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文檔簡介
1、隨著能源危機、糧食短缺、環(huán)境污染等問題越來越嚴重,如何使廢棄物無害化、資源化已成為世界性亟待解決的關鍵問題。秸稈是一種豐富的農業(yè)廢棄物、因其具有充足的供應和低廉的價格,若利用微生物技術將其轉化為氫氣,既能降低產氫成本,又能使廢棄物得到資源化,從清潔能源開發(fā)和廢物利用的角度都具有極大的社會效益和經濟效益。秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質素構成,其中纖維素和半纖維素是可發(fā)酵性碳水化合物,可在微生物或酶的作用下將其轉化為糖后再供微生物利用生成
2、燃料氫氣。但目前以秸稈為原料制備生物燃料研究中多數(shù)只強調對纖維素組分的轉化利用,而半纖維素組分則作為廢棄物處理,既造成環(huán)境污染,又造成資源浪費。同時,在纖維素物質轉化過程中,纖維素酶解技術存在的主要障礙是纖維素酶活力較低、生產成本較高。針對目前制約秸稈木質纖維原料生物轉化產氫研究中的主要技術瓶頸,本研究進行了戊糖發(fā)酵產氫菌和纖維素降解產氫菌的分離篩選,并分別考察了其利用半纖維素水解液和纖維素物質發(fā)酵產氫性能,同時結合預處理技術建立了玉米
3、秸稈高效利用組合體系,論文取得主要研究成果如下:
分離獲得一株高效戊糖發(fā)酵產氫菌 Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16,該菌在碳源濃度10g/L,溫度60℃,初始pH6.5條件下,利用葡萄糖和木糖的最大比產氫率和產氫速率分別為2.42mol H2/mol glucose、12.9mmol H2/L·h和2.19mol H2/mol xylose、10.7 mmol H2
4、/L·h。同時探討了該菌同步發(fā)酵葡萄糖木糖混合糖產氫代謝特性,研究表明菌株W16能同時利用葡萄糖和木糖發(fā)酵產氫,但葡萄糖的代謝速率快于木糖的代謝速率。預處理水解液中常見抑制物影響試驗表明菌株 W16具有較強的乙酸鈉和酚類化合物香蘭素的耐受能力,而對呋喃衍生物糠醛、羧甲基糠醛和酚類化合物紫丁香醛較敏感。
利用響應曲面法優(yōu)化玉米秸稈半纖維素稀酸水解條件,在酸濃度1.69%、處理時間117min最優(yōu)水解條件下,玉米秸稈中半纖維素的脫
5、除程度達80.5%,水解液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖含量分別為9.11g/L、1.85g/L和0.88g/L。半纖維素水解液產氫性能表明菌株 W16能有效利用半纖維素水解液進行發(fā)酵產氫,水解液含有的乙酸糠醛等副產物沒有對其產生抑制作用。
建立了嗜熱厭氧纖維素降解產氫菌的篩選方法,并獲得了一株具有良好纖維素降解產氫能力的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18。該菌能有效利
6、用微晶纖維素、木聚糖、纖維素濾紙發(fā)酵產氫,也能利用未經處理的天然木質纖維原料玉米秸稈、稻草和玉米芯產氫。在碳源濃度為5g/L的微晶纖維素粉和玉米秸稈粉培養(yǎng)基中其產氫能力及對底物的降解率分別為44.5mmol/L(243.7ml/g-微晶纖維素)、8.45mmol/L(80.2ml/g-玉米秸稈)和81.9%、47.2%。纖維素酶學特性分析表明菌株M18所產纖維素酶為誘導酶,只有在纖維素類物質的誘導下才能產生,不同細胞組分酶活性檢測表明其
7、所產纖維素酶主要分布在細胞外。
借助SEM、FTIR、XRD、13C-NMR、GC-MS分析手段及纖維素、半纖維素分解酶活測定全面、系統(tǒng)的解析了菌株M18對玉米秸稈的降解特性,得出了菌株M18誘導產酶的過程也是秸稈降解的過程,明確了其在秸稈降解過程中對纖維素和半纖維素的降解優(yōu)勢,并且半纖維素的降解優(yōu)先于纖維素的降解,在降解過程中,纖維素分子內氫鍵發(fā)生斷裂,纖維素結晶區(qū)和非結晶區(qū)都遭到破壞,纖維素和半纖維素在纖維素酶和半纖維素酶
8、的作用下被降解成小分子物質后而被菌株M18直接利用并進一步發(fā)酵產生氫氣,同時也表明木質素的存在是制約秸稈生物轉化的主要障礙。
針對秸稈中木質素的存在影響了菌株 M18對纖維素和半纖維素的生物轉化效率針,通過比較不同預處理方法的特點及作用機理,采用氫氧化鈉預處理技術對玉米秸稈進行脫木素,預處理后得到纖維素固體殘渣和堿溶半纖維素糖類水溶液兩部分。利用戊糖發(fā)酵菌W16和纖維素降解菌M18各自優(yōu)勢將堿溶半纖維素糖類的回收利用與固體殘渣
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