乙醇发酵效率的比较:合成气与微生物

摘要

厌氧发酵合成气制乙醇技术是一项极具发展前景和竞争力的工程应用技术。合成气发酵面临的主要挑战是它经常受到低乙醇产量的限制。为了评价不同的合成气和微生物对乙醇发酵的能力，筛选高效的合成气和微生物，在300 ml瓶发酵中对3种模拟合成气混合物和8种菌株进行了研究。结果表明，合成气和培养对乙醇产量均有极显著影响(p<0.01)。菌株LP-fm4、C. carboxidivorans P7、B-fm4和C. ljungdahlii使用生物质合成气可获得最大净乙醇浓度(28.001、23.871、22.909和19.726 mg/L)，分别比菌株C. ljungdahlii、B-fm4(11.734、10.300 mg/L)和菌株C. carboxidivorans P7、C. ragsdalei P11(9.937、8.318 mg/L)分别增产2倍和3倍。因此，使用生物质产生的合成气和菌株LP-fm4ã C。与其他两种菌株相比，C. ljungdahlii和b . fm4是发酵乙醇的最佳组合。菌株LP-fm4和B-fm4采用生物质合成气，C. ragsdalei P11采用高炉煤气，B-fm4采用coreex -gas，每单位细胞最大乙醇产量分别为1000.036、881.103、519.854和468.030 mg/L。这表明，菌株LP-fm4和B-fm4是最有潜力的生物质合成气发酵，菌株C. ragsdalei P11和B-fm4分别是高炉煤气和芯气发酵的潜在候选菌株。

简介

随着世界人口的快速增长和工业化的不断发展，对能源资源的需求越来越大。根据计算数据，到2050年地球人口估计将超过90亿。1］．此外，包括石油和天然气在内的化石燃料正在迅速耗尽，到2012年底的总逆转大约能够分别支持未来51年和56年的能源消耗[2］．另一方面，化石燃料的燃烧导致温室气体排放的增加，导致全球变暖，酸雨和城市烟雾等。因此，化石燃料消耗对环境的负面影响以及对石油供应的担忧促使人们寻找新的、更可持续的可再生能源。3.-6］．乙醇是最有前途的替代生物燃料之一，它提供净能源收益，具有环境效益，在经济上具有竞争力。例如，美国生物燃料产业正在经历快速增长和转型，它已授权到2022年生产360亿加仑生物燃料[7，8而中国到2015年将生产5亿吨乙醇。到2020年，乙醇计划产量将扩大到10亿吨。然而，这种生物乙醇主要来源于糖、玉米或淀粉等食品原料，这可能成为未来全球粮食安全的潜在威胁。

幸运的是，与现有的化学技术相比，通过发酵合成气或废气成分来生产乙醇似乎是一种有前途的替代方法[9-11］．合成气主要是CO, CO的混合物₂和H₂，可由固体燃料(例如煤、油页岩、石油焦、生物质或日常生活中的有机废物等)气化而产生。[9，12-16］．此外，随着钢铁工业的发展，越来越多的废气也通过预处理过程被用作合成气:这些废气一般直接排放到大气中。与其他转化技术相比，合成气发酵具有若干优势[10，17］．然而，目前合成气发酵面临的现象是由于气液传质低、合成气成分低以及发酵微生物本身造成的乙醇产量低。在这三个因素中，前者研究较多[18-21]，后两者相对较少。迄今为止，由于发现的发酵菌株数量太少，钢铁废气如高炉煤气和corex煤气没有得到进一步的研究。在混合转化过程中使用的细菌被称为乙酰原，它是一种厌氧菌，通过伍德-永达尔途径吸收发酵乙醇的合成气。使用的文化的例子是ljungdahlii梭状芽胞杆菌［22，23),carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7 [24，25),ragsdalei梭状芽胞杆菌赛[26),autoethanogenums梭状芽胞杆菌［27]，碱菌菌株CP11T, CP13[28)等。同时，本课题组在严格缺氧条件下，利用生物质合成气从羊驼、长臂猿、小熊猫和凤尾猿的动物粪便样本中分离富集了4个优势菌群，分别为A-调频4 G -调频4、LP -调频4、B -调频分别为4。

