合成氣乙醇發(fā)酵的微生物研究

第25卷第3期可再生能源ol. 25 No. 3007年6月Renewable Energy ResourcesJun.2007合成氣乙醇發(fā)酵的微生物研究張蘭波1,劉繼開(kāi)1,李東2,楊秀山(1首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,北京100037;2中國科學(xué)院廣州能源所,廣東廣州510640)摘要:生物質(zhì)合成氣發(fā)酵是一種獨特的、經(jīng)濟可行的乙醇生產(chǎn)新方法,它包括氣化和發(fā)酵兩個(gè)方面,對環(huán)境改善和能源供給有積極的意義。在合成氣發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物中, Clostridium ljungdahlii和 Clostridium carboxidiyorans p最有應用價(jià)值。它們利用合成氣的途徑是wood- ljungdahl途徑。文章概述了合成氣發(fā)酵產(chǎn)乙醇的菌種和培養條件,建立了生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型,提出了合成氣發(fā)酵產(chǎn)乙醇工業(yè)化過(guò)程中存在的問(wèn)題和應用前景關(guān)鍵詞:乙醇;自養菌;合成氣;Wood- ljungdahl途徑中圖分類(lèi)號:TK6;TQ5174文獻標志碼:A文章編號:1671-5292(2007)03-0027-04Study on the microbiology for syngas ethanol fermentationZHANG Lan-bo. LIU Ji-kai, LI Dong yaNG Xiu-shan(1. College of Life Science, Capital Normal University, Beijing 100037, China; 2. Guangzhou Institute of EnergyConversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: Global warming and shortage of fossil fuel are threatening the sustainable developmentof the world. Renewable energy resources can serve as a substitute or complement for fossil fuelFermentation of biomass-generated syngas to ethanol is a new unique, economical as well as efficient method, which can be divided into two stages as gasification and fermentation. Wood-ljungdahl pathway is the primary anaerobic metabolic pathway allowing microorganisms to utilize co,CO2 as sole carbon and energy sources, while Clostridium ljungdahlii and Clostridium carboxidivo-rans P7 are most potential industrial candidate strains which use this pathway for the fermentationof conversion syngas into ethanol. In this paper, the cultivation conditions, the mechanism of syngasethanol fermentation and kinetic model are reviewed. The problem and prospect of the potentialapplication in industry are also mentionedKey word: ethanol; autotrophic bacterium; synthesis gas; Wood-ljungdahl pathway生物質(zhì)能是一種潔凈的可再生能源。