周泰然,侍永江,桂錚,王詩(shī)潔,曹瑾,時(shí)號(hào),2,羅洪鎮(zhèn),2*

(1. 淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,淮安 223003;2. 江蘇省生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與過(guò)程集成工程實(shí)驗(yàn)室,淮安 223003)

由于化石能源日益枯竭和溫室氣體的過(guò)量排放,人類面臨著資源短缺和全球變暖等問(wèn)題[1]。利用可再生的農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)液態(tài)燃料是解決上述問(wèn)題的有效方法。丁醇是一種高效的液態(tài)燃料,其能量密度和燃燒性能突出[2]。丁醇的生產(chǎn)方法包括化學(xué)法和發(fā)酵法。發(fā)酵法是通過(guò)微生物將底物轉(zhuǎn)化為丁醇等產(chǎn)物,簡(jiǎn)稱為丁醇發(fā)酵。傳統(tǒng)丁醇發(fā)酵的原料主要是玉米,該模式存在成本高、與人爭(zhēng)糧等問(wèn)題。因此,利用廉價(jià)的玉米秸稈、水稻秸稈等木質(zhì)纖維素資源作為原料,是降低生物丁醇生產(chǎn)成本的有效方案[3-4]。

木質(zhì)纖維素是一種非均質(zhì)聚合物,主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成,是地球上儲(chǔ)量最豐富的生物煉制原料[5-7]。然而,木質(zhì)纖維素固有的抗降解特性導(dǎo)致難以對(duì)其直接利用,建立可用于生物質(zhì)拆分并高效制取可發(fā)酵糖的預(yù)處理工藝,是目前該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題[8]。近年來(lái),研究人員建立了化學(xué)法、生物法和物理法等多種預(yù)處理方法[9-10]。這些預(yù)處理可有效攻克木質(zhì)纖維素的抗降解屏障,顯著提高纖維素組分占比,有利于可發(fā)酵糖生產(chǎn)。在上述預(yù)處理方法中,酸預(yù)處理是一種高效拆解各組分的工藝[11]。傳統(tǒng)的酸預(yù)處理一般使用無(wú)機(jī)酸作為預(yù)處理劑,這些試劑對(duì)設(shè)備腐蝕性強(qiáng)且各組分易過(guò)度降解成酚類、糠醛類等副產(chǎn)物,對(duì)微生物發(fā)酵不利[12]。有機(jī)酸具有反應(yīng)溫和、不易腐蝕設(shè)備等特點(diǎn),是生物質(zhì)預(yù)處理劑的重要選擇。丁酸是丁醇發(fā)酵的代謝中間產(chǎn)物和丁醇合成前體物質(zhì),利用其進(jìn)行木質(zhì)纖維素預(yù)處理,可以避免外源預(yù)處理劑對(duì)發(fā)酵的影響。研究表明,在丁醇發(fā)酵過(guò)程中,添加丁酸可以有效提高丁醇產(chǎn)量[13-14]。然而,木質(zhì)纖維素在丁酸預(yù)處理中的酶解底物用于丁醇合成的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

基于此,筆者以典型農(nóng)林廢棄物玉米秸稈為研究對(duì)象,選用丁酸溶液預(yù)處理玉米秸稈,確定最優(yōu)預(yù)處理?xiàng)l件并分析其酶解性能;將秸稈酶解液和殘余丁酸作為補(bǔ)料碳源,通過(guò)丁醇發(fā)酵動(dòng)力學(xué)特征確定最優(yōu)過(guò)程調(diào)控策略,實(shí)現(xiàn)農(nóng)林廢棄物高效轉(zhuǎn)化生物燃料的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈購(gòu)自江蘇省連云港市,攪碎后置于烘箱中60 ℃烘至質(zhì)量恒定,過(guò)40目篩(粒徑約0.4 mm);纖維素酶Cellic CTec2購(gòu)自諾維信(中國(guó))生物技術(shù)有限公司;其他試劑均購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 微生物與培養(yǎng)基

