厌氧微生物转化合成气制备中链醇工艺及机理研究
随着工业水平的迅速发展和化石能源的日渐匮乏，开发新的可再生能源工艺已是必然趋势。我国的生物质能资源丰富，但利用率低，将生物质热解气化所得合成气生物转化为中链醇等具有高附加值的化学品具有巨大潜力。利用厌氧生物混合菌群转化合成气制备中链醇具有操作简单、成本低、抗冲击负荷能力强等优点，但目前研究仍处于起步阶段，代谢途径尚不明晰、影响因素及影响规律尚不清晰、作用机理尚不明确。本研究旨在构建厌氧混合菌群转化合成气制备中链醇的体系，在此基础上研究反应操作条件温度、CO分压和pH值对中链醇合成的影响，进而从微生物学和热力学角度揭示中链醇的合成转化机制及不同操作条件的作用机理，主要结论如下： （1）确定了低温（25℃）、高CO分压（1.0-1.5bar）和低pH值（5.5）对于中链醇合成更有利。实验发现：降低温度对碳链过程更加有利，可获得更高的中链酸积累，进而提高中链醇浓度；增加CO分压，可有效提高中链酸的合成速率，获得更高中链酸累积量，进而提高中链醇浓度和生产速率；降低pH值同样有利于中链醇的合成，但促进方式与降低温度和增加CO分压不一致，无需积累高浓度的中链酸。 （2）16srRNA分析结果表明，Clostridiumsensustricto12和Clostridiumsensustricto1属丰度最高，二者丰度变化分别和中链酸、中链醇的浓度呈正相关，可能都在中链醇的合成过程中发挥了重要的作用。通过宏基因和宏蛋白组学技术，确定了该系统内仅通过逆β氧化途径进行碳链延长，明确了体系内合成气转化制备中链醇的代谢途径。对不同操作条件下体系内相关酶的代谢丰度进行分析，发现增加CO分压，可有效促进合成乙酰辅酶A合成和碳链延长过程，加速中链酸的合成，最重要的是，在酸转化为醇的过程中，提高醛脱氢酶的丰度以促进中链醇的生成；降低pH对于合成乙酰辅酶A、碳链延长过程都有一定的消极影响，可能是RuminococcaceaebacteriumAM07-15和SpirochaetaebacteriumHGW-Spirochaetae-4中特异性催化酰基辅酶A直接转化为醛类的醛/醇脱氢酶上调，减少代谢步骤而提高中链醇合成速率的；降低温度对于碳链延长过程中的部分关键酶是有利的，并且提高了醛脱氢酶的丰度以促进中链醇合成。 （3）热力学分析表明降低温度、增加CO分压、调低pH均使得中链醇的合成更具自发性；反应过程中实际吉布斯自由能变化的结果表明，不同的反应条件下，ΔfG''T最终都趋近于0，达到准热力学平衡状态，说明在制备中链醇的过程中存在热力学上限，且本研究中均已达到热力学上限，因此，热力学也是限制中链醇制备的关键因素。 （4）通过半连续实验研究，结合热力学分析，证明了合成气生物转化制备中链醇系统长期运行的稳定性。 本研究揭示了厌氧微生物转化合成气制备中链醇的合成机制，结合16srRNA、宏基因组学和宏蛋白组学技术揭示了合成气生物转化为中链醇过程的代谢途径、不同因素的作用机理以及该过程中的关键微生物，还探究了该系统长期运行的稳定性，为合成气生物转化制备中链醇技术的工业化应用提供了一定的理论支持。
厌氧微生物;合成气;中链醇;碳链延长;宏基因
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
王雯
2022
中文
TQ223
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）