煤发酵联产氢气-甲烷过程液相产物变化及其机制

以煤为原料进行氢气-甲烷联产是一种具有探索性的生物发酵工艺,研究该工艺发酵过程液相产物变化和机理可实现对煤中高附加值液态产物的利用与产气效率的提高,并进一步丰富煤生物产气理论。以义马千秋矿长焰煤为研究对象,义马煤层矿井水为菌种来源,在适宜环境条件下开展联产模拟实验,并运用气相色谱法,气质联用法等对联产过程中的气体组分、中间液相产物等进行检测分析,以揭示其液相产物变化特征及其机制。结果表明:①H 2和CH 4高峰期产量分别为66.29μmol/g(第3天)和55.78μmol/g(第16天),分别占H 2与CH 4总产气量的25.78%和25.47%,反应结束后产氢、产甲烷的底物转化率分别为2.4%和4.9%;②产氢阶段的pH呈现出先增加后降低又增加的趋势,COD在反应周期内逐渐升高,在第6天时出现最大值857.82 mg/L,而OD 600在第4天达到最大值0.52。产甲烷阶段的COD变化趋势明显,在第15天时达到最大值873.73 mg/L,pH,OD 600则维持在一个相对较为稳定的范围内。pH,COD与OD 600的变化过程与关键有机中间液相产物的变化特征一致,液相产物的生成、降解直接地影响了pH,COD与OD 600的变化趋势;③产氢阶段和产甲烷阶段均有挥发性脂肪酸、直链、支链烷烃、烯烃、含氮、含氧有机物及吡嗪、嘧啶类杂环化合物积累,产氢结束后的直链烷烃、支链烷烃含量较低,分别是67.05μg/mL和21.16μg/mL,且残留有大量的丁酸、丙酸等挥发性脂肪酸(332.63μg/mL),经产氢预处理之后的煤样为产甲烷过程提供了更多的有效可利用体,且产甲烷过程在液相产物中检测到更多的直链(最高为216.63μg/mL)、支链烷烃(最高为112.28μg/mL)、含氧(最高为110.49μg/mL)、含氮大分子有机物(最高为108.65μg/mL)及环烷烃、腈类、腙类、4-甲基芴等新生有机物。联产过程的液相产物变化特征进一步反映了煤发酵联产氢气-甲烷的优越性,有可能提高煤的总体能源利用率并优化产气过程。

脂肪预处理发酵联产氢气和甲烷的研究

针对脂肪难以产氢、能源转化率低的问题,以肥猪肉作为脂肪代表物,研究了其预处理后发酵联产氢气和甲烷的特性.结果表明,在产氢阶段,碱和脂肪酶预处理促进了脂肪的水解,提高了累积产氢量.驯化菌种能较快的适应底物环境,从而缩短延滞期并提高了产气速率.碱水解时应控制体系的Na+终浓度不超过0.2mol/L,更高的碱用量会因Na+浓度过高而抑制产氢.为了提高能源转化率和原料利用率,提出了利用脂肪发酵产氢后的有机酸废液继续联产甲烷的创新工艺,并利用该工艺得到底物总挥发性固体的单位产氢潜力为32.6mL/g,联产甲烷潜力为24.88mL/g.其中单产氢气的能源转化率为0.85%,联产甲烷以后的能源转化率可提高至2.99%.

玉米秸秆水解液发酵联产氢气与2,3-丁二醇的初步研究

选用实验室自行筛选的Klebsiella pneumoniae ECU-15,进行了玉米秸秆水解液发酵联产氢气和2,3-丁二醇的初步研究。结果表明:以葡萄糖为碳源时,两目标产物随培养条件的改变呈现相同的变化趋势,且最佳发酵温度为37℃,最佳pH为6.0,最佳初始糖浓度为30 g/L;不同比例葡萄糖/木糖为混合碳源时,均能实现氢气和2,3-丁二醇的联产过程,但随着木糖含量的增加,细胞产量、氢气产量和2,3-丁二醇的产量都有所下降,并且木糖的存在会降低葡萄糖的消耗速率;实验最后以玉米秸秆水解液和同比例模拟合成培养基为底物,初步探明了该菌株利用水解液发酵联产氢气和2,3-丁二醇的可行性,最终氢气产量为0.65 v/v,产氢得率为0.43 mol/mol sugar;2,3-丁二醇产量为5.05 g/L,得率为0.82 mol/mol sugar。

