合成气乙醇发酵的微生物研究

第25卷第3期可再生能源ol. 25 No. 3007年6月Renewable Energy ResourcesJun.2007合成气乙醇发酵的微生物研究张兰波1,刘继开1,李东2,杨秀山(1首都师范大学生命科学学院,北京100037;2中国科学院广州能源所,广东广州510640)摘要:生物质合成气发酵是一种独特的、经济可行的乙醇生产新方法,它包括气化和发酵两个方面,对环境改善和能源供给有积极的意义。在合成气发酵产乙醇的微生物中, Clostridium ljungdahlii和 Clostridium carboxidiyorans p最有应用价值。它们利用合成气的途径是wood- ljungdahl途径。文章概述了合成气发酵产乙醇的菌种和培养条件,建立了生长动力学模型,提出了合成气发酵产乙醇工业化过程中存在的问题和应用前景关键词:乙醇;自养菌;合成气;Wood- ljungdahl途径中图分类号:TK6;TQ5174文献标志码:A文章编号:1671-5292(2007)03-0027-04Study on the microbiology for syngas ethanol fermentationZHANG Lan-bo. LIU Ji-kai, LI Dong yaNG Xiu-shan(1. College of Life Science, Capital Normal University, Beijing 100037, China; 2. Guangzhou Institute of EnergyConversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)Abstract: Global warming and shortage of fossil fuel are threatening the sustainable developmentof the world. Renewable energy resources can serve as a substitute or complement for fossil fuelFermentation of biomass-generated syngas to ethanol is a new unique, economical as well as efficient method, which can be divided into two stages as gasification and fermentation. Wood-ljungdahl pathway is the primary anaerobic metabolic pathway allowing microorganisms to utilize co,CO2 as sole carbon and energy sources, while Clostridium ljungdahlii and Clostridium carboxidivo-rans P7 are most potential industrial candidate strains which use this pathway for the fermentationof conversion syngas into ethanol. In this paper, the cultivation conditions, the mechanism of syngasethanol fermentation and kinetic model are reviewed. The problem and prospect of the potentialapplication in industry are also mentionedKey word: ethanol; autotrophic bacterium; synthesis gas; Wood-ljungdahl pathway生物质能是一种洁净的可再生能源。在液体发电和乙醇的联产工艺设计。2003年11月在阿燃料的乙醇生产中,利用生物质的水解液或酶解肯色州建立了一个生物质合成气乙醇发酵的示范液进行发酵制备燃料乙醇是很有前途的乙醇生产工程,于2005年末开始筹建第一个商业化运作装途径,但是稀酸水解生成的糖量低,对环境的影响置。也较大;酶解耗时长,成本高。生物质气化与乙醇发限制该项技术进行工业化应用的主要问题是酵结合(合成气乙醇发酵),是以生物质为原料生菌种的性能较差筛选乙醇产率高、耐氧性好的菌产燃料乙醇的新途径。种一直是该领域的研究热点。菌种筛选、培养条合成气乙醇发酵集成了热化学和生物发酵两件、生长动力学模型、反应器、发酵工艺优化及降种工艺过程。