合成气混菌发酵的机理研究和过程调控

Bioenergy from biomass is sustainable. But some biomasses containing lignocellulose are hard to be biodegraded. It is a good solution to convert them to syngas and then ferment syngas to liquid fuel or value chemicals. Syngas is formed by the partial oxidation and pyrolysis of carbonaceous materials. Its main content is CO and H2. In this project, we aim to study syngas mixed culture fermentation (MCF) in hollow fibre membrane bioreactor (HFMB). Firstly, to assistant a fast enrichment of targeting microbes in HFMB through membrane material selection and membrane fouling control, then to realize long term and effective methanogens inhibition in HFMBR and selectively produce acid or alcohol from syngas by manipulating environmental factors and process conditions; Thirdly, to investigate the pathway and mechanism of medium-chain fatty acid synthesis using stable isotopic probing and metagenomic techniques; Finally, to stimulate and optimize the syngas MCF process via establishing a mathematical model based on HFMB. The research outcomes will provide new insight and technology to utilize syngas, which have important scientific value and practical benefit for society and science. Meanwhile, it will also expand the practical application of MCF.

利用生物质的生物能源是一种可持续的能源。对于难生物降解的生物质（如木质纤维素），先转化为合成气后再发酵产液体燃料或化学品是个不错的解决方法。合成气是木质纤维素等生物质部分氧化和高温分解所产生的混合气体，它的主要成分为CO和H2。本项目以合成气混菌发酵过程为研究对象，以中空纤维膜反应器为研究载体，首先进行膜材料的选择和膜污染的控制来加快目标菌群在中空纤维膜上的富集，接着通过工艺条件和环境因子的调控，实现长期有效产甲烷古菌的抑制并定向产酸或醇；然后结合稳定同位素和基因组学分析来探索合成气形成中长链脂肪酸的路径和机理；最后建立基于中空纤维膜生物反应器的数学模型，模拟和优化合成气混菌发酵过程。研究成果将为合成气的利用提供了新的方法和技术，具有重要的科学意义和实用价值，同时也拓展了混菌发酵的实际应用。

利用生物质的生物能源是一种可持续的能源。对于难生物降解的生物质，先转化为合成气后再发酵产化学品是个不错的解决方法。本项目以合成气混菌发酵过程为研究对象，以中空纤维膜反应器为研究载体，选择合适的膜材料，开发长期有效产甲烷古菌的抑制方法并实现定向产酸或醇；探索了合成气形成中长链脂肪酸的路径并进行了工艺优化。本研究为合成气的利用提供了新的方法和技术，具有重要的科学意义和实用价值。经过4年的工作，课题取得了以下成果：.1）.在基于筛选出的聚丙烯材质搭建的中空纤维膜反应器系统中成功富集出转化合成气为有机酸的菌群，并发现在连续流条件下微生物能很好粘附在超滤膜丝上但在微滤膜丝上则粘附不上； .2）.通过对合成气混菌发酵产甲烷体系提供不同的乙酸浓度和pH, 发现自由乙酸浓度是能长期抑制甲烷的重要因子；.3）.自由乙酸耦合盐度抑制产甲烷菌的活性研究发现：当体系中盐度小于35‰时，抑制作用以自由乙酸为主，当体系中盐度大于35‰时，抑制作用以盐度为主，这些都为实际发酵过程中抑制产甲烷提供指导；.4）.在pH 4.5的连续运行的中空纤维膜反应器体系中，通过调节气体分压可以实现定向产乙醇或乙酸，高分压利于产乙醇，低分压利于产乙酸；.5）.高温合成气混菌发酵只产乙酸，而中温能产乙酸，丁酸和己酸。菌群分析发现发现高温的菌属为Thermoanaerobacterium (92.8%)，而中温的主要菌属是Clostridium (41.6%)；.6）.当把合成气组分改成CO2+H2进行高温发酵，发现超过95%以上的产物是乙酸，并达到42.4 g/L。主要菌属为Thermoanaerobacterium (66.3%)；.7）.考察了pH 5、7和9条件下膜反应器在30℃、20℃和10℃下利用合成气混菌发酵的代谢产物。在各温度条件下，pH5和pH7的代谢产物为乙醇、乙酸、丙酸、丁酸和己酸，而pH9的代谢产物没有己酸，相比于温度， pH值对代谢产物种类的调控更重要； .双基质共进在3个膜反应器（pH5，7，9）均能实现碳链伸长至辛酸，但乙醇和乙酸摩尔比为2时最佳，并且pH7的辛酸产率最佳。在最佳供料配比模式，切断合成气供给，可以显著提高辛酸产率。