微生物混合菌群促進(jìn)粗甘油生物轉(zhuǎn)化同步產(chǎn)氫產(chǎn)乙醇工藝.pdf

1、隨著世界能源需求的持續(xù)增長，用可再生能源替代正在快速消耗的化石能源日益迫切。因此，包括氫氣、生物乙醇、生物柴油在內(nèi)的生物能源正在變得更加重要。作為一種可再生、無污染的能源方式，生物能源勢必對未來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整產(chǎn)生重要貢獻(xiàn)。最近幾年生物柴油生產(chǎn)量已經(jīng)呈現(xiàn)指數(shù)增長，與此同時(shí)，生產(chǎn)工藝伴隨產(chǎn)生大量的甘油副產(chǎn)品，相關(guān)學(xué)者指出這些粗甘油是一種品質(zhì)適宜、量大、低廉的發(fā)酵原材料。到目前為止，許多研究致力于采用純菌（或者不典型的混合菌群）轉(zhuǎn)化純甘油，但是

2、由于抑制化合物的存在往往導(dǎo)致在對粗甘油轉(zhuǎn)化試驗(yàn)時(shí)獲得的發(fā)酵效能比較低。因此，本研究采用一種新的方式直接針對生物柴油伴生的粗甘油進(jìn)行篩選培育專性混合功能菌群并進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用優(yōu)化研究。
　　通過多次小型序批式轉(zhuǎn)接優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)從污泥中富集目標(biāo)菌，這種方式僅需要一個(gè)基本的培養(yǎng)基（不需要額外的營養(yǎng)條件）就能夠僅僅依靠粗甘油為唯一碳源進(jìn)行培養(yǎng)。通過16S rDNA克隆文庫分析，富集培養(yǎng)后的微生物群落中有58％的菌群屬于Klebsiella菌屬，

3、32%屬于Escherichia菌屬。這些主要優(yōu)勢菌群均具備甘油發(fā)酵能力，能夠產(chǎn)生氫氣和乙醇。除此之外，所富集功能菌群的少數(shù)菌屬于Cupriavidus菌屬占10%，這類菌不能直接利用甘油代謝，但是它們的功能是轉(zhuǎn)化甲醇。甲醇是粗甘油中最典型的雜質(zhì)成分，甲醇的存在會(huì)造成其他發(fā)酵菌的生長和代謝抑制。因此，本研究采用的富集方法所獲得的功能菌群可以實(shí)現(xiàn)高效的甘油轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣和乙醇，同時(shí)發(fā)揮穩(wěn)定的優(yōu)勢發(fā)酵功能，這為后續(xù)的優(yōu)化調(diào)控提供研究條件。

4、r>　　研究在125 mL序批發(fā)酵靜態(tài)優(yōu)化試驗(yàn)中，所富集的目標(biāo)功能菌群能夠有效的將甘油轉(zhuǎn)化為氫氣和乙醇，轉(zhuǎn)化率均能夠接近理論計(jì)量產(chǎn)率。在37℃，初始pH值為7.9，甘油進(jìn)料濃度為15.0 g/L條件下，最高氫氣產(chǎn)率達(dá)到0.96mol H2/mol glycerolconsumed，最大產(chǎn)氫速率為2191 mL H2/L/d。乙醇轉(zhuǎn)化率達(dá)到1 mol EtOH/mol glycerolconsumed，產(chǎn)物含量約為8 g/L，甘油的轉(zhuǎn)化率

5、高達(dá)98%?？偰芰哭D(zhuǎn)化效率達(dá)到98.25%，其中產(chǎn)物中乙醇貢獻(xiàn)82%、氫氣貢獻(xiàn)16.25%。研究結(jié)果表明這種甘油發(fā)酵同步獲得乙醇和氫氣的方式優(yōu)勢十分巨大?；诖耍瑢⒃撛囼?yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于構(gòu)建穩(wěn)定的混合功能菌群的高效甘油發(fā)酵轉(zhuǎn)化工藝是具備可行性的，能夠?qū)崿F(xiàn)同步乙醇和氫氣的最大轉(zhuǎn)化。此外，超過50%的甘油到乙醇的轉(zhuǎn)化能力意味著乙醇為主要發(fā)酵產(chǎn)物的潛力。
　　本研究結(jié)果獲得的粗甘油產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率達(dá)到了同期文獻(xiàn)中報(bào)道的最好水平，但是報(bào)道中采用的是純