SAM和GSH发酵联产过程中合成关键酶的作用机制

本文通过对5L搅拌式发酵罐中不同溶氧(DO)控制水平下的产朊假丝酵母SAM和GSH联合产量对比分析,得到了SAM和GSH联产发酵的最佳溶氧水平为30%恒溶氧,最高联产量594mg·L^-1,并进一步对SAM和GSH合成过程中关键酶酶活进行分析,探究其促进SAM和GSH联合高产的机制。

紫外线γ射线复合诱变筛选S-腺苷甲硫氨酸和谷胱甘肽联产发酵菌株

S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosyl-L-methionine,SAM)和谷胱甘肽(Glutathione,GSH)均是生物体内重要的含硫类小分子活性物质,在医药、化妆品、保健品行业有着广泛的应用。本研究旨在通过复合诱变改善产朊假丝酵母Candida utilis细胞内的硫代谢途径,以实现SAM和GSH的高效联产。首先对出发菌株C.utilis SZU07-01进行两轮紫外线诱变和一轮γ射线诱变,并通过选择性培养基(含1g/LL-蛋氨酸,0.5g/L乙硫氨酸,及2g/LNaHSO3的YPD培养基)进行分离培养后,筛选获得一株可联产SAM和GSH的高效正突变菌株C.utilis SUGS-01。摇瓶发酵结果显示,SAM和GSH产量分别达到324.0mg/L和220.5mg/L,较出发菌株分别提高了131.4%和26.0%,而且该菌株经连续传代10次后,遗传性状稳定,具有良好的产业化应用前景。

S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽联产发酵中盐胁迫的作用

摇瓶条件下考察不同的盐(NaCl,Na2SO4,KCl,K2SO4)胁迫对产朊假丝酵母发酵联产S-腺苷蛋氨酸(SAM)和谷胱甘肽(GSH)的影响。结果发现适当浓度的Na+和K+对SAM和GSH合成具有部分促进作用,而Cl-的作用则相反。以Na2SO4为代表,考察分批发酵条件下盐胁迫的作用,结果表明:在酵母细胞生长后期(15 h)添加10 g/L Na2SO4,SAM、GSH以及二者的最大联产量为252.5、285.9和521.9 mg/L,比对照分别提高了8.8%、22.6%和13.9%。最后分别从能量代谢和发酵动力学角度对分批发酵的结果进行了分析。

褐煤酸碱预处理-微生物气化联产H_2-CH_4的实验研究

为探讨酸、碱处理煤的发酵联产生物气生成特征,对新疆伊宁矿区褐煤进行酸、碱预处理,以焦作古汉山矿井水为菌源进行发酵联产H_2-CH_4实验。对联产后的产气量、气体组分、HPE活性、COD质量浓度进行测定分析,对产气后煤样进行XRD和红外测试。结果发现:(1)碱处理煤的产氢效果最佳,产气总量为20.25 mL/g,酸处理煤次之为17.05 mL/g,而原煤的产氢效果最差为14.4 mL/g;(2)HPE活性测定规律基本与之对应,碱处理煤产氢后菌体的氢化酶活性最优为4.35 mL/(mg·min);(3)酸处理煤的联产甲烷效果最好,产气总量为23.35 mL/g,而原煤和碱处理煤的联产甲烷效果基本一致;(4)联产中液相COD质量浓度均呈下降状态;(5)经预处理煤样的有机质降解率高,大分子结构更易被降解。实验结果得出了预处理煤联产生物气的生成特征,证实了联产H_2-CH_4有利于煤的资源化利用,明显提升了能源转化率。

