玉米秸秆制取生物乙醇关键技术的研究

【摘要】： 在国内外化石能源日益枯竭、环境不断恶化、寻找新型替代能源的呼声不断高涨的情况下,生物乙醇以其清洁、燃烧值高、原料丰富、可再生等优点赢得了全球的普遍关注。本论文正是在此情况下,对利用玉米秸秆为原料发酵生物乙醇进行研究。 本文主要从富含纤维素原料的环境中筛选纤维素酶高产菌种,并以酸处理秸秆为底物发酵生产纤维素酶。利用刚果红培养基和CMC-Na培养基进行初筛和复筛,得到一株纤维素酶高产菌株。对其进行生物学鉴定,初步确定为Penicillium sp.CLF-Y。 利用响应面优化法对Penicillium sp.CLF-Y的产酶培养基进行优化,得出优化模型,产酶培养基的优化组合为碳氮比14.65、液固比34.36、缓冲液体积13.29mL、秸秆：麦麸(g：g)7：3、装液量120mL、微量元素1.5mL、pH 5.2。β-D-葡萄糖苷酶活力达到1215.38u／L,较优化前提高了84.64%。 由动力学研究得出β-D-葡萄糖苷酶的Km和Vmax分别为1.951mg／mL、0.427 mg／(mL-min)。最适反应温度为50℃,最适pH为4.8。粗酶液中加入甘油后,可提高纤维素酶的热稳定性,常温下其半衰期由216.6h增加到495.1h。通过对两种情况下ΔH*、ΔS*、ΔG*及活化能的计算,在另一方面证明了甘油可提高纤维素酶的热稳定性。 利用Penicillium sp.CLF-Y合成的粗酶液水解酸处理秸秆后获得可发酵还原糖后,分别采用同步糖化发酵法和分步糖化发酵法对生物乙醇发酵工艺进行研究,得出两种工艺条件下秸秆的乙醇得率分别为0.176g／gDCS和0.128g／gDCS。 【关键词】：生物乙醇 玉米秸秆 RSM 菌种筛选 动力学 发酵
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TS262.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 国内外能源现状9-11
• 1.2 木质纤维素11-14
• 1.2.1 木质纤维素的组成11-12
• 1.2.2 纤维素12-13
• 1.2.3 半纤维素13
• 1.2.4 木质素13-14
• 1.3 纤维素降解菌的研究现状14
• 1.4 纤维素酶14-16
• 1.4.1 纤维素酶的作用机理15
• 1.4.2 不同因素对纤维素酶的影响15
• 1.4.3 纤维素酶的热力学研究15-16
• 1.5 响应面优化法在培养基优化方面的应用16-17
• 1.6 生物乙醇17-19
• 1.6.1 生物乙醇发酵菌种17
• 1.6.2 生物乙醇的发酵生产17-18
• 1.6.3 生物乙醇的应用前景18-19
• 1.7 本文研究背景与主要内容19-20
• 第二章 实验材料与方法20-30
• 2.1 实验仪器20-21
• 2.2 实验材料21-22
• 2.2.1 培养基21
• 2.2.2 试剂与材料21-22
• 2.2.3 待筛选样品22
• 2.3 还原糖浓度的测定22-25
• 2.3.1 总还原糖标准曲线的绘制22-24
• 2.3.2 葡萄糖浓度的测定24-25
• 2.3.3 木糖浓度的测定25
• 2.4 酶活力的测定25-27
• 2.4.1 实验试剂26
• 2.4.2 羧甲基纤维素酶活力(CMCA)的测定26
• 2.4.3 滤纸酶活力(FPA)的测定26-27
• 2.4.4 β-D-葡萄糖苷酶活力的测定27
• 2.5 乙醇的检测27-28
• 2.6 蛋白质的检测28-29
• 2.7 木质纤维素成分的测定29-30
• 第三章 纤维素酶高产菌种的筛选30-37
• 3.1 实验原理30
• 3.2 纤维素酶高产菌的筛选30-31
• 3.2.1 样品的处理30
• 3.2.2 分离纯化30-31
• 3.2.3 刚果红培养基筛选31
• 3.2.4 高产纤维素酶菌种的复筛31
• 3.3 菌株产酶特性的初步探索31-32
• 3.3.1 纤维素酶的存在状态31
• 3.3.2 最佳pH值的确定31
• 3.3.3 最佳产酶时间的确定31-32
• 3.4 纤维素酶高产菌的鉴定32
• 3.5 结果与讨论32-37
• 3.5.1 初筛结果32-33
• 3.5.2 菌种复筛结果33-34
• 3.5.3 菌株产酶特性34-35
• 3.5.4 菌种鉴定的结果35-37
• 第四章 产酶培养基的优化37-56
• 4.1 引言37-38
• 4.2 单因素实验38-42
• 4.2.1 氮源的确定38
• 4.2.2 碳氮比的确定38-39
• 4.2.3 秸秆与麦麸的配比39
• 4.2.4 液固比的确定39-40
• 4.2.5 装液量的确定40
• 4.2.6 pH值的确定40-41
• 4.2.7 缓冲液体积的确定41
• 4.2.8 微量元素体积的确定41-42
• 4.3 响应曲面优化法42-43
• 4.3.1 Planckett-Burman实验42
• 4.3.2 最陡爬坡实验42-43
• 4.3.3 中心复合实验43
• 4.3.4 产酶培养基验证实验43
• 4.4 实验结果与分析43-54
• 4.4.1 单因素实验43-48
• 4.4.2 Planckett-Burman实验结果与分析48-49
• 4.4.3 最陡爬坡实验结果与分析49-50
• 4.4.4 中心复合实验结果与分析50-54
• 4.4.5 验证实验结果与分析54
• 4.5 结论54-56
• 第五章 β-D-葡萄糖苷酶动力学研究56-63
• 5.1 实验步骤56-58
• 5.1.1 温度对酶活力的影响56
• 5.1.2 β-D-葡萄糖苷酶动力学参数的确定56-57
• 5.1.3 甘油对β-D-葡萄糖苷酶热稳定性的影响57
• 5.1.4 β-D-葡萄糖苷酶热动力学的研究57-58
• 5.2 结果与讨论58-62
• 5.2.1 最适反应温度的确定58-59
• 5.2.2 米氏常数K_m和最大反应速率V_(max)的确定59-60
• 5.2.3 热动力学研究结果与分析60-62
• 5.3 小结62-63
• 第六章 生物乙醇的生产63-69
• 6.1 发酵原理63
• 6.2 实验方法63-64
• 6.2.1 纤维素酶的发酵生产63
• 6.2.2 秸秆的酶解63
• 6.2.3 SHF法发酵生物乙醇63-64
• 6.2.4 SSF法发酵生物乙醇64
• 6.3 结果与讨论64-68
• 6.3.1 Saccharomyces cerevisiae在SHF下的乙醇产量64
• 6.3.2 Saccharomyces cerevisiae在SSF下的乙醇产量64-65
• 6.3.3 两种工艺条件的分析比较65-68
• 6.4 小结68-69
• 结论与展望69-71
• 结论69-70
• 展望70-71
• 参考文献71-79
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果79-80
• 致谢80

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