大肠杆菌SZ470利用稻草秸秆产乙醇关键问题的研究

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随着能源危机越来越紧迫及环境污染越来越严重,寻找可再生、对环境无污染的能源越来越受人们所关注。利用秸秆纤维素为原料来生产燃料酒精是解决能源问题和环境问题的有效途径之一,但由于秸秆预处理之后的水解液的复杂性及有毒物质会影响乙醇的产量。本论文拟以高产乙醇工程菌Escherichia coli SZ470为发酵菌株(ΔpflB,ΔfrdABCD,ΔackA,ΔldhA),对稻草秸秆产乙醇过程中的关键问题:五碳糖与六碳糖同时利用的问题、水解液脱毒问题及发酵方式进行了研究,其结果如下:采用稀酸和纤维素酶解的方法来提高秸秆的糖化率。得出最佳稀酸预处理条件:在120℃下,用2%的稀硫酸以1:20的固液比处理60min,半纤维素水解率可以达到90%以上;纤维素酶解糖化的最佳条件:底物浓度为2%,纤维素酶用量为1900U/mL,pH5.0,温度为50℃,反应时间为36h,糖化率达到86.24%。通过同源重组的方法敲除ptsG基因解决E. coli SZ470同时利用五碳糖与六碳糖的问题。结果显示,缺陷菌株在5%混合糖培养基中能同时利用葡萄糖和木糖进行发酵,葡萄糖消耗量是13g/L,消耗速率为0.5g/(L h),为对照菌株SZ470的一半;木糖消耗量是20g/L,消耗速率为0.64g/(L h),是SZ470的3.8倍;乙醇的最高产量为15.01g/L,转化率为89.13%,比SZ470提高了14.32%。该结果说明,缺陷菌株可同时利用葡萄糖和木糖发酵生产高产量的乙醇。利用大孔吸附树脂吸附糠醛来解决水解液脱毒的问题。比较了D101、D001、D113、D201和D301树脂对糠醛的吸附能力,结果显示:D301树脂优于其他树脂。并进一步通过静态吸附与动态吸附研究了D301树脂对糠醛的吸附特性,得出最佳静态吸附条件:温度25℃,pH值为2,脱毒时间9h,糠醛溶液量为200mL;动态吸附条件:在流速为5mL/min,流出液体积200mL时,开始泄漏,泄漏点吸附量为60.8mg/g,糠醛去除率99.6%。利用静态吸附条件用工程菌SZ470来进行发酵产乙醇,结果显示:水解液脱毒后的乙醇产量为12.73g/L,比不脱毒的提高了28.71%。采取分步糖化发酵法(SHF法)和同步糖化发酵法(SSF法)对E. coli SZ470进行产乙醇同异的研究。结果表明:SSF(乙醇产量10.21g/L)法优于SHF法(乙醇产量8.4g/L),秸秆的乙醇得率为0.204g/gDRS。乙醇体积分数为1.37%。
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