周泰然,侍永江,桂錚,王詩潔,曹瑾,時號,2,羅洪鎮(zhèn),2*

(1. 淮陰工學(xué)院生命科學(xué)與食品工程學(xué)院,淮安 223003;2. 江蘇省生物質(zhì)轉(zhuǎn)化與過程集成工程實驗室,淮安 223003)

由于化石能源日益枯竭和溫室氣體的過量排放,人類面臨著資源短缺和全球變暖等問題[1]。利用可再生的農(nóng)林廢棄物生產(chǎn)液態(tài)燃料是解決上述問題的有效方法。丁醇是一種高效的液態(tài)燃料,其能量密度和燃燒性能突出[2]。丁醇的生產(chǎn)方法包括化學(xué)法和發(fā)酵法。發(fā)酵法是通過微生物將底物轉(zhuǎn)化為丁醇等產(chǎn)物,簡稱為丁醇發(fā)酵。傳統(tǒng)丁醇發(fā)酵的原料主要是玉米,該模式存在成本高、與人爭糧等問題。因此,利用廉價的玉米秸稈、水稻秸稈等木質(zhì)纖維素資源作為原料,是降低生物丁醇生產(chǎn)成本的有效方案[3-4]。

木質(zhì)纖維素是一種非均質(zhì)聚合物,主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素構(gòu)成,是地球上儲量最豐富的生物煉制原料[5-7]。然而,木質(zhì)纖維素固有的抗降解特性導(dǎo)致難以對其直接利用,建立可用于生物質(zhì)拆分并高效制取可發(fā)酵糖的預(yù)處理工藝,是目前該領(lǐng)域需要解決的關(guān)鍵問題[8]。近年來,研究人員建立了化學(xué)法、生物法和物理法等多種預(yù)處理方法[9-10]。這些預(yù)處理可有效攻克木質(zhì)纖維素的抗降解屏障,顯著提高纖維素組分占比,有利于可發(fā)酵糖生產(chǎn)。在上述預(yù)處理方法中,酸預(yù)處理是一種高效拆解各組分的工藝[11]。傳統(tǒng)的酸預(yù)處理一般使用無機酸作為預(yù)處理劑,這些試劑對設(shè)備腐蝕性強且各組分易過度降解成酚類、糠醛類等副產(chǎn)物,對微生物發(fā)酵不利[12]。有機酸具有反應(yīng)溫和、不易腐蝕設(shè)備等特點,是生物質(zhì)預(yù)處理劑的重要選擇。丁酸是丁醇發(fā)酵的代謝中間產(chǎn)物和丁醇合成前體物質(zhì),利用其進行木質(zhì)纖維素預(yù)處理,可以避免外源預(yù)處理劑對發(fā)酵的影響。研究表明,在丁醇發(fā)酵過程中,添加丁酸可以有效提高丁醇產(chǎn)量[13-14]。然而,木質(zhì)纖維素在丁酸預(yù)處理中的酶解底物用于丁醇合成的研究鮮見報道。

基于此,筆者以典型農(nóng)林廢棄物玉米秸稈為研究對象,選用丁酸溶液預(yù)處理玉米秸稈,確定最優(yōu)預(yù)處理條件并分析其酶解性能;將秸稈酶解液和殘余丁酸作為補料碳源,通過丁醇發(fā)酵動力學(xué)特征確定最優(yōu)過程調(diào)控策略,實現(xiàn)農(nóng)林廢棄物高效轉(zhuǎn)化生物燃料的目標(biāo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米秸稈購自江蘇省連云港市,攪碎后置于烘箱中60 ℃烘至質(zhì)量恒定,過40目篩(粒徑約0.4 mm);纖維素酶Cellic CTec2購自諾維信(中國)生物技術(shù)有限公司;其他試劑均購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 微生物與培養(yǎng)基

丙酮丁醇梭菌(ClostridiumacetobutylicumATCC 824),本實驗室保藏。

種子培養(yǎng)基(CGM培養(yǎng)基):KH2PO40.75 g/L、K2HPO40.75 g/L、NaCl 1.00 g/L、MnSO4·5H2O 0.017 g/L、MgSO4·7H2O 0.70 g/L、FeSO4·7H2O 0.01 g/L、L-天冬酰胺2.00 g/L、酵母抽提物5.00 g/L、(NH4)2SO42.00 g/L和葡萄糖30.00 g/L,pH自然。

發(fā)酵培養(yǎng)基共2種:第1種發(fā)酵培養(yǎng)基與CGM培養(yǎng)基配方一致;第2種發(fā)酵培養(yǎng)基在CGM培養(yǎng)基的配料基礎(chǔ)上,將葡萄糖質(zhì)量濃度改為20.00 g/L。