在液體發(fā)電和乙醇的聯(lián)產(chǎn)工藝設計。2003年11月在阿燃料的乙醇生產(chǎn)中,利用生物質(zhì)的水解液或酶解肯色州建立了一個(gè)生物質(zhì)合成氣乙醇發(fā)酵的示范液進(jìn)行發(fā)酵制備燃料乙醇是很有前途的乙醇生產(chǎn)工程,于2005年末開(kāi)始籌建第一個(gè)商業(yè)化運作裝途徑,但是稀酸水解生成的糖量低,對環(huán)境的影響置。也較大;酶解耗時(shí)長(cháng),成本高。生物質(zhì)氣化與乙醇發(fā)限制該項技術(shù)進(jìn)行工業(yè)化應用的主要問(wèn)題是酵結合(合成氣乙醇發(fā)酵),是以生物質(zhì)為原料生菌種的性能較差篩選乙醇產(chǎn)率高、耐氧性好的菌產(chǎn)燃料乙醇的新途徑。種一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。菌種篩選、培養條合成氣乙醇發(fā)酵集成了熱化學(xué)和生物發(fā)酵兩件、生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型、反應器、發(fā)酵工藝優(yōu)化及降種工藝過(guò)程。與化學(xué)方法相比,合成氣乙醇發(fā)酵產(chǎn)低生產(chǎn)成本等方面都有待進(jìn)一步的研究率高、產(chǎn)物單一、成本低、安全性好叫。美國B(niǎo)RI1合成氣產(chǎn)乙醇的菌種公司開(kāi)發(fā)了利用纖維素進(jìn)行氣化發(fā)酵生產(chǎn)乙醇的20世紀80年代末,科研人員陸續在雞糞、海技術(shù),在美國能源部的支持下,完成了生物質(zhì)氣化水的沉積物、石油等物質(zhì)中發(fā)現了一些能利用合收稿日期:2006-11-29?；痦椖?國家“863計劃資助項目(2002A514010)。中國煤化工作者簡(jiǎn)介:張蘭波(1978-),男,碩士,主要從事生物質(zhì)合成氣燃料乙醇的研究。CNMHG通訊作者:楊秀山(1946-),男博土生導師,主要從事微生物學(xué)和生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)利用研究。E- mail:enu_xiyang@263ne27可再生能獠007,25(3)成氣產(chǎn)乙醇的菌種 Clostridium ljungdahlii, Clostdium autoethanogenum, Clostridium scatologenes平酸展氫降strain SLI 5, Moorella thermophilic sp. HUC22-16,氯葉酸Clostridium carboxidivorans p7。這些菌種都是嚴格的厭氧菌,能夠耐高濃度CO2,CO,NO,SO4等氣體組分。亞中基四氫葉氫酶Clostridium ljungdahlii呈棒狀,具有運動(dòng)性;亞甲基因氯葉酸還原甲基四氯時(shí)酸包裹一層厚的衣被,芽孢不常見(jiàn);是嚴格厭氧的甲基轉書(shū)蘭氏陽(yáng)性細菌;最適生長(cháng)的pH值為40氯/乙酸軸酯A勝羧7.0;DNA的G+C的質(zhì)量分數為22%~23%;最甲基柔咕事鐵硫蛋白適生長(cháng)溫度為37℃;乙酸和乙醇的最大產(chǎn)量均氧化碳服/乙酰輔國A教險出現在37℃n。pH值為5.0-7.0時(shí),乙酸生成較多,pH值為40-4.5時(shí),乙醇生成較多。經(jīng)過(guò)培養基優(yōu)化后,連續發(fā)酵時(shí)生成的乙醇最高產(chǎn)量可達23g/L。