为了评价不同合成气和微生物发酵乙醇的能力，筛选合成气发酵中提高乙醇产量的高效合成气和微生物，本研究设计了3种模拟合成气混合物(生物质合成气、高炉煤气和corex煤气)和8种菌株(A-调频4 G -调频4、LP -调频4、B -调频4,autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061,C.ljungdahlii，carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ragsdalei梭状芽胞杆菌P11)在300ml瓶发酵。

材料与方法

微生物，合成气和介质

在这项研究中使用的细菌是A-调频4、B -调频4 G -调频4、LP -调频4,autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061,C.ljungdahlii(写明ATCC 55383),carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ragsdalei梭状芽胞杆菌侯,分别。A -调频4、B -调频4 G -调频4和LP-调频其中4例在实验室分离。提取4个样本的基因组DNA并进行测序，构建其系统发育树。分析表明，A-中4种优势菌群中的主要微生物为厌氧菌、芽孢杆菌和球菌调频4、G-中的芽孢杆菌和肠杆菌调频4及B-调频4、LP-中的芽孢杆菌调频4.就像autoethanogenums梭状芽胞杆菌， 4种优势菌群均为革兰氏阳性菌群，优势菌群中所含主要细菌为杆状菌群。G -调频4大多像DSM10061;两者都是杆状，革兰氏阳性和孢子形成。此外,c . autoethanogenumsDSM10061收购自Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (Braunschweig, Germany)，文化C.ljungdahlii(写明ATCC 55383);carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ragsdalei梭状芽胞杆菌P11由中国科学院合成生物学重点实验室(中国科学院上海)提供。如上所述，这些菌株在各自的生长介质上保持不变[14]，并允许在37°C, pH为5.75的严格缺氧条件下生长。

本研究对原正开发公司(郑州，中国)提供的三种人工合成气混合物进行了研究。第一个合成气是生物质产生的合成气，含85.5%的CO, 10%的H₂和4.5% CO₂按体积;其组成模拟玉米秸秆气化后的气体。后两种合成气(高炉煤气和corex煤气)是钢铁工业的副产品，并模拟宝钢(宝钢集团公司，上海，中国)的一种气体。高炉煤气含CO 22.4%， CO 23.6%₂， 3.3% h₂， 50.6% n₂和0.1% O₂按体积。Corex气含H 17.72%₂， 45.23% co, 33.17% co₂， 1.68% ch4, 2.20% n₂和100至120ppm H₂年代。

发酵培养基[29]所含(每升):10毫升矿物质溶液[14]、维生素溶液10ml [14]， 1.0g NH₄Cl, 1.0g NaCl, 0.15 g MgSO₄， 0.1 g KH₂阿宝₄， 0.04 g CaCl₂、色氨酸2.0 g、酵母浸膏0.3g、2-(N-morpholino)乙磺酸(MES) 10.0g、0.1%的瑞青嘌呤溶液0.1ml、半胱氨酸-盐酸0.2g/L作还原剂。使用10M NaOH将培养基pH调整为4.5。维生素溶液和半胱氨酸经过滤灭菌后，经高压灭菌后加入培养基中。培养基首先煮沸几分钟，同时脱气，然后在yx - ii厌氧箱(上海医疗设备制造有限公司，中国上海)中持续冷却24小时，以去除任何氧气。最后，将瓶内培养基在121℃下灭菌20 min。所有实验均为三次重复。

发酵运行

分批发酵在300毫升血清瓶中进行，每个瓶含有60毫升发酵培养基。接种量的10% (v/v)转移到新鲜培养基中。培养物保持在厌氧条件下，在QHZ-98A轨道振动筛(中国太仓市华美生化仪器公司)上以150转/分的速度搅拌，在37°C的孵育室内，以三种模拟合成气混合物作为唯一底物生长。合成气入口容量为240 ml，用注射器注射到每个300 ml血清瓶中。实验每24 h进行一次，连续5天，采集2.0 ml样品，分析pH值和生长情况。另取1.5 ml样品离心(10000转，10分钟)除去细胞;上清液用于测定乙醇产量。

