工艺参数对合成气中Clostridium ljungdahlii和Clostridium autoethanogenum生长的影响外文翻译资料

 2021-12-02 10:12

英语原文共 8 页

Influence of process parameters on growth of Clostridium ljungdahlii and Clostridium autoethanogenum on synthesis gas

工艺参数对合成气中Clostridium ljungdahlii和Clostridium autoethanogenum生长的影响

摘要

研究了初始培养基pH值和气体流速对液体分批连续气体发酵中Clostridium ljungdahlii和Clostridium autoethanogenum的影响。合成气组分以不同的流速( 5、7.5和10 mL / min )供应给C. ljungdahlii ( pH 6.8和5.5 )和C. autoethanogenum（pH 6.0 )。在合成气中生长比在糖中生长慢。与pH 5.5 ( 378毫克/升)相比，C. ljungdahlii在pH 6.8 ( 579毫克/升)时获得了更高的细胞密度。pH 6.8时的乙醇浓度也比pH 5.5时高110 %。流速和pH之间的相互作用在统计学上是显著的，在10 mL / min、pH 6.8的处理中，乙酸产量最高。在较低的pH值和较高的流速下，乙醇与乙酸盐的比例较小。在C. autoethanogenum发酵中，较高的流速导致较高的最终产物形成，对产物比率没有显著影响。

关键词：Clostridium ljungdahlii；Clostridium autoethanaogenum；合成气发酵；乙醇；乙酸

1 .介绍

使用乙醇作为能源有可能减少美国对外国石油的依赖，并且比其他基于石油的运输燃料更加环保。目前美国的乙醇供应是由玉米淀粉通过成熟的水解和发酵过程生产的[ 1 ]。然而，美国玉米市场无法支持未来几年预计增长87.5 %的乙醇需求。由于对乙醇作为燃料替代品和燃料添加剂的需求不断增长，以及创造平衡的生物经济的愿望，人们对开发新的乙醇生产方法重新产生了兴趣[ 2 ]。

生物质转化为乙醇的技术进展主要集中在可再生木质纤维素生物质的预处理、酶水解和发酵上。由于构成木质纤维素植物材料的复杂聚合物和发酵前释放可溶性糖的需要, 这一过程有局限性[3]。已经对木质纤维素底物的酶水解、酸水解和碱水解进行了广泛的研究，以建立具有成本效益的转化方法。尽管做出了努力，酶的成本仍然相对较高，纤维素酶的活性和稳定性太低，木质素的存在会抑制酶的活性，可用的6 -碳和5 -碳糖没有得到充分利用[ 4 ]，[ 5 ]。

木质纤维素生物质通过气化部分燃烧，分解了复杂的聚合物，很难将纤维素转化为单碳气体，称为合成气。气化是一种受控的热解和还原过程，其中生物质可以转化成合成气，主要由N2、CO、CO2和H2以及一些残余焦油、C2化合物、NOx和O2组成[ 6 ]，[ 7 ]。这种合成气可以在下游与化学或微生物催化剂一起用于乙醇生产[ 6 ]，[ 7 ]。

已经评估了通过费-托循环将合成气化学转化为乙醇的情况。使用化学催化剂的几个限制包括由于H2S和CS形式的硫组分造成的磨损，以及对精确的H2∶CO比[ 8 ]的需要。此外，这些催化剂的产品收率低，不支持化学转化作为合成气转化为乙醇的理想技术[ 9 ]。

另一种乙醇生产方法是利用气化和发酵的混合技术转化生物质。一些自养生物，包括最近分离出的P7、Clostridium ljungdahlii和Clostridium autoethanogenum，已经显示出通过乙酰CoA途径[6], [10], [11]，将单一碳气体如CO和CO2加上H2发酵成乙醇和乙酸盐。大多数微生物合成气体发酵研究都是用 C. ljungdahlii 完成的, 而与C. autoethanogenum的研究仅限于 Abrini 等人 (1994年) 的隔离研究。发现C. autoethanogenum代谢CO和CO2 H2气态底物以及包括木糖、丙酮酸盐、鼠李糖和谷氨酸盐在内的其他碳底物，以合成乙醇、乙酸盐、H2和CO2[10]。C. autoethanogenum是一种很有前途的生物，可用于合成气生物转化为乙醇；然而，对于细菌在合成气基质上的整体代谢，人们知之甚少。