6、甘油序批式試驗(yàn)所獲得的實(shí)際運(yùn)行效果與理論值相當(dāng)。本研究能夠較早報(bào)道的完全以乙醇和氫氣為共同產(chǎn)品的最大收益研究。試驗(yàn)表明采用富集的高效功能菌群和優(yōu)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一個(gè)能夠獲得高效轉(zhuǎn)化粗甘油獲得生物能源的有效方法，該方法不需要外加維生素、礦物元素或者蛋白胨、酵母浸粉等復(fù)雜的培養(yǎng)條件。在此優(yōu)勢基礎(chǔ)上，放大試驗(yàn)在一個(gè)3L的生物反應(yīng)器（工作條件1 L）中進(jìn)行，靜態(tài)模型獲得進(jìn)一步檢驗(yàn)，通過優(yōu)化進(jìn)一步提高目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)量。對模型的預(yù)測獲得很好的結(jié)果：通過 B

7、ox-Behnken優(yōu)化模型設(shè)計(jì)計(jì)算獲得不同預(yù)測值僅比實(shí)際獲得結(jié)果在氫氣產(chǎn)率上高出6.5%、乙醇產(chǎn)率高出2.3%，因此，研究表明該靜態(tài)預(yù)測試驗(yàn)過程可以用于放大試驗(yàn)的預(yù)測分析。
　　通過不同類型甘油的對比試驗(yàn)（純甘油、兩種粗甘油，分別都在滅菌和不滅菌兩種條件），分析結(jié)果表明在該工藝模型中產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率不會(huì)隨著不同底物性質(zhì)而產(chǎn)生產(chǎn)品差異。氫氣產(chǎn)生速率基本穩(wěn)定在2.96 L/L/d±185，氫氣轉(zhuǎn)化率為0.9 mol H2/molglyce

8、rolconsumed。平均氫氣積累量達(dá)到3.62 L/L/d±199，氫氣含量為54%±0.99。通過修正的Gompertz方程對動(dòng)力學(xué)特征解析與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，這表明采用富集混合功能菌群處置復(fù)雜底物的可行性。事實(shí)上，本研究與很多已發(fā)表的研究文章結(jié)果不同之處在于與純甘油相比沒有效能的損耗，但是最大的氫氣產(chǎn)率同樣是在對進(jìn)料底物不滅菌條件下獲得。此外，底物降解效率在擴(kuò)大試驗(yàn)條件下有所降低，平均轉(zhuǎn)化率達(dá)到97.42%±0.98，所有發(fā)酵產(chǎn)物的

9、碳平衡率為88%。
　　在進(jìn)料速率為20g/L粗甘油時(shí)，未添加任何額外營養(yǎng)元素并不需要滅菌條件下進(jìn)料，序批式試驗(yàn)獲得的乙醇濃度增加了3倍，達(dá)到26 g/L，平均產(chǎn)率達(dá)到0.4 gEtOH/gglycerol consumed；氫氣產(chǎn)量達(dá)到9L，平均氫氣產(chǎn)率為0.14 L H2/gglycerol consumed。甘油底物降解率達(dá)到65.3 g/L（相當(dāng)于95 g/L粗甘油進(jìn)料）。在超過380小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)工藝整體底物轉(zhuǎn)化率接近

10、87.4%。乙醇為最主要的發(fā)酵產(chǎn)物，占到所有代謝產(chǎn)物的81%。基于上述研究，采用一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)成本核算對可以應(yīng)用的工業(yè)運(yùn)行規(guī)模進(jìn)行估算，對于一個(gè)可以達(dá)到28 MWth的工廠，理論停留時(shí)間為120 h達(dá)到26g/L乙醇產(chǎn)量條件，氫氣和乙醇共同貢獻(xiàn)的能量成本為0.019€/kWhth和0.057€/kWhel。不考慮可能的氫氣收益，生物乙醇成本為0.21€/L。這些結(jié)果意味著所開發(fā)的工藝能夠?qū)崿F(xiàn)經(jīng)濟(jì)上盈利，體現(xiàn)了未來較好的應(yīng)用前景。為了使該技

11、術(shù)更加貼近市場調(diào)節(jié)，后續(xù)研究主要針對未來實(shí)驗(yàn)室和放大試驗(yàn)的實(shí)際具體目標(biāo)進(jìn)行了深入分析。
　　考慮到實(shí)際甘油發(fā)酵過程條件下很難排除其他營養(yǎng)成分的介入，采用所富集的功能菌群針對結(jié)合農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)產(chǎn)生的有機(jī)廢棄物進(jìn)行共發(fā)酵進(jìn)行了進(jìn)一步研究。研究采用了混料試驗(yàn)設(shè)計(jì)對甘油和共發(fā)酵基質(zhì)（乳清干酪和牛肉漿）混合比例進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)，對氫氣產(chǎn)量隨底物混合比例的變化影響進(jìn)行分析。通過條件優(yōu)化，當(dāng)?shù)孜餅?0%的牛肉漿和70%的乳清干酪混合條件下，混料試驗(yàn)