统计分析

采用SPSS 16.0软件对3种模拟合成气混合物和8株菌株的乙醇产量进行方差分析(ANOVA)，以确定在95%置信水平下，菌株和合成气混合物的处理在乙醇产量、生物、合成气、最大乙醇产量和单位细胞乙醇产量方面是否存在统计学差异。此外，还采用t检验来确定最大乙醇产量和单位细胞乙醇产量与对照菌株C. autoethanogenums DSM10061是否存在显著差异。每单位细胞乙醇产量[30.]的计算公式如下:

每单位细胞乙醇产量=

其中，最大乙醇产量*、初始乙醇产量*和最大细胞质量(OD600)*分别为三个观测值的平均值。

分析方法

用722S分光光度计(清华科学仪器有限公司，中国上海)在600 nm处测量光密度(OD)来监测生长。乙醇浓度分析采用Agilent 7890A气相色谱系统(Agilent Technologies, Wilmington, DE, USA)，火焰电离检测器(FID)和HP-FFAP毛细管柱(30 m × 0.32 mm × 0.3 μm) (Agilent Technologies, Wilmington, DE, USA)。样品容量为0.2 μL。以氮气为载气，流量为1.5 mL/min。进气口温度保持在200℃，分流比为30:1。烤箱初始温度设置为45℃，保温时间为1.0 min。然后以10℃/min的上升速率增加到80℃，保温时间为0.5 min。FID温度设置为250℃，氢气和空气流速分别为30 ml/min和350 ml/min。

结果

细胞生长与效应

在分批发酵中使用三种合成气混合物的八种培养物的生长概况示于图1．观察到8个菌株在发酵过程中几乎呈下降趋势。图1一个说明除。外，菌株的细胞质量浓度有微小变化carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7开始增长，直到第1天达到最大浓度(OD600=0.061)，然后迅速下降，直到第4天。然而，与生物质产生的合成气发酵相比，8种生物具有相似的生长趋势，如图所示图1B及1C．此外，菌株G-调频4,c . autoethanogenumsDSM10061和ragsdalei梭状芽胞杆菌P11分别到第2、3、4天开始生长(图1 b)．对于文化A-调频4、B -调频4和LP-调频4、各组在第2天结束时均达到最大细胞水平，而对照组则达到最大细胞水平c . autoethanogenumsDSM10061在第四天之后达到了同样的点(图1 c)．

表1:表层土(< 2 mm)的化学性质。

产品形成及效果

图2一个显示了八个菌株使用生物质产生的合成气批量培养乙醇生产概况。乙醇最高浓度为82.006mg/Lljungdahlii梭状芽胞杆菌第三天结束的时候;这种浓度明显高于其他情况。文化，除了ljungdahlii梭状芽胞杆菌都能在第四天结束时达到乙醇浓度峰值。的生物,carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7 LP -调频4及B-调频4、分批发酵时乙醇浓度分别为56.386、51.729和46.922 mg/L，与菌株A-相比也有显著提高调频4 G -调频4,ragsdalei梭状芽胞杆菌P11和控制。此外，只菌株A-调频4、B -调频4、LP -调频4,carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ragsdalei梭状芽胞杆菌观察到P11在8种培养物发酵过程中产生乙醇(图2 b)．压力carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7的乙醇浓度最高，为38.282 mg/L，与图2 a。图2 c结果表明，所有菌株的乙醇浓度在第4天末达到峰值(53.866 mg/L)，随后在第5天开始下降，可见产生乙醇的培养物主要以中后期发酵为主。统计分析表明，3种人工合成气混合物各8种培养基发酵乙醇的效果均极显著(P< 0.01)表1来3.．

