浒苔生物质降解优化条件及发酵生产乙醇研究

来源 :上海海洋大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:liongliong595
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自2007年开始,每年我国沿海各海域随着气温的升高便开始大规模暴发绿潮,主要藻种为浒苔(Ulva prolifera),其中以黄海与东海海域最为严重。浒苔暴发时生物量堆积达百万吨以上,如此庞大的生物量如果进行掩埋和燃烧处理,不仅浪费大量的资源,同时掩埋和燃烧产生的环境污染也是个相当严重的问题。利用一定的手段将浒苔进行能源化利用,是一条既能解决浒苔环境污染又能改善能源危机的有效途径。本研究采用2011年我国山东青岛沿海大规模暴发的浒苔,浒苔含有丰富的矿物质元素,对其进行10种常见金属元素的测定,得到浒苔中钾、钠、镁、钙元素最高,为后续实验中微生物提供必要的无机盐。同时浒苔中也含有一定比例的重金属元素,如汞、铅、镉等。浒苔中含有三分之二左右的碳水化合物,它们大多可以被各种方法降解为被用来发酵乙醇的还原糖。其中纤维素类物质是比例较高也是主要要解决的降解物质。实验采用纤维素酶对浒苔进行降解,探讨了底物浓度、酶量、时间、温度、pH各因子以及半纤维素酶协同反应对酶解反应的影响,实验得到最优条件:50g/L底物浓度、纤维素酶添加量150U/g、半纤维素酶添加量150U/g、反应体系pH5.2、反应温度50℃、反应时间48h,浒苔干粉还原糖得率59.08%,新鲜浒苔2d还原糖得率6.14%,5d还原糖得率7.86%。为了降低纤维素酶的成本,实验从腐烂浒苔和浒苔暴发区域的海水中筛选出具有纤维素分解能力的菌株,采用刚果红染色法进行粗选,得到8株具有纤维素分解能力的菌株。通过3种不同纤维素类物质(滤纸、羧甲基纤维素钠、浒苔粉)作为碳源对菌株进行诱导产酶,通过酶活力特性的研究确定羧甲基纤维素钠为最佳诱导底物,提高产酶能力。同时实验对比了两种粗酶液的制备方式对酶活力大小的影响,确定了酶液2未经低温离心的制备方式优于酶液1,不仅提高了酶活力,同时制备简单,成本低。通过制备8株纤维素分解菌的粗酶液对浒苔粉进行酶解,结果证明4株菌株的分解能力较强,通过形态与分子生物学鉴定得到:H3菌株为芽孢杆菌属(Bacillus sp.), H4菌株为伯克氏菌属(Burkholderia sp.),Q1菌株为寡养单胞菌(StenotropHomonas sp.),H6菌株为草酸青霉菌(Penicilliumoxalicum)。本研究选用H3菌株作为研究对象,探讨了H3菌株产粗酶液降解新鲜浒苔的优化条件:1:15料水比、反应温度50℃、反应体系为原始pH8.5,反应时间5d,总还原糖得率最高为6.4%。提高乙醇发酵的产量是再生能源的关键,实验选择发酵六碳糖的酿酒酵母1043和发酵五碳糖木糖的酿酒酵母32868对浒苔酶解液进行协同发酵,并且探讨了乙醇发酵的优化条件,通过不同菌种、接种量、初始糖浓度、发酵时间等因子对乙醇发酵的影响,得到优化方案:10%的接种量按1:1添加酿酒酵母1043和酿酒酵母32868,初始还原糖浓度为3%,反应时间为3d,反应条件为35℃,pH6.5,乙醇最高产量为15.67%。研究发现在发酵糖液中添加一些营养盐对发酵反应有着一定的促进作用。选择0.4g/L的硫酸镁、4.0g/L的硫酸铵和1.5g/L的磷酸氢二钾对乙醇的产量有明显的提高作用,乙醇发酵液中最高产量为18.67g/L。本研究最终得到新鲜浒苔通过微生物自产粗酶液降解并制备生物乙醇的方法,具有成本低廉,制取简便,对环境友好等优点,十分适宜大规模的生产,为后续浒苔制备生物乙醇的产业化利用奠定了理论基础。
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