高温厌氧细菌发酵利用纤维素生产酒精

来源 :中国科学院生态环境研究中心 | 被引量 : 0次 | 上传用户:kaonub
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全球范围内原油供应与需求的波动起伏以及其价格的持续上涨,使得找出可替代石油作为交通运输的可持续能源更加迫切。生物酒精是一种可更新可持续的生物能源,在将来经济高速发展过程中必将在某些需求中替代传统的石油能源。到目前为止,全球90%的酒精生产原材料是糖类、淀粉和玉米,然而以食物为原料的生物酒精在价格方面目前还无法与石油竞争。因此,寻求一种廉价的,可持续利用的生物酒精生产原材料迫在眉睫,纤维素材料是将来生物酒精生产原料的主要选择之一,纤维素酒精也是将来生物酒精产业发展的主要方向。本研究以高温厌氧菌热纤维梭菌(Clostridium thermocellum)和奢热厌氧乙醇菌(Thermoanaerobacter ethanolicus)不同菌株为研究对象,以不同类型纤维素Avicel(Cellulose)和Solka Floc(Cellulose和Hemicellulose)为微生物利用的底物,系统研究了不同类型纤维素,不同培养条件和不同浓度底物纤维素热纤维梭菌纯培养与热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混和培养对纤维素降解,酒精生产及其终产物分布的影响,主要研究结果如下:   (1)在相同条件下,高温厌氧微生物对两种类型纤维素(Avicel和Solka Floc)底物降解和酒精生产没有显著差异。   (2)热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养的酒精生产能力和纤维素降解效率明显高于热纤维梭菌纯培养。在培养基中无外源酵母粉和不同浓度底物纤维素的条件下,LQRI+X514(Clostridium thermocellum LQRI+Thermoanaerobacterethanolicus X514)和LQRI+39E(Clostridium thermocellum LQRI+Thermoanaerobacter ethanolicus39E)混合培养的酒精浓度分别约为LQRI纯培养的5~10倍和3~6倍,纤维素降解率分别约为LQRI纯培养的1.5~5倍;在培养基中0.6%外源酵母粉和不同浓度底物纤维素的条件下,LQRI+X514和LQRI+39E混合的酒精浓度分别约为LQRI纯培养的8~20倍和8~11倍,纤维素降解率都约为LQRI纯培养的1.1倍。   (3)在相同条件下,热纤维梭菌LQRI纤维素降解效率明显高于热纤维梭菌VPI(Clostridium thermocellum VPI),奢热厌氧乙醇菌X514的酒精生产能力明显高于39E。在所有的测试组合中,LQRI+X514是酒精生产能力最好的组合,在5%Solka Floc为底物和0.6%外源酵母粉的条件下,LQRI+X514混合培养酒精浓度最高可以达到263mM,相当于1.2%(W/V)的酒精,而LQRI+39E约为143mM。   (4)外源酵母粉对高温厌氧细菌的纤维素酒精生产能力具有明显的提高作用。当培养基中加入0.6%的外源酵母粉时,热纤维梭菌纯培养的酒精浓度少量增加,而热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养的酒精浓度明显增加,不同底物纤维素浓度和不同混合培养组合酒精浓度增加幅度不同,LQRI+X514混合培养酒精的增加幅度明显强于其它组合。   (5)外源酵母粉对高温厌氧细菌的纤维素降解能力具有明显的提高作用。当培养基中加入0.6%外源酵母粉时,热纤维梭菌纯培养与热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养纤维素降解能力明显增加。在相同条件下,LQRI+X514和LQRI+39E混合培养的纤维素降解能力基本相同。   (6)不同底物纤维素浓度(1%、2%和5%)对热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌的酒精生产能力具有很大的影响。无外源酵母粉条件下,热纤维梭菌纯培养酒精生产能力随着底物纤维素浓度的增加而降低,热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养酒精生产能力随着底物浓度的增加没有明显变化;在0.6%外源酵母粉条件下,热纤维梭菌纯培养酒精生产能力随着底物纤维素浓度的增加而没有显著变化,热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养酒精生产能力随着底物浓度的增加而增加。   (7)不同底物纤维素浓度(1%、2%和5%)对热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌的纤维素降解具有很大的影响。有无外源酵母粉条件下,热纤维梭菌纯培养与热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养的纤维素降解效率随着底物纤维素浓度的增加而降低,而热纤维梭菌和奢热厌氧乙醇菌混合培养的纤维素降解绝对数值随着底物浓度的增加而增加。在0.6%外源酵母粉的条件下,热纤维梭菌纯培养纤维素降解绝对数值随着底物浓度的增加而增加,无外源酵母粉的条件下纯培养纤维素降解绝对值降低。
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