一種提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微生物氣體發(fā)酵技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的方法。
技術(shù)背景
[0002]隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，電廠、鋼鐵廠以及其他工礦企業(yè)向大氣中排放了大量的工業(yè)尾氣，不僅造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，引發(fā)了一系列環(huán)境問題，也對(duì)人類健康也造成了嚴(yán)重危害。這類工業(yè)尾氣中富含COXOjP H2，是一類極具開發(fā)價(jià)值的制造石化類化學(xué)品的廉價(jià)原料。如何充分開發(fā)利用這些工業(yè)尾氣不僅可以減輕環(huán)境壓力，還可以形成石化資源的替代產(chǎn)品，緩解我國(guó)對(duì)石油資源日益增長(zhǎng)的需求。目前對(duì)工業(yè)尾氣的處理方法主要是通過濃縮燃燒方式，還有部分通過化學(xué)吸收催化法進(jìn)行處理?；瘜W(xué)吸收催化法需要脫除工業(yè)尾氣中的水蒸氣，又需回收有機(jī)溶劑，過程十分復(fù)雜，且存在著對(duì)環(huán)境的二次污染。因此，探宄一條新的工業(yè)尾氣資源化利用技術(shù)是十分必要的。而利用微生物將工業(yè)尾氣中的含碳成分進(jìn)行固定，形成有用代謝產(chǎn)物的方法不僅可以減小尾氣排放和二次污染，產(chǎn)品包括乙醇、丁醇、丁二酸等重要化合物，可以作為石化產(chǎn)品的優(yōu)良替代。相比果糖等糖基碳源，氣體碳源含碳量小，溶解度低，如何提高氣液傳質(zhì)是推動(dòng)工業(yè)尾氣生物轉(zhuǎn)化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵問題。但目前微生物氣體發(fā)酵存在效率低下的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的培養(yǎng)體系，即通過對(duì)培養(yǎng)基的優(yōu)化，在振蕩培養(yǎng)或連續(xù)通氣攪拌培養(yǎng)過程中提高氣液傳質(zhì)效率，從而提高微生物氣體發(fā)酵效率。
[0004]本發(fā)明的提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的方法，是在厭氧食氣微生物的培養(yǎng)基和/或發(fā)酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土；
[0005]作為實(shí)施例的優(yōu)選，二甲基硅油的添加量1-5% (M/V)，硅藻土的添加量?jī)?yōu)選為1% -5% (M/V)；
[0006]進(jìn)一步的，所述的厭氧食氣微生物優(yōu)選為厭氧食氣梭菌；
[0007]更進(jìn)一步的，所使用的培養(yǎng)基包括有2%-4%的mineral solut1n stock(V/V),
0.05%的酵母提取物(M/V) ,0.5%的嗎啉乙橫酸(M/V)，0.5%的reducing agent Stock(V/V),0.1 %的微量元素儲(chǔ)存液(V/V)；
[0008]其中Mineral solut1n stock (M/V)的組成為:8%氯化鈉，10%氯化錢，I %氯化鉀，I %的磷酸二氫鉀，2 %的硫酸鎂和0.4%的氯化鈣。
[0009]Reducing Agent Stock (M/V)的組成為0.9%的氫氧化鈉，4%的L-半胱氨酸鹽酸鹽和4%的九水硫化鈉。
[0010]微量元素液儲(chǔ)存液(Μ/V)的組成為I %的氨三乙酸，0.5%的硫酸鎂，0.4%的硫酸亞鐵銨，0.1 %的氯化鈷，0.1 %的硫酸鋅，0.01%的氯化銅，0.01%的氯化鎳，0.01的鉬酸鈉，0.0l %的砸酸鈉和0.01 %的鎢酸鈉。
[0011]本發(fā)明的能夠提高氣體在發(fā)酵過程中的氣液傳質(zhì)速率，有效的提高氣體生物轉(zhuǎn)化的效率。
【附圖說明】
[0012]圖1:各體系發(fā)酵丁醇產(chǎn)量圖；
[0013]圖2:各體系發(fā)酵乙醇產(chǎn)量圖；
[0014]圖3:各體系發(fā)酵第三天乙酸產(chǎn)量圖；
[0015]圖4:各體系發(fā)酵第三天乙酸產(chǎn)量圖；
[0016]圖5:菌株p7各體系發(fā)酵乙醇產(chǎn)量圖；
[0017]圖6:菌株p7添加不同比例硅油后的丁醇產(chǎn)量圖；
[0018]圖7:菌株DSM 13528添加硅油的乙醇產(chǎn)量圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]氣體發(fā)酵是一個(gè)多相的反應(yīng)過程，包括氣體底物、培養(yǎng)液和微生物細(xì)胞等氣、液、固三相，因此，提高氣液傳質(zhì)速率是提高氣體吸收效率的重要因子。在操作條件的改進(jìn)，從通氣量和攪拌轉(zhuǎn)速這兩方面來改善發(fā)酵液的氣體溶解度。通氣和攪拌能提高發(fā)酵液中的氣體溶解量，但通氣量有一定限度。攪拌轉(zhuǎn)速過高對(duì)微生物菌種和代謝產(chǎn)物有傷害。申請(qǐng)人在長(zhǎng)期的研宄中發(fā)現(xiàn)在厭氧食氣梭菌的基礎(chǔ)培養(yǎng)基加入二甲基硅油和/或硅藻土能夠有效的提高提高微生物氣體發(fā)酵效率。
