微生物混合菌群促進粗甘油生物轉(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。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，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)化試驗時獲得的發(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行篩選培育專性混合功能菌群并進行實際應(yīng)用優(yōu)化研究。
　　通過多次小型序批式轉(zhuǎn)接優(yōu)化可以實現(xiàn)從污泥中富集目標菌，這種方式僅需要一個基本的培養(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現(xiàn)高效的甘油轉(zhuǎn)化產(chǎn)生氫氣和乙醇，同時發(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)化試驗中，所富集的目標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量產(chǎn)率。在37℃，初始pH值為7.9，甘油進料濃度為15.0 g/L條件下，最高氫氣產(chǎn)率達到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98%?？偰芰哭D(zhuǎn)化效率達到98.25%，其中產(chǎn)物中乙醇貢獻82%、氫氣貢獻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撛囼炘O(shè)計應(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)化率達到了同期文獻中報道的最好水平，但是報道中采用的是純

6、甘油序批式試驗所獲得的實際運行效果與理論值相當。本研究能夠較早報道的完全以乙醇和氫氣為共同產(chǎn)品的最大收益研究。試驗表明采用富集的高效功能菌群和優(yōu)化試驗設(shè)計是一個能夠獲得高效轉(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，放大試驗在一個3L的生物反應(yīng)器（工作條件1 L）中進行，靜態(tài)模型獲得進一步檢驗，通過優(yōu)化進一步提高目標產(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)計計算獲得不同預(yù)測值僅比實際獲得結(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)測試驗過程可以用于放大試驗的預(yù)測分析。
　　通過不同類型甘油的對比試驗（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方程對動力學(xué)特征解析與試驗數(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)率同樣是在對進料底物不滅菌條件下獲得。此外，底物降解效率在擴大試驗條件下有所降低，平均轉(zhuǎn)化率達到97.42%±0.98，所有發(fā)酵產(chǎn)物的

9、碳平衡率為88%。
　　在進料速率為20g/L粗甘油時，未添加任何額外營養(yǎng)元素并不需要滅菌條件下進料，序批式試驗獲得的乙醇濃度增加了3倍，達到26 g/L，平均產(chǎn)率達到0.4 gEtOH/gglycerol consumed；氫氣產(chǎn)量達到9L，平均氫氣產(chǎn)率為0.14 L H2/gglycerol consumed。甘油底物降解率達到65.3 g/L（相當于95 g/L粗甘油進料）。在超過380小時的運行時間內(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，采用一個技術(shù)經(jīng)濟成本核算對可以應(yīng)用的工業(yè)運行規(guī)模進行估算，對于一個可以達到28 MWth的工廠，理論停留時間為120 h達到26g/L乙醇產(chǎn)量條件，氫氣和乙醇共同貢獻的能量成本為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驗室和放大試驗的實際具體目標進行了深入分析。
　　考慮到實際甘油發(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)生的有機廢棄物進行共發(fā)酵進行了進一步研究。研究采用了混料試驗設(shè)計對甘油和共發(fā)酵基質(zhì)（乳清干酪和牛肉漿）混合比例進行了優(yōu)化試驗，對氫氣產(chǎn)量隨底物混合比例的變化影響進行分析。通過條件優(yōu)化，當?shù)孜餅?0%的牛肉漿和70%的乳清干酪混合條件下，混料試驗