与化学方法相比,合成气乙醇发酵产低生产成本等方面都有待进一步的研究率高、产物单一、成本低、安全性好叫。美国BRI1合成气产乙醇的菌种公司开发了利用纤维素进行气化发酵生产乙醇的20世纪80年代末,科研人员陆续在鸡粪、海技术,在美国能源部的支持下,完成了生物质气化水的沉积物、石油等物质中发现了一些能利用合收稿日期:2006-11-29。基金项目:国家“863计划资助项目(2002A514010)。中国煤化工作者简介:张兰波(1978-),男,硕士,主要从事生物质合成气燃料乙醇的研究。CNMHG通讯作者:杨秀山(1946-),男博土生导师,主要从事微生物学和生物质能开发利用研究。E- mail:enu_xiyang@263ne27可再生能獠007,25(3)成气产乙醇的菌种 Clostridium ljungdahlii, Clostdium autoethanogenum, Clostridium scatologenes平酸展氢降strain SLI 5, Moorella thermophilic sp. HUC22-16,氯叶酸Clostridium carboxidivorans p7。这些菌种都是严格的厌氧菌,能够耐高浓度CO2,CO,NO,SO4等气体组分。亚中基四氢叶氢酶Clostridium ljungdahlii呈棒状,具有运动性;亚甲基因氯叶酸还原甲基四氯时酸包裹一层厚的衣被,芽孢不常见;是严格厌氧的甲基转书兰氏阳性细菌;最适生长的pH值为40氯/乙酸轴酯A胜羧7.0;DNA的G+C的质量分数为22%~23%;最甲基柔咕事铁硫蛋白适生长温度为37℃;乙酸和乙醇的最大产量均氧化碳服/乙酰辅国A教险出现在37℃n。pH值为5.0-7.0时,乙酸生成较多,pH值为40-4.5时,乙醇生成较多。经过培养基优化后,连续发酵时生成的乙醇最高产量可达23g/L。lostridium carboxidivorans p7为革兰氏阳性菌,杆状直径05μm,长度3μm;经常是单个或图1woodh途径成双出现,能游动,有鞭毛;很少能观察到芽孢;Fig 1 Wood-Ljungdahl pathway增殖时间为58h;适宜生长pH值为44-7.6;最转化为乙酸和ATP或乙醇和NADH,当ATP产适生长温度为37~39° Ca rajagopalan用45L发生时乙酸就作为末端电子受体,在非生长条件酵罐进行批式发酵时发现:P处于稳定期时,每下,ATP被消耗来维持细胞功能,因此在非生长消耗28g的CO可以得到6.9g乙醇,558g丁条件下促使合成气乙醇发酵,相反在生长条件醇,1.5g乙酸咧。 Datar以柳枝稷为原料生产合成下产生乙酸。氢化酶和一氧化碳脱氢酶是这个气,用P7进行发酵试验表明:连续发酵时乙醇浓代谢途径中最重要的酶。在厌氧菌中,氢化酶包度达到5g。P7对氧的耐受性高,合成气中氧含铁、硫、镍的位点。当以H2为能源、CO2为碳达到13g/L时也能生长吗。源时,氢由氢化酶氧化,产生的电子被电子转移2合成气乙醇发酵的机理系统捕捉,通过H-ATP酶产生ATP。一氧化碳自养菌对合成气的乙醇发酵途径是Wood-脱氢酶是一个双功能酶:一方面,它可逆地氧化ljungdahl途径(即厌氧乙酰辅酶-A途径,图1)CO形成CO2;另一方面催化甲基、CO和辅酶A它是化能自养微生物厌氧发酵的主要代谢形成乙酰辅酶A。CO和H2直接涉及乙酰辅酶途径叫。首先,二氧化碳通过甲酸脱氢酶作用形A途径的羟基分支,CO2被还原成CO,通过氢成甲酸然后形成甲酰四氢叶酸。在甲酰基四氢叶激活一氧化碳脱氢酶的位点。甲基分支的中间酸环化水解酶的作用下,甲酰四氢叶酸形成亚甲物甲基类咕啉蛋白必须与来自于羟基分支的等基四氢叶酸接着形成甲基四氢叶酸。甲基基团被分子CO反应形成乙酰辅酶A,它会消耗能源转移到一个含有类咕啉协同因子、铁硫簇、类咕啉和底物来维持大量CO库,甲基分支反应为整铁硫蛋白的蛋白上。甲基基团在这里被转移到一个反应的限速反应。氧化碳脱氢酶/乙酰辅酶A合成酶( CODH/ACS)3培养条件上,在这个途径中 CODH/ACS起着关键的作用合成气发酵产乙醇的微生物生长受到很多因甲基基团结合到 CODH/ACS与一氧化碳作用形素的影响,包括pH值、还原剂、营养条件、温度、成的乙酰辅酶A上。在磷酸乙酰转移酶和乙酸激气体中国煤化工以满足其生长,酶的作用下,乙酰辅酶A形成乙酸,NADH将乙是合CNMHGo酸还原成乙醛最后将乙醛还原成乙醇。乙酰辅酶A3.1pH值张兰波,等合成气乙醇发酵的微生物研究细胞生长和终产物都受pH的值影响l:pH为了能预测在一定的CO量时所能达到的细胞值为42或75时, Clostridium ljungdahlii和最大量, Younes提出以CO为底物时 ClostridiumClostridium carboxidivorans P7生长会受到抑制, ljungdahlii生长动力学方程"在起始pH值为45~57或6.5~7.5时会出现更长的延滞期和更长的增殖时间。