丙酮丁醇梭菌(ClostridiumacetobutylicumATCC 824),本實(shí)驗(yàn)室保藏。

種子培養(yǎng)基(CGM培養(yǎng)基):KH2PO40.75 g/L、K2HPO40.75 g/L、NaCl 1.00 g/L、MnSO4·5H2O 0.017 g/L、MgSO4·7H2O 0.70 g/L、FeSO4·7H2O 0.01 g/L、L-天冬酰胺2.00 g/L、酵母抽提物5.00 g/L、(NH4)2SO42.00 g/L和葡萄糖30.00 g/L,pH自然。

發(fā)酵培養(yǎng)基共2種:第1種發(fā)酵培養(yǎng)基與CGM培養(yǎng)基配方一致;第2種發(fā)酵培養(yǎng)基在CGM培養(yǎng)基的配料基礎(chǔ)上,將葡萄糖質(zhì)量濃度改為20.00 g/L。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 丁酸預(yù)處理

在250 mL高壓反應(yīng)釜中加入10 g玉米秸稈,與100 mL不同質(zhì)量濃度(50,100,150和200 g/L)丁酸溶液混合,在不同溫度(160,180和200 ℃)下反應(yīng)0.5 h,結(jié)束后用自來(lái)水將體系降至室溫,抽濾分離收集固體組分和上清液組分,用蒸餾水將固體組分沖洗至pH 7.0,置于烘箱60 ℃烘干12 h。烘至質(zhì)量恒定的樣品用于化學(xué)組分分析。

1.3.2 菌種活化及丁醇發(fā)酵

將保藏于孢子管的丙酮丁醇梭菌孢子懸浮液以10%接種量轉(zhuǎn)入裝有50 mL CGM的100 mL厭氧瓶中,使用真空泵將厭氧瓶?jī)?nèi)抽至真空,保證種子培養(yǎng)的厭氧環(huán)境。將厭氧瓶沸水浴2 min,隨后置于0 ℃冷激2 min,最后置于水浴鍋中37 ℃靜態(tài)培養(yǎng)24 h,即活化種子液。

將上述活化種子液以10%接種量接入裝有50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的100 mL厭氧瓶中,置于37 ℃水浴鍋中靜置培養(yǎng)72 h,定時(shí)取樣分析細(xì)胞代謝及產(chǎn)物合成情況。

1.3.3 用于流加的葡萄糖和預(yù)處理殘余丁酸

用作補(bǔ)料碳源的酶解液:由玉米秸稈酶解液添加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)組成,其中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為無(wú)葡萄糖的CGM。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是開展科學(xué)探究的重要組成部分，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是圍繞所提出的問(wèn)題進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的思維過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，促進(jìn)其學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于變量的確定及控制。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生常因?yàn)椴荒苷_地分析變量，所以難以設(shè)計(jì)出比較完整的實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)而影響其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力的發(fā)展。因此加強(qiáng)變量分析教學(xué)，幫助學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的各種變量及其控制方法，是提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力發(fā)展的有效途徑。

玉米秸稈酶解液制備方法:丁酸預(yù)處理后的固體殘?jiān)cpH 4.8、50 mmol/L檸檬酸鈉緩沖液以固液比1∶5(g∶mL)混合,以5～10 FPU/g底物添加纖維素酶Cellic CTec2,置于50 ℃下150 r/min酶解反應(yīng)72 h,即得到富含葡萄糖的玉米秸稈酶解液。

預(yù)處理殘余丁酸:將預(yù)處理后的殘余丁酸上清液進(jìn)行脫毒操作,即添加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))活性炭后置于60 ℃下150 r/min搖床中脫毒12 h,隨后經(jīng)過(guò)抽濾收集脫毒后的丁酸溶液。

