论文部分内容阅读
当前,木质纤维素生物质的生物炼制主要集中于通过微生物厌氧发酵的方式生产乙醇、乳酸等生物基化学品,生产过程中微生物的代谢路径容易受到木质纤维素水解液中抑制物的影响,导致产率和得率的降低。本论文通过微生物有氧发酵的方式对木质纤维素水解得到的可发酵糖类进行直接氧化生产糖酸产品,其生产过程主要依靠微生物体内氧化酶的催化,转化得率高、反应速率快、不易受到抑制物的影响,具有比较明显的优势。葡萄糖酸和木糖酸作为大宗生物基平台化合物具有功能多、用途广的特点,被广泛应用于食品、药品、建筑等行业。当前葡萄糖酸、木糖酸的工业生产主要依赖于粮食作物的微生物发酵,随着产品需求量的增加,工业化扩张与粮食生产的矛盾日益加剧。木质纤维素生物质作为一种储量丰富、价格低廉的可再生有机资源,可以代替粮食作物生产大宗生物基化学品。本论文主要以典型的木质纤维素生物质-玉米秸秆为原料,采用干法生物炼制工艺通过微生物有氧发酵生产葡萄糖酸和木糖酸,极大减少生产过程中废水的产生。首先,选用工业上普遍应用的黑曲霉(Aspergillus niger)作为葡萄糖酸生产菌株,以玉米秸秆为原料进行葡萄糖酸的生产。A. niger SⅡM M276是一株发酵性能良好的葡萄糖酸生产菌株,对9种典型的木质纤维素来源的抑制物具有一定的耐受性和转化能力。A. niger SⅡM M276可以直接利用15%固体含量的新鲜玉米秸秆水解液生产葡萄糖酸,但随着固体含量的增加(25%,w/w),在高浓度抑制物的胁迫下,其菌体干重和葡萄糖酸的生产速率与15%固体含量时相比分别下降了51.4%和28.9%。对预处理后玉米秸秆进行生物脱毒以后,A. niger SⅡM M276的生长速率和葡萄糖酸产率分别提高了约1倍和3倍,最终得到葡萄糖酸浓度达到105.36 g/L。但是在研究中发现,A.nigerSⅡM M276对水解液体系敏感,生长存在24-96 h延滞期,菌体形态和发酵性能不稳定。除此之外,A. niger SUM M276对玉米秸秆水解液中的木糖利用能力弱,超过80%的木糖残留在发酵液中。其次,为了解决A. niger SⅡM M276在水解液体系中稳定性差、葡萄糖酸生产速率低和木糖利用能力差的问题,一株菌体形态稳定、葡萄糖酸生产速率高、能同时利用葡萄糖和木糖生产葡萄糖酸和木糖酸的革兰氏阴性菌-氧化葡萄糖酸杆菌(Gluconobacter oxydans)成为新的生产菌株。G. oxydans DSM 2003表现出更强的抑制物耐受性以及对抑制物的转化能力,即使在20%固体含量(w/w)的新鲜玉米秸秆水解液中G. oxydansDSM 2003的葡萄糖酸生产速率依然能够达到1.72 g/L/h。将预处理后的玉米秸秆脱毒以后,G. oxydans DSM 2003的葡萄糖酸和木糖酸生产速率最大分别达到5.59 g/L/h和2.16g/L/h。在50L发酵罐放大试验中发酵32 h得到119.10 g/L的葡萄糖酸和14.04g/L的木糖酸,其中葡萄糖酸的产率达到3.68 g/L/h,是A. niger SⅡM M276生产葡萄糖酸最大产率的2倍以上。经过测试,得到的葡萄糖酸/木糖酸发酵液可直接作为水泥缓凝剂使用,缓凝效果可以与商品水泥缓凝剂媲美。通过降低发酵过程的pH可以有效抑制葡萄糖酸进一步转化成酮基葡萄糖酸,同时得到高浓度的葡萄糖酸和木糖酸,分别为111.59 g/L和36.56g/L。对利用玉米秸秆同时生产葡萄糖酸和木糖酸的工艺进行技术经济分析,基于Aspen Plus模拟计算得到纤维素葡萄糖酸钠/木糖酸钠产品的最低售价为$0.404/kg,低于商品葡萄糖酸钠的售价,表现出较大的经济竞争力。最后,为了有效利用纤维素乙醇生产废水中的木糖,对利用纤维素乙醇精馏后塔釜液中的木糖生产木糖酸的微生物发酵和全细胞催化过程进行了研究,设计一条新型联产乙醇和木糖酸的工艺流程。本工艺流程以玉米秸秆为原料,经过干式稀酸预处理、固态生物脱毒、高固体含量同步糖化与发酵生产乙醇,得到乙醇浓度为59.80g/L。随后将发酵醪中的乙醇精馏回收后,塔釜液中木糖浓度为65.39 g/L。使用G. oxydans DSM 2003对含有木糖的塔釜液进行微生物发酵或者全细胞催化,最高得到了66.42 g/L的木糖酸。基于Aspen Plus模型分析,本工艺与已有工艺相比,能耗与废水都有明显的降低。综上所述,本论文以干法生物炼制工艺为基础,以实现葡萄糖酸、木糖酸绿色工业化生产为目标,建立一条从木质纤维素生物质到葡萄糖酸和木糖酸产品的完整工艺流程,得到的产品浓度高,表现出优良的水泥缓凝剂性能。此外,本论文还为传统纤维素乙醇生产中残留的木糖寻找出路,设计一条新型联产乙醇和木糖酸的工艺流程,与已有工艺相比大大降低了废水和能耗,降低了纤维素乙醇整体生产成本,促进了木质纤维素木糖酸行业的发展。木质纤维素生物质通过微生物有氧发酵方式生产葡萄糖酸和木糖酸产品表现出明显的优势,水解液中的葡萄糖和木糖直接被G. oxydans膜上葡萄糖脱氢酶催化生成葡萄糖酸和木糖酸,反应受水解液体系的影响较小,产率和得率较高。基于Aspen Plus的技术经济分析表明木质纤维素葡萄糖酸和木糖酸生产具有很强的经济竞争力和可行性,本论文为未来利用木质纤维素原料大规模工业化生产葡萄糖酸和木糖酸提供了理论依据。