微生物混合菌群促進粗甘油生物轉化同步產氫產乙醇工藝.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構調整產生重要貢獻。最近幾年生物柴油生產量已經呈現指數增長，與此同時，生產工藝伴隨產生大量的甘油副產品，相關學者指出這些粗甘油是一種品質適宜、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）轉化純甘油，但是

2、由于抑制化合物的存在往往導致在對粗甘油轉化試驗時獲得的發(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用優(yōu)化研究。
　　通過多次小型序批式轉接優(yōu)化可以實現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，能夠產生氫氣和乙醇。除此之外，所富集功能菌群的少數菌屬于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化甲醇。甲醇是粗甘油中最典型的雜質成分，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高效的甘油轉化產生氫氣和乙醇，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化為氫氣和乙醇，轉化率均能夠接近理論計量產率。在37℃，初始pH值為7.9，甘油進料濃度為15.0 g/L條件下，最高氫氣產率達到0.96mol H2/mol glycerolconsumed，最大產氫速率為2191 mL H2/L/d。乙醇轉化率達到1 mol EtOH/mol glycerolconsumed，產物含量約為8 g/L，甘油的轉化率

5、高達98%。總能量轉化效率達到98.25%，其中產物中乙醇貢獻82%、氫氣貢獻16.25%。研究結果表明這種甘油發(fā)酵同步獲得乙醇和氫氣的方式優(yōu)勢十分巨大。基于此，將該試驗設計應用于構建穩(wěn)定的混合功能菌群的高效甘油發(fā)酵轉化工藝是具備可行性的，能夠實現同步乙醇和氫氣的最大轉化。此外，超過50%的甘油到乙醇的轉化能力意味著乙醇為主要發(fā)酵產物的潛力。
　　本研究結果獲得的粗甘油產品轉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)化試驗設計是一個能夠獲得高效轉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、酵母浸粉等復雜的培養(yǎng)條件。在此優(yōu)勢基礎上，放大試驗在一個3L的生物反應器（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物產量。對模型的預測獲得很好的結果：通過 B

7、ox-Behnken優(yōu)化模型設計計算獲得不同預測值僅比實際獲得結果在氫氣產率上高出6.5%、乙醇產率高出2.3%，因此，研究表明該靜態(tài)預測試驗過程可以用于放大試驗的預測分析。
　　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），分析結果表明在該工藝模型中產品轉化率不會隨著不同底物性質而產生產品差異。氫氣產生速率基本穩(wěn)定在2.96 L/L/d±185，氫氣轉化率為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方程對動力學特征解析與試驗數據一致，這表明采用富集混合功能菌群處置復雜底物的可行性。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，平均轉化率達到97.42%±0.98，所有發(fā)酵產物的

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，平均產率達到0.4 gEtOH/gglycerol consumed；氫氣產量達到9L，平均氫氣產率為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小時的運行時間內工藝整體底物轉化率接近

10、87.4%。乙醇為最主要的發(fā)酵產物，占到所有代謝產物的81%?；谏鲜鲅芯?，采用一個技術經濟成本核算對可以應用的工業(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。這些結果意味著所開發(fā)的工藝能夠實現經濟上盈利，體現了未來較好的應用前景。為了使該技

11、術更加貼近市場調節(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合農業(yè)和畜牧業(yè)產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計對甘油和共發(fā)酵基質（乳清干酪和牛肉漿）混合比例進行了優(yōu)化試驗，對氫氣產量隨底物混合比例的變化影響進行分析。通過條件優(yōu)化，當底物為30%的牛肉漿和70%的乳清干酪混合條件下，混料試驗