碳链延长技术在有机资源回收领域的研究进展

本文综述了碳链延长技术在处理有机废料及碳资源回收领域的优势,梳理了其发展历程为后续研究提供方向指导,阐释了其生化代谢途径中物质转变、能量传递和信号传输等机理,验证了其延长为丁酸、己酸等产物的热力和动力学可行性,总结归纳了其已优化的关键反应参数和已运行的工程试验案例等方面内容.本文为揭示细胞碳链延长机制和应用碳链延长技术于实际废料治理提供理论基础和建议展望.

微生物碳链延长技术转化废弃生物质合成中链脂肪酸

“碳中和”目标下,废弃生物质制备可再生化学品成为落实碳中和、减污降碳等国家重大战略需求的重要技术之一。其中,微生物碳链延长技术生产中链脂肪酸(MCFAs)是高值化回收废弃碳源的一个重要方向。MCFAs作为生物基化学品新星,兼具经济、环保与实用性优势,可部分地替代化石原料合成环保型燃料与化学品,降低传统化石资源依赖与碳排放,助力经济社会发展绿色转型。为此,系统梳理了碳链延长技术的反应机理、功能菌群,以及MCFAs生产应用存在的关键瓶颈和研究进展,以期为相关领域研究者开展创新研究、突破技术瓶颈提供参考。

乳酸碳链延长技术及其在有机废弃物资源化中的应用研究进展

资源化利用是有机废弃物处理处置的重要方向,降低成本和提高产物的附加值是推动有机废弃物资源化利用的重要引擎,也是巨大挑战.近年来,在该领域发展出了一种基于羧酸平台的乳酸合成己酸的碳链延长新技术.本文首先介绍了乳酸碳链延长技术的代谢机制以及相关功能微生物.该技术的核心是利用乳酸作为电子供体,在特定微生物(如埃氏巨型球菌Megasphaera elsdenii、瘤胃球菌Ruminococcaceae strain CBP6以及反应器混合微生物)的作用下,将乙酸等短链脂肪酸经碳链延长过程转化为含有6个碳原子的中链脂肪酸己酸.然后详细介绍了该技术在富含乳酸的废弃物中的应用研究进展.在有机质含量比较高的废弃物如餐厨垃圾、乳清废水、酿酒废水中均存在高浓度的乳酸,这一类废弃物具有最终资源化为己酸的潜力.进一步分析了影响该技术效能的关键因子,包括环境pH、温度以及电子供体和受体.最后总结了乳酸碳链延长技术相对于传统废弃物资源化处理技术的优、劣势.乳酸碳链延长技术在有机废弃物的资源化处理领域已表现出巨大的应用潜力,未来需要进一步提高己酸产物效价和降低分离提纯成本.(图2表3参66)

秸秆高值利用合成中链脂肪酸研究进展

秸秆是我国主要农业废弃物之一,经资源化处理可生产沼气、有机肥、饲料等,但产品附加值不高。近年来,一种基于碳链延长(chain elongation,CE)的厌氧发酵技术可生产中链脂肪酸(medium-chain fatty acids,MCFAs),显著提高了产品附加值,为秸秆综合利用提供了新思路。秸秆通过生物和热化学转化途径为CE合成MCFAs提供适宜底物,通过工艺调控实现MCFAs定向生产,目前基于生物和热化学转化过程发酵液中的己酸含量约10和2 g·L-1·d-1,同步提取可达到57.4 g·L-1·d-1。以秸秆高效转化合成MCFAs为视角,分析了其典型转化路径及功能微生物代谢特征,总结了电子供体和电子受体调控特性、影响CE效率的重要因素和强化手段,归纳了可行性应用工艺,并对应用及提高秸秆转化产品附加值提出建议,为实现秸秆高值利用提供技术支撑。

