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《江南大学》 2018年
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两相法厌氧发酵产己酸及其微生物学研究

刘春梅  
【摘要】:利用厌氧菌群将有机废弃物转化成己酸等中链脂肪酸,是一种非常有潜力、可持续利用的新型能源化和资源化回收技术。本文以果蔬废弃物为发酵底物,强化厌氧酸化相的水解转化效率;以酸化发酵液为产己酸相底物,外源添加乙醇为电子供体进行己酸发酵,并借助高通量测序和荧光定量PCR技术探析了果蔬废弃物己酸发酵过程中的微生物群落结构以及功能微生物的生长规律;此外,采用离子交换树脂以减轻发酵过程中己酸积累对微生物的潜在毒性,并通过优化洗脱条件实现了树脂高效再生,从而进一步提高己酸的合成效能。本论文主要结论如下:1.果蔬废弃物厌氧发酵产酸相中,最佳pH=6,接种比为2:1时,能够实现废弃物高效水解转化。通过设置反应pH为4、5、6、7,进行厌氧产酸相条件优化。发酵类型受到pH影响,pH=4组为乙醇型发酵,pH=5、6、7三组均为丁酸型发酵;水解转化率在低pH条件下较低,随着pH升高水解转化速率得到提升。结合液相组分变化,选择pH=6为最佳条件。在接种比条件实验中,控制接种比(以TS计)为2:1、1:1、2:3,研究结果发现,不同接种比对于水解程度影响不大;但随着接种比的减小,酸化率出现降低,液相组份中丁酸比例增加,综合考虑残存碳水化合物等会对后续产己酸相产生不利影响,选择接种比2:1为最佳条件。2.合理控制醇酸比和pH对提高产己酸相的发酵效能非常关键。当醇酸比和pH控制为4:1和7.5时,己酸生成量可达14.9 g?L~(-1)。最佳乙醇投加量为18.2 g?L~(-1)(395.7m M),醇酸比4:1、pH 6.5时,己酸最高产量12.1 g?L~(-1)。在醇酸比≤4:1时,均出现了己酸产物累积,液相组份中丁酸均出现了先升高后降低的现象,乙酸可被充分利用。醇酸比=5:1时,高浓度的乙醇对微生物产生了明显的抑制,己酸发酵不能进行。因此选择醇酸比4:1作为最佳条件。选择pH 5.5、7.5、8.5、9.5作为pH优化条件,发现pH 7.5条件下的发酵性能最优,而低pH条件下丁酸明显积累,己酸少量合成;高pH条件下己酸合成几乎停滞。最优pH条件下的己酸生成量为14.9 g·L~(-1)。己酸菌(Clostridium kluyveri)指数增长期伴随着丁酸的生成,而己酸合成主要发生在生长中后期,因此发酵中后期保证足够的乙醇浓度是提高己酸产量的要素之一。此外,适当提高pH有助于减轻有机酸毒性,增加己酸菌生物量;但是碱性环境会严重抑制己酸菌的生长繁殖。通过分别对酸化相和产己酸相进行优化和调控,两相发酵策略更有利于提高己酸合成效能。3.通过微生物群落分析表明,在产己酸相中,门水平下,Firmicutes含量最为丰富;适量乙醇的添加促进了己酸的生成,这可能是因为乙醇能够作为碳源、能源及还原当量参与反应。Sporanaerobacter spp.、Clostridium kluyveri DSM 555、Enterococcus asini ATCC700915和Eubacterium spp.这4种微生物与己酸产生以及乙醇利用过程关系密切。乙醇浓度对产己酸菌群的丰度变化具有显著影响,同时己酸对体系中微生物的反馈抑制也是群落结构变化的重要影响因素。4.采用离子交换树脂以减轻发酵过程中己酸积累对微生物的潜在毒性。通过对比5种树脂的静态吸附容量和洗脱率,筛选出最适合碳链延伸过程中己酸吸附转移的离子交换树脂D201。D201的活性离子,在30℃、中性条件下能够与溶液中的酸根离子(如:CH_3(CH_2)_4COO~-)进行交换,从而将发酵液中的己酸进行有效提取。D201树脂对己酸吸附量较大,对其他羧酸和醇类物质吸附量小。在洗脱液浓度为1mol·L~(-1)、解吸温度为30℃时,对树脂洗脱效率高。树脂多次吸附稳定性实验表明树脂吸附己酸效率高,抗有机污染和抗酸性能力强,循环使用周期好。5.对最优pH和乙醇投加量的碳链延伸过程,使用D201树脂进行离子交换,能够有效缓解己酸对微生物的毒性,反应过程中最高己酸产量为17.31 g·L~(-1),最高产率为2.02g·(L·d)~(-1),己酸累积产量为29.09 g·L~(-1)。确保反应体系内足够的电子供体和碳源,并且不断进行离子交换,能够保证碳链延伸过程的稳定进行。因此,通过厌氧两相发酵工艺,能够实现己酸的高效合成。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:X705;X172

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