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木薯生物炼制微生物油脂过程工艺分析论文
摘 要
生物柴油作为一种可再生的清洁能源,因大气污染和能源危机而备受关注。
目前,制备生物柴油的主要原料为植物油脂。尽管生物柴油已在欧盟、美国等国
家和地区得到应用,然而过高的生产成本限制了生物柴油的推广。生物柴油产业
化及广泛应用的关键在于开发廉价且可持续大量供应的油脂资源。微生物油脂是
产油微生物在一定条件下积累在体内的油脂,其脂肪酸组成与植物油脂类似。利
用微生物发酵生产油脂,有望为生物柴油产业提供廉价原料。本文以本实验室筛
选的一株高产油脂酵母Trichosporon cutaneum B3 为对象,探索其利用木薯原料
发酵生产微生物油脂的工艺条件。在采用摇瓶实验优化发酵条件的基础上,研究
2 L 发酵罐中补料分批发酵产油脂工艺,并且在30 L 发酵罐中进行中试,实现了
微生物油脂的高密度发酵。此外,为降低生产成本,本文还研究了利用木薯淀粉
同步糖化和发酵生产微生物油脂工艺,以及微生物油脂发酵过程中废弃细胞作为
有机氮源循环利用工艺。
摇瓶实验表明:在木薯淀粉水解液60 g/L、玉米浆6 ml/L 条件下培养144 h,
菌体生物量、油脂产量和油脂含量分别达到15.1 g/L、5.95 g/L 和39.4% 。此条
件下,在2 L 发酵罐中分批培养44 h 后生物量、油脂产量和油脂含量分别达到
28.7 g/L、12.27 g/L 和42.8 %。
在2 L 发酵罐中研究了不同补料策略对菌体生长和油脂积累的影响,研究结
果表明:将发酵培养基中总糖浓度控制在5 g/L~30 g/L,发酵92 h 后菌体生物量、
油脂产量、油脂含量分别为105.3 g/L、50.4 g/L、47.9% ,油脂产率达0.55g/(L·h) 。
在30 L 发酵罐中进行中试,发酵104 h 后菌体生物量、油脂产量和菌体内油脂
含量分别达到108.5 g/L、51.5 g/L 和47.5% ,油脂产率达到0.50 g/(L ·h) 。
研究了木薯淀粉同步糖化和发酵生产微生物油脂的工艺。采用Box–Behnken
实验设计建立了发酵温度、α-淀粉酶用量和糖化酶用量与油脂产量之间关系的回
归模型。该回归模型存在最大稳定点,即发酵温度为27.4°C、α-淀粉酶添加量为
13.5 U/g 木薯淀粉、糖化酶添加量为1462.8 U/g 木薯淀粉,此点的微生物油脂摇
瓶预期产量为 10.33 g/L 。在同步糖化和发酵模式下,结合补料分批发酵工艺,
在2 L 发酵罐中培养96 h 后油脂产量达到39.37 g/L 。
采用酶水解法制备废弃细胞水解液实现了微生物油脂发酵过程中氮源的循
环利用,结果表明:在木薯淀粉水解液60 g/L 的条件下,使用总氮含量为0.3 g/L
的酶解液作为氮源时的油脂产量达到4.41 g/L 。在总氮含量为0.3 g/L 的酶解液中
添加3.0 ml/L 玉米浆,菌体生物量和油脂产量分别达到18.5 g/L 和7.09 g/L 。使
用酶解液与玉米浆组成的复合氮源用于2 L 发酵罐补料分批发酵产油脂,菌体生
物量、油脂产量和菌体油脂含量分别达到111.6 g/L、50.9 g/L 和45.6% 。
I
生物柴油性能分析表明:以T. cutaneum B3 所产油脂制备的生物柴油组成主
要包括棕榈酸甲酯、硬脂酸甲酯、油酸甲酯、亚油酸甲酯等,其主要性能指标均
符合柴油机燃料调和用生物柴油 (BD100 )国家标准和ASTMD 生物柴油标准,
可作为一种优质的化石燃料替代品。
关键词:Trichosporon cutaneum B3 ;微生物油脂;发酵过程优化;木薯淀粉;生
物柴油
II
Abstract
In the past years, biodiesel has received increasing attention because of the air
pollution and energy crisis worldwide. At present, the main materials for biodiesel
production are cr
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