摘要
己酸是合成食品添加剂、抗生素、燃料己醇的重要工业化学品。化学法合成己酸存在污染大、成本高等缺点，因此，生物法合成己酸受到了研究人员的广泛关注，生物法具有广阔的应用前景，但“产量低、原料成本高”限制了其广泛应用。为了提高生物己酸的产量和降低己酸生产成本，本研究以小麦秸秆为固定化载体构建的克氏梭菌生物被膜体系为基础，对己酸的高产策略进行了研究。首先，研究了小麦秸秆粒径对己酸发酵的影响，在此基础上，以餐厨垃圾为原料，实现了餐厨垃圾向己酸的高效连续转化，之后通过三种不同的化学方法对小麦秸秆进行改性，考察了不同改性方法对秸秆结构和己酸发酵的影响，提高了小麦秸秆作为固定化载体的性能。最后，研究了零价铁对己酸发酵的影响，优化了零价铁的添加量、粒径和底物浓度，并对零价铁提高己酸发酵性能的机理进行了深入探讨。 在固定化体系内，载体粒径对生物被膜形成和己酸产量有重要影响。为确定最佳的小麦秸秆粒径，研究了不同粒径秸秆对己酸发酵的影响。研究结果表明，最佳的小麦秸秆粒径范围为0.5-1cm，对应的己酸产量为124.2mmol/L。FTIR、生物量分布、传质系数等分析结果表明，载体粒径为0.5-1cm时，体系的传质系数最高为0.7375，且载体附载的生物量最高为7.4g/L，有利于提高细胞对环境的的耐受性。在连续发酵中，最佳的操作条件为：乙醇480mmol/L、乙酸180mmol/L，水力停留时间为10d；采用餐厨垃圾源乙醇乙酸为底物时，得到的平均己酸产量和产率分别为157.5mmol/L和15.8mmol/L/d。 小麦秸秆作为细胞载体，其侧壁具有光滑的表面结构，不利于己酸菌生物被膜形成。为此，采用了三种不同的改性剂（HCl、NaOH和FeCl3）对小麦秸秆进行了改性。结果表明，NaOH是最佳的改性剂，改性后的秸秆侧壁光滑结构被去除，比表面积提高了34.4%，在批式发酵中，己酸产量达到138.6mmol/L，比对照提高了15%。在分批补料发酵中，己酸产量提高至181.6mmol/L。利用扫描电镜和热重分析发现，改性后的细胞载体表面形成了厚层己酸菌生物被膜。FTIR和XRD分析结果表明，细胞载体在发酵过程中能够保持自身结构的稳定。上述结果表明，通过NaOH溶液将小麦秸秆改性是促进生物被膜形成和提高己酸产量的有效方法。 为了进一步提高己酸的产量，在固定化体系中加入零价铁。研究结果表明，最佳的零价铁添加量为4g/L时，对应的己酸和氢气产量分别为203.6和50.05mmol/L。通过对比三种不同粒径的零价铁（100目、100nm、50nm）对己酸发酵的影响规律发现，100nm的铁粉得到的己酸产量最高，为214.1mmol/L，而50nm铁粉发酵失败，原因在于纳米零价铁粒径极小，可以进入细胞内破坏细胞结构，且极易与发酵液中H+发生反应，导致体系内的pH迅速上升到7.6，超过了克氏梭菌发酵最佳pH范围6.8-7.4。与未添加零价铁的对照组相比，己酸产量提高原因在于添加了零价铁后，缓解了发酵过程中pH变化，降低了未解离己酸对克氏梭菌发酵的抑制。
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