1.3 試驗方法

1.3.1 丁酸預(yù)處理

在250 mL高壓反應(yīng)釜中加入10 g玉米秸稈,與100 mL不同質(zhì)量濃度(50,100,150和200 g/L)丁酸溶液混合,在不同溫度(160,180和200 ℃)下反應(yīng)0.5 h,結(jié)束后用自來水將體系降至室溫,抽濾分離收集固體組分和上清液組分,用蒸餾水將固體組分沖洗至pH 7.0,置于烘箱60 ℃烘干12 h。烘至質(zhì)量恒定的樣品用于化學(xué)組分分析。

1.3.2 菌種活化及丁醇發(fā)酵

將保藏于孢子管的丙酮丁醇梭菌孢子懸浮液以10%接種量轉(zhuǎn)入裝有50 mL CGM的100 mL厭氧瓶中,使用真空泵將厭氧瓶內(nèi)抽至真空,保證種子培養(yǎng)的厭氧環(huán)境。將厭氧瓶沸水浴2 min,隨后置于0 ℃冷激2 min,最后置于水浴鍋中37 ℃靜態(tài)培養(yǎng)24 h,即活化種子液。

將上述活化種子液以10%接種量接入裝有50 mL發(fā)酵培養(yǎng)基的100 mL厭氧瓶中,置于37 ℃水浴鍋中靜置培養(yǎng)72 h,定時取樣分析細胞代謝及產(chǎn)物合成情況。

1.3.3 用于流加的葡萄糖和預(yù)處理殘余丁酸

用作補料碳源的酶解液:由玉米秸稈酶解液添加營養(yǎng)物質(zhì)組成,其中營養(yǎng)物質(zhì)為無葡萄糖的CGM。

進行實驗設(shè)計是開展科學(xué)探究的重要組成部分，實驗設(shè)計是圍繞所提出的問題進行實驗方案設(shè)計的思維過程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和科學(xué)思維，促進其學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。實驗設(shè)計的關(guān)鍵在于變量的確定及控制。在生物學(xué)教學(xué)中，學(xué)生常因為不能正確地分析變量，所以難以設(shè)計出比較完整的實驗方案，進而影響其實驗設(shè)計能力的發(fā)展。因此加強變量分析教學(xué)，幫助學(xué)生掌握實驗設(shè)計的各種變量及其控制方法，是提高學(xué)生實驗設(shè)計能力發(fā)展的有效途徑。

玉米秸稈酶解液制備方法:丁酸預(yù)處理后的固體殘渣與pH 4.8、50 mmol/L檸檬酸鈉緩沖液以固液比1∶5(g∶mL)混合,以5～10 FPU/g底物添加纖維素酶Cellic CTec2,置于50 ℃下150 r/min酶解反應(yīng)72 h,即得到富含葡萄糖的玉米秸稈酶解液。

預(yù)處理殘余丁酸:將預(yù)處理后的殘余丁酸上清液進行脫毒操作,即添加5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))活性炭后置于60 ℃下150 r/min搖床中脫毒12 h,隨后經(jīng)過抽濾收集脫毒后的丁酸溶液。

1.3.4 丁醇發(fā)酵的間歇流加策略

流加秸稈酶解液的調(diào)控策略:初始葡萄糖質(zhì)量濃度為20.00 g/L,發(fā)酵12 h后流加秸稈酶解液,共3個批次。批次a為未流加秸稈酶解液;批次b為發(fā)酵12 h后,一次性向發(fā)酵液中流加秸稈酶解液,使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30 g/L;批次c為發(fā)酵12 h后一次性向發(fā)酵液中流加秸稈酶解液,使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為40 g/L。上述批次72 h發(fā)酵結(jié)束。

流加丁酸和秸稈酶解液的調(diào)控策略:初始葡萄糖質(zhì)量濃度為20.00 g/L,共3個批次。批次d為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,丁酸流加時間為12～24 h,每12 h流加1 g/L丁酸,共流加2 g/L;批次e為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,丁酸流加時間為12～36 h,每8 h流加0.5 g/L丁酸,共計2 g/L;批次f為培養(yǎng)12 h后,一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為40.00 g/L,丁酸流加時間為12～36 h,每8 h流加0.5 g/L丁酸,共計流加2 g/L。上述批次72 h發(fā)酵結(jié)束。

1.4 分析方法

纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量參照美國國家可再生能源實驗室NREL/TP-510-42618方法進行測定[15]。

