高效利用玉米秸稈的產(chǎn)氫菌種及其產(chǎn)氫性能研究.pdf

1、隨著能源危機(jī)、糧食短缺、環(huán)境污染等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，如何使廢棄物無(wú)害化、資源化已成為世界性亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。秸稈是一種豐富的農(nóng)業(yè)廢棄物、因其具有充足的供應(yīng)和低廉的價(jià)格，若利用微生物技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為氫氣，既能降低產(chǎn)氫成本，又能使廢棄物得到資源化，從清潔能源開(kāi)發(fā)和廢物利用的角度都具有極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成，其中纖維素和半纖維素是可發(fā)酵性碳水化合物，可在微生物或酶的作用下將其轉(zhuǎn)化為糖后再供微生物利用生成

2、燃料氫氣。但目前以秸稈為原料制備生物燃料研究中多數(shù)只強(qiáng)調(diào)對(duì)纖維素組分的轉(zhuǎn)化利用，而半纖維素組分則作為廢棄物處理，既造成環(huán)境污染，又造成資源浪費(fèi)。同時(shí)，在纖維素物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，纖維素酶解技術(shù)存在的主要障礙是纖維素酶活力較低、生產(chǎn)成本較高。針對(duì)目前制約秸稈木質(zhì)纖維原料生物轉(zhuǎn)化產(chǎn)氫研究中的主要技術(shù)瓶頸，本研究進(jìn)行了戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫菌和纖維素降解產(chǎn)氫菌的分離篩選，并分別考察了其利用半纖維素水解液和纖維素物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)氫性能，同時(shí)結(jié)合預(yù)處理技術(shù)建立了玉米

3、秸稈高效利用組合體系，論文取得主要研究成果如下：
　　分離獲得一株高效戊糖發(fā)酵產(chǎn)氫菌 Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum W16，該菌在碳源濃度10g/L，溫度60℃，初始pH6.5條件下，利用葡萄糖和木糖的最大比產(chǎn)氫率和產(chǎn)氫速率分別為2.42mol H2/mol glucose、12.9mmol H2/L·h和2.19mol H2/mol xylose、10.7 mmol H2

4、/L·h。同時(shí)探討了該菌同步發(fā)酵葡萄糖木糖混合糖產(chǎn)氫代謝特性，研究表明菌株W16能同時(shí)利用葡萄糖和木糖發(fā)酵產(chǎn)氫，但葡萄糖的代謝速率快于木糖的代謝速率。預(yù)處理水解液中常見(jiàn)抑制物影響試驗(yàn)表明菌株 W16具有較強(qiáng)的乙酸鈉和酚類(lèi)化合物香蘭素的耐受能力，而對(duì)呋喃衍生物糠醛、羧甲基糠醛和酚類(lèi)化合物紫丁香醛較敏感。
　　利用響應(yīng)曲面法優(yōu)化玉米秸稈半纖維素稀酸水解條件，在酸濃度1.69％、處理時(shí)間117min最優(yōu)水解條件下，玉米秸稈中半纖維素的脫

5、除程度達(dá)80.5%，水解液中木糖、阿拉伯糖和葡萄糖含量分別為9.11g/L、1.85g/L和0.88g/L。半纖維素水解液產(chǎn)氫性能表明菌株 W16能有效利用半纖維素水解液進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫，水解液含有的乙酸糠醛等副產(chǎn)物沒(méi)有對(duì)其產(chǎn)生抑制作用。
　　建立了嗜熱厭氧纖維素降解產(chǎn)氫菌的篩選方法，并獲得了一株具有良好纖維素降解產(chǎn)氫能力的菌株Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum M18。該菌能有效利

6、用微晶纖維素、木聚糖、纖維素濾紙發(fā)酵產(chǎn)氫，也能利用未經(jīng)處理的天然木質(zhì)纖維原料玉米秸稈、稻草和玉米芯產(chǎn)氫。在碳源濃度為5g/L的微晶纖維素粉和玉米秸稈粉培養(yǎng)基中其產(chǎn)氫能力及對(duì)底物的降解率分別為44.5mmol/L（243.7ml/g-微晶纖維素）、8.45mmol/L（80.2ml/g-玉米秸稈）和81.9%、47.2%。纖維素酶學(xué)特性分析表明菌株M18所產(chǎn)纖維素酶為誘導(dǎo)酶，只有在纖維素類(lèi)物質(zhì)的誘導(dǎo)下才能產(chǎn)生，不同細(xì)胞組分酶活性檢測(cè)表明其

7、所產(chǎn)纖維素酶主要分布在細(xì)胞外。
　　借助SEM、FTIR、XRD、13C-NMR、GC-MS分析手段及纖維素、半纖維素分解酶活測(cè)定全面、系統(tǒng)的解析了菌株M18對(duì)玉米秸稈的降解特性，得出了菌株M18誘導(dǎo)產(chǎn)酶的過(guò)程也是秸稈降解的過(guò)程，明確了其在秸稈降解過(guò)程中對(duì)纖維素和半纖維素的降解優(yōu)勢(shì)，并且半纖維素的降解優(yōu)先于纖維素的降解，在降解過(guò)程中，纖維素分子內(nèi)氫鍵發(fā)生斷裂，纖維素結(jié)晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)都遭到破壞，纖維素和半纖維素在纖維素酶和半纖維素酶

8、的作用下被降解成小分子物質(zhì)后而被菌株M18直接利用并進(jìn)一步發(fā)酵產(chǎn)生氫氣，同時(shí)也表明木質(zhì)素的存在是制約秸稈生物轉(zhuǎn)化的主要障礙。
　　針對(duì)秸稈中木質(zhì)素的存在影響了菌株 M18對(duì)纖維素和半纖維素的生物轉(zhuǎn)化效率針，通過(guò)比較不同預(yù)處理方法的特點(diǎn)及作用機(jī)理，采用氫氧化鈉預(yù)處理技術(shù)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行脫木素，預(yù)處理后得到纖維素固體殘?jiān)蛪A溶半纖維素糖類(lèi)水溶液兩部分。利用戊糖發(fā)酵菌W16和纖維素降解菌M18各自優(yōu)勢(shì)將堿溶半纖維素糖類(lèi)的回收利用與固體殘?jiān)?/p>