1.3.4 丁醇發(fā)酵的間歇流加策略

流加秸稈酶解液的調(diào)控策略:初始葡萄糖質(zhì)量濃度為20.00 g/L,發(fā)酵12 h后流加秸稈酶解液,共3個(gè)批次。批次a為未流加秸稈酶解液;批次b為發(fā)酵12 h后,一次性向發(fā)酵液中流加秸稈酶解液,使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30 g/L;批次c為發(fā)酵12 h后一次性向發(fā)酵液中流加秸稈酶解液,使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為40 g/L。上述批次72 h發(fā)酵結(jié)束。

流加丁酸和秸稈酶解液的調(diào)控策略:初始葡萄糖質(zhì)量濃度為20.00 g/L,共3個(gè)批次。批次d為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,丁酸流加時(shí)間為12～24 h,每12 h流加1 g/L丁酸,共流加2 g/L;批次e為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,丁酸流加時(shí)間為12～36 h,每8 h流加0.5 g/L丁酸,共計(jì)2 g/L;批次f為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為40.00 g/L,丁酸流加時(shí)間為12～36 h,每8 h流加0.5 g/L丁酸,共計(jì)流加2 g/L。上述批次72 h發(fā)酵結(jié)束。

1.4 分析方法

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量參照美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL/TP-510-42618方法進(jìn)行測(cè)定[15]。

采用GC1290型氣相色譜儀系統(tǒng)(GC,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)分析預(yù)處理后液體組分中的丁酸及發(fā)酵過(guò)程中代謝產(chǎn)物丙酮、丁醇、乙醇和丁酸的濃度,以異丁醇為內(nèi)標(biāo),用0.3 mol/L HCl酸化后進(jìn)行氣相色譜分析;檢測(cè)器為氫火焰離子化檢測(cè)器(FID),色譜柱為FFAP毛細(xì)管柱(長(zhǎng)×內(nèi)徑×填料粒徑為30 m × 0.32 mm × 0.5 μm,大連中匯達(dá)科學(xué)儀器有限公司)。丁醇發(fā)酵中總?cè)軇┊a(chǎn)量是丙酮、丁醇和乙醇的產(chǎn)量之和。各實(shí)驗(yàn)組均設(shè)定3個(gè)平行批次,實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差展示在圖表中。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁酸預(yù)處理對(duì)玉米秸稈組分的影響

有機(jī)酸(如甲酸、乙酸等)已被用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理過(guò)程[11]。相較于其他有機(jī)酸,丁酸可以避免外源預(yù)處理劑對(duì)丁醇發(fā)酵的影響。選用不同濃度的丁酸分別預(yù)處理玉米秸稈,預(yù)處理后的原料組分變化結(jié)果如表1所示。

表1 丁酸預(yù)處理后玉米秸稈的化學(xué)組分變化Table 1 The chemical composition of the corn stover solid residue after butyric acid (BA) pretreatments

未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈葡聚糖含量為30.70%、木聚糖含量為21.17%,經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的葡聚糖含量均大幅提升,同時(shí)木聚糖組分也有不同程度的脫除,結(jié)果表明丁酸預(yù)處理對(duì)玉米秸稈組分的解聚效果比較顯著。利用50 g/L丁酸預(yù)處理時(shí),在180 ℃條件下反應(yīng)0.5 h后的殘?jiān)暇厶呛窟_(dá)47.25%,固體質(zhì)量回收率為57.52%,同時(shí)葡聚糖回收率達(dá)到了88.53%,且該批次的木聚糖脫除率為82.88%。利用高于100 g/L丁酸進(jìn)行預(yù)處理時(shí),原料的固體回收率和葡聚糖含量維持在49.03%～58.82% 和44.89%～49.66%。雖然上述預(yù)處理?xiàng)l件可以保證與50 g/L丁酸預(yù)處理的化學(xué)組分相似,但是高濃度丁酸存在腐蝕性高、成本高等缺點(diǎn),且高濃度丁酸會(huì)增加后續(xù)處理難度。因此,綜合不同預(yù)處理?xiàng)l件下的固體組成及葡聚糖回收率結(jié)果,確定50 g/L丁酸、180 ℃條件下維持0.5 h作為玉米秸稈最優(yōu)預(yù)處理工藝,并以此為基礎(chǔ)探究其酶解液用于丁醇發(fā)酵的效果。

