重组大肠杆菌KO11连续发酵海带工业残渣制取乙醇的不同工艺研究

作     者：王浩袭 

作者单位：中国海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：牟海津

授予年度：2013年

学科分类：0832[工学-食品科学与工程（可授工学、农学学位）] 081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 083204[工学-水产品加工及贮藏工程] 

主      题：海带残渣 生物乙醇 KO11 戊糖 不等温同步糖化共发酵 

摘      要：海带是海藻工业的重要原料，主要用于提取甘露醇、褐藻胶、矿质元素等。海带加工过程中会产生大量海带残渣，这种残渣中往往含有比新鲜海带更丰富的纤维素与半纤维素，本课题以海带工业残渣为原料，以重组大肠杆菌KO11为发酵菌株，对连续化水解发酵产乙醇工艺进行了研究。本研究主要对原料的稀硫酸预处理条件、菌种发酵条件以及木质纤维素乙醇共发酵工艺进行了探索，并比较了不同发酵方式的特点，得到了一种以海带工业残渣为原料向生物乙醇转化的高效工艺。 本实验首先分析了海带渣的组分，采用NREL法测得其纤维素与半纤维素含量分别为25.88%、12.52%，以及少量酸不溶性木质素，说明其具有作为生物乙醇转化的潜力。 其次，综合目前的技术条件与成本考虑，本实验采用稀硫酸预处理方式，考察了硫酸浓度、底物浓度对酶解率的影响，对预处理方式进行了优化。结果发现：硫酸浓度与底物浓度能明显影响酶解率，得到最佳的预处理条件为：硫酸浓度2%（w/v）、底物浓度12.5%、121℃反应1h，达到最高酶解率93.32%。 KO11可以利用多种还原糖代谢生产乙醇，能够提高原料利用率，是理想的乙醇发酵菌种之一。本环节对其发酵多种单糖的能力进行了研究，并对其发酵条件进行优化，以温度、pH、振荡方式为因素，确定最佳发酵条件，最后对糖耐受性、双糖混合发酵能力进行了研究。结果为：(1) KO11发酵单糖生产乙醇的最佳条件：20g/L葡萄糖浓度，37℃、pH5.5、振荡发酵4h后静置发酵20h，20g/L木糖浓度37℃、pH5.5、振荡发酵12h后静置发酵15h，相应的最高乙醇转化率分别为94.81%、94.15%;(2)KO11在43℃时仍有较高的乙醇转化能力;(3)KO11能高效利用岩藻糖、木糖、甘露糖、半乳糖、葡萄糖转化乙醇;(4)KO11能够在高达50g/L的糖浓度下发挥正常的乙醇转化能力;(5)在葡萄糖与木糖共存时KO11能够优先利用葡萄糖，直到葡萄糖浓度低于4g/L时KO11对木糖的利用率才会提高。 原料的利用和菌种的发酵能力是影响乙醇产量的重要因素，而发酵方式对原料的水解与菌种的发酵效果也有重要影响。因此，恰当的发酵工艺能够为生物发酵乙醇的产量的提高提供科学的指导。针对KO11的发酵特性，本环节主要对三种发酵工艺——分步糖化共发酵、同步糖化共发酵、不等温同步糖化共发酵——进行了考察，在不等温同步糖化共发酵方式中讨论了不同预水解时间对发酵结果的影响。此环节将原料预处理、酶水解与菌种发酵结合为一体，实现了海带残渣生物转化工艺的连续化生产，以酶解和最终产物乙醇转化率的综合考量为标准，筛选出了最优的发酵工艺，即NSSCF工艺：50℃酶解6h，接种KO11后于43℃发酵60h，其最高乙醇转化率87.67%。