[0020]本發(fā)明使用的微生物為厭氧食氣微生物，例如Clostridium carboxidivorans菌株P(guān)7(DSM15243)和菌株Clostridium ljungdahlii DSM 13528 ;購買自德國(guó)布倫瑞克的萊布尼茲研宄所的德國(guó)微生物與細(xì)胞培養(yǎng)物保藏中心。
[0021]發(fā)明所用的培養(yǎng)基，包括但不限于Clostridium carboxidivorans菌株和菌株Clostridium ljungdahlii DSM 13528 的培養(yǎng)基。
[0022]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]恒溫振蕩培養(yǎng):在10ml體系中加入2ml的mineral solut1n stock，0.05g的酵母提取物和0.5g的嗎啉乙磺酸，以及一定比例的娃藻土和/或二甲基娃油，5ml reducingagent Stock，以2L/min的速度充入99.999 %的氮?dú)?min后密封，在121度高溫滅菌20min。滅菌后冷卻至40度左右，再加入0.1ml的微量元素儲(chǔ)存液，完成培養(yǎng)體系構(gòu)建。接入培養(yǎng)至對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的 Clostridium carboxidivorans 菌株 P7 或 Clostridium ljungdahlii菌株DSM 13528培養(yǎng)液10ml，再以2L/min流速，0.4bar壓力持續(xù)通入模擬合成氣(氣體組:50% CO,35% C02U5% H2)平衡 5min，加壓至 0.6bar 密封。在 37 度，180rpm 下振蕩培養(yǎng)，每隔一定時(shí)間取樣進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)物檢測(cè)。
[0025]構(gòu)建的培養(yǎng)體系分別是基礎(chǔ)培養(yǎng)基+5%硅油，基礎(chǔ)培養(yǎng)基+5%硅藻土和基礎(chǔ)培養(yǎng)基+2.5%硅油和2.5%的硅藻土以及不含硅油和/或硅藻土的基礎(chǔ)培養(yǎng)體系。
[0026]效果檢測(cè):
[0027]1、恒溫振蕩培養(yǎng)
[0028]發(fā)酵液中的乙醇和丁醇濃度采用HPLC法進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明:添加了填料的體系產(chǎn)丁醇的量比對(duì)照組有較為明顯的增加，不含硅油和/或硅藻土的基礎(chǔ)培養(yǎng)體系對(duì)照組第五天的丁醇濃度為對(duì)照組0.07g/L，5%硅油組為0.15g/L，5%硅藻土組為0.lg/L，2.5%油+2.5%土組為0.14g/Lo相比對(duì)照組，分別提高了 1.14倍，0.43倍，和1.14倍(圖1)。而乙醇的產(chǎn)量(Clostridium carboxidivorans菌株P(guān)7)分別為對(duì)照組0.6g/L，5%娃油組為0.73g/L，5%硅藻土組為0.58g/L，2.5%油+2.5%土組為0.83g/L(圖2)。乙醇的產(chǎn)量(Clostridium Ijungdahlii 菌株 DSM 13528)分別為對(duì)照組 1.7g/L，5%娃油組為 2.2g/L，5%硅藻土組為 1.98g/L，2.5%油 +2.5%土組為 2.49g/L(圖 3)。
[0029]乙酸在初始階段的累積濃度可以直觀地反應(yīng)菌株對(duì)氣體的利用效率，在添加了硅油或者娃藻土的Clostridium carboxidivorans菌株P(guān)7發(fā)酵體系中，乙酸在第三天的濃度都要高于未添加材料的體系。分別為7.65g/L，10.95g/L，10.lg/L和8.97g/L(圖4)，分別提高了 43.1%，32%和17.3%。其中添加了 5%硅油的培養(yǎng)體系乙酸濃度最高，2.5%硅油+2.5%硅藻土的培養(yǎng)體系次之，5%硅藻土的培養(yǎng)體系提高效果最少。乙酸的快速累積不僅說明菌株對(duì)氣體利用效率調(diào)高，也能加速乙酸生物代謝轉(zhuǎn)化為醇類的速度，提高整體反應(yīng)效率，減少反應(yīng)時(shí)間。
[0030]實(shí)施例2:連續(xù)通氣攪拌培養(yǎng)
