造纸污泥酶解发酵特性及资源化实现途径

以纤维素酶产生菌Clostridium thermocellum和五碳糖发酵菌种Thermoanaerobacterium saccharolyticum TS-6和Saccharomyces cerevisiae SHY07-1为材料，在造纸污泥同步糖化共发酵工艺建立的基础上，进一步对五碳糖发酵菌种的酒精和造纸污泥的耐受性进行驯化，利用C. thermocellum纤维素酶研究造纸污泥的酶解发酵特性，揭示C. thermocellum纤维小体作用机制和造纸污泥酶解发酵的基本规律。在5L反应器培养系统中进一步对酶解发酵特性进行研究，建立发酵系统的计算流体动力学模型，对混合和热量传递进行模拟，探索造纸污泥的酶解发酵资源化途径。本项目不仅有可能阐述造纸污泥的酶解发酵规律，揭示C.thermocellum纤维小体催化机制，探索造纸污泥酶解发酵资源化途径，而且在纤维素酒精示范方面具有重要意义。

造纸污泥是制浆和造纸工业废水处理过程的固体残渣，其纤维素和半纤维素颗粒细小，具有较大的比表面积，被认为是一种很有吸引力的生产酒精及其他生物化工产品的原料。在对三种不同来源的造纸污泥的成分进行测定，化学制浆污泥PS3灰分含量最低且葡聚糖含量最高,脱墨污泥PS1则相反,灰分含量较大,碳水化合物含量少。采用化学制浆工艺的污泥,除去水分和灰分含量,其碳水化合物含量约占50-80%,葡聚糖含量约占40-70%。研究不同工艺来源的造纸污泥的酶解条件和酶解特性，当PS3初始底物浓度为2%(w/v)时,水解72h，污泥糖化率可达到99.65%，当提高初始底物浓度至6.0%(w/v)并延长水解时间至144 h时，糖化率达到89.92%。在对五碳糖发酵菌种的酒精和造纸污泥耐受性驯化的基础上，以SSCF工艺对造纸污泥的发酵特性进行研究，在底物浓度（以纤维素计）35g/L、纤维素酶添加量55FPU/g有效纤维素浓度、接种量6%、反应温度37℃和摇床转速200r/min条件下发酵72h，乙醇发酵效率达最大值95.97%。.以国际公认的Clostridium thermocellum作为试验菌株，直接对造纸污泥的发酵特性进行研究，C.thermocellum能直接发酵未经任何预处理的造纸污泥，在化学制浆污泥中其乙醇产量最高达到7.41 g/L，纤维素酶活和木聚糖酶活最高分别达到1.92 FPU/mL和1.30 U/mL；在脱墨污泥里其发酵受到明显的抑制，乙醇产量只有1.31 g/L，纤维素酶活和木聚糖酶活分别为1.64 FPU/mL和0.90 U/mL。C.thermocellum粗酶液纤维素酶最适温度为60°C，最适pH为5.5；木聚糖酶最适温度为70°C，最适pH为7.0，两种酶都表现出较广的金属离子适应性。采用外源酒精胁迫的方法通过61代的连续传代成功将C.thermocellum野生菌的酒精耐受性提高到5.0%。驯化菌在5 g/L纤维素底物的摇瓶培养后，乙醇产量为1.23 g/L，较野生菌提高了20.58%；以20 g/L纤维素为底物进行反应器培养，驯化菌的乙醇产量在96 h达到最高值为5.17 g/L，相较野生菌提高了28.93%，说明驯化过程对于C.thermocellum的乙醇产量有明显的提高。.C.thermocellum驯化菌和产淀粉酶与木聚糖酶的Thermoanaeroba