基于混合菌群的微生物电化学系统转化甘油为1,3-丙二醇的性能研究

发布时间：2020-05-12 20:20

【摘要】：开发和利用生物质燃料是实现低碳发展的重要手段。生物柴油是典型的生物质燃料,目前世界年产量已超过2000万吨。现有技术条件下,生产生物柴油副产10%(质量比)甘油。甘油是生物柴油工业废水的主要成分,占废水质量的60～90%,其资源化利用成为实现生物柴油工业循环发展的关键问题之一。甘油可以通过生物质还原转化为1,3-丙二醇,而1,3-丙二醇是一种高价值的化工原料,因此,研究微生物还原甘油合成1,3-丙二醇的工艺,对于生物柴油废水的资源化利用具有重要意义。为提高微生物混合菌群还原甘油的能力,本研究构建微生物电化学系统(BES),利用外源电子促进发酵系统还原甘油,研究了混合菌群的电化学催化性能及种群共生关系,并探讨了BES长期运行性能及阴极pH值对性能的影响。主要研究内容和结果如下： (1)考察了以甘油为底物的BES运行性能,发现微生物电化学法能显著提高混合菌群还原甘油合成1,3-丙二醇的产率。当控制阴极电势在-0.9V(相对标准氢电极)时,1,3-丙二醇产率比开路下的产率提高一倍。利用在线气体监测探针,分析BES生物阴极碳和电子平衡,发现外源电子改变甘油的代谢路径,促进还原型辅酶NADH的累积,从而提高1,3-丙二醇的产率。还原产氢与合成1,3-丙二醇竞争还原当量,向发酵混合菌群供氢抑制发酵析氢作用,促进1,3-丙二醇的合成,但供氢条件下的产率显著低于供电子条件下的产率。当阴极电势为-0.6V时,反应器产氢能力显著提高,竞争电子,导致1,3-丙二醇产率降低。对阴极共生关系的研究表明,氢营养型产甲烷菌通过种间氢转移作用获得氢气并生成甲烷,与合成1,3-丙二醇竞争碳和电子。 (2)考察了BES长期运行性能,发现1,3-丙二醇产率逐渐降低。用线性伏安扫描(LSV)表征生物阴极混合菌群电化学特性,发现生物膜在形成初期具有生物电催化活性,甘油或其代谢产物是阴极电子受体物质；16S rRNA分析结果表明,生物膜优势菌为一株合成1,3-丙二醇的柠檬酸菌Citrobacter,相对丰度是80.3%,显著高于其在菌悬液的相对丰度(29.4%),这体现了固体电极对生物膜细菌的具有选择性。BES运行164天后,LSV表明阴极还原反应主要是析氢,不同底物条件下,90%电子用于析氢；利用荧光原位杂交法对生物膜成像,发现Y-变形杆菌纲细菌(包含Citrobacter)在阴极生物膜的相对丰度降至29.9%。本研究说明,阴极生物膜的电化学特性和菌群变化是导致1,3-丙二醇产率降低的原因。对比其他BES的长期运行性能,本研究发现,甘油的还原反应在无外源电子时也能够进行,导致无电化学催化活性的竞争菌在生物阴极更有存活优势,是反应器性能变化的客观原因。 (3)生物阴极以甘油为底物,其质子供给(发酵产酸和阳极透膜质子)不足,因此运行时需人工控制pH,否则pH值会逐渐升高。分析pH值上升不但影响BES电化学性能,还可能影响1,3-丙二醇合成菌的活性。但是,pH值对混合菌群BES还原甘油的具体影响有待进一步研究。因此本研究以1,3-丙二醇产率为考察因素,通过对比在连续给料下、不同pH值(pH=5.5和pH=6.5)下驯化的生物阴极在驯化期及驯化后的性能,发现驯化期pH值对生物阴极性能的影响不大。驯化后,选用pH=4.5、5.5、6.5、7.5和8.5五个pH值,分别在连续和间歇两种给料模式下,研究生物阴极对pH的适应能力,发现BES反应器能够适应较广的pH值,在pH=5.5～8.5下1,3-丙二醇产率较稳定。本研究推测,这与混合菌群系统稳定性较高,且碱性条件促进细菌脂肪酸发酵过程,有利于还原当量的累积造成的。这体现了由混合菌群构成的BES对pH值的稳定性和适应力较强。
【图文】：

预计产量,生物柴油,产量,甘油合成

年份图1.1 2000年到2011年生物柴油世界年产量及2015年中国的预计产量[3’5]Fig. 1.1 World biodiesel production from 2000 to 2011 and the estimated productivity ofChina in 2015(3’1.1.2利用混合菌群发酵还原甘油合成1，，3-两二醇

乙酸,微生物分解,电子供体,交换膜

交换膜交换膜图1.3 BES反应器的结构_Fig. 1.3 Schematic diagram of BES reactors[44】以微生物分解乙酸为例，乙酸为电子供体，电子通过微生物呼吸链上一系列氧化还原反应，最终传递给氧气。如果将其分解为两个半反应，即乙酸的氧化(阳极反应)和氧
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：X742;X172

【参考文献】