采用GC1290型氣相色譜儀系統(tǒng)(GC,上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)分析預(yù)處理后液體組分中的丁酸及發(fā)酵過程中代謝產(chǎn)物丙酮、丁醇、乙醇和丁酸的濃度,以異丁醇為內(nèi)標(biāo),用0.3 mol/L HCl酸化后進行氣相色譜分析;檢測器為氫火焰離子化檢測器(FID),色譜柱為FFAP毛細管柱(長×內(nèi)徑×填料粒徑為30 m × 0.32 mm × 0.5 μm,大連中匯達科學(xué)儀器有限公司)。丁醇發(fā)酵中總?cè)軇┊a(chǎn)量是丙酮、丁醇和乙醇的產(chǎn)量之和。各實驗組均設(shè)定3個平行批次,實驗結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差展示在圖表中。

2 結(jié)果與分析

2.1 丁酸預(yù)處理對玉米秸稈組分的影響

有機酸(如甲酸、乙酸等)已被用于木質(zhì)纖維素預(yù)處理過程[11]。相較于其他有機酸,丁酸可以避免外源預(yù)處理劑對丁醇發(fā)酵的影響。選用不同濃度的丁酸分別預(yù)處理玉米秸稈,預(yù)處理后的原料組分變化結(jié)果如表1所示。

表1 丁酸預(yù)處理后玉米秸稈的化學(xué)組分變化Table 1 The chemical composition of the corn stover solid residue after butyric acid (BA) pretreatments

未經(jīng)預(yù)處理的玉米秸稈葡聚糖含量為30.70%、木聚糖含量為21.17%,經(jīng)過預(yù)處理后的葡聚糖含量均大幅提升,同時木聚糖組分也有不同程度的脫除,結(jié)果表明丁酸預(yù)處理對玉米秸稈組分的解聚效果比較顯著。利用50 g/L丁酸預(yù)處理時,在180 ℃條件下反應(yīng)0.5 h后的殘渣葡聚糖含量達47.25%,固體質(zhì)量回收率為57.52%,同時葡聚糖回收率達到了88.53%,且該批次的木聚糖脫除率為82.88%。利用高于100 g/L丁酸進行預(yù)處理時,原料的固體回收率和葡聚糖含量維持在49.03%～58.82% 和44.89%～49.66%。雖然上述預(yù)處理條件可以保證與50 g/L丁酸預(yù)處理的化學(xué)組分相似,但是高濃度丁酸存在腐蝕性高、成本高等缺點,且高濃度丁酸會增加后續(xù)處理難度。因此,綜合不同預(yù)處理條件下的固體組成及葡聚糖回收率結(jié)果,確定50 g/L丁酸、180 ℃條件下維持0.5 h作為玉米秸稈最優(yōu)預(yù)處理工藝,并以此為基礎(chǔ)探究其酶解液用于丁醇發(fā)酵的效果。

2.2 流加玉米秸稈酶解液對丁醇發(fā)酵的影響

經(jīng)過丁酸預(yù)處理后的玉米秸稈需要經(jīng)過酶解來獲得丁醇發(fā)酵所需的葡萄糖,分析了不同纖維素酶添加量對預(yù)處理后秸稈的酶解效果(固液比均為1∶5),結(jié)果如圖1所示。酶解72 h后,在5 FPU/g纖維素酶添加量下,葡萄糖質(zhì)量濃度為53.3 g/L;當(dāng)將纖維素酶添加量提高至10 FPU/g時,葡萄糖質(zhì)量濃度達到70.8 g/L。為減少后續(xù)補料對發(fā)酵體積的影響,故選擇10 FPU/g條件下的酶解液進行丁醇發(fā)酵。本研究在預(yù)實驗中將其作為碳源直接替換CGM中的葡萄糖,丙酮丁醇梭菌未生長且?guī)缀鯖]有溶劑合成。這主要是由于秸稈預(yù)處理后的預(yù)處理液和酶解液中仍含有多種發(fā)酵抑制物。為降低抑制組分對丁醇發(fā)酵的毒性,選擇在細胞對數(shù)生長期以間歇流加的方式補充碳源,避免菌種生長初期接觸酶解液組分中的抑制物,提高產(chǎn)溶劑梭菌對玉米秸稈酶解液的利用率。

圖1 不同纖維素酶添加量對丁酸預(yù)處理玉米秸稈酶解的影響Fig. 1 Effects of cellulase dosage on enzymatic hydrolysis of cornstover after butyric acid pretreatment