在提高气化和发酵过程的效率方面存在挑战。将该方法用于溶剂生产所需的主要进展包括将选择性转移到醇而不是酸，增加碳向有用产品的转化，以及增加合成气生长期间的培养稳定性。各研究小组的工作重点是提高现有底物的乙醇总产率，提高乙醇与乙酸酯的产率。Gaddy和Clausen [ 12 ]证明了长在瓶装纯合成气成分( 55.35 % CO、10.61 % CO2、19.11 % H2和15.78 % Ar，流量未指定)上的C. ljungdahlii在两个串联的连续搅拌釜式反应器( CSTRs )中生产大量乙醇的能力，以提高乙醇与乙酸盐的生产比率。他们试图在第一个CSTR中分离C. ljungdahlii的生长阶段，然后在第二个CSTR中降低pH (从5.0到4.0 )和稀释率，以促进乙醇生产。虽然目前的报告没有给出类似的结果，但是CSTR条件的这种组合导致乙醇与乙酸酯的比例从单一CSTR中的1 : 1增加到了近1.5 : 1。Datar等人 [ 6 ]还得出结论，自养细菌P7生长在合成气基质上的乙醇产量与培养基pH相关。在生长6.5天后，使用液体分批连续气体发酵(流速180 mL / min，4L反应器，57 % N2、15 % CO、17 % CO2、5 % H2和4 % CH4的纯气体混合物)生产5 mM乙醇和75 mM乙酸酯。据指出，在乙醇生产发生[ 6 ]之前，培养基中的pH值从最初的5.0自然降低了0.5单位。总的来说，培养基pH对培养物生长速率的影响以及自养生长过程中最终产物形成对合成气组分的影响需要更清楚地定义。

底物可用性对间歇培养乙醇和醋酸盐生产的影响有据可查 [13], [14], [15]。然而，连续气体反应器中气体流速对细胞代谢的影响没有得到很好的研究。研究小组之间底物利用率(气体流速和顶部空间分压)与发酵体积的比率不一致，连续气体系统中的流速对微生物性能的影响尚未评估。为了最大限度地提高生物质气化和发酵的整体工艺效率，需要了解气体流速和最终产品形成之间的关系。

这项研究工作的目的是( 1 )研究pH和合成气体流速(在下吸式气化器的典型成分中)对C. ljungdahlii在液体分批连续气体发酵中生长性能和稳定性的影响，以及( 2 )研究在不同流速下连续供应的瓶装合成气体上生长的C. autoethanogenum的生理学。

