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基于代谢网络的线图理论提高丙酮—丁酮—乙醇发酵丁醇产量和比率

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  《江南大学》

  2014年

  基于代谢收集的线图理论提高丙酮—丁酮—乙醇发酵丁醇产量和比率的研究

  【摘要】:

  丁醇是主要的平台化合物,仍是新型高效的液态燃料。因为石油价钱的猛烈波动和上涨,以及全球温室效应的日益严峻,操纵产溶剂梭菌(Clostridia)和可再生的生物质资本发酵出产丁醇越来越遭到注重。丙酮-丁醇-乙醇发酵也称为ABE发酵,一般环境下,ABE发酵获得的是丁醇、丙酮、乙醇的夹杂溶剂产物(丁醇:丙酮:乙醇=6:3:1),故简称丁醇发酵。在确保总溶剂出产效率不变的前提下,尽量提高主产物-丁醇占总溶剂的比例(或丁醇/丙酮比)和丁醇产量,对于提高ABE发酵的全体机能和经济效益具有主要意义。ABE发酵总溶剂产量很低、总浓度只要20g·L-1摆布,耗水严峻。别的,产物精制收受接管过程耗能大。高耗能、高耗水的问题,严峻限制了生物丁醇财产的成长。别的,利用玉米等保守原料出产丁醇还具有着与人争粮的问题。针对上述问题,本论文以丙酮丁醇梭菌(丙丁梭菌)Clostridium acetobutylicumATCC824为发酵菌株,以玉米和木薯为原料,以基于代谢模子的有向信号线图理论为次要研究手段,在厌氧发酵罐中开展了丁醇发酵研究。论文阐发了丁醇/丙酮比得以提高的理论机理,提出了ABE发酵的高效新型出产工艺,旨在提高全体发酵机能、降低产物收受接管能耗、实现发酵废水的轮回操纵。次要成果总结如下: (1)与利用玉米原料比拟,利用木薯原料进行ABE发酵时,丁醇/丙酮比高,且丁醇产量和总溶剂出产强度与前者相当。在保守间歇发酵和油醇萃取发酵中,丁醇/丙酮比别离提高了14.9%和61.4%。论文操纵基于代谢模子的有向信号线图理论对ABE发酵两个无机酸闭环反映回路代谢强度与丁醇/丙酮比之间的关系进行了计较模仿研究,发觉弱化丁酸闭环的代谢强度能够显著提高丁醇/丙酮比。在此根本上,对木薯和玉米原料ABE发酵的NADH再生速度以及相关酶基因的转录程度进行了阐发测定。成果发觉,利用木薯原料时,丁酸闭环代谢强度的弱化和较高的NADH再生速度配合推进了高丁醇/丙酮比发酵特征的构成。 (2)在玉米原料ABE发酵中,逐次添加少量丁酸和乙酸能够显著提高总溶剂出产效率,提高幅度别离达到39.2%和47.1%。此中,添加丁酸还可以或许推进来自代谢主路(葡萄糖)的丁醇合成,提高丁醇/丙酮比21.7%。论文在有向信号线图理论的根本上,操纵非线性代谢模子对逐次添加丁酸和乙酸时的无机酸合成/接收速度进行计较。成果表白,添加丁酸和乙酸能够推进对应无机酸的接收,也能够抑止对应无机酸的合成。该模子的预测成果与尝试成果和相关文献报道相分歧,模子揭示了逐次添加丁酸和乙酸前提下碳代谢流的分派纪律,为利用丁酸和乙酸作为辅助原料的ABE发酵优化供给了参考。 (3)提出了利用玉米原料、添加少量丁酸和乙酸时,丙丁梭菌与酿酒酵母夹杂培育发酵出产丁醇的新工艺。在7L厌氧罐上,通过在丙丁梭菌产溶剂期添加10%(v/v)DCW大约2.0g·L-1的酿酒酵母种子液和4g·L-broth-1的丁酸浓缩溶液,丁醇/丙酮比、最终丁醇浓度别离提高38%和35%,达到2.74和15.74g·L-1的最高程度,且总溶剂出产强度也有提高。阐发测定发酵液中游离氨基酸浓度发觉,混菌培育且添加少量丁酸时,酿酒酵母能够排泄出有益于丁醇合成的赖氨酸、蛋氨酸以及芬芳族氨酸,提高丙丁梭菌对高丁醇浓度情况的耐受能力,最终导致ABE发酵的丁醇/丙酮比和丁醇浓度大幅提高。丁醇/丙酮比和丁醇浓度两项目标是操纵野生丙丁梭菌间歇式发酵出产丁醇相关研究报道的最高程度。 (4)针对ABE发酵溶剂产物精制收受接管能耗庞大和具有大量蒸馏/发酵废水的问题,提出了节能节水式ABE萃取发酵联产含丁醇、高十六烷值的优良生物柴油的新型发酵工艺。该工艺操纵生物柴油作为ABE发酵的丁醇原位萃取剂(生物柴油相/发酵液相体积比1:1),萃取有丁醇的生物柴油能够作为优良生物柴油间接利用,完全省去了收受接管萃取液相中溶剂产物的蒸馏能耗。生物柴油中的丁醇浓度不变在10g·L-1以上,十六烷值从51.4提高到54.4,生物柴油的质量显著改善。操纵少量正辛醇(正辛醇/发酵萃余液体积比1:5,正辛醇对丁醇的萃取系数高达6.57.0)能够收受接管萃余液中的大部门残留丁醇(56%),大大降低蒸馏能耗;操纵3%(w/v)的活性炭处置收受接管丁醇后的萃余液、去除类黑精等有毒物质后,萃余液能够全数回用于次轮发酵的配料,发酵废水能够100%获得操纵。按上述工艺频频全回用经处置的发酵萃余液14次,所有批次发酵机能不变。 (5)在7L厌氧发酵罐中进行了上述节能节水式新型ABE发酵工艺的放大试验,并研究切磋了利用木薯原料和添加电子载体-中性红进一步提高发酵机能的可能性。玉米原料ABE发酵时,添加1g·L-broth-1的中性红,能够强化丁醇出产效率(0.25~0.32g·L-1·h-1)、进一步添加生物柴油中的丁醇浓度和“方针丁醇得率”(24~26%),提高萃取介质正辛醇中的丁醇/(丁醇+丙酮)比(90%)。与对照(玉米原料)比拟,因为木薯原料ABE发酵的高丁醇/丙酮比的特征,生物柴油中的丁醇浓度能够由9.57g·L-1提高到11.10g·L-1,生物柴油的质量进一步改善。可是,在木薯原料发酵前提下、添加微量中性红无法进一步添加生物柴油中的丁醇浓度、提高生物柴油的质量。

  【学位授予单元】:

  【学位级别】:博士

  【学位授予年份】:2014

  【分类号】:TQ923

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