2.2 流加玉米秸稈酶解液對(duì)丁醇發(fā)酵的影響

經(jīng)過(guò)丁酸預(yù)處理后的玉米秸稈需要經(jīng)過(guò)酶解來(lái)獲得丁醇發(fā)酵所需的葡萄糖,分析了不同纖維素酶添加量對(duì)預(yù)處理后秸稈的酶解效果(固液比均為1∶5),結(jié)果如圖1所示。酶解72 h后,在5 FPU/g纖維素酶添加量下,葡萄糖質(zhì)量濃度為53.3 g/L;當(dāng)將纖維素酶添加量提高至10 FPU/g時(shí),葡萄糖質(zhì)量濃度達(dá)到70.8 g/L。為減少后續(xù)補(bǔ)料對(duì)發(fā)酵體積的影響,故選擇10 FPU/g條件下的酶解液進(jìn)行丁醇發(fā)酵。本研究在預(yù)實(shí)驗(yàn)中將其作為碳源直接替換CGM中的葡萄糖,丙酮丁醇梭菌未生長(zhǎng)且?guī)缀鯖](méi)有溶劑合成。這主要是由于秸稈預(yù)處理后的預(yù)處理液和酶解液中仍含有多種發(fā)酵抑制物。為降低抑制組分對(duì)丁醇發(fā)酵的毒性,選擇在細(xì)胞對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期以間歇流加的方式補(bǔ)充碳源,避免菌種生長(zhǎng)初期接觸酶解液組分中的抑制物,提高產(chǎn)溶劑梭菌對(duì)玉米秸稈酶解液的利用率。

圖1 不同纖維素酶添加量對(duì)丁酸預(yù)處理玉米秸稈酶解的影響Fig. 1 Effects of cellulase dosage on enzymatic hydrolysis of cornstover after butyric acid pretreatment

批次a的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)曲線如圖2A所示,培養(yǎng)基中的初始葡萄糖在36 h即被全部消耗,此時(shí)發(fā)酵液中含有2.00 g/L丁酸和4.15 g/L丁醇。發(fā)酵72 h時(shí),發(fā)酵液中含有0.36 g/L丁酸和4.89 g/L丁醇。丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別比36 h時(shí)的產(chǎn)量提升了17.83%和15.30%,這說(shuō)明丁酸可以被丙酮丁醇梭菌吸收并用于產(chǎn)物合成。批次b的發(fā)酵動(dòng)力學(xué)曲線如圖2B所示,在發(fā)酵12 h后,向發(fā)酵液中一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,該批次進(jìn)行至60 h時(shí)葡萄糖消耗殆盡。發(fā)酵終了的丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別為7.05和9.99 g/L,比批次a分別提升了44.17%和36.66%,這表明流加的酶解液可作為碳源用于產(chǎn)物合成。進(jìn)一步提升秸稈酶解液流加量至葡萄糖總體系為40.00 g/L(批次c),其發(fā)酵動(dòng)力學(xué)曲線如圖2C所示。葡萄糖在12 h時(shí)降至8.80 g/L,補(bǔ)料的葡萄糖至發(fā)酵60 h被完全消耗,葡萄糖消耗曲線趨勢(shì)與批次b一致。批次c產(chǎn)生了9.34 g/L丁醇和13.31 g/L總?cè)軇?這表明流加碳源被丙酮丁醇梭菌轉(zhuǎn)化為4.45 g/L丁醇和6.00 g/L總?cè)軇?/p>