批次a的發(fā)酵動力學(xué)曲線如圖2A所示,培養(yǎng)基中的初始葡萄糖在36 h即被全部消耗,此時發(fā)酵液中含有2.00 g/L丁酸和4.15 g/L丁醇。發(fā)酵72 h時,發(fā)酵液中含有0.36 g/L丁酸和4.89 g/L丁醇。丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別比36 h時的產(chǎn)量提升了17.83%和15.30%,這說明丁酸可以被丙酮丁醇梭菌吸收并用于產(chǎn)物合成。批次b的發(fā)酵動力學(xué)曲線如圖2B所示,在發(fā)酵12 h后,向發(fā)酵液中一次性流加秸稈酶解液使得葡萄糖總質(zhì)量濃度為30.00 g/L,該批次進行至60 h時葡萄糖消耗殆盡。發(fā)酵終了的丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別為7.05和9.99 g/L,比批次a分別提升了44.17%和36.66%,這表明流加的酶解液可作為碳源用于產(chǎn)物合成。進一步提升秸稈酶解液流加量至葡萄糖總體系為40.00 g/L(批次c),其發(fā)酵動力學(xué)曲線如圖2C所示。葡萄糖在12 h時降至8.80 g/L,補料的葡萄糖至發(fā)酵60 h被完全消耗,葡萄糖消耗曲線趨勢與批次b一致。批次c產(chǎn)生了9.34 g/L丁醇和13.31 g/L總?cè)軇?這表明流加碳源被丙酮丁醇梭菌轉(zhuǎn)化為4.45 g/L丁醇和6.00 g/L總?cè)軇?/p>

A) 批次a;B) 批次b;C) 批次c;D) 批次a～c的丁醇/丙酮質(zhì)量比和溶劑生產(chǎn)效率。

2.3 玉米秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略提高丁醇發(fā)酵性能

為構(gòu)建綠色高效的生物丁醇轉(zhuǎn)化工藝,Luo等[14,16]已經(jīng)驗證了在丁醇發(fā)酵過程中添加丁酸或預(yù)處理殘余丁酸可以提高丁醇產(chǎn)量。同時,本研究表明適量補料秸稈酶解液能夠有效提高丁醇產(chǎn)量。利用50 g/L丁酸預(yù)處理玉米秸稈后得到的液體組分中仍含有49.40 g/L丁酸,該預(yù)處理殘余丁酸和秸稈酶解液協(xié)同流加對丁醇發(fā)酵的影響還不清楚。因此,進一步探究秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略對丁醇發(fā)酵的影響,結(jié)果如圖3所示。批次d(圖3A)協(xié)同流加玉米秸稈酶解液和殘余丁酸后,丙酮丁醇梭菌生長代謝仍正常進行,葡萄糖于48 h時完全消耗;丁酸于12 h濃度達到最大值,隨著丁酸的間歇流加和菌種生理代謝的影響,其濃度上下波動。發(fā)酵72 h后的丁醇和總?cè)軇┵|(zhì)量濃度分別達到 8.15 和11.15 g/L,分別比批次b提升了15.60%和 11.61%,這表明秸稈酶解液/殘余丁酸協(xié)同流加策略對丁醇高效合成的可行性。批次d最終丁酸為2.03 g/L,這可能是流加丁酸質(zhì)量濃度較高,對發(fā)酵環(huán)境造成沖擊影響了丙酮丁醇梭菌代謝所致[17]。隨后優(yōu)化了丁酸流加量及流加次數(shù),分4次流加2 g/L殘余丁酸,發(fā)酵動力學(xué)如圖3B所示。批次e發(fā)酵72 h后的丁酸質(zhì)量濃度為0.87 g/L,丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量分別為8.39和11.86 g/L。這表明大部分丁酸在發(fā)酵產(chǎn)溶劑過程中被重吸收,并有效提高了丁醇和溶劑產(chǎn)量。此外,將玉米秸稈酶解液補料量至葡萄糖總質(zhì)量濃度為40 g/L,并通過4次流加2 g/L丁酸,發(fā)酵動力學(xué)結(jié)果如圖3C所示(批次f)。該批次發(fā)酵72 h后的丁醇和總?cè)軇┊a(chǎn)量為10.58和14.85 g/L,丁酸質(zhì)量濃度為0.85 g/L。相比于批次c,丁醇產(chǎn)量提升13.28%。這表明在高濃度葡萄糖補料情況下,丁酸仍能有效提升溶劑產(chǎn)量。