lostridium carboxidivorans p7為革蘭氏陽(yáng)性菌,桿狀直徑05μm,長(cháng)度3μm;經(jīng)常是單個(gè)或圖1woodh途徑成雙出現,能游動(dòng),有鞭毛;很少能觀(guān)察到芽孢;Fig 1 Wood-Ljungdahl pathway增殖時(shí)間為58h;適宜生長(cháng)pH值為44-7.6;最轉化為乙酸和ATP或乙醇和NADH,當ATP產(chǎn)適生長(cháng)溫度為37~39° Ca rajagopalan用45L發(fā)生時(shí)乙酸就作為末端電子受體,在非生長(cháng)條件酵罐進(jìn)行批式發(fā)酵時(shí)發(fā)現:P處于穩定期時(shí),每下,ATP被消耗來(lái)維持細胞功能,因此在非生長(cháng)消耗28g的CO可以得到6.9g乙醇,558g丁條件下促使合成氣乙醇發(fā)酵,相反在生長(cháng)條件醇,1.5g乙酸咧。 Datar以柳枝稷為原料生產(chǎn)合成下產(chǎn)生乙酸。氫化酶和一氧化碳脫氫酶是這個(gè)氣,用P7進(jìn)行發(fā)酵試驗表明:連續發(fā)酵時(shí)乙醇濃代謝途徑中最重要的酶。在厭氧菌中,氫化酶包度達到5g。P7對氧的耐受性高,合成氣中氧含鐵、硫、鎳的位點(diǎn)。當以H2為能源、CO2為碳達到13g/L時(shí)也能生長(cháng)嗎。源時(shí),氫由氫化酶氧化,產(chǎn)生的電子被電子轉移2合成氣乙醇發(fā)酵的機理系統捕捉,通過(guò)H-ATP酶產(chǎn)生ATP。一氧化碳自養菌對合成氣的乙醇發(fā)酵途徑是Wood-脫氫酶是一個(gè)雙功能酶:一方面,它可逆地氧化ljungdahl途徑(即厭氧乙酰輔酶-A途徑,圖1)CO形成CO2;另一方面催化甲基、CO和輔酶A它是化能自養微生物厭氧發(fā)酵的主要代謝形成乙酰輔酶A。CO和H2直接涉及乙酰輔酶途徑叫。首先,二氧化碳通過(guò)甲酸脫氫酶作用形A途徑的羥基分支,CO2被還原成CO,通過(guò)氫成甲酸然后形成甲酰四氫葉酸。在甲?；臍淙~激活一氧化碳脫氫酶的位點(diǎn)。甲基分支的中間酸環(huán)化水解酶的作用下,甲酰四氫葉酸形成亞甲物甲基類(lèi)咕啉蛋白必須與來(lái)自于羥基分支的等基四氫葉酸接著(zhù)形成甲基四氫葉酸。甲基基團被分子CO反應形成乙酰輔酶A,它會(huì )消耗能源轉移到一個(gè)含有類(lèi)咕啉協(xié)同因子、鐵硫簇、類(lèi)咕啉和底物來(lái)維持大量CO庫,甲基分支反應為整鐵硫蛋白的蛋白上。甲基基團在這里被轉移到一個(gè)反應的限速反應。氧化碳脫氫酶/乙酰輔酶A合成酶( CODH/ACS)3培養條件上,在這個(gè)途徑中 CODH/ACS起著(zhù)關(guān)鍵的作用合成氣發(fā)酵產(chǎn)乙醇的微生物生長(cháng)受到很多因甲基基團結合到 CODH/ACS與一氧化碳作用形素的影響,包括pH值、還原劑、營(yíng)養條件、溫度、成的乙酰輔酶A上。在磷酸乙酰轉移酶和乙酸激氣體中國煤化工以滿(mǎn)足其生長(cháng),酶的作用下,乙酰輔酶A形成乙酸,NADH將乙是合CNMHGo酸還原成乙醛最后將乙醛還原成乙醇。乙酰輔酶A3.1pH值張蘭波,等合成氣乙醇發(fā)酵的微生物研究細胞生長(cháng)和終產(chǎn)物都受pH的值影響l:pH為了能預測在一定的CO量時(shí)所能達到的細胞值為42或75時(shí), Clostridium ljungdahlii和最大量, Younes提出以CO為底物時(shí) ClostridiumClostridium carboxidivorans P7生長(cháng)會(huì )受到抑制, ljungdahlii生長(cháng)動(dòng)力學(xué)方程"在起始pH值為45~57或6.5~7.5時(shí)會(huì )出現更長(cháng)的延滯期和更長(cháng)的增殖時(shí)間。在pH值為50-7.0oml Aml Amok,時(shí)代謝產(chǎn)物主要為乙酸,pH值低于5.0時(shí),代謝其中:為比生長(cháng)速率h2;Hm為以CO為底物時(shí)產(chǎn)物主要為乙醇。最大比生長(cháng)速率h;C*為平衡時(shí)氣相中CO與3.2還原劑液相中CO之比;K為莫羅常數,g/LK;為抑制在細胞代謝途徑中,還原劑用來(lái)改變電子常數:/L流向和細胞生長(cháng)速率。