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亚麻粗纱脱胶微生物的选育与应用

作　者: 丁若垚
导　师: 郁崇文
学　校: 东华大学
专　业: 纺织工程
关键词: 亚麻粗纱微生物脱胶发酵工程酶学性质
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

亚麻(拉丁学名：Linum usitatissimum),数千年以来一直是人类优质纤维的来源,如今不仅能用于纺纱织造,也被广泛应用于高性能复合材料等前沿领域。在亚麻纤维的纺纱过程中,存在着一道工序：亚麻粗纱湿纺细纱过程前,需要对粗纱进行脱胶。传统上,亚麻粗纱脱胶使用一种高温碱煮的方法。这种方法,不仅消耗了大量热能,更产生了化学污染的排放。本研究基于现代微生物工程理论,考虑利用生物菌株发酵液或提纯酶液进行亚麻粗纱脱胶的微生物方法,为替代传统化学方法,提供了一种可能。目前苎麻的生物脱胶工艺已经比较成熟而亚麻的生物脱胶手段包括细菌和酶脱胶的研究都相对不够成熟。本研究在前人的基础上,构建技术路线涉及微生物学研究和脱胶工艺研究两部分。传统的微生物培养法,通过稀释梯度涂布和划线分离法,可以获得部分脱胶优势菌种,利用分子生物学手段和生理生化测试对其进行鉴定,同时利用酶学性质进行评价。脱胶工艺研究则揭示了在菌株发酵液深层发酵状况下的脱胶液生理生化变化,为最终工业级发酵水平提供理论基础。首先以亚麻粉为唯一碳源,东海腐烂海草作为微生物来源从富集培养液中分离纯化得10株海洋细菌,10种细菌菌种纤维素酶活较低,木聚糖酶活及果胶酶活较高,都比较适用于亚麻生物煮漂；利用生理生化分析和分子生物学手段,鉴定出10种细菌菌种所属种系。进一步分析表明10株菌株中D3、D4、D8、D10用于亚麻粗纱脱胶,残胶率比较低,并且这几株菌种的脱胶能力都好于现有的商品果胶酶,有进一步研究的潜力。另分离出4株海洋真菌,利用显微镜镜检结果和分子生物学手段,鉴定出4种真菌菌种所属种种系。初步测定真菌发酵液酶活,分析其具有脱胶能力,有待进一步研究。在筛选菌种的基础上构建并优化了亚麻粗纱微生物脱胶的工艺。在摇瓶水平下构建亚麻粗纱的细菌脱胶工艺为：细菌种子→摇瓶活化细菌种子→细菌脱胶液发酵→发酵液粗纱脱胶→湿热灭活后处理。在此基础上聚焦发酵条件和脱胶条件的优化过程。对从海洋环境中筛选到的D3和D4两株菌种的细菌发酵液进行了发酵条件优化。同时对D3和D4两株菌种在得到最优纤纤维性能的发酵条件下制成发酵液的脱胶粗纱进行了纤维性能分析。结果表明生物脱胶效果明显并且柔和。对D3菌种发酵液的脱胶条件进行了优化。在脱胶过程中使得酶活较高的优化条件与使纤维性能较优的优化条件并不相同。要获得较为优化的脱胶后纤维性能,在适当的脱胶基础上,需要一定的高碱性环境和高温环境。细菌脱胶液的酶学性质也在本文中被着重分析。首先对不同发酵水平下D3菌种发酵过程中的生长曲线和酶活曲线进行了测定,发现菌种生长曲线符合微生物典型生长曲线的四期模型,酶活在此过程中存在多个顶峰。进一步分析发现摇瓶水平的菌种浓度和酶活要比发酵水平提前到达顶峰,说明在摇瓶水平条件下发酵液产酶活速率较快。酶活曲线结果说明菌种发酵液的酶活存在好几个顶峰,说明菌种发酵液在脱胶过程中可以被反复利用。进一步研究表明,亚麻粗纱脱胶效果与发酵液酶活力成正相关,与发酵液所含总酶含量也成正相关。相同发酵条件下,使用粗提冻干混合酶与使用发酵脱胶的效果相当。酶量加倍脱胶效果有所提高,但各项物理参数非成倍提高,效果不显著。对于亚麻粗纱生物脱胶的总体效果来说,从发酵液中提取的果胶与木聚糖混合酶,其应用效果要比单一酶效果要好,接近并达到化学脱胶的效果。但如果考虑生产成本,则单纯细菌发酵液也已经能满足生产要求。在实验室的研究基础上,进行了工厂放大实验的研究。放大实验选择了两家工厂进行实验并重复验证实验结果。在浙江金鹰亚麻集团有限公司进行的生物脱胶方案工厂试验,方案在总脱胶时间上优于传统化学脱胶,同时还具备了化学品损耗小、化学污染小和能耗小等优点。从细纱成纱质量看,生物脱胶的纱线质量也不亚于化学脱胶。这说明生物脱胶是完全可以替代传统化学脱胶方法的。在湖北精华纺织集团有限公司实验的结果表明生物脱胶方案在这次试验中也能够用来替代传统化学脱胶,同时生物脱胶在化学灭活前的生物脱胶工艺路线是未来较为适合的生物脱胶放大设计工艺方案。酶与生物发酵液效果差异不大,可以考虑在未来生产中在不适合发酵液的生产工艺中使用生物粗酶。此外在增加化学助剂的基础上,脱胶时间3小时就能满足生产要求。最后总结本研究的结果,展望今后的研究方向。如果能在目前的工作基础上,筛选或通过基因工程手段构建到具有分泌更高活性脱胶酶的菌株,选择到更有利于生物脱胶的脱胶助剂并进一步优化工艺参数,则亚麻粗纱的生物脱胶方法必将得到长足的进步,最终用于工厂生产。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-28
