木醋桿菌煉制纖維素廢料制備細(xì)菌納米纖維素的研究.pdf

1、細(xì)菌纖維素(bacterial cellulose，簡稱BC)是一種由微生物產(chǎn)生的具有納米結(jié)構(gòu)的纖維素，因此，也稱為細(xì)菌納米纖維素。與植物纖維素相比它具有許多優(yōu)良的特性，譬如:高持水性、高聚合度、高結(jié)晶度、高純度、良好的生物相容性和高機(jī)械強(qiáng)度，因此在生物醫(yī)學(xué)材料、食品、高級音響振動膜、燃料電池、造紙和紡織等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。由于細(xì)菌纖維素生產(chǎn)成本偏高，尤其是培養(yǎng)基成本偏高，限制了其規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。纖維素廢料是地球上最豐富

2、的可再生聚糖類資源，可作為生物煉制的碳源。由于其來源廣、價格低，因此最有希望用于細(xì)菌纖維素的規(guī)?；统杀景l(fā)酵生產(chǎn)。本文從細(xì)菌纖維素規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)和纖維素廢料資源化利用的多角度出發(fā)，利用不同來源的纖維素廢料開發(fā)細(xì)菌纖維素的生物煉制技術(shù)。
　　由于原料的結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成不同，在生物煉制過程中所面臨的問題也不盡相同。因此，本文針對高效生物利用木質(zhì)纖維素資源的共性關(guān)鍵技術(shù)，分別以纖維素行業(yè)（紡織和造紙）中產(chǎn)生的三種不同纖維素廢料為原料模型，

3、研究探討這三種原料制備細(xì)菌纖維素的可行性，重點研究制備細(xì)菌纖維素過程中所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題。主要包括原料水解前預(yù)處理、水解液脫毒、降低纖維素酶水解成本、發(fā)酵廢液資源化利用和廢液減排等核心問題。通過對以上問題的研究，開發(fā)針對不同類型纖維素廢料制備細(xì)菌纖維素的共性關(guān)鍵技術(shù)，為今后的細(xì)菌纖維素規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)提供必需的技術(shù)路線，并倡導(dǎo)資源節(jié)約型理念。本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1、以云杉木屑為原料，經(jīng)SO2預(yù)處理、酶水解獲得可發(fā)酵

4、糖以制備細(xì)菌纖維素。重點比較了多種脫毒方法對水解液中抑制物的去除效果，并研究了水解液脫毒前后對木醋桿菌生長和細(xì)菌纖維素產(chǎn)量的影響。結(jié)果顯示活性炭吸附脫毒對抑制物去除效果最好，在四大類主要抑制物的去除中效率最高，分別去除了94％的醛類、88％的酚類、39％的甲酸和28％的乙酸，因此BC產(chǎn)量也最高。木醋桿菌主要利用葡萄糖，少量利用木糖和甘露糖，幾乎不利用阿拉伯糖和半乳糖。乙酸比甲酸更易被細(xì)菌代謝利用，糠醛和5-羥甲基糠醛除了揮發(fā)外還應(yīng)該可以

5、被細(xì)菌消耗或轉(zhuǎn)化為其它化合物。通過酚氧化酶的專一性去除酚類抑制物的實驗結(jié)果表明，水解液中的酚類相對于弱酸和呋喃醛類抑制物有更強(qiáng)的抑菌性，是今后木質(zhì)纖維素水解液制備細(xì)菌纖維素工藝中必須重點除去的抑制物。
　　2、以硫酸鹽和亞硫酸鹽紙漿廢料為原料，經(jīng)直接酶水解獲得可發(fā)酵糖以制備細(xì)菌纖維素。重點探討以酶水解液為碳源制備細(xì)菌纖維素及其發(fā)酵廢液資源化利用制備木質(zhì)纖維素水解酶的可行性。結(jié)果顯示，兩種紙漿廢料經(jīng)水解后都能很好地作為碳源生產(chǎn)細(xì)菌纖

6、維素。硫酸鹽和亞硫酸鹽紙漿酶解液制備的細(xì)菌纖維素產(chǎn)量分別可達(dá)11和10g/L，但是里氏木霉利用兩種發(fā)酵廢液的產(chǎn)酶情況差異巨大。硫酸鹽紙漿發(fā)酵廢液為速效碳源，補(bǔ)充硫酸鹽紙漿為誘導(dǎo)物時，纖維素酶活力可達(dá)5.2U/mL，與葡萄糖為速效碳源獲得的活力(5.1U/mL)相當(dāng)，然而木聚糖酶活力高達(dá)74.7U/mL，比葡萄糖對照組的22.6U/mL高了3倍多。以亞硫酸鹽紙漿發(fā)酵廢液為速效碳源，亞硫酸鹽紙漿為誘導(dǎo)物時，纖維素酶和木聚糖酶的活力都很低，但

7、是分別以發(fā)酵廢液和亞硫酸鹽紙漿與其它碳源結(jié)合時都能獲得接近于葡萄糖對照組的活力。綜合分析后發(fā)現(xiàn)，可能是亞硫酸鹽紙漿廢料發(fā)酵液結(jié)合亞硫酸鹽紙漿廢料會產(chǎn)生強(qiáng)抑制，不利于產(chǎn)酶。為尋找其中可能的抑制物，探討在培養(yǎng)基中添加小于100mM的Na2SO4和小于10mM的Na2SO3對里氏木霉產(chǎn)酶的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)100mM濃度以內(nèi)的硫酸鈉對提升纖維素酶和木聚糖酶活力都有一定作用，尤其促木聚糖酶活力明顯。5mM以內(nèi)的亞硫酸鹽也具有一定的促產(chǎn)酶效果，但是當(dāng)

8、濃度達(dá)到10mM時會強(qiáng)烈抑制產(chǎn)酶。生物煉制企業(yè)的發(fā)酵廢液資源化利用產(chǎn)纖維素水解酶，不僅可以減少廢液排放，而且可以充分利用原料資源，獲得的水解酶用于補(bǔ)充木質(zhì)纖維素原料水解用酶以降低酶解成本。
　　3、以廢棄棉織物為原料，通過新型綠色溶劑——離子液體[AMIM]Cl預(yù)處理以提高酶水解效率和得糖率，成功制備細(xì)菌纖維素。獲最佳酶解效果所需的處理工藝為:1g棉布在110℃下溶于10g離子液體。再生棉纖維素中殘余[AMIM]Cl濃度高于20m

9、g/mL時將抑制纖維素酶的活性;濃度高于0.5mg/mL時會降低BC產(chǎn)量。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活性染料濃度超過5g/L時也會抑制纖維素酶活力，降低酶水解效率;當(dāng)濃度大于1g/L時，則會抑制BC產(chǎn)量。預(yù)處理后棉織物的酶解得糖率可達(dá)95％以上，是未處理的3-6倍。棉織物酶解液可以成功制備BC，產(chǎn)量比葡萄糖對照組高出約2倍。離子液體預(yù)處理顯著提高酶解效率和得糖率，為木質(zhì)纖維素資源的高效利用提供了新途徑。
　　4、為了進(jìn)一步研究發(fā)酵廢液產(chǎn)酶的機(jī)理