還原劑誘導在 Clostridium ljungdahlii的試驗中發(fā)現,COClostridium ljungdahli直接通過(guò)細胞代謝生成轉化率隨著(zhù)Co濃度的增加而提高,在批式發(fā)酵NADH和乙醇,并引起非生長(cháng)條件減少ATP的中其抑制系數為0028gL。 Clostridium ljungdahlii生成,因此導致細胞的生長(cháng)緩慢。利用合成氣發(fā)的最大生長(cháng)速率和莫羅常數為002)h和10291酵產(chǎn)乙醇的菌種都是嚴格厭氧菌,必須加入還5前景與展望原劑來(lái)維持較低的氧化還原電位。同時(shí),還原劑我國的生物質(zhì)資源非常豐富,開(kāi)發(fā)潛力巨大能提高乙醇/乙酸的比率,但還原劑質(zhì)量分數超隨著(zhù)城市規模的擴大,城市生活垃圾以每年8%過(guò)0.1%時(shí), Clostridium ljungdahlii基本上停止10%的速度遞增,如果這些生物質(zhì)資源能得到有生長(cháng)。效利用,將對可持續發(fā)展具有重要的意義。合成氣33微量元素和維生素乙醇發(fā)酵能夠充分利用農林廢棄物和城市固體廢在沒(méi)有維生素和微量元素時(shí), C. carboxidivo-棄物,但是要達到工業(yè)化生產(chǎn),還應加強以下方面rans不生長(cháng),一般需要泛酸、對氨苯甲酸、生物素的研究作為必需維生素,不需要葉酸、維生素B12等①培育高產(chǎn)耐氧性好的菌種。目前報道的菌Clostridium ljungdahlii的生長(cháng)需要鹽酸硫胺素、生種大多是極端厭氧菌,生長(cháng)條件苛刻解決這一問(wèn)物素、泛酸鈣等維生素亞鐵離子能提高乙醇和題須從兩方面入手:一是從自然界中篩選更好的其他產(chǎn)物的生成量,亞鐵離子在CO代謝過(guò)程中菌種和利用基因工程對現有菌種進(jìn)行改造;二是可以作為一氧化碳脫氫酶和氫化酶的輔基或輔助改變純培養的方式,提高細胞生長(cháng)量和降低培養因子嗎。成本。4生長(cháng)動(dòng)力學(xué)研究②提高合成氣在液體中的溶解量。目前文獻生長(cháng)動(dòng)力學(xué)模型對提高細胞的生長(cháng)量和乙醇報道的方法是通過(guò)改進(jìn)反應器結構來(lái)提高合成氣產(chǎn)量有很大的意義。 Younes建立了非結構批式發(fā)的溶解率,但效果不佳通過(guò)加入一些吸附能力較酵生長(cháng)模型:好的材料和試劑,可提高氣體的溶解度和改善菌21-(x0xn)2(un/(k+un)(1種生長(cháng)的微環(huán)境。其中:x為細胞干重,g/L;x為開(kāi)始時(shí)細胞干重e/L③確立最佳營(yíng)養條件,分析營(yíng)養成分對菌種xm為細胞最大干重gL;m為單位時(shí)間細胞最大的生長(cháng)和產(chǎn)物的影響。生長(cháng)速率h;k為生長(cháng)抑制系數h;t為單位時(shí)④加強合作,使該項技術(shù)能夠達到工業(yè)化應用。間,h通過(guò)這一模型, Younes得出當 Clostridium參考文獻:ljungdahlii細胞最大干重為1.5g/L時(shí),其抑制]袁振宏,吳創(chuàng )之生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)|M北京系數為零;最大細胞干重為1.2g/L時(shí),其抑中國煤化工制系數為0.03/h,最大的單位生長(cháng)速率為21CNMHGK, DAVISON B H0.07/h。torward for Dloluels and biomaterials [J]可再生能源2007,25(3)Science,2006,311(27):484-4[3] KLASSON K T, ACKERSON M D Bioconversion of [10] DATAR R P, SHENKMAN R M, CATENI BFermentation of biomass-generated producer gas toMicrobiology Technology, 1992, 14: 602-608ethanol [J). 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