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秸秆是储量丰富的可再生资源,将秸秆降解用于发酵大宗化学品对于减少石化资源使用和保障粮食安全具有重要意义,克服秸秆发酵生产大宗化学品的技术障碍和经济瓶颈使其实现产业化是目前面临的迫切任务。基于此,本论文首先研究了汽爆和水流筛分组合处理秸秆进行分级方法,其次探索秸秆酶解液发酵黄原胶的可行性,最后选用惰性载体固态发酵方式生产黄原胶。通过上述研究得到了以下结果:
1)建立了汽爆和水流筛分组合处理的秸秆分级方法,其筛分得到的纤维细胞、杂细胞分别占总量的47.6％和19.9％。分析两者化学组成、形态和酶解性质显示,杂细胞可在1:3的高固液比条件下酶解,酶解液糖浓度达到81.99 g L-1,直接满足了发酵所需高糖浓度的要求；而纤维细胞难以在高固液比酶解,在1:20下酶解率仅为42.61％。上述结果说明麦草汽爆分级处理和分别利用是实现秸秆高值化的有效途径。
2)建立了汽爆秸秆酶解液发酵黄原胶的工艺系统。首先研究了野油菜黄单胞菌对汽爆所产生抑制成分的敏感性以及这些物质的脱除方法。结果表明弱酸、呋喃衍生物和酚类物质都对黄原胶发酵有抑制作用。相近的汽爆强度下,使用低压和长维持时间的组合可以有效减少抑制物的生成量。1.3MPa、8 min汽爆条件下(R0=7552)的糠醛、5-羟甲基糠醛、酚类物质产生量比1.4MPa、6 min(R0=7787)条件下分别低37.1％、37.8％和20.6％；新生磷酸钙絮凝可以去除30％的酚类物质,汽爆秸秆风干处理可以去除78.3％的甲酸,94.5％的糠醛和88.8％的羟甲基糠醛。在脱除抑制成分的基础上优化了酶解液发酵黄原胶的培养基,其产量达到20.7 g L-1,碳源转化率达到0.62 g g-1。最后探索了木糖存在对发酵的影响。结果表明,X.campestris利用木糖能力很弱(消耗速率0.053～0.060 g L-1 h-1),木糖比例大于50％还会抑制其生长,但少量的木糖的存在(总糖的10％)可以提高黄原胶的分子量和侧链上乙酰基团、丙酮酰基团的含量,有提高产物品质作用。
3)针对液态发酵黄原胶发酵液粘度大,难以实现高浓度发酵的问题,选用惰性载体固态发酵技术生产黄原胶,并对其发酵过程进行了动力学表征。结果显示在0.5cm立方体颗粒聚氨酯树脂载体,固液比1:15(w:w)以及4.5 cm堆料厚度条件下,惰性载体固态发酵黄原胶浓度达到38.65 g L-1,是相应液态发酵产量的1.8倍。进一步分析比较静态固态发酵和压力脉动固态发酵方式对惰性吸附载体固态发酵黄原胶的影响,发现压力脉动方式能提高黄原胶发酵水平,使其产物浓度达到42.62 g L-1。
4.建立了近红外光谱快速分析黄原胶固态发酵样品的方法。模型的外部验证显示,黄原胶浓度和生物量浓度的预测均方差分别为0.5597 g L-1和0.1692 g L-1。说明近红外光谱技术能够满足黄原胶固态发酵过程分析快速、准确的要求,为固态发酵提供了一种简便的分析方法。