A) 批次a;B) 批次b;C) 批次c;D) 批次a～c的丁醇/丙酮質(zhì)量比和溶劑生產(chǎn)效率。

2.3 玉米秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略提高丁醇發(fā)酵性能

為構(gòu)建綠色高效的生物丁醇轉(zhuǎn)化工藝,Luo等[14,16]已經(jīng)驗(yàn)證了在丁醇發(fā)酵過(guò)程中添加丁酸或預(yù)處理殘余丁酸可以提高丁醇產(chǎn)量。同時(shí),本研究表明適量補(bǔ)料秸稈酶解液能夠有效提高丁醇產(chǎn)量。利用50 g/L丁酸預(yù)處理玉米秸稈后得到的液體組分中仍含有49.40 g/L丁酸,該預(yù)處理殘余丁酸和秸稈酶解液協(xié)同流加對(duì)丁醇發(fā)酵的影響還不清楚。因此,進(jìn)一步探究秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略對(duì)丁醇發(fā)酵的影響,結(jié)果如圖3所示。批次d(圖3A)協(xié)同流加玉米秸稈酶解液和殘余丁酸后,丙酮丁醇梭菌生長(zhǎng)代謝仍正常進(jìn)行,葡萄糖于48 h時(shí)完全消耗;丁酸于12 h濃度達(dá)到最大值,隨著丁酸的間歇流加和菌種生理代謝的影響,其濃度上下波動(dòng)。發(fā)酵72 h后的丁醇和總?cè)軇┵|(zhì)量濃度分別達(dá)到 8.15 和11.15 g/L,分別比批次b提升了15.60%和 11.61%,這表明秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略對(duì)丁醇高效合成的可行性。批次d最終丁酸為2.03 g/L,這可能是流加丁酸質(zhì)量濃度較高,對(duì)發(fā)酵環(huán)境造成沖擊影響了丙酮丁醇梭菌代謝所致[17]。隨后優(yōu)化了丁酸流加量及流加次數(shù),分4次流加2 g/L殘余丁酸,發(fā)酵動(dòng)力學(xué)如圖3B所示。批次e發(fā)酵72 h后的丁酸質(zhì)量濃度為0.87 g/L,丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別為8.39和11.86 g/L。這表明大部分丁酸在發(fā)酵產(chǎn)溶劑過(guò)程中被重吸收,并有效提高了丁醇和溶劑產(chǎn)量。此外,將玉米秸稈酶解液補(bǔ)料量至葡萄糖總質(zhì)量濃度為40 g/L,并通過(guò)4次流加2 g/L丁酸,發(fā)酵動(dòng)力學(xué)結(jié)果如圖3C所示(批次f)。該批次發(fā)酵72 h后的丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量為10.58和14.85 g/L,丁酸質(zhì)量濃度為0.85 g/L。相比于批次c,丁醇產(chǎn)量提升13.28%。這表明在高濃度葡萄糖補(bǔ)料情況下,丁酸仍能有效提升溶劑產(chǎn)量。

A) 批次d;B) 批次e;C) 批次f;D) 批次d～f的丁醇/丙酮質(zhì)量比和溶劑生產(chǎn)效率。

對(duì)上述批次的丁醇發(fā)酵綜合性能進(jìn)行比較(圖3D),批次d的丁醇和總?cè)軇┥a(chǎn)效率分別為0.113和0.155 g/(L·h),丁醇/丙酮質(zhì)量比達(dá)到3.3∶1.0。研究表明,丁醇占總產(chǎn)物的比例越大,越利于降低后續(xù)產(chǎn)物的分離純化成本;當(dāng)丁醇質(zhì)量濃度從12 g/L提高至20 g/L時(shí),溶劑的分離純化成本將降低50%[18]。雖然批次e有更高的溶劑產(chǎn)量,但對(duì)比批次d的丁醇/丙酮質(zhì)量比降低了16.2%。這是因?yàn)槎∷釂未瘟骷恿枯^大對(duì)丁醇發(fā)酵菌代謝生長(zhǎng)產(chǎn)生影響,從而降低了丙酮產(chǎn)量。當(dāng)葡萄糖體系為40.00 g/L時(shí),批次f的丁醇和總?cè)軇┥a(chǎn)效率分別提升至0.147和0.206 g/(L·h),比批次c分別提升了13.08%和11.35%。由此可知,通過(guò)間歇補(bǔ)料方式可以高效利用木質(zhì)纖維素衍生葡萄糖及預(yù)處理殘余丁酸合成丁醇,該工藝不僅解決了傳統(tǒng)酸預(yù)處理劑環(huán)境污染大、腐蝕性高的問(wèn)題,還為生物煉制過(guò)程的優(yōu)化調(diào)控提供技術(shù)支撐。

