CN104531780A

CN104531780A - 一种提高厌氧食气微生物发酵效率的方法

Info

Publication number: CN104531780A
Application number: CN201510007897.5A
Authority: CN
Inventors: 黄志勇; 韩一凡; 王兴彪; 王敬敬; 张小霞; 郭亚琼
Original assignee: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Current assignee: Tianjin Institute of Industrial Biotechnology of CAS
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2035-01-07
Also published as: CN104531780B

Abstract

本发明的目的是提供一种提高厌氧食气微生物发酵效率的培养体系，即通过对培养基的优化，在振荡培养或连续通气搅拌培养过程中提高气液传质效率，从而提高微生物气体发酵效率。本发明的提高厌氧食气微生物发酵效率的方法，是在厌氧食气微生物的培养基和/或发酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土；本发明的能够提高气体在发酵过程中的气液传质速率，有效的提高气体生物转化的效率。

Description

一种提高厌氧食气微生物发酵效率的方法

技术领域

本发明属于微生物气体发酵技术领域，具体涉及一种提高厌氧食气微生物发酵效率的方法。

技术背景

随着我国经济的高速发展，电厂、钢铁厂以及其他工矿企业向大气中排放了大量的工业尾气，不仅造成严重的环境污染，引发了一系列环境问题，也对人类健康也造成了严重危害。这类工业尾气中富含CO、CO₂和H₂，是一类极具开发价值的制造石化类化学品的廉价原料。如何充分开发利用这些工业尾气不仅可以减轻环境压力，还可以形成石化资源的替代产品，缓解我国对石油资源日益增长的需求。目前对工业尾气的处理方法主要是通过浓缩燃烧方式，还有部分通过化学吸收催化法进行处理。化学吸收催化法需要脱除工业尾气中的水蒸气，又需回收有机溶剂，过程十分复杂，且存在着对环境的二次污染。因此，探究一条新的工业尾气资源化利用技术是十分必要的。而利用微生物将工业尾气中的含碳成分进行固定，形成有用代谢产物的方法不仅可以减小尾气排放和二次污染，产品包括乙醇、丁醇、丁二酸等重要化合物，可以作为石化产品的优良替代。相比果糖等糖基碳源，气体碳源含碳量小，溶解度低，如何提高气液传质是推动工业尾气生物转化技术产业化的关键问题。但目前微生物气体发酵存在效率低下的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高厌氧食气微生物发酵效率的培养体系，即通过对培养基的优化，在振荡培养或连续通气搅拌培养过程中提高气液传质效率，从而提高微生物气体发酵效率。

本发明的提高厌氧食气微生物发酵效率的方法，是在厌氧食气微生物的培养基和/或发酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土；

作为实施例的优选，二甲基硅油的添加量1-5％(M/V)，硅藻土的添加量优选为1％-5％(M/V)；

进一步的，所述的厌氧食气微生物优选为厌氧食气梭菌；

更进一步的，所使用的培养基包括有2％-4％的mineral solution stock(V/V)，0.05％的酵母提取物(M/V)，0.5％的吗啉乙磺酸(M/V)，0.5％的reducing agent Stock(V/V)，0.1％的微量元素储存液(V/V)；

其中Mineral solution stock(M/V)的组成为：8％氯化钠，10％氯化铵，1％氯化钾，1％的磷酸二氢钾，2％的硫酸镁和0.4％的氯化钙。

Reducing Agent Stock(M/V)的组成为0.9％的氢氧化钠，4％的L-半胱氨酸盐酸盐和4％的九水硫化钠。

微量元素液储存液(M/V)的组成为1％的氨三乙酸，0.5％的硫酸镁，0.4％的硫酸亚铁铵，0.1％的氯化钴，0.1％的硫酸锌，0.01％的氯化铜，0.01％的氯化镍，0.01的钼酸钠，0.01％的硒酸钠和0.01％的钨酸钠。

本发明的能够提高气体在发酵过程中的气液传质速率，有效的提高气体生物转化的效率。

附图说明

图1：各体系发酵丁醇产量图；

图2：各体系发酵乙醇产量图；

图3：各体系发酵第三天乙酸产量图；

图4：各体系发酵第三天乙酸产量图；

图5：菌株p7各体系发酵乙醇产量图；

图6：菌株p7添加不同比例硅油后的丁醇产量图；

图7：菌株DSM 13528添加硅油的乙醇产量图。

具体实施方式

气体发酵是一个多相的反应过程，包括气体底物、培养液和微生物细胞等气、液、固三相，因此，提高气液传质速率是提高气体吸收效率的重要因子。在操作条件的改进,从通气量和搅拌转速这两方面来改善发酵液的气体溶解度。通气和搅拌能提高发酵液中的气体溶解量，但通气量有一定限度。搅拌转速过高对微生物菌种和代谢产物有伤害。申请人在长期的研究中发现在厌氧食气梭菌的基础培养基加入二甲基硅油和/或硅藻土能够有效的提高提高微生物气体发酵效率。

本发明使用的微生物为厌氧食气微生物，例如Clostridiumcarboxidivorans菌株P7(DSM15243)和菌株Clostridium ljungdahlii DSM13528；购买自德国布伦瑞克的莱布尼兹研究所的德国微生物与细胞培养物保藏中心。

发明所用的培养基，包括但不限于Clostridium carboxidivorans菌株和菌株Clostridium ljungdahlii DSM 13528的培养基。

