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玉米芯是廉价的可再生资源,利用玉米芯半纤维素水解液发酵生产木糖醇,与传统的加氢催化工艺相比,具有原料成本低、反应条件温和、能耗小、产品质量好等优势。本文对半纤维素水解液的制备工艺以及水解液的脱毒处理、菌种的驯化改良、木糖醇发酵过程的调控与优化以及产品的提取结晶等关键技术进行了深入研究,主要结果如下: (1)对玉米芯半纤维素水解过程中的主要影响因素进行了研究,确立了水解工艺条件为:1.00%硫酸,液固比8:1,108℃,水解3h。 (2)对玉米芯半纤维素水解液的成分进行了检测分析,发现乙酸、糠醛是主要的发酵抑制物。当乙酸浓度高于1.20g/L、糠醛浓度高于0.50g/L时,木糖醇发酵被明显抑制。比较了石灰中和、活性炭吸附、汽提挥发和离子交换树脂吸附等方法对玉米芯半纤维素水解液脱毒效果的影响。结果表明,采用活性炭吸附或离子交换树脂脱毒,虽然能够除去水解液中大部分乙酸和糠醛,但成本相对较高;石灰中和对水解液中乙酸的去除率为5.20%,糠醛的去除率为6.66%,同时结合浓缩汽提挥发脱毒,乙酸的去除率可达55.20%,糠醛的去除率为73.30%。该方法经济简便,具有良好的实际应用价值。 (3)采用逐步提高培养基中发酵抑制物浓度的方法,对木糖醇发酵菌种(Candida sp.)进行驯化改良。驯化后的菌株耐毒性能增强,对乙酸浓度的耐受力从1.20g/L提高到5.41g/L;利用驯化后的菌株可以直接发酵只经简单脱毒处理的半纤维素水解液生产木糖醇,并且木糖醇产率比出发菌株提高了4.18倍。 (4)对木糖醇发酵的主要工艺参数进行了优化,确立了适宜的发酵条件为:初始木糖浓度100g/L,玉米浆2.00%,初始pH6.00,温度32℃,初始细胞浓度0.60g/L。对半纤维素水解液发酵生产木糖醇的时间进程进行了研究,结果表明:发酵前期为菌体的营养生长阶段,需要较高的溶氧和营养用作细胞增殖;菌体生长进入平衡阶段后,木糖醇开始大量累积。适当延长平衡阶段,有利于提高木糖醇产率。 (5)研究了通气条件对木糖醇发酵的影响,发现前期采用较大的通气速率,有利于发酵抑制物的挥发和细胞的营养生长;发酵后期采用相对低的通气速率,可以提高假丝酵母细胞酶系中NADH/NAD~+比值,抑制依赖NAD~+的木糖醇脱氢酶活力,有利于木糖醇的积累。在3.7L发酵罐中采用分阶段改变通气速率(0～24h,3.75L/min,24～96h,0.75L/min)发酵生产木糖醇,木糖醇产率和体积生