2.4 不同底物補(bǔ)料策略強(qiáng)化丁醇合成的代謝機(jī)理

預(yù)處理后含丁酸的液體組分通過(guò)補(bǔ)料方式可以提高丁醇合成能力,同時(shí)秸稈酶解液也可作為發(fā)酵碳源用于丁醇合成。從丙酮丁醇梭菌代謝通路(圖4)可知,在丁醇發(fā)酵過(guò)程中添加的丁酸可以進(jìn)入胞內(nèi),通過(guò)丁酸環(huán)的再吸收能力將其轉(zhuǎn)化為丁酰輔酶A,隨后在輔因子還原型輔酶I(NADH)作用下合成終產(chǎn)物丁醇(圖4A)。相較于單一的丁酸補(bǔ)料條件,在丁醇發(fā)酵過(guò)程中同時(shí)流加丁酸和葡萄糖,丙酮丁醇梭菌可以將葡萄糖通過(guò)糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為溶劑合成前體乙酰輔酶A,并產(chǎn)生輔因子和能量物質(zhì)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),保證了細(xì)胞正常代謝;添加的丁酸則通過(guò)丁酸環(huán)的再吸收作用還原轉(zhuǎn)化為丁醇(圖4B),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)丁醇發(fā)酵性能的提升。

A)殘余丁酸補(bǔ)料;B)殘余丁酸和酶解液協(xié)同補(bǔ)料。

此外,改善生物煉制過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性能是該領(lǐng)域未來(lái)需要關(guān)注的重要問(wèn)題之一[19]。本研究利用的丁酸是化學(xué)合成丁酸,仍然存在成本較高的缺點(diǎn),如何降低該工藝的預(yù)處理成本是未來(lái)需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題。由于丁酸可以通過(guò)生物質(zhì)衍生的可發(fā)酵糖發(fā)酵制備,目前丁酸發(fā)酵的產(chǎn)量可以達(dá)到50～90 g/L,這為生物質(zhì)預(yù)處理提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)[20]。因此,未來(lái)可以嘗試將丁酸發(fā)酵與生物質(zhì)預(yù)處理相結(jié)合,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低成本的木質(zhì)纖維素預(yù)處理和生物燃料的高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

本研究首先分析了丁酸作為有機(jī)酸預(yù)處理玉米秸稈的效果,同時(shí)利用丙酮丁醇梭菌作為丁醇發(fā)酵菌株,探究了預(yù)處理殘余丁酸和秸稈酶解液作為共底物進(jìn)行丁醇生產(chǎn)的可行性,具體結(jié)論如下:

1)50 g/L丁酸、180 ℃反應(yīng)0.5 h條件下玉米秸稈的預(yù)處理效果最優(yōu)。

2)當(dāng)利用玉米秸稈酶解產(chǎn)生的葡萄糖作為補(bǔ)料碳源時(shí),丁醇產(chǎn)量從4.89 g/L提高到9.34 g/L。將玉米秸稈酶解液和殘余丁酸作為共底物補(bǔ)料時(shí),發(fā)酵結(jié)束的丁醇產(chǎn)量和生產(chǎn)效率分別達(dá)到10.58 g/L和0.147 g/(L·h),比無(wú)補(bǔ)料批次提高了116%。

3)該工藝既可以將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的葡萄糖用于丁醇合成,還能夠?qū)㈩A(yù)處理殘余丁酸高效轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)纖維素高效轉(zhuǎn)化生物丁醇的目標(biāo),為廉價(jià)生物質(zhì)原料精煉提供借鑒。