下面结合具体实施例对本发明进行详细的描述。

实施例1：

恒温振荡培养：在100ml体系中加入2ml的mineral solution stock，0.05g的酵母提取物和0.5g的吗啉乙磺酸，以及一定比例的硅藻土和/或二甲基硅油，5ml reducing agent Stock，以2L/min的速度充入99.999％的氮气5min后密封，在121度高温灭菌20min。灭菌后冷却至40度左右，再加入0.1ml的微量元素储存液，完成培养体系构建。接入培养至对数生长期的Clostridium carboxidivorans菌株P7或Clostridium ljungdahlii菌株DSM 13528培养液10ml，再以2L/min流速，0.4bar压力持续通入模拟合成气(气体组成：50％CO、35％CO₂、15％H₂)平衡5min，加压至0.6bar密封。在37度，180rpm下振荡培养，每隔一定时间取样进行发酵产物检测。

构建的培养体系分别是基础培养基+5％硅油，基础培养基+5％硅藻土和基础培养基+2.5％硅油和2.5％的硅藻土以及不含硅油和/或硅藻土的基础培养体系。

效果检测：

1、恒温振荡培养

发酵液中的乙醇和丁醇浓度采用HPLC法进行测定。结果表明：添加了填料的体系产丁醇的量比对照组有较为明显的增加，不含硅油和/或硅藻土的基础培养体系对照组第五天的丁醇浓度为对照组0.07g/L，5％硅油组为0.15g/L，5％硅藻土组为0.1g/L，2.5％油+2.5％土组为0.14g/L。相比对照组，分别提高了1.14倍，0.43倍，和1.14倍(图1)。而乙醇的产量(Clostridium carboxidivorans菌株P7)分别为对照组0.6g/L，5％硅油组为0.73g/L，5％硅藻土组为0.58g/L，2.5％油+2.5％土组为0.83g/L(图2)。乙醇的产量(Clostridium ljungdahlii菌株DSM 13528)分别为对照组1.7g/L，5％硅油组为2.2g/L，5％硅藻土组为1.98g/L，2.5％油+2.5％土组为2.49g/L(图3)。

乙酸在初始阶段的累积浓度可以直观地反应菌株对气体的利用效率，在添加了硅油或者硅藻土的Clostridium carboxidivorans菌株P7发酵体系中，乙酸在第三天的浓度都要高于未添加材料的体系。分别为7.65g/L，10.95g/L，10.1g/L和8.97g/L(图4)，分别提高了43.1％，32％和17.3％。其中添加了5％硅油的培养体系乙酸浓度最高，2.5％硅油+2.5％硅藻土的培养体系次之，5％硅藻土的培养体系提高效果最少。乙酸的快速累积不仅说明菌株对气体利用效率调高，也能加速乙酸生物代谢转化为醇类的速度，提高整体反应效率，减少反应时间。

实施例2：连续通气搅拌培养

在添加了物质的Clostridium carboxidivorans菌株P7连续通气培养体系中，乙酸的产量要明显高于基础培养基构成的培养体系，基础培养基体系、基础培养基体系+5％硅油体系和基础培养基体系+5％硅藻土体系中乙酸的含量分别达到了9.8g/L，28g/L和19g/L(图5)。后两种体系相比基础培养体系，产量分别提高了185％和93.9％。相比振荡培养体系，连续通气搅拌培养方式更能发挥这种培养体系的优势。

实施例3：不同比例添加物对发酵体系产醇效果的影响

在Clostridium carboxidivorans菌株P7基础培养基中分别加入1％，2％，3％，4％和5％的二甲基硅油进行发酵，检测丁醇发酵效果。发现不同比例的添加物均会在不同程度上提高体系的丁醇产量，添加物浓度由低到高的发酵体系的丁醇产量分别是70mg/L，82mg/L，97mg/L，131mg/L，157mg/L和168mg/L(图6)，随着添加比例的提高，丁醇产量也呈现明显提高。

Clostridium ljungdahlii菌株DSM 13528基础培养基中分别加入1％，2％，3％，4％和5％的硅藻土进行发酵，检测乙醇发酵效果。发现不同比例的添加物均会在不同程度上提高体系的乙醇产量，添加物浓度由低到高的发酵体系的丁醇产量分别是1.674g/L，1.822g/L，1.974g/L，2.239g/L，2.499g/L和2.596g/L(图7)，随着添加比例的提高，乙醇产量也呈现明显提高。

Claims

1.一种提高厌氧食气微生物发酵效率的方法，其特征在于，所述的方法是在厌氧食气微生物的培养基和/或发酵液中添加二甲基硅油和/或硅藻土。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的二甲基硅油的添加量为1-5％。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硅藻土的添加量为1％-5％。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的厌氧食气微生物为厌氧食气梭菌。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的培养基包括有2％-4％的mineral solution stock，0.5％的酵母提取物，0.5％的吗啉乙磺酸，0.5％的reducing agent Stock，0.1％的微量元素储存液。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的Mineral solution stock的组成为8％氯化钠，10％氯化铵，1％氯化钾，1％的磷酸二氢钾，2％的硫酸镁和0.4％的氯化钙。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的Reducing Agent Stock的组成为0.9％的氢氧化钠，4％的L-半胱氨酸盐酸盐和4％的九水硫化钠。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的微量元素液储存液的组成为1％的氨三乙酸，0.5％的硫酸镁，0.4％的硫酸亚铁铵，0.1％的氯化钴，0.1％的硫酸锌，0.01％的氯化铜，0.01％的氯化镍，0.01的钼酸钠，0.01％的硒酸钠和0.01％的钨酸钠。