兩相法厭氧發(fā)酵產(chǎn)己酸及其微生物學(xué)研究

兩相法厭氧發(fā)酵產(chǎn)己酸及其微生物學(xué)研究利用厭氧菌群將有機廢棄物轉(zhuǎn)化成己酸等中鏈脂肪酸,是一種非常有潛力、可持續(xù)利用的新型能源化和資源化回收技術(shù)。本文以果蔬廢棄物為發(fā)酵底物,強化厭氧酸化相的水解轉(zhuǎn)化效率;以酸化發(fā)酵液為產(chǎn)己酸相底物,外源添加乙醇為電子供體進行己酸發(fā)酵,并借助高通量測序和熒光定量PCR技術(shù)探析了果蔬廢棄物己酸發(fā)酵過程中的微生物群落結(jié)構(gòu)以及功能微生物的生長規(guī)律;此外,采用離子交換樹脂以減輕發(fā)酵過程中己酸積累對微生物的潛在毒性,并通過優(yōu)化洗脫條件實現(xiàn)了樹脂高效再生,從而進一步提高己酸的合成效能。本論文主要結(jié)論如下:1.果蔬廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)酸相中,最佳pH=6,接種比為2:1時,能夠?qū)崿F(xiàn)廢棄物高效水解轉(zhuǎn)化。通過設(shè)置反應(yīng)pH為4、5、6、7,進行厭氧產(chǎn)酸相條件優(yōu)化。發(fā)酵類型受到pH影響,pH=4組為乙醇型發(fā)酵,pH=5、6、7三組均為丁酸型發(fā)酵;水解轉(zhuǎn)化率在低pH條件下較低,隨著pH升高水解轉(zhuǎn)化速率得到提升。結(jié)合液相組分變化,選擇pH=6為最佳條件。在接種比條件實驗中,控制接種比（以TS計）為2:1、1:1、2:3,研究結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同接種比對于水解程度影響不大;但隨著接種比的減小,酸化率出現(xiàn)降低,液相組份中丁酸比例增加,綜合考慮殘存碳水化合物等會對后續(xù)產(chǎn)己酸相產(chǎn)生不利影響,選擇接種比2:1為最佳條件。2.合理控制醇酸比和pH對提高產(chǎn)己酸相的發(fā)酵效能非常關(guān)鍵。當(dāng)醇酸比和pH控制為4:1和7.5時,己酸生成量可達14.9g?L^-1。最佳乙醇投加量為18.2g?L^-1（395.7mM）,醇酸比4:1、pH6.5時,己酸最高產(chǎn)量12.1g?L^-1。在醇酸比≤4:1時,均出現(xiàn)了己酸產(chǎn)物累積,液相組份中丁酸均出現(xiàn)了先升高后降低的現(xiàn)象,乙酸可被充分利用。醇酸比=5:1時,高濃度的乙醇對微生物產(chǎn)生了明顯的抑制,己酸發(fā)酵不能進行。因此選擇醇酸比4:1作為最佳條件。選擇pH5.5、7.5、8.5、9.5作為pH優(yōu)化條件,發(fā)現(xiàn)pH7.5條件下的發(fā)酵性能最優(yōu),而低pH條件下丁酸明顯積累,己酸少量合成;高pH條件下己酸合成幾乎停滯。最優(yōu)pH條件下的己酸生成量為14.9g·L^-1。己酸菌（Clostridiumkluyveri）指數(shù)增長期伴隨著丁酸的生成,而己酸合成主要發(fā)生在生長中后期,因此發(fā)酵中后期保證足夠的乙醇濃度是提高己酸產(chǎn)量的要素之一。此外,適當(dāng)提高pH有助于減輕有機酸毒性,增加己酸菌生物量;但是堿性環(huán)境會嚴(yán)重抑制己酸菌的生長繁殖。通過分別對酸化相和產(chǎn)己酸相進行優(yōu)化和調(diào)控,兩相發(fā)酵策略更有利于提高己酸合成效能。3.通過微生物群落分析表明,在產(chǎn)己酸相中,門水平下,Firmicutes含量最為豐富;適量乙醇的添加促進了己酸的生成,這可能是因為乙醇能夠作為碳源、能源及還原當(dāng)量參與反應(yīng)。Sporanaerobacterspp.、ClostridiumkluyveriDSM555、EnterococcusasiniATCC700915和Eubacteriumspp.這4種微生物與己酸產(chǎn)生以及乙醇利用過程關(guān)系密切。乙醇濃度對產(chǎn)己酸菌群的豐度變化具有顯著影響,同時己酸對體系中微生物的反饋抑制也是群落結(jié)構(gòu)變化的重要影響因素。4.采用離子交換樹脂以減輕發(fā)酵過程中己酸積累對微生物的潛在毒性。通過對比5種樹脂的靜態(tài)吸附容量和洗脫率,篩選出最適合碳鏈延伸過程中己酸吸附轉(zhuǎn)移的離子交換樹脂D201。D201的活性離子,在30℃、中性條件下能夠與溶液中的酸根離子（如:CH₃（CH₂）₄COO^-）進行交換,從而將發(fā)酵液中的己酸進行有效提取。D201樹脂對己酸吸附量較大,對其他羧酸和醇類物質(zhì)吸附量小。在洗脫液濃度為1mol·L^-1、解吸溫度為30℃時,對樹脂洗脫效率高。樹脂多次吸附穩(wěn)定性實驗表明樹脂吸附己酸效率高,抗有機污染和抗酸性能力強,循環(huán)使用周期好。5.對最優(yōu)pH和乙醇投加量的碳鏈延伸過程,使用D201樹脂進行離子交換,能夠有效緩解己酸對微生物的毒性,反應(yīng)過程中最高己酸產(chǎn)量為17.31g·L^-1,最高產(chǎn)率為2.02g·（L·d）^-1,己酸累積產(chǎn)量