【摘要】：固態(tài)發(fā)酵具有節(jié)能節(jié)水、環(huán)境友好的優(yōu)勢,是緩解現(xiàn)代發(fā)酵工業(yè)中廢水量大、環(huán)境污染嚴(yán)重等瓶頸問題的重要措施。論文首先從固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基固體基質(zhì)物化性質(zhì)切入,研究其對固態(tài)發(fā)酵的影響。其次,針對好氧和厭氧等不同微生物特性,研發(fā)出適合的固態(tài)發(fā)酵新工藝。取得的主要研究結(jié)果如下:(1)固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基中的固體基質(zhì)多為難以直接利用的有機大分子,適宜的前處理有助于微生物快速生長。論文選用汽爆處理麩皮固體基質(zhì),在0.5 MPa、5 min條件下,總游離糖含量從9.83 mg/g增加至30.75 mg/g。論文選用叢毛紅曲作為實驗菌株進行固態(tài)發(fā)酵酯化酶。與對照組相比,汽爆處理麩皮基質(zhì)中菌體量由30.5 mg/g增加至63.6 mg/g,酯化酶活力由0.99 U/g增加至1.72 U/g。此外,汽爆在實現(xiàn)大分子組分預(yù)降解的同時還可以起到固體基質(zhì)滅菌作用。論文對比了物料隨蒸汽流動汽爆滅菌和物料的原位汽爆滅菌方式,兩種滅菌方式分別在128℃、5 min和133 ℃、10 min達到滅菌效果。物料隨蒸汽流動汽爆滅菌方式比原位汽爆滅菌效率高,但是原位汽爆滅菌不會造成固體基質(zhì)的過度粉碎。因此,這兩種汽爆滅菌方式適用于不同固體基質(zhì)的滅菌。(2)從培養(yǎng)基固體基質(zhì)物理特性出發(fā),研究其對固態(tài)發(fā)酵過程基質(zhì)團結(jié)收縮和裝料系數(shù)的影響。論文對麩皮造粒得到了空心圓柱和實心圓柱兩種固體基質(zhì)顆粒。與未造粒原料相比,空心圓柱基質(zhì)顆粒和實心圓柱基質(zhì)顆粒的形變量分別減少9.5%和20.7%,表明造粒后的培養(yǎng)基具有更強的抗結(jié)團收縮能力。將未造粒培養(yǎng)基和造粒培養(yǎng)基用于固態(tài)發(fā)酵,在裝料體積為100 mL時,未造粒培養(yǎng)基、空心圓柱和實心圓柱固體基質(zhì)裝料量分別為21.2 g,62.7 g,和67.5 g,發(fā)酵后總生物量分別為1.60 g,2.97 g和2.22 g,說明造粒能有效提高裝料系數(shù),提高總生物量積累。(3)發(fā)明二段式氣相雙動態(tài)固態(tài)好氧發(fā)酵小盾殼霉新工藝。與對照組相比,在空氣脈動高壓0.2 MPa、20 s,常壓維持20 min的周期脈動條件下,氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵240 h時發(fā)酵基質(zhì)中生物量由98.9 mg/g增加至147 mg/g,表明氣相雙動態(tài)有利于菌體生長。但是,由此導(dǎo)致體系內(nèi)溫度的快速積累使得小盾殼霉不能分化形成分生孢子器,從根本上抑制小盾殼霉孢子的產(chǎn)生。二段式氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵是指小盾殼霉前期在氣相雙動態(tài)體系培養(yǎng),后期轉(zhuǎn)入低溫培養(yǎng)。在此工藝下,發(fā)酵216 h時,氣相雙動態(tài)固態(tài)發(fā)酵體系內(nèi)孢子產(chǎn)量為1.53×1010/g干基。(4)研究吐溫-20、聚乙二醇、木質(zhì)素磺酸鈉等助劑對汽爆玉米秸稈固態(tài)酶解影響,其中3%的聚乙二醇和吐溫-20都能加速葡聚糖轉(zhuǎn)化,吐溫-20輔助酶解體系下72 h葡聚糖轉(zhuǎn)化率達到73.85%。在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了描述汽爆玉米秸稈葡聚糖轉(zhuǎn)化率和時間關(guān)系的擴散-反應(yīng)高固酶解動力學(xué)模型�；诖藙恿W(xué)模型的計算結(jié)果表明,吐溫-20酶解體系中相對擴散速率(ε2/ε3)提高7.3%。此外,論文采用低場核磁表征酶解過程固體基質(zhì)中水的狀態(tài)變化,結(jié)果顯示吐溫-20輔助酶解體系下固體基質(zhì)對水的束縛作用減小,為酶的擴散提供了較好的條件。(5)針對固態(tài)厭氧發(fā)酵存在的氧分壓高,CO2積累不利于乙醇固態(tài)發(fā)酵問題,發(fā)明了氮氣周期脈動固態(tài)厭氧發(fā)酵乙醇新方法。在高壓0.2 Mpa、30 s,常壓180 min條件下,發(fā)酵24 h時,氮氣周期脈動固態(tài)發(fā)酵體系中乙醇濃度達到39.9 g/L,而氮氣保護組和對照組的乙醇濃度為21.7 g/L和22.2 g/L。論文了檢測兩種發(fā)酵體系CO2濃度變化,氮氣周期脈動固態(tài)發(fā)酵體系中CO2濃度始終維持較低的水平(小于5000 ppm),而對照組CO2濃度持續(xù)積累,在21 h達到38080 ppm,證實脈動過程有利于傳質(zhì)過程。氮氣為糖化酵母提供了較好的厭氧環(huán)境,脈動過程則加速了CO2移除,因而提高了糖化酵母固態(tài)厭氧發(fā)酵乙醇的效率。
【圖文】：