2 .方法

2.1.培养物和接种操作

C. ljungdahlii ( ATCC 55383 )，一种由Tanner等人从鸡场废物中分离的厌氧菌。[ 16 ]是从美国典型培养物保藏中心（ATCC）中获得的。改良的差分强化梭菌培养基( Sigma - Aldrich，St. Louis，MO，USA)含有(每升，pH 6.8 ) :蛋白胨( 10 g )、牛肉提取物( 10 g )、酵母提取物( 3 g )、半胱氨酸- HCl ( 0.5g )和刃天青原液( 0.5 mL，0.1 %，w/v )，补充改良ATCC 1754盐、维生素和微量元素溶液(分别为50、10和10 mL )，并用作基础培养基( RCM )，用于维持培养。所含的1754盐包含(每升): NH4Cl (20 g )、KCl (2 g )、MgSO4·7H2O (4 g )、NaCl (16 g )、KH2PO4 (2 g )和CaCl2 ( 0.4 g )。维生素溶液含有(每升) :生物素( 2mg)、叶酸( 2 mg)、吡哆醇( 10 mg)、盐酸硫胺素( 5 mg)、核黄素( 5 mg)、烟酸( 5 mg)、泛酸钙( 5 mg)、维生素B12(5 mg)、对氨基苯甲酸( 5 mg)和硫辛酸( 5 mg)。微量元素溶液包含(每升) :次氮基三乙酸( 2 g )、MnCl2·4H2O (1.3 g )、FeSO4·7H2O (0.4 g )、CoCl2·6H2O (0.2 g )、ZnSO4·7H2O (0.2 g )、CuCl2·2H2O (0.02 g )、NiCl2·6H2O (0.02 g )、Na2MoO4·2H2O ( 0.02 g )、Na2SeO3 ( 0.02 g )和Na2WO4·2H2O ( 0.025 g )。使用厌氧技术制备和分配培养基，然后高压灭菌20分钟( 121℃，15 psig) [17]。C. ljungdahlii的初始准备是从冷冻库( 80°C )无菌和厌氧转移到Balch试管中，该试管含有厌氧制备的9.4 mL RCM培养基( Difco 218081 )和0.1 mL 3 % ( w / v )半胱氨酸- HCl ( 5 %接种物) [ 16 ]。将培养物在37°C水浴中培养48小时( 约800毫克干细胞/毫升)。一旦实现密集生长，随后每24小时将( 5 %接种物)转移到8.9 mL基础生长培养基、0.1 mL 3 % ( w / v )半胱氨酸- HCl和果糖( 5 g/L )中。

C. autoethanogenum ( DSM 10061 )，一种由Abrini等人从兔子粪便中分离的厌氧菌[ 10 ]来自DSMZ培养物保藏中心。生长培养基DSMZ 640含有(每升，pH 6.0 ) :胰蛋白酶蛋白胨( 2 g )、酵母提取物( 1 g )、半胱氨酸- HCl ( 0.75 g )、刃天青原液( 0.5 mL，0.1 %，w/v )、640盐溶液( 100 mL )和DSM 640 SL-10微量元素溶液( 1 mL )。640盐溶液包含(每升) : NH4Cl (9g)、NaCl (9g)、MgCl2·6H2O (4g)、KH2PO4 (7.5g)、K2HPO4 (15g)和FeCl3·6H2O (0.025g)。SL-10微量元素溶液包含(每升) : HCl (10 mL，7.7 M )、FeCl2·4H2O (1.5 g )、MnCl2·4H2O (100 mg )、H2BO3 (6 mg )、CoCl2·2H2O (190 mg )、CuCl2·2H2O (2 mg )、NiCl2·6H2O (24 mg )和Na2MoO4·2H2O ( 36 mg )。使用厌氧技术制备和分配培养基，并高压灭菌20分钟( 121°C，15 psig) [17]。将产自乙醇梭菌的初始细胞制剂从冷冻库存( 80℃)转移到含有9.0 mL 640生长培养基和木糖( 5 g/L )的Balch管( 5 %接种物)中。将培养物在37℃水浴中培养72小时( 175毫克干细胞/毫升)。完成第二次转移至Balch试管，并孵育36小时( 37℃)。随后转移到Balch试管或血清瓶中培养24小时，以达到所需的接种密度。

用于合成气发酵实验的接种物培养物在纯合成气组分( 50 % N2、20 % CO、20 % CO2、10 % H2 )上的适当生长基础培养基( 250 mL )中生长，以解决从糖基质上生长到气体基质上的任何代谢转变。将这些培养物接种( 5 % )并在空气对流培养箱( 37℃)中培养24 - 36小时

2.2.生物反应器设计与合成气发酵

本研究选择了具有液体培养基(批次)和气体底物连续进料的发酵反应器，以提高底物利用率，同时最大限度地降低细胞洗出的风险。图1显示了用于实验的反应器结构图。反应器被改造成250 mL旋转烧瓶(Bellco Glass, San Diego, CA, USA)。“旋转器”被移除，并用7 mm不锈钢管代替。该管连接到不锈钢多孔气体分散圆筒(零件号6500 - 1 / 4 - 1 / 8 – 1,Mott C

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