植物乳杆菌与乳酸联产发酵工艺的研究

以优化后的发酵培养基对植物乳杆菌的发酵液进行回用实验,采用摇瓶与7L发酵罐对发酵工艺过程中各阶段活菌数与乳酸的浓度变化进行了初步研究。在摇瓶阶段对植物乳杆菌与乳酸联产发酵的可行性进行验证,并在7L发酵罐上进行应用性尝试。研究结果表明:通过回用植物乳杆菌的发酵液能够使乳酸最终产量达到150g/L。在7L发酵罐规模下,发酵终点活菌数累积量达到259×108CFU/ml。

基于能量代谢分析的S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽联合高产方法

采用能量代谢分析方法,以S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽联产发酵过程中能量代谢的关键物质ATP的水平变化为指导,结合L-半胱氨酸的适时添加策略,实现了S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽联产发酵的进一步高产。在ATP水平指导的L-半胱氨酸添加策略下,实现了胞内ATP的有效利用,且分批培养和流加培养时S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽的联产量达到584.7mg.L-1和1004.4mg.L-1,分别比对照提高了27.1%和26.4%。该研究结果为类似耗能合成有用化学品的联产发酵及其高产提供了可行的发酵过程优化策略。

基于代谢通量分析的SAM和GSH联产溶氧控制策略

为了提高S-腺苷甲硫氨酸(SAM)和谷胱甘肽(GSH)的联产量,考察了溶氧条件对Candida utilis CCTCC M209298发酵联产SAM和GSH的影响。采用代谢通量分析方法对不同转速下SAM和GSH联产发酵过程中的物质和能量代谢进行分析,确定了较优的溶氧控制策略:前9 h的发酵恒定转速350 r min 1,9 h后控制溶氧不低于30%。在此策略下,C.utilis CCTCC M 209298分批发酵生产SAM和GSH的联产量为520.7 mg L 1。最后分别从发酵动力学、代谢通量分析以及呼吸商变化规律对该溶氧控制策略促进SAM和GSH联合高产的原因进行了定量解释。

柠檬酸钠促进S-腺苷蛋氨酸和谷胱甘肽联合高产

考察了柠檬酸钠对S-腺苷蛋氨酸(SAM)和谷胱甘肽(GSH)联产发酵的影响,发现柠檬酸钠有利于SAM和GSH的联合高产。采用响应面分析法对柠檬酸钠浓度及其添加时间进行优化,模型预测和验证实验结果均表明在联产发酵6 h时一次性添加10 g/L柠檬酸钠的效果最佳。通过对SAM和GSH联产发酵过程进行分析,发现柠檬酸钠能够显著提高胞内NADH和ATP的水平,为SAM和GSH的过量合成提供了足够的能量物质,也为类似耗能化合物的生物合成及其发酵高产提供了可行的优化策略。

酸胁迫对S-腺苷甲硫氨酸和谷胱甘肽生物合成的影响及其生理机制

在高密度培养条件下,考察不同pH值环境对产朊假丝酵母生物合成S-腺苷甲硫氨酸(S-adenosylmethionine,SAM)和谷胱甘肽(glutathione,GSH)的影响。结果发现弱酸胁迫(pH 3.5)有利于提升酵母细胞的SAM和GSH合成能力,实现SAM和GSH联合高产。通过对关键酶活性、能量物质供给和胞内氧化还原环境进行测定,发现弱酸胁迫提高了SAM合成酶、γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶、己糖激酶、ATP合成酶以及过氧化氢酶的活性,提高了胞内NADH和ATP的水平和再生能力,为SAM和GSH的过量合成提供了充足的物质和能量保障。研究结果揭示了弱酸胁迫促进SAM和GSH生物合成的生理机制,也为类似小分子活性化合物的过量合成提供可行的思路。