培养条件对头孢霉脂肪酸链长和ω-3脱饱和的影响

为了获得高产量的长链ω-3多不饱和脂肪酸，用十八碳脂肪酸和十六碳脂肪酸的比值考察碳链延长，用α-亚麻酸和亚油酸的比值考察ω-3脱饱和；探讨了八种因子对脂肪酸链长和ω-3脱饱和的影响。有利于碳链延长的条件为：麦芽糖10g/L、(NH4)2SO4 3g/L、起始pH为4.0、500mL三角瓶装50mL培养基、接种20%（V/V）、20℃培养6d。有利于ω-3脂肪酸生成的条件为：蔗糖30g/L、NH4Cl 3g/L、培养基起始pH为4.0、500mL三角瓶装50mL培养基、接种20%（V/V）、10℃培养10d。

微生物电合成生产中链脂肪酸的基本原理及研究进展

微生物电合成(microbial electrosynthesis,MES)是一种新型微生物电化学技术,以电能驱动微生物在温和条件下转化水和CO_(2)生成有机物。中链脂肪酸(medium-chain fatty acids,MCFAs)是指C6至C12的一元饱和羧酸,是重要的化工原料和农用产品。微生物生产MCFAs通常包括一次发酵和二次发酵过程:一次发酵即微生物将单体和多聚物氧化为中间产物丙酮酸盐,并最终生成短链脂肪酸和醇以及H_(2)和CO_(2)等小分子物质;二次发酵为微生物对一次发酵的产物再利用,包括碳链延长产生中链脂肪酸。MES生产MCFAs可望获得比传统有机废弃物厌氧发酵途径生产MCFAs更高的能量效率,并有望以获得高附加值产物的方式推进MES技术的实用化。综述了MES催化转化C1废气并耦合二次发酵过程进行碳链延长产生MCFAs的研究现状,分析代谢路径及功能微生物,探讨电极材料以及关键运行参数,为MES生产MCFAs的进一步发展提供重要的科学依据和技术支持。

利用富乙酸剩余污泥厌氧发酵液产中链脂肪酸

为实现剩余污泥的资源化利用,探索了混菌体系中以剩余污泥为底物连续产中链脂肪酸(MCFAs)的可行性。本研究基于乙醇/乙酸人工配制废水,采用热碱水解污泥-短期厌氧发酵-微生物碳链延长(CE)反应的"两相发酵"技术合成MCFAs,并逐步优化水力停留时间(HRT)与底物醇酸比以驯化厌氧污泥微生物。结果表明:在为期135 d的连续模式CE过程中,在醇酸比为2∶1的条件下,驯化期(PhaseⅠ~Ⅲ)的HRT由20 d逐步缩减至5 d后,典型CE微生物Clostridium sensu stricto;2成为优势菌种,其相对丰度升至65.21%,但己酸产率仅为775 mg·(L·d)^(-1);当醇酸比提高至3∶1 (PhaseⅣ),己酸产率升至1 402 mg·(L·d)^(-1),MCFAs产物选择性明显提高。将实验期(PhaseⅤ)系统中的底物置换为污泥厌氧发酵液,己酸产率依然稳定保持在1 400 mg·(L·d)^(-1),表明功能微生物组的结构稳定。宏基因组分析结果显示,逆向β-氧化(RBO)和脂肪酸生物合成(FAB)代谢通路均参与了CE过程的MCFAs合成;另外,相较于乙醇/乙酸人工配制废水,污泥发酵液可提高这2种代谢通路的关键酶丰度。本研究证实了污泥连续发酵产MCFAs的可行性,并阐明了过程中微生物的生态功能机制,可为污泥资源化利用提供参考。

利用厌氧发酵技术合成中链羧酸的研究进展

废弃物资源化回收和利用有助于应对环境污染和资源短缺等问题。由于中链羧酸具有应用广泛、附加值高的特点,利用特定微生物的代谢将各种生物废弃物转化为己酸等中链羧酸的链延伸技术,在近年来受到了普遍关注。首先介绍了生成中链羧酸的功能微生物,以及此类菌的代谢途径(逆向β氧化)和合成己酸的步骤。然后综述了生物电化学系统、产物提取技术在短链羧酸链延长过程中的作用原理和研究进展。以上技术和方法能够提高己酸产率、优化工艺流程、降低操作成本,从而有助于厌氧发酵产己酸的工业化应用。最后对文中提及技术的优缺点以及改进方向进行了总结。