论文总字数：15953字

摘 要

利用木质纤维素原料进行生物炼制是近年来的研究热点，但由于其结构的复杂性，单菌直接利用木质纤维素原料合成丁醇的产量较低。混菌发酵可通过菌株间的劳动分工完成复杂工作，成为目前最具前景的发酵方式。本论文以谷物秸秆中的半纤维素的主要成分木聚糖作为唯一碳源，构建了丙酮丁醇梭菌和嗜热厌氧杆菌的共培养体系，简化了发酵工序并且提高了生产效率。通过优化木聚糖浓度、混菌时间以及混菌接种比例对丁醇产量的影响，有效提高了直接利用木聚糖合成丁醇的产量。实验结果表明在木聚糖浓度为80 g/L，混菌时间为2天，菌种浓度为10%的条件下，可以获得最高的丁醇浓度为13.32 g/L。

关键词：丁醇 木聚糖 半纤维素 混菌发酵

ABSTRACT

Bio-refining with lignocellulosic materials is a popular research topic in recent years, but on account of the complexity of its structure, the yield of single bacteria directly using lignocellulose raw materials to synthesize butanol is low. Mixed bacteria fermentation can complete complex work through the division of labor among strains and become the most promising fermentation method at present. The co-culture system of clostridium acetone butanol and anaerobic thermophilic bacilli was constructed by using xylan, the main component of hemicellulose in grain straw as the sole carbon source. By optimizing the influence of xylan concentration, mixing time and inoculation ratio of mixed bacteria on butanol yield, the yield of butanol was improved effectively yield of butanol synthesized directly using xylan. The results showed that, highest butanol concentration was 13.32 g/L, when xylan concentration was 80 g/L and mixed for 2 days and 10%.

Key words: Butanol; xylan; hemicellulose; co-culture

目录

摘要 2

ABSTRACT 3

引言 6

第一章 文献综述 7

1.1. 丁醇 7

1.1.1. 丁醇的特性 7

1.1.2. 产丁醇菌株 7

1.1.3. 微生物丁醇发酵 8

1.1.4. 丁醇的应用 8

1.2. 木质纤维素概述 9

1.2.1. 木质纤维素应用 9

1.2.2. 木质纤维素组成 9

1.2.3. 木聚糖 10

1.3. 混菌发酵 10

1.3.1. 混菌发酵的特点 10

1.3.2. 混菌方式 11

1.3.3. 混菌发酵应用 11

第二章 材料与方法 13

2.1. 材料 13

2.1.1. 菌株 13

2.1.2. 实验试剂 13

2.1.3. 实验器材 14

2.1.4. 培养基 15

2.2. 实验方法 17

2.2.1. 嗜热厌氧杆菌M5的培养方法 17

2.2.2. 丙酮丁醇梭菌NJ4培养方法 17

2.2.3. 混菌方法 17

2.2.4. 检测方法 17

2.3. 课题来源及研究内容 18

2.3.1. 课题来源 18

2.3.2. 课题研究内容 18

第三章 结果与讨论 19

3.1. 嗜热厌氧杆菌M5的木聚糖降解情况 19

3.1.1. 嗜热厌氧杆菌M5在不同木聚糖浓度下的降解情况 19

3.1.2. M5在不同pH下的木聚糖降解情况 20

3.1.3. 丙酮丁醇梭菌NJ4在不同浓度的木糖下的发酵情况 21

3.2. 混菌发酵单因素优化 22

3.2.1. 木聚糖浓度对混菌发酵过程的影响 22

3.2.2. 丙酮丁醇梭菌菌株NJ4接种时间对混菌发酵过程的影响 24

3.2.3. 丙酮丁醇梭菌菌株NJ4接种比例对混菌发酵过程的影响 25

3.3. 正交实验优化混菌发酵条件 26

第四章 结语与展望 29

4.1. 结语 29

4.2. 展望 29

参考文献 30

致谢 33

引言

传统的发酵法生产丁醇是经通过产溶剂梭菌所进行的厌氧发酵，可将碳水化合物转化为丙酮、丁醇和乙醇等，此类溶剂生产技术也被简称为ABE（acetone-butanol-ethanol）发酵^[1]。但该发酵方式一般以粮食或者其他淀粉类原料，成本较高，不利于工业生产^[2]。本次实验所用的原料谷物秸秆中的主要成分是半纤维素，半纤维素的主要组分是木聚糖，所用发酵菌能以木聚糖为唯一碳源生产丁醇，因而可以降低生产成本^[3]，提高生产效率。

文献综述

丁醇

丁醇的特性

丁醇的分子质量为74，密度是0.81 kg/L，熔点-88.9 °C，沸点117.7 °C，在常温下呈现液态。和乙醇比较起来，丁醇的优势有能量密度大，燃烧值高，蒸汽压低，并且具有低挥发性的特点，而且还与汽油配伍性较好，具有低腐蚀性、污染程度小等优点^[4]。

产丁醇菌株

产丁醇梭菌是目前市场上用于 ABE发酵的主要菌株，是一类严格厌氧的革兰氏阳性菌，是在化工工业上应用广泛的一类产溶剂微生物^[5]。产丁醇梭菌的发酵原料可以是多种碳源，其中主要成分包含葡萄糖、纤维二糖、木糖、阿拉伯糖等，经过发酵后的产物是丙酮、丁醇和乙醇。目前，丁醇生产所用的梭菌主要有下面4种：丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）、糖丁酸梭菌（C. saccharobutylicum）和糖乙酸多丁醇梭菌（C. saccharoperbutylacetonicum）、拜氏梭菌（C. beijerickii）^[6]。

近年来，石油化工合成技术发展迅速，因此需要寻找到能够提高丁醇产量的新方法，为迅速发展的化工产业提供能源支持。目前，已经广泛运用的提高丁醇产量的技术有通过优化菌株的发酵环境条件来提高菌株的产丁醇效率最终达到提高产物产量的目的和通过改造产丁醇菌株成更加高效高产的新型菌株，在菌株改造技术中常用的方法有定向的基因改造和不定向的诱变育种。从自然界筛选更适合发酵的菌种也是一个常用方法，通过这个方法可以筛选出更加适合实验环境和更能充分利用发酵原料的菌株。

请支付后下载全文，论文总字数：15953字