A) 批次d;B) 批次e;C) 批次f;D) 批次d～f的丁醇/丙酮質(zhì)量比和溶劑生產(chǎn)效率。

對上述批次的丁醇發(fā)酵綜合性能進行比較(圖3D),批次d的丁醇和總?cè)軇┥a(chǎn)效率分別為0.113和0.155 g/(L·h),丁醇/丙酮質(zhì)量比達到3.3∶1.0。研究表明,丁醇占總產(chǎn)物的比例越大,越利于降低后續(xù)產(chǎn)物的分離純化成本;當(dāng)丁醇質(zhì)量濃度從12 g/L提高至20 g/L時,溶劑的分離純化成本將降低50%[18]。雖然批次e有更高的溶劑產(chǎn)量,但對比批次d的丁醇/丙酮質(zhì)量比降低了16.2%。這是因為丁酸單次流加量較大對丁醇發(fā)酵菌代謝生長產(chǎn)生影響,從而降低了丙酮產(chǎn)量。當(dāng)葡萄糖體系為40.00 g/L時,批次f的丁醇和總?cè)軇┥a(chǎn)效率分別提升至0.147和0.206 g/(L·h),比批次c分別提升了13.08%和11.35%。由此可知,通過間歇補料方式可以高效利用木質(zhì)纖維素衍生葡萄糖及預(yù)處理殘余丁酸合成丁醇,該工藝不僅解決了傳統(tǒng)酸預(yù)處理劑環(huán)境污染大、腐蝕性高的問題,還為生物煉制過程的優(yōu)化調(diào)控提供技術(shù)支撐。

2.4 不同底物補料策略強化丁醇合成的代謝機理

預(yù)處理后含丁酸的液體組分通過補料方式可以提高丁醇合成能力,同時秸稈酶解液也可作為發(fā)酵碳源用于丁醇合成。從丙酮丁醇梭菌代謝通路(圖4)可知,在丁醇發(fā)酵過程中添加的丁酸可以進入胞內(nèi),通過丁酸環(huán)的再吸收能力將其轉(zhuǎn)化為丁酰輔酶A,隨后在輔因子還原型輔酶I(NADH)作用下合成終產(chǎn)物丁醇(圖4A)。相較于單一的丁酸補料條件,在丁醇發(fā)酵過程中同時流加丁酸和葡萄糖,丙酮丁醇梭菌可以將葡萄糖通過糖酵解途徑轉(zhuǎn)化為溶劑合成前體乙酰輔酶A,并產(chǎn)生輔因子和能量物質(zhì)腺嘌呤核苷三磷酸(ATP),保證了細胞正常代謝;添加的丁酸則通過丁酸環(huán)的再吸收作用還原轉(zhuǎn)化為丁醇(圖4B),進而實現(xiàn)丁醇發(fā)酵性能的提升。

A)殘余丁酸補料;B)殘余丁酸和酶解液協(xié)同補料。

此外,改善生物煉制過程的經(jīng)濟性能是該領(lǐng)域未來需要關(guān)注的重要問題之一[19]。本研究利用的丁酸是化學(xué)合成丁酸,仍然存在成本較高的缺點,如何降低該工藝的預(yù)處理成本是未來需要進一步解決的問題。由于丁酸可以通過生物質(zhì)衍生的可發(fā)酵糖發(fā)酵制備,目前丁酸發(fā)酵的產(chǎn)量可以達到50～90 g/L,這為生物質(zhì)預(yù)處理提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)[20]。因此,未來可以嘗試將丁酸發(fā)酵與生物質(zhì)預(yù)處理相結(jié)合,進而實現(xiàn)低成本的木質(zhì)纖維素預(yù)處理和生物燃料的高效生產(chǎn)。

3 結(jié) 論

本研究首先分析了丁酸作為有機酸預(yù)處理玉米秸稈的效果,同時利用丙酮丁醇梭菌作為丁醇發(fā)酵菌株,探究了預(yù)處理殘余丁酸和秸稈酶解液作為共底物進行丁醇生產(chǎn)的可行性,具體結(jié)論如下:

1)50 g/L丁酸、180 ℃反應(yīng)0.5 h條件下玉米秸稈的預(yù)處理效果最優(yōu)。

2)當(dāng)利用玉米秸稈酶解產(chǎn)生的葡萄糖作為補料碳源時,丁醇產(chǎn)量從4.89 g/L提高到9.34 g/L。將玉米秸稈酶解液和殘余丁酸作為共底物補料時,發(fā)酵結(jié)束的丁醇產(chǎn)量和生產(chǎn)效率分別達到10.58 g/L和0.147 g/(L·h),比無補料批次提高了116%。

3)該工藝既可以將木質(zhì)纖維素轉(zhuǎn)化的葡萄糖用于丁醇合成,還能夠?qū)㈩A(yù)處理殘余丁酸高效轉(zhuǎn)化,實現(xiàn)了木質(zhì)纖維素高效轉(zhuǎn)化生物丁醇的目標(biāo),為廉價生物質(zhì)原料精煉提供借鑒。