8233839_成娜_酪丁酸梭菌工程菌发酵木质纤维素生产丁醇工艺研究_123.pdf

摘 要 目前丙酮-丁醇-乙醇 （ABE）发酵的传统底物主要是糖和淀粉，这些底物原料的使 用造成了丁醇发酵成本的日益提高，同时影响了生物丁醇发酵最终规模化、工业化的进 展。除此之外，淀粉类发酵底物的应用还存在挤占粮食资源等重要社会问题。因此如何 解决底物成本等相关问题成为生物丁醇发酵生产的重要课题。 木质纤维素是地球上含量最丰富的生物质资源，选用价格经济的秸秆等木质纤维素 作为发酵原料可以成为降低发酵成本的一个有效途径。因此，本论文以酪丁酸梭菌工程 菌 （Clostridiumtyrobutyricum）CtΔack-adhE2 为生产菌株，以木质纤维素为原料，对生 物丁醇的发酵生产进行探索和研究，主要结果如下： （1）利用响应曲面分析法优化产量最高的棉秸秆水解物发酵培养基，得到丁醇浓 度最大值的优化条件是硫酸亚铁浓度0.02 g/L 和磷酸氢二钾2.75g/L，硫酸铵浓度 5.71g/L，可得到的丁醇浓度预测值为15.21g/L。 （2）研究以玉米纤维水解物，棉秆水解物，大豆壳水解物或甘蔗渣水解物为底物 的发酵动力学，并在纤维床生物反应器中固定化细胞补料培养。CtΔack-adhE2 利用棉 秸秆水解物的发酵能力较高，棉秸秆水解产物的丁醇浓度为15g/L，丁醇转化率为0.30 g/g，生产效率为0.30g/L∙h. （3）利用 SuperProDesigner 软件进行流程模拟，并对生物丁醇进行经济性分析。 结果发现，对于年产50,000 公吨的工厂而言，生物丁醇的生产成本为2.85$/ gal。 关键词：生物燃料；丁醇；酪丁酸梭菌；发酵；木质纤维素 I Abstract At present, sugar and starch are the main substrates in acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation.The use of these substrates has led to the increasing cost and affected the final large-scale and industrializedprogress ofbutanol fermentation.In addition,the application of starch fermentation substrates had also caused some important social problems, such as crowding food resources.Therefore,how to solve therelated problems such as substrate cost hasbecomean important issueinbutanol fermentation. Lignocellulosis is the most abundant biomass resource on earth. Cellulose and hemicellulose in lignocellulosis raw materials can be converted into carbohydrate used by microbial fermentation after acid hydrolysis or enzymatic hydrolysis. Therefore, butanol fermentation was investigated by the engineering Clostridium tyrobutyricum Δack-adhE2 using lignocellulose as raw materials in this thesis, in order to solve the high cost of substratesintraditional fermentation.Theprincipalresultswasasfollows: (1) Response surfacemethodology wasused to optimizethe culturemedium,with focus on the effects