表2:抗生素浓度(mgkg^－1)。

表3:青霉素和四环素处理后土壤中细菌、真菌和放线菌的数量。

乙醇生产能力

图3比较了七种生物与对照菌株的乙醇生产能力autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061使用了三种人工合成气混合物。乙醇生产是发酵过程中积累的过程，单位细胞乙醇产量可作为单细胞乙醇生产发酵能力的衡量指标。在Figure3A， B-菌株最大乙醇产量差异有极显著性(P<0.01)调频4、LP -调频4,carboxidivorans梭状芽胞杆菌第七页,ljungdahlii梭状芽胞杆菌和autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061。但与对照菌株相比，单细胞乙醇产量较低ljungdahlii梭状芽胞杆菌显著低于B-调频4和LP-调频4.菌株B-的最大乙醇产量差异极显著(P<0.01)调频4 G -调频4 LP -调频4,carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ljungdahlii梭状芽胞杆菌与对照组相比，B-培养物的单位细胞乙醇产量增加调频4变成了最高的(图3 c)．相反,图3 b结果表明，只有6株菌株能发酵乙醇carboxidivorans梭状芽胞杆菌P7和ragsdalei梭状芽胞杆菌P11具有较高的乙醇生产能力

此外，为了比较本研究中生物与合成气的产乙醇能力，表4列出在发酵过程中由合成气和培养物发酵的净乙醇产量。生物量产合成气和菌株LP-的净乙醇浓度最高，分别为28.001、23.871、22.909和19.726mg/L调频4,c . carboxidivoransP7, B -调频4和C.ljungdahlii与corex-gas和菌株相比，乙醇含量多了两到三倍C.ljungdahliiB -调频4 (11.734, 10.300mg/L)和高炉煤气及应变c . carboxidivoransP7和c . ragsdaleiP11 (9.937, 8.318mg/L)。然而，菌株G-的净乙醇含量调频4,ljungdahlii梭状芽胞杆菌和autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061都是零。此外，不同生物和合成气生成乙醇量的影响差异极显著(P<0.01)，如图表5这表明两者都在乙醇发酵中发挥了重要作用。

表4:在培养过程中，由合成气和微生物发酵的净乙醇产量。

表5:方差分析表:合成气和生物获得的净乙醇产量

讨论

在本研究中，我们首次评估了不同合成气和微生物对乙醇发酵的能力，并利用3种模拟合成气混合物和8种菌株筛选了高效合成气和培养物。经统计分析，两者在乙醇发酵中均起主要作用，对乙醇产量影响极显著(p<0.01)。结果表明，菌株LP-的净乙醇浓度最高，分别为28.001、23.871、22.909和19.726mg/L调频4、c . carboxidivoransp7, b -调频4和C.ljungdahlii都是在使用生物质合成气时产生的。与菌株相比C.ljungdahliiB -调频4 .使用核气和培养c . carboxidivorans第七页,c . ragsdaleiP11采用高炉煤气，生物质产合成气与菌株LP-相结合调频4, b -调频4和C.ljungdahlii将是最有效的乙醇发酵。正如本研究结果所报道的，培养LP-调频4、c . carboxidivoransp7, b -调频4和C.ljungdahlii被认为是利用生物质合成气进行乙醇发酵的理想细菌。此外，菌株LP-的单位细胞乙醇产量最高调频4及B-调频4用生物质产合成气分别为1000.036、881.103 mg/L(图3)而两种微生物的细胞浓度均低于其他两种菌株，如图所示图2一个．菌株LP -调频4及B-调频随着乙醇发酵中细胞浓度的增加，未来使用生物质合成气将以某种方式生产更高浓度的乙醇。这些数据为生物质产合成气发酵奠定了基础，需要进一步的研究，这对促进生物质资源的综合利用和推进生物质合成气乙醇发酵具有重要意义。