[0031]在添加了物質(zhì)的Clostridium carboxidivorans菌株P(guān)7連續(xù)通氣培養(yǎng)體系中，乙酸的產(chǎn)量要明顯高于基礎(chǔ)培養(yǎng)基構(gòu)成的培養(yǎng)體系，基礎(chǔ)培養(yǎng)基體系、基礎(chǔ)培養(yǎng)基體系+5%硅油體系和基礎(chǔ)培養(yǎng)基體系+5%硅藻土體系中乙酸的含量分別達(dá)到了 9.8g/L，28g/L和19g/L(圖5)。后兩種體系相比基礎(chǔ)培養(yǎng)體系，產(chǎn)量分別提高了 185%和93.9%。相比振蕩培養(yǎng)體系，連續(xù)通氣攪拌培養(yǎng)方式更能發(fā)揮這種培養(yǎng)體系的優(yōu)勢(shì)。
[0032]實(shí)施例3:不同比例添加物對(duì)發(fā)酵體系產(chǎn)醇效果的影響
[0033]在Clostridium carboxidivorans 菌株 P7 基礎(chǔ)培養(yǎng)基中分別加入 I %，2%，3%，4%和5%的二甲基硅油進(jìn)行發(fā)酵，檢測(cè)丁醇發(fā)酵效果。發(fā)現(xiàn)不同比例的添加物均會(huì)在不同程度上提高體系的丁醇產(chǎn)量，添加物濃度由低到高的發(fā)酵體系的丁醇產(chǎn)量分別是70mg/L，82mg/L，97mg/L，131mg/L，157mg/L和168mg/L(圖6)，隨著添加比例的提高，丁醇產(chǎn)量也呈現(xiàn)明顯提尚。
[0034]Clostridium Ijungdahlii 菌株DSM 13528 基礎(chǔ)培養(yǎng)基中分別加入 I %，2%，3%，4%和5%的硅藻土進(jìn)行發(fā)酵，檢測(cè)乙醇發(fā)酵效果。發(fā)現(xiàn)不同比例的添加物均會(huì)在不同程度上提高體系的乙醇產(chǎn)量，添加物濃度由低到高的發(fā)酵體系的丁醇產(chǎn)量分別是1.674g/L，
1.822g/L，1.974g/L，2.239g/L，2.499g/L 和 2.596g/L (圖 7)，隨著添加比例的提高，乙醇產(chǎn)量也呈現(xiàn)明顯提高。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的方法，其特征在于，所述的方法是在厭氧食氣微生物的培養(yǎng)基和/或發(fā)酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的二甲基硅油的添加量為1_5%。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硅藻土的添加量為1%_5%。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厭氧食氣微生物為厭氧食氣梭菌。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的培養(yǎng)基包括有2%-4%的mineralsolut1n stock，0.5 % 的酵母提取物，0.5 % 的嗎啉乙橫酸，0.5 % 的 reducing agentStock，0.1 %的微量元素儲(chǔ)存液。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的Mineralsolut1n stock的組成為8 %氯化鈉，10 %氯化銨，I %氯化鉀，I %的磷酸二氫鉀，2 %的硫酸鎂和0.4%的氯化鈣。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的ReducingAgent Stock的組成為0.9%的氫氧化鈉，4%的L-半胱氨酸鹽酸鹽和4%的九水硫化鈉。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述的微量元素液儲(chǔ)存液的組成為I%的氨三乙酸，0.5%的硫酸鎂，0.4%的硫酸亞鐵銨，0.1 %的氯化鈷，0.1 %的硫酸鋅，0.01 %的氯化銅，0.01%的氯化鎳，0.01的鉬酸鈉，0.01%的砸酸鈉和0.01%的鎢酸鈉。
【專利摘要】本發(fā)明的目的是提供一種提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的培養(yǎng)體系，即通過對(duì)培養(yǎng)基的優(yōu)化，在振蕩培養(yǎng)或連續(xù)通氣攪拌培養(yǎng)過程中提高氣液傳質(zhì)效率，從而提高微生物氣體發(fā)酵效率。本發(fā)明的提高厭氧食氣微生物發(fā)酵效率的方法，是在厭氧食氣微生物的培養(yǎng)基和/或發(fā)酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土；本發(fā)明的能夠提高氣體在發(fā)酵過程中的氣液傳質(zhì)速率，有效的提高氣體生物轉(zhuǎn)化的效率。
【IPC分類】C12P7-08, C12R1-145, C12P7-16
【公開號(hào)】CN104531780
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510007897
【發(fā)明人】黃志勇, 韓一凡, 王興彪, 王敬敬, 張小霞, 郭亞瓊
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請(qǐng)日】2015年1月7日