固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基物化特性及其固態(tài)發(fā)酵新工藝的研宄ｆｓ￣邋ｆｓ￣邋￣ｆ２邋＋邋Ａ邋－邋／６邋＋邋／７邐？邋？邋？邋（邋１．１邋７平衡態(tài)反彈成立的條件下，則有：逡逑Ａ邋－邋ｆｌｅｑ）邋＝邋ｈ－邋ｆｌｅｑ）邐…（ｉ．ｉ８可求出所有的未知量ｐｉ。逡逑／／／／／／／／／／／／／／／／／／逡逑

、、含水量等參數(shù)對固態(tài)發(fā)酵體系質(zhì)熱傳遞過程。逡逑（４）以小盾殼霉固態(tài)發(fā)酵生物農(nóng)藥為例，系統(tǒng)研宄氣相雙動態(tài)對固態(tài)好氧逡逑發(fā)酵中基質(zhì)消耗、微生物菌體生長發(fā)育影響，并通過過程分析、代謝產(chǎn)物分析以逡逑解析造成影響固態(tài)發(fā)酵的原因，為該工藝在其它固態(tài)好氧發(fā)酵體系中的應(yīng)用奠定逡逑理論基礎(chǔ)。逡逑（５）對于難以降解的玉米秸稈等原料，研宄聚乙二醇、吐溫－２０、木質(zhì)素磺逡逑酸鈉等助劑對其對纖維素組分降解影響。并以吐溫－２０輔助酶解過程為例，構(gòu)建逡逑汽爆玉米秸桿固態(tài)酶解反應(yīng)－擴散動力學(xué)模型，以描述固態(tài)體系下纖維素轉(zhuǎn)化率逡逑與時間的關(guān)系。為固態(tài)發(fā)酵體系中微生物生長提供營養(yǎng)物質(zhì)基礎(chǔ)。逡逑（６）以酵母固態(tài)厭氧發(fā)酵玉米稻稈乙醇為例，結(jié)合格子Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ模擬方逡逑法和代謝通量分析方法，研宄氮氣周期脈動在厭氧固態(tài)發(fā)酵中的作用，，為拓寬純逡逑種固態(tài)發(fā)酵在厭氧固態(tài)發(fā)酵的應(yīng)用提供新方法。逡逑固態(tài)發(fā)酵培養(yǎng)基固體基質(zhì)前處理＇逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院過程工程研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ920.6


本文編號：2640195