里氏木霉RutC-30产纤维素酶动力学及酶吸附效果初探

作     者：孙彦彦 

作者单位：中南林业科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：曾柏全

授予年度：2022年

学科分类：081703[工学-生物化工] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 0703[理学-化学] 0836[工学-生物工程] 082203[工学-发酵工程] 0822[工学-轻工技术与工程] 

主      题：里氏木霉RutC-30 杨木预处理 纤维素酶 发酵动力学 吸附动力学 

摘      要：化石能源日益短缺,人类正在面临能源危机,因此,寻找清洁能源迫在眉睫。木质纤维素廉价易得,在全球分布广泛,通过纤维素酶的酶解可转化为还原糖,继而发酵转化为生物乙醇。但目前纤维素酶的成本较高,工业上无法大规模利用纤维素酶酶解木质纤维素产糖,另一方面纤维素酶对于木质纤维素的酶解效率有待提高,因此如何降低纤维素酶的成本并且提高酶解糖化率成为了关键问题。本研究基于里氏木霉RutC-30（Trichoderma reesei RutC-30）产纤维素酶的发酵工艺以及杨木纤维对于纤维素酶的吸附规律进行了以下研究,主要结果如下:（1）以里氏木霉RutC-30为生产菌,杨木为碳源,进行纤维素酶的生产,研究碳氮源种类及浓度、pH、接种量、磷酸二氢钾浓度对纤维素酶活的影响。结果表明,产酶的最佳条件为:以酸爆杨木作为碳源、蛋白胨为氮源、碳源浓度为50g/L、氮源浓度为15g/L、pH为4.3、接种量为5%、磷酸二氢钾浓度为5g/L。在此基础上选择影响较大的三个因素进行响应面分析,分别为碳源浓度、pH以及接种量,并得到了理论上的最优产酶组合,即碳源浓度为51.92g/L,pH为4.2,接种量为4.3%,纤维素酶活为54.17 U/mL,优化后的酶活是优化前的1.42倍。（2）在摇瓶发酵的基础上,利用3 L发酵罐对里氏木霉RutC-30产纤维素酶的发酵过程进行了放大。分时取样,测定生物量,还原糖含量,纤维素酶活和纤维素含量。据此,构建产酶发酵过程动力学模型,并用Matlab 2019软件对发酵所得的实验数据进行拟合,得到动力学参数以及拟合曲线。最后对发酵动力学模型进行验证,其中绝大部分数据的误差较小,说明模型可以较好地描述里氏木霉RutC-30以杨木为碳源产纤维素酶的过程,可为进一步的工业生产提供理论基础。（3）探究了不同预处理杨木的酶解糖化率以及对纤维素酶的吸附规律。首先对不同预处理的杨木进行组分测定,结果表明:经过预处理,纤维素含量增加,半纤维素含量降低。其中碱处理的杨木纤维素含量提高了 34.06%,木质素含量下降了 22.19%。相较于其他两种预处理方法,其纤维素含量更高,木质素含量更低。其次对预处理前后的杨木进行酶解,发现碱处理的杨木还原糖转化量最高,是未处理的1.69倍,其次是酸处理和酸爆处理的杨木。之后探究了不同预处理杨木对纤维素酶的吸附量,数据表明:预处理后的杨木对于纤维素酶的吸附量大于预处理前的杨木,其中碱处理的杨木对纤维素酶的吸附量是未处理的2.22倍,吸附能力最强。此外,杨木对纤维素酶的吸附量随时间增加,并在2 min左右平衡。最后,利用两种模型描述杨木对纤维素酶的等温吸附过程,Langmuir模型比Freundlich模型拟合效果好。较准一级吸附动力学模型,杨木屑对纤维素酶的吸附动力学更符合准二级吸附动力学模型。