在pH值为50-7.0oml Aml Amok,时代谢产物主要为乙酸,pH值低于5.0时,代谢其中:为比生长速率h2;Hm为以CO为底物时产物主要为乙醇。最大比生长速率h;C*为平衡时气相中CO与3.2还原剂液相中CO之比;K为莫罗常数,g/LK;为抑制在细胞代谢途径中,还原剂用来改变电子常数:/L流向和细胞生长速率。还原剂诱导在 Clostridium ljungdahlii的试验中发现,COClostridium ljungdahli直接通过细胞代谢生成转化率随着Co浓度的增加而提高,在批式发酵NADH和乙醇,并引起非生长条件减少ATP的中其抑制系数为0028gL。 Clostridium ljungdahlii生成,因此导致细胞的生长缓慢。利用合成气发的最大生长速率和莫罗常数为002)h和10291酵产乙醇的菌种都是严格厌氧菌,必须加入还5前景与展望原剂来维持较低的氧化还原电位。同时,还原剂我国的生物质资源非常丰富,开发潜力巨大能提高乙醇/乙酸的比率,但还原剂质量分数超随着城市规模的扩大,城市生活垃圾以每年8%过0.1%时, Clostridium ljungdahlii基本上停止10%的速度递增,如果这些生物质资源能得到有生长。效利用,将对可持续发展具有重要的意义。合成气33微量元素和维生素乙醇发酵能够充分利用农林废弃物和城市固体废在没有维生素和微量元素时, C. carboxidivo-弃物,但是要达到工业化生产,还应加强以下方面rans不生长,一般需要泛酸、对氨苯甲酸、生物素的研究作为必需维生素,不需要叶酸、维生素B12等①培育高产耐氧性好的菌种。目前报道的菌Clostridium ljungdahlii的生长需要盐酸硫胺素、生种大多是极端厌氧菌,生长条件苛刻解决这一问物素、泛酸钙等维生素亚铁离子能提高乙醇和题须从两方面入手:一是从自然界中筛选更好的其他产物的生成量,亚铁离子在CO代谢过程中菌种和利用基因工程对现有菌种进行改造;二是可以作为一氧化碳脱氢酶和氢化酶的辅基或辅助改变纯培养的方式,提高细胞生长量和降低培养因子吗。成本。4生长动力学研究②提高合成气在液体中的溶解量。目前文献生长动力学模型对提高细胞的生长量和乙醇报道的方法是通过改进反应器结构来提高合成气产量有很大的意义。 Younes建立了非结构批式发的溶解率,但效果不佳通过加入一些吸附能力较酵生长模型:好的材料和试剂,可提高气体的溶解度和改善菌21-(x0xn)2(un/(k+un)(1种生长的微环境。其中:x为细胞干重,g/L;x为开始时细胞干重e/L③确立最佳营养条件,分析营养成分对菌种xm为细胞最大干重gL;m为单位时间细胞最大的生长和产物的影响。生长速率h;k为生长抑制系数h;t为单位时④加强合作,使该项技术能够达到工业化应用。间,h通过这一模型, Younes得出当 Clostridium参考文献:ljungdahlii细胞最大干重为1.5g/L时,其抑制]袁振宏,吴创之生物质能利用原理与技术|M北京系数为零;最大细胞干重为1.2g/L时,其抑中国煤化工制系数为0.03/h,最大的单位生长速率为21CNMHGK, DAVISON B H0.07/h。torward for Dloluels and biomaterials [J]可再生能源2007,25(3)Science,2006,311(27):484-4[3] KLASSON K T, ACKERSON M D Bioconversion of [10] DATAR R P, SHENKMAN R M, CATENI BFermentation of biomass-generated producer gas toMicrobiology Technology, 1992, 14: 602-608ethanol [J). Biotechnologyngineerin[4] BRI ENERGY. The co-production of ethanol and2004,86:587-594electricityfromcarbon-basedwastes[eB/ol.http://[11]CateNiBG,BellMerDD,HuhnKeRL.eecTofwww.brienergy.com2006-10-27.