【摘 要】
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在生物质能利用中,木质纤维素由于其难降解性而无法被很好利用,而通过对其进行热解气化得到的以CO、CO2、H2为主的热解气可以利用发酵技术将其转化为含碳有机物(如乙酸、乙醇、丁醇等)。在利用生物质热解气为底物进行发酵的菌株选择方面,主要分为纯菌发酵和混菌发酵两种。但对于复杂的热解气成分,纯菌发酵由于菌株单一、耐受性较低往往无法很好地适应,而混菌发酵往往能够基于自身菌群的多样性对热解气有较好地适应性,
【基金项目】
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国家重点研发计划课题(No.2018YFB1501401):纤维素类生物质生物、化学、热化学转化液体燃料机理与调控;
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在生物质能利用中,木质纤维素由于其难降解性而无法被很好利用,而通过对其进行热解气化得到的以CO、CO2、H2为主的热解气可以利用发酵技术将其转化为含碳有机物(如乙酸、乙醇、丁醇等)。在利用生物质热解气为底物进行发酵的菌株选择方面,主要分为纯菌发酵和混菌发酵两种。但对于复杂的热解气成分,纯菌发酵由于菌株单一、耐受性较低往往无法很好地适应,而混菌发酵往往能够基于自身菌群的多样性对热解气有较好地适应性,并且更适合实际生产,因此,有必要对混菌群进行驯化以得到适应生物质热解气发酵的混菌群。除了菌株的选择会对热解气发酵有显著影响,其培养条件也会对其有较大影响,例如,初始接种量、发酵液pH值、热解气组分等,其中,在代谢产醇方面,发酵液pH值会显著影响菌群的代谢路径,并且其适宜菌群生长的pH值与适宜产醇的pH值往往并不一致,因此,为提高乙醇产量,有必要采用pH两步法调控其细菌生长和代谢产醇。另外,在Wood-Ljungdahl代谢路径中,电子的生成有氢气经过氢化酶催化产生,但由于氢气的溶解度较低,从而导致电子产生量不高,因此,有必要为该热解气发酵系统提高电子供给量。通过细菌的自光敏化可以在细菌表面形成Cd S纳米颗粒,在光照下激发Cd S产生电子,并提供给生物质热解气发酵系统,从而解决电子限制问题。本研究首先采用连续供给模拟生物质热解气的方式对兔粪中的菌群进行富集驯化,在获得有效混菌群后,研究了接种量、pH值、热解气成分等影响因子对其生长发酵产醇性能的影响。为进一步提高乙醇产量,一方面采用两步法pH调控细菌在热解气环境下的生长和产醇,另一方面采用细菌自光敏化强化细菌电子产生速率强化产醇能力。本论文所得主要研究结论如下:(1)通过连续气体驯化从兔粪中获得能够进行热解气发酵的有效菌株,经过16s r RNA分析发现驯化后的菌群结构出现明显变化。能够利用CO/CO2生产乙醇的Blautia成为优势菌,其相对丰度显著提高5.4倍,达到41.1%,而仅能利用有机碳进行生长代谢的Bacteroides相对丰度显著下降,从40.5%降至4.2%。在发酵产物和固碳能力方面,经过连续供给热解气驯化培养后,菌群的发酵能力得到提升,最终获得了最高1.41 g L-1的乙醇浓度,并且其最高碳固定率达到14.07%。(2)研究了初始接种浓度、恒定pH值以及热解气组分浓度对菌群生长、发酵液TOC、代谢产物、菌群结构等的影响。实验表明:较低的接种量浓度会限制菌群的最大细菌密度,并且导致其发酵性能的降低;相反的,较高的接种量浓度有利于提升最大菌群密度,最高在OD600吸光度达到1.51,并且能够缩短乙酸发酵时间,延长乙醇发酵时间。此外,在发酵液pH为7时,其菌群生长速率最快,菌群最高密度在OD600吸光度达到1.39,而发酵液pH为6时,乙醇产生浓度却是最高的,达到5.15 g L-1。在热解气成分影响方面,CO成为混菌群偏好底物,在56%的CO条件下,其最高菌群密度在OD600吸光度达到1.34,最高乙醇产量达到5.44 gL-1,并且梭菌纲相对丰度达到98.13%。(3)基于发酵液pH影响菌群生长代谢规律,通过两步法pH调控同型产乙酸菌生长和产醇,发现在菌群生长至稳定期后进行pH调控不仅能够提高目标产物乙醇的浓度,达到5.85 g L-1,而且其最大菌群密度不受影响,但在指数生长期对其进行pH调控虽乙醇产量会增高,会细菌增殖受到一定的限制。另外,通过细菌自光敏化解决发酵过程中电子受限问题,成功构建同型产乙酸菌/Cd S杂交系统,细菌表面附着由Cd元素和S元素形成的Cd S纳米颗粒,在光照条件下,激发出更多的电子,为生物质热解气发酵提供更多的还原当量,以此强化发酵性能。发现虽然自光敏化会抑制菌群生长,细菌密度相对未光敏化细胞降低了12.32%,但其发酵产醇浓度最高达5.14 gL-1,相对提高了37.43%。
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