固态发酵具有节能节水、环境友好的优势,是缓解现代发酵工业中废水量大、环境污染严重等瓶颈问题的重要措施。论文首先从固态发酵培养基固体基质物化性质切入,研究其对固态发酵的影响。其次,针对好氧和厌氧等不同微生物特性,研发出适合的固态发酵新工艺。


取得的主要研究结果如下:


(1)固态发酵培养基中的固体基质多为难以直接利用的有机大分子,适宜的前处理有助于微生物快速生长。论文选用汽爆处理麸皮固体基质,在0.5 MPa、5 min条件下,总游离糖含量从9.83 mg/g增加至30.75 mg/g。论文选用丛毛红曲作为实验菌株进行固态发酵酯化酶。与对照组相比,汽爆处理麸皮基质中菌体量由30.5 mg/g增加至63.6 mg/g,酯化酶活力由0.99 U/g增加至1.72 U/g。此外,汽爆在实现大分子组分预降解的同时还可以起到固体基质灭菌作用。论文对比了物料随蒸汽流动汽爆灭菌和物料的原位汽爆灭菌方式,两种灭菌方式分别在128℃、5 min和133℃、10 min达到灭菌效果。物料随蒸汽流动汽爆灭菌方式比原位汽爆灭菌效率高,但是原位汽爆灭菌不会造成固体基质的过度粉碎。因此,这两种汽爆灭菌方式适用于不同固体基质的灭菌。


(2)从培养基固体基质物理特性出发,研究其对固态发酵过程基质团结收缩和装料系数的影响。论文对麸皮造粒得到了空心圆柱和实心圆柱两种固体基质颗粒。与未造粒原料相比,空心圆柱基质颗粒和实心圆柱基质颗粒的形变量分别减少9.5%和20.7%,表明造粒后的培养基具有更强的抗结团收缩能力。将未造粒培养基和造粒培养基用于固态发酵,在装料体积为100 mL时,未造粒培养基、空心圆柱和实心圆柱固体基质装料量分别为21.2 g,62.7 g,和67.5 g,发酵后总生物量分别为1.60 g,2.97 g和2.22 g,说明造粒能有效提高装料系数,提高总生物量积累。


(3)发明二段式气相双动态固态好氧发酵小盾壳霉新工艺。与对照组相比,在空气脉动高压0.2 MPa、20 s,常压维持20 min的周期脉动条件下,气相双动态固态发酵240 h时发酵基质中生物量由98.9 mg/g增加至147 mg/g,表明气相双动态有利于菌体生长。但是,由此导致体系内温度的快速积累使得小盾壳霉不能分化形成分生孢子器,从根本上抑制小盾壳霉孢子的产生。二段式气相双动态固态发酵是指小盾壳霉前期在气相双动态体系培养,后期转入低温培养。在此工艺下,发酵216 h时,气相双动态固态发酵体系内孢子产量为1.53×1010/g干基。


(4)研究吐温-20、聚乙二醇、木质素磺酸钠等助剂对汽爆玉米秸秆固态酶解影响,其中3%的聚乙二醇和吐温-20都能加速葡聚糖转化,吐温-20辅助酶解体系下72 h葡聚糖转化率达到73.85%。在此基础上构建了描述汽爆玉米秸秆葡聚糖转化率和时间关系的扩散-反应高固酶解动力学模型。基于此动力学模型的计算结果表明,吐温-20酶解体系中相对扩散速率(ε2/ε3)提高7.3%。此外,论文采用低场核磁表征酶解过程固体基质中水的状态变化,结果显示吐温-20辅助酶解体系下固体基质对水的束缚作用减小,为酶的扩散提供了较好的条件。


(5)针对固态厌氧发酵存在的氧分压高,CO2积累不利于乙醇固态发酵问题,发明了氮气周期脉动固态厌氧发酵乙醇新方法。在高压0.2 Mpa、30 s,常压180 min条件下,发酵24 h时,氮气周期脉动固态发酵体系中乙醇浓度达到39.9 g/L,而氮气保护组和对照组的乙醇浓度为21.7 g/L和22.2 g/L。论文了检测两种发酵体系CO2浓度变化,氮气周期脉动固态发酵体系中CO2浓度始终维持较低的水平(小于5000 ppm),而对照组CO2浓度持续积累,在21 h达到38080 ppm,证实脉动过程有利于传质过程。氮气为糖化酵母提供了较好的厌氧环境,脉动过程则加速了CO2移除,因而提高了糖化酵母固态厌氧发酵乙醇的效率。

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