  1.1 亚麻粗纱纤维的化学组成和结构特点  12-14
  1.2 传统微生物技术在沤麻过程的应用  14-16
  1.3 现代微生物技术与韧皮纤维的脱胶  16-20
    1.3.1 细菌与真菌脱胶  16-18
    1.3.2 酶法脱胶  18-20
  1.4 课题的研究意义及技术路线  20-22
    1.4.1 课题的研究意义  20-21
    1.4.2 课题的技术路线  21-22
  本章参考文献  22-28
第二章亚麻粗纱脱胶微生物的筛选与鉴定  28-54
  2.1 实验材料、原理与方法  29-41
    2.1.1 实验材料  29-35
    2.1.2 实验原理与方法  35-41
  2.2 实验结果、分析与讨论  41-51
    2.2.1 细菌菌种的筛选与鉴定  41-46
    2.2.2 细菌菌种的脱胶效果评价  46-48
    2.2.3 真菌菌种的筛选与鉴定  48-51
  2.3 本章小结  51-52
  本章参考文献  52-54
第三章亚麻粗纱细菌脱胶工艺的构建与条件优化  54-82
  3.1 实验原理与方法  54-61
    3.1.1 亚麻粗纱细菌脱胶工艺的构建  54-56
    3.1.2 细菌脱胶液发酵条件的优化  56-58
    3.1.3 发酵条件优化后细菌脱胶液脱胶纤维性能的检测  58-59
    3.1.4 细菌脱胶液脱胶条件的优化  59-61
  3.2 实验结果与讨论  61-80
    3.2.1 细菌脱胶液发酵条件的最优酶活结果  61-68
    3.2.2 细菌脱胶液发酵条件的最优纤维品质优化结果  68-72
    3.2.3 优化发酵条件下脱胶的纤维品质分析  72-76
    3.2.4 细菌发酵液脱胶条件的最优酶活和纤维性能优化结果  76-80
  3.3 本章小结  80-81
  本章参考文献  81-82
第四章亚麻粗纱细菌脱胶液的酶学性质  82-96
  4.1 实验材料、原理与方法  83-84
    4.1.1 D3菌种发酵过程中生长曲线与酶活曲线的测定  83
    4.1.2 脱胶酶的分离纯化  83-84
    4.1.3 细菌发酵液与酶液脱胶效果的比较  84
  4.2 实验结果与分析  84-93
    4.2.1 D3菌种发酵过程中生长曲线与酶活曲线的测定结果与分析  84-89
    4.2.2 脱胶酶的纯化与分离结果分析  89-92
    4.2.3 细菌发酵液与酶液脱胶效果的比较分析  92-93
  4.3 本章小结  93-95
  本章参考文献  95-96
第五章亚麻粗纱细菌脱胶的放大工艺设计研究  96-107
  5.1 放大工艺的工厂设计  97-100
    5.1.1 粗纱原料、试验场地与试验设备  97
    5.1.2 试验菌种与菌种发酵条件的选取  97
    5.1.3 生物脱胶放大工艺的设计与检验  97-100
  5.2 工厂试验结果与讨论  100-105
    5.2.1 浙江金鹰亚麻集团有限公司生物脱胶方案的分析  100-102
    5.2.2 湖北精华纺织集团有限公司生物脱胶方案的分析  102-105
  5.3 本章小结  105-106
  本章参考文献  106-107
第六章总结与展望  107-110
  6.1 总结  107-108
  6.2 展望  108-110
攻读博士学位期间主要学术成果  110-111
致谢  111

亚麻粗纱脱胶微生物的选育与应用

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