相比之下，使用高炉煤气和芯气混合合成气发酵的菌株的乙醇产量低于生物质合成气(图2和表4)，这可能与合成气中的成分有密切的关系。例如，Liu和Atiyeh研究了两种商业合成气混合物(合成气I: 20% CO: 15% CO)的乙醇生产₂: 5% h₂60% N₂: SyngasII: 40% CO: 30% CO₂30% H₂)，结果显示，三株中碱性菌株用syngasII比syngasI产生更多的乙醇[28］．本研究使用了生物合成气、高炉煤气和corex煤气三种混合合成气。生物质合成气中CO含量85.5%，H含量10%₂， 4.5% co₂，高炉煤气中CO含量22.4%，CO含量23.6%₂， 3.3% h₂， 50.6% n₂， 0.1% o₂corex气H含量为17.72%₂， 45.23% co, 33.17% co₂， 1.68% ch4, 2.20% n₂和100至120 ppm H₂这些观察结果表明，一氧化碳是有效发酵乙醇的合成气的主要成分。例如，可以看到菌株B-fm4分别使用生物质合成气、高炉煤气和corex煤气，其乙醇产量逐渐增加，合成气中一氧化碳的浓度也逐渐增加(图3)．同样，文献中也有报道[12，26，28，31，32]，作者发现最大细胞浓度和乙醇产量与PCO增加有关。因此，这里认为，在合成气混合物中高比例的CO将有利于乙醇发酵。从理论上讲，CO中的所有碳在H时都转化为乙醇₂:CO比为2(式(2)和(3));但是，CO中只有三分之一的碳被转化为不含H的乙醇₂(Eq(1))。在这里,H₂作为电子源，当H₂是礼物。

6 + 3 h₂O C→₂H₂哦+ 4有限公司₂△G⁰= -217.8 kJ/mol (1)

2 . + 4 h₂→C₂H₅哦+ H₂△G啊⁰= -137.6 kJ/mol (2)

2 . + 6 h₂→C₂H₅哦+ 3 h₂△G啊⁰= -97.5 kJ/mol (3)

二氧化碳中更多的碳将转化为乙醇而不是二氧化碳₂此时。相反，乙醇产量和生长都不会随着氢速率的提高而增加(H₂这与实验前的理论预测有所不同。据认为，导致上述情况的主要原因有两个方面，一是合成气混合物中存在一氧化碳，这是一种已知的氢化酶抑制剂[31，33，34]，并能抑制生物对氢的利用。另一个是发酵过程中的pH值。这项工作中使用的pH值为4.5，这被认为是相对较好的乙醇生产[29，35］．然而，其他研究[36]表明，体外测定氢化酶活性的最佳pH值为pH 8.5, pH低于6.0时无活性有待检测。因此，在本研究中，产溶剂细胞(pH值为4.5)中的氢化酶可能以非活性形式存在。此外，在图3 b和表4结果表明，菌株G-fm4,C.ljungdahlii对照组不能使用含0.1%氧气的高炉煤气生产乙醇。这表明，这三种培养都对氧气过于敏感，而菌株A-fm4, B -fm4, LP -调频4,c . carboxidivoransP7和c . ragsdaleiP11有一些O₂耐受性，这可能是迄今为止第一个发表的证据。此外，与使用生物质合成气的微生物相比，使用高炉煤气的微生物的乙醇产量较低，这也说明合成气中存在的氧气可以抑制发酵过程中的生长和乙醇的形成，特别是当O的浓度增加时₂高于可容忍的最大值。

至于高炉煤气及corex煤气、钢铁工业产生的低热值残余气体[37-39]，这些副产品通常会排放到大气中，造成空气污染。由此发现，菌株的最大净乙醇浓度c . carboxidivoransP7和c . ragsdaleiP11采用高炉煤气和培养C.ljungdahlii和B -调频分别为9.937、8.318mg/L和11.734、10.300 mg/L，推断上述菌株可以利用这些合成气生长并生产乙醇。此外，菌株每单位细胞乙醇产量最高c . ragsdaleiP11和B-调频4(图3B及3C)表明两者分别被认为是高炉煤气发酵和芯气发酵的理想潜在候选者。为了生产商业数量的乙醇，可以优化介质的组成以获得更高浓度的菌株，或根据实际生产需要部署气体组成。除此之外，已知这些废气的温度较高，因此从这些废气中寻找一种合适的亲热剂来生产乙醇将是非常有趣和有意义的。此外，随着钢铁工业技术的发展，这些废气中二氧化碳的含量将会增加，而二氧化碳也是合成气的主要成分之一。因此，合成气发酵将更有效地应用于高炉煤气和炉芯煤气，成为减少环境污染、促进工业废气资源综合利用的一种有前途和竞争力的方法。