[5]KUSEL K, DORSCH J, ACKER G. Clostridiumomposition and quality from a fluidizedbed gasifierscatologenes strain SLI isolated as an acetogenicASAE 036029 [J]. Proceedings of the Americanbacterium from acidic sediments [J)Int. JSyst EvolSociety of Agricultural Engineers, 2003, 28: 334Microbiol200050:537-546.[6] SAKAI S, NAKASHIMADA Y, YOSHIMOTO H Ethanol [12] MULLER M. Energy conservation in acetogenicproduction from H2 and CO2 by a newly isolatedbacteria [J].Appl Environ Microbiol, 2003, 69: 6345thermophilic bacterium, Moorella sp. HUC22-1 J6353Biotechnology Letters, 2004, 26: 1607-1612[13] RAGSDALE S M Life with carbon monoxide [J]. Rrit[7 TANNER R S, MILLER L M, YANG DClostridiumRev biochem Mol Biol, 2004, 39: 165-195Ingdahlii sp. nov. an aceto genic species in clostridial [14] KASSON K T, ACKERSON M D, CLAUSEN E CrRNa homology group I J Syst [J]. Bacteriol, 1993, 43Biological conversion of synthesis gas to fuels [JIInternational Journal of Hydrogen Energy, 1992,7[8 LOU JS-C, BALKWILL D L DRAKE G R, et al. I(4):281-288ostridiumcarboxid i vorans sp. Nov, a solvent[15] PHILLIPS J R, KLASSON K T, CLAUSEN J LBiological Production of Ethanol from Coal Synthesissettling lagoon, and reclassification of Clostridiumas [J]Applied Biotechnology and Biochemistry,sp nov1993,39:559-567J]. Int J Syst Evol Microbiol, 2005, 55: 2085[16] YOUNESI H, NAJAFPOUR G, MOHAMED A R Ethanol9 RAJAGOPALAN S, DATAR R P, LEWIS R SFormation of ethanol from carbon monoxide via aClostridium ljungdahlii [J] Bimicrobial catalyst [J). Biomass and Bioenergy, 2002, 23Journal,2005,27:1l0-119十七“+-+““十“++“++“+#十+m·十“十(上接第26页)4]董一忱甜菜农业生物学[M]北京:北京出版社1984产量较高吨车用乙醇所需的原料最少,单位质量S]董一忧甜菜裁培北京:农业出版社,1982车用乙醇的原料成本最低。但由于其经济产量最6莫家让,周承圣赜蔗栽培育种的生理基础国福州:低,单位耕地面积的车用乙醇产量最低,所以其经福建科学技术出版社,1984济效益最低仅-222790元/hm2。所以,在目前7刘晓松全国农牧渔业科技成果选编北京:中国农业科技出版社,2002我国人多地少的国情下,籽实作物原料对车用乙8]北京中作科技中心中国农村科技·“十五”计划作物醇产业不具有优势,不宜作为车用乙醇产业的原改良推广专刊M北京:中国农村科技杂志社,2005料作物。9]余本水中国种植科技成果指南M北京:中国农业出版社,2004参考文献[10轻工业部甘蔗糖业科学研究所,广东省农业科学院中[秦耀宗酒精工艺学[M],北京:中国轻工业出版社国甘蔗栽培学[M]北京:农业出版社,1985[l]谭显平能源甘蔗——生产燃料酒精的最佳原料J甘[2]韩锦峰,曹成舟农作物体内的化学[M郑州:河南人民出版社,19812中国煤化工州广东科技出版3]尹秀波,韩非,苏玉国,甘薯优质高产栽培技术MCNMHG北京:中国农业出版社,2005