生物質(zhì)合成氣厭氧發(fā)酵制乙醇調(diào)控技術(shù)研究.pdf

1、合成氣厭氧發(fā)酵乙醇目前被認(rèn)為是一項(xiàng)極具潛力與競(jìng)爭(zhēng)力的工程應(yīng)用技術(shù)，已成為當(dāng)前研究利用生物質(zhì)材料制取生物乙醇的一個(gè)方向，為研究不同基礎(chǔ)因素對(duì)該發(fā)酵的影響和獲得能顯著提高乙醇發(fā)酵的優(yōu)良實(shí)驗(yàn)組合，本文以實(shí)驗(yàn)室富集純化獲得的菌系A(chǔ)-fm4和國(guó)外關(guān)注較多的C. ljungdahlii和C. autoethanogenumDSM10061為對(duì)象進(jìn)行對(duì)不同發(fā)酵基礎(chǔ)條件調(diào)整下利用生物質(zhì)合成氣進(jìn)行分批發(fā)酵的實(shí)驗(yàn)。
　　通過(guò)研究發(fā)酵培養(yǎng)基初始pH對(duì)發(fā)

2、酵過(guò)程的影響發(fā)現(xiàn)其對(duì)菌體生長(zhǎng)和乙醇產(chǎn)量均有顯著性作用，低初始pH（4.0～5.0）抑制菌體生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵。分析比較發(fā)酵菌A-fm4、C. ljungdahlii和C. autoethanogenum DSM10061在梯度初始pH下的發(fā)酵結(jié)果而得到其優(yōu)化值為7.0。在優(yōu)化初始pH值7.0下上述三種發(fā)酵菌的最大菌體量分別為0.048、0.171、0.087 g/L DW，較低pH（4.0）其最大乙醇產(chǎn)量分別提高2.4倍、2.2倍和4.6倍

3、，乙醇生成速率分別提高5.1倍、2.9倍和4.7倍。優(yōu)化初始pH值7.0能夠顯著促進(jìn)代謝關(guān)鍵酶氫化酶（H2ase）、一氧化碳脫氫酶（CODH）、乙醇脫氫酶（ADH）、乙酸激酶（ACK）的活性水平，且發(fā)酵菌種類(lèi)不同受其影響的程度存在差異。
　　低濃度的NH4+可促進(jìn)菌體生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵，當(dāng)其濃度高于9.35 mmol/L時(shí)，菌體生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵隨其濃度的增大而抑制顯著，NH4+濃度18.7 mmol/L～74.8 mmol/L會(huì)促進(jìn)乙酸

4、發(fā)酵。對(duì)菌株在菌體生長(zhǎng)期和乙醇/乙醇發(fā)酵期內(nèi)四種關(guān)鍵酶的活性研究表明，關(guān)鍵酶H2ase、CODH、ADH和ACK均受高濃度（149.6 mmol/L）NH4+抑制，且菌體生長(zhǎng)期的酶活水平均高于發(fā)酵期的值，H2ase、CODH、ADH隨NH4+濃度升高而酶活顯著下降，而對(duì)ACK則在NH4+濃度18.7 mmol/L至37.4 mmol/L濃度下有所提高。這說(shuō)明低濃度或未有NH4+下可促進(jìn)還原力的產(chǎn)出來(lái)提高碳源的利用效率而利于乙醇發(fā)酵，而較

5、高濃度 NH4+抑制代謝途徑，致使菌體生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵受阻。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)菌株C. ljungdahlii和C. autoethanogenum的Ki值分別為208.131 mmol/L和240.373 mmol/L，耐銨能力較強(qiáng)，可作為未來(lái)耐銨菌株的馴化提供材料，為降低工業(yè)生產(chǎn)成本和減少合成氣凈化工藝工序奠定基礎(chǔ)。另外，生物質(zhì)合成氣發(fā)酵中發(fā)酵菌對(duì)氮源的需求主要來(lái)源于氨基氮，而對(duì)無(wú)機(jī)氮源的利用能力有限，發(fā)酵中可以以氨基氮的變化來(lái)反映氮源的變化

6、，且在發(fā)酵中后期氨基氮的變化不明顯。
　　濃度1.80 mmol/L的Ca2+利于發(fā)酵菌的生長(zhǎng)和乙醇發(fā)酵，也可促進(jìn)乙酸發(fā)酵，但更利于乙醇的發(fā)酵。發(fā)酵菌在濃度1.80 mmol/L的Ca2+下各關(guān)鍵酶活性均表現(xiàn)出發(fā)酵期小于生長(zhǎng)期（C. autoethanogenum DSM10061除外），Ca2+不同濃度可以顯著影響到各關(guān)鍵酶的酶活水平來(lái)影響發(fā)酵過(guò)程，尤其是對(duì)ACK的促進(jìn)作用；濃度6.25 mmol/L的Mg2+能夠促進(jìn)發(fā)酵菌的生

7、長(zhǎng)，縮短菌體的適應(yīng)期時(shí)間。低Mg2+濃度利于乙酸發(fā)酵，高M(jìn)g2+濃度降低乙酸發(fā)酵能力。對(duì)于不同發(fā)酵菌，濃度6.25 mmol/L的Mg2+在促進(jìn)乙醇和乙酸的程度不同，6.25 mmol/L的Mg2+濃度利于A-fm4的乙醇發(fā)酵，且利于C. autoethanogenum DSM10061的乙酸發(fā)酵，但可降低C. ljungdahlii的乙酸發(fā)酵。關(guān)鍵酶CODH和H2ase在發(fā)酵不同階段的酶活受到濃度6.25 mmol/L的Mg2+的促進(jìn)

8、（除A-fm4的H2ase外），在乙醇發(fā)酵期，濃度6.25 mmol/L的Mg2+顯著提高ACK的酶活，而ADH濃度1.25 mmol/L下的活性更高；Ca2+與Mg2+的交互作用對(duì)發(fā)酵的影響明顯，Ca2+與 Mg2+對(duì)菌體 A-fm4生長(zhǎng)無(wú)交互作用，對(duì)乙醇和乙酸發(fā)酵的交互作用顯著，且Ca2+與Mg2+對(duì)乙酸發(fā)酵存在拮抗現(xiàn)象，Minitab軟件優(yōu)化出Ca2+與Mg2+對(duì)菌體A-fm4的交互值分別為1.80 mmol/L和6.25 mmo

9、l/L。交互結(jié)果促進(jìn)菌體生長(zhǎng)、乙醇和乙酸發(fā)酵，顯著提高供試菌的單位菌體乙醇和乙酸發(fā)酵能力，對(duì)菌系A(chǔ)-fm4的兩條代謝途徑可協(xié)同促進(jìn)，對(duì)菌體C. ljungdahlii和C. autoethanogenum DSM10061的乙醇和乙酸代謝支路也具有促進(jìn)。
　　最后，各因素優(yōu)化值對(duì)生物質(zhì)合成氣厭氧乙醇發(fā)酵的聯(lián)合影響顯著，各因素優(yōu)化值（NH4+0 mol/L，Mg2+6.25 mmol/L，Ca2+1.80 mmol/L）在培養(yǎng)基初始