本工作中使用的合成气均为模拟混合物，其中仅包含实际合成气的关键成分，而实际合成气的实际成分是多样而复杂的。例如，生物质合成气是由生物质气化产生的，是CO, H₂、有限公司₂N₂, CH₄， nox, o₂, CH₄C₂H₂C₂H₄H₂年代,NH_3.焦油，等等[9，31，40］．此外，高炉煤气和炉芯煤气中还含有:H₂、有限公司₂N₂H₂S, nox, o₂，等[41］．然而，这些杂质可能会影响发酵过程。在这项工作中，证明了累积的O₂在混合物中可以抑制细胞生长和乙醇的产生(图1B及3B)as和不洁净，H₂S还降低了乙醇产量(图3 c)．同时，Ahmed发现焦油促进了菌株的细胞休眠c . carboxidivoransP7和乙醇和乙酸生产的再分配[42]，这一结果与郭[43用应变autoethanogenums梭状芽胞杆菌DSM10061。Ahmed还研究了NO对菌株发酵生物质合成气的影响c . carboxidivoransP7，结果表明，一氧化氮能抑制氢化酶，防止H₂因此，当NO浓度超过40ppm时，该菌株作为一种非竞争性的氢化酶活性抑制剂[44］．氨(NH3)是合成气中的另一种成分;能迅速转化为NH₄⁺在发酵介质暴露于NH3之后，NH3通过细胞膜运输来抑制氢化酶。最近一份报告[40表明NH₄+也是一种与K - NH具有非竞争性的氢化酶活性抑制剂₄+(649±35)mol m-3。此外，甲烷(CH₄)也存在于本工作中使用的corex气体中，浓度为1.68%(v/v)。然而，CH₄没有观察到对细胞生长和乙醇生产的影响，也没有观察到CH的利用₄已经被检测到。只有一项研究c . ragsdaleiP11显示CH .₄在含量达到5%(v/v)时不消耗，这不会影响细胞生长或乙醇生产[31］．因此，合成气成分复杂，这些杂质对合成气的影响不容忽视，但其他杂质对发酵菌株是否有类似的影响还有待证明。同时，进一步的研究应该量化合成气中的这些杂质，并评估它们对当前实验结果的影响。

结论

研究评估了不同的合成气和微生物发酵乙醇的能力，选择了最有效的合成气和培养物，使用三种模拟合成气混合物和8种菌株进行批量发酵。本研究结果表明，合成气和培养物对乙醇产量均有显著影响(p<0.01)。采用菌株LP-发酵生产乙醇调频4,c . carboxidivoransP7, B -调频4和C.ljungdahlii使用生物量生成法的菌株数量高于其他两种方法c . carboxidivoransP7和c . ragsdaleiP11适用于高炉煤气发酵，也适用于微生物发酵C.ljungdahlii和B -调频4，在本文所述的实验条件下，适合于corex气发酵。与本文使用的三种模拟合成气混合物相比，合成气中高浓度的CO有利于乙醇发酵。此外，菌株LP-调频4及B-调频其中4种最有希望用于生物质合成气发酵;文化c . ragsdaleiP11和B-调频根据每单位细胞的最大乙醇产量，4种分别为高炉煤气发酵和芯气发酵的理想潜在候选品种。预计发酵合成气生产乙醇的菌株的选择和合成气组分的部署将进一步提高潜在商业用途的乙醇产量。

确认

本研究由教育部大学新世纪优秀人才资助计划(批准号:no. 1)资助。河南大学科技创新团队项目(No.15IRTSTHN014);

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