Production of hydrogen and acetone-butanol from steam-exploded straw by Clostridium fermentation

Abstract

氢气和丁醇是清洁高效的新能源，发酵法制取氢气和丁醇是近年来的研究热点。现有的研究主要是利用有机废弃物或玉米淀粉的液态发酵，存在成本高，污染严重等问题。本文以可再生的农作物秸秆为原料，研究新型发酵方式，为实现高效的氢气和丁醇发酵探索新途径。多数梭菌都能利用葡萄糖、木糖和纤维二糖等糖类，因而可以利用秸秆中的纤维素和半纤维素为碳源进行发酵。其中，丁酸梭菌（Clostridium butyricum）和丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）是两种典型的具有相似代谢途径的厌氧梭菌，都能够发酵生产氢气，后者还可生产丙酮和丁醇。本文首先对秸秆进行汽爆预处理，探索了C. butyricum AS1.209和 C. acetobutylicum AS1.132利用汽爆秸秆生产氢气和丙酮丁醇的新型发酵方式，并对汽爆预处理及不同发酵方式引起的微生物代谢的变化进行了探索。汽爆预处理是提高木质纤维素原料发酵效率的有效途径。研究了汽爆预处理条件对汽爆秸秆发酵效果的影响，结果表明，在饱和水蒸气压力1.5MPa，维压时间8min条件下处理的汽爆秸秆最适于梭菌发酵。与未处理秸秆相比，C. butyricum AS1.209利用汽爆秸秆发酵的最大产氢量为65ml/g-SES，是未处理秸秆的13倍。在相同条件下，C. butyricum AS1.209的产氢量C. acetobutylicum AS1.132的1.5倍。同步糖化发酵是常用的木质纤维素有效利用方式之一，本研究将其用以汽爆秸秆产氢过程，并加以改进。以C. butyricum AS1.209为产氢菌，考察了恒温同步糖化发酵，周期变温同步糖化发酵和两相法同步糖化发酵三种发酵方式。结果表明，虽然恒温同步糖化发酵方式可以达到较好的发酵效果，但存在着纤维素酶解的最适温度和微生物发酵的最适温度不一致的问题。提出了周期变温同步糖化发酵和两相法同步糖化发酵两种方式以解决这一矛盾，产氢量分别比恒温同步糖化发酵提高了12%和10%。纤维素酶成本高是木质纤维素原料发酵的关键限制性因素之一。本文设计了纤维素酶和氢气顺次发酵的工艺，以降低纤维素酶成本。与直接加酶制剂的发酵相比，顺次发酵产氢的延迟期缩短了90%以上，发酵周期缩短30%以上。经补料后，产氢量和最大比产氢率分别提高10%和25%，纤维素和半纤维素的利用率分别提高10%和12%。通过对同步糖化发酵和顺次发酵的可溶性代谢产物进行分析，发现了汽爆预处理和纤维素酶发酵对丁酸梭菌代谢的影响。采用同步糖化发酵方式，利用未处理秸秆发酵的丁酸产量占总可溶性代谢产物41%，是乙酸产量的1.3倍。而利用汽爆秸秆发酵时，乙酸的产量占44%，是丁酸产量的1.4倍。说明汽爆预处理不但使秸秆的结构和组成发生显著变化，而且对微生物代谢途径也产生了显著影响。但是，在利用汽爆秸秆进行顺次发酵的可溶性代谢产物中，丁酸产量占48%，是乙酸产量的2.3倍。说明在经过纤维素酶发酵后，底物组成和结构的变化进一步影响了丁酸梭菌的代谢途径。丙酮丁醇梭菌是发酵生产丁醇的优良菌株，同时也能产生丙酮、乙醇和氢气。本文探索了汽爆秸秆分步水解发酵和膜循环酶解耦合发酵两种方式对丙酮丁醇发酵的影响。结果表明，利用pH4.8的稀硫酸酶解汽爆秸秆，并使用Ca(OH)2中和酶解液后，分步水解发酵的效果最佳。膜循环酶解耦合发酵使新鲜酶解液不断进入发酵罐，不但避免了溶剂浓度过高对菌体造成的毒性，还解除了纤维素酶解产糖对酶的反馈抑制。纤维素酶能够循环利用，节约了酶用量，消耗单位滤纸酶活所产生的丁醇量为0.0039 g/IU，是分步水解发酵的1.5倍