
  2.4 结果与讨论  32-43
    2.4.1 超声时间对丁醇产量的影响  32-34
    2.4.2 超声处理菌龄对丁醇产量的影响  34-35
    2.4.3 超声处理对总溶剂产量的影响  35-37
    2.4.4 超声处理对菌体生长的影响  37-39
    2.4.5 超声处理对淀粉利用度的影响  39-40
    2.4.6 超声处理对玉米粉中葡萄糖溶出的影响  40-41
    2.4.7 超声处理对细胞脂肪酸成分的影响  41-42
    2.4.8 超声处理诱导热休克效应的产生  42-43
  2.5 小结  43-45
第三章以木薯粉为原料进行发酵  45-59
  3.1 引言  45
  3.2 材料  45-47
    3.2.1 菌种与培养基  45-46
    3.2.2 主要试剂  46-47
    3.2.3 主要仪器和设备  47
  3.3 实验方法  47-49
    3.3.1 菌种培养方法与取样条件  47-48
    3.3.2 分析方法  48-49
  3.4 结果与讨论  49-58
    3.4.1 氮源的筛选  49-52
    3.4.2 最佳氮源浓度的确定  52-53
    3.4.3 甲醇对发酵的影响  53-54
    3.4.4 中性红对丁醇及总溶剂产量的影响  54-55
    3.4.5 添加丁酸对丁醇及总溶剂产量的影响  55-56
    3.4.6 正交试验优化发酵条件  56-58
  3.5 小结  58-59
第四章萃取分离丁醇及同步萃取发酵的探讨  59-75
  4.1 引言  59
  4.2 材料  59-61
    4.2.1 菌种与培养基  59-60
    4.2.2 主要试剂  60-61
    4.2.3 主要仪器和设备  61
  4.3 实验方法  61-63
    4.3.1 菌种培养方法与取样条件  61-62
    4.3.2 有机溶剂对丁醇的萃取作用  62-63
      4.3.2.1 丁醇初始溶液的配制  62
      4.3.2.2 二氯甲烷对稀溶液中丁醇的萃取性能研究  62
      4.3.2.3 正庚烷对对稀溶液中丁醇的萃取性能研究  62
      4.3.2.4 异辛醇对稀溶液中丁醇的萃取性能研究  62
      4.3.2.5 正辛醇,正壬醇对稀溶液中丁醇的萃取性能研究  62-63
    4.3.3 萃取后发酵  63
    4.3.4 同步萃取发酵实验  63
    4.3.5 分析方法  63
  4.4 结果与讨论  63-73
    4.4.1 萃取效果评价参数  63
    4.4.2 二氯甲烷及正庚烷对丁醇的萃取效果  63-67
    4.4.3 异辛醇,正辛醇,正壬醇对丁醇的萃取效果  67-72
    4.4.4 发酵后萃取实验  72
    4.4.5 同步萃取发酵实验  72-73
  4.5 小结  73-75
第五章结论与展望  75-77
  5.1 结论  75-76
  5.2 展望  76-77
参考文献  77-83
附录  83-85
致谢  85-87
研究成果及发表的学术论文  87-89
作者和导师简介  89-90
北京化工大学硕士研究生学位论文答辩委员会决议书  90-91

发酵法生产正丁醇

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