Energ. Convers. Manag. 通过共培养策略的生物精炼从城市固体废弃物中协同生产丁醇、乙醇和氢气

背景介绍

可再生生物燃料，如乙醇、丁醇和氢气，将大大有助于清洁能源的未来发展。然而，向绿色能源供应的过渡遇到了严重的过程困难，因此需要新的概念来实现生物燃料的商业化。通过生物炼制的概念，将低价值的原料转化为多种生物燃料和增值化学品，可以提高生物燃料生产的商业可行性。

为了解决生物燃料技术和经济生产的局限性，伊朗伊斯法罕理工大学Keikhosro Karimi教授等人提出了一种产乙醇的C. acetobutylicum和一种产丙酮-丁醇-乙醇(ABE)的M. indicus的微生物共培养产的生物精炼方法。该工作首次评估了这两种微生物的共培养方式，充分利用两种微生物的优势，利用水解城市固体废物有机部分(OFMSW)后的产物来高效地生产ABE和氢气。在初始pH 5.5、固体负荷为5%、细菌与真菌生物质比为1:1的条件下，每公斤OFMSW的水解产物可产生80.2 g丁醇、30.2 g丙酮、108.1 g乙醇和96.3 L氢气。结果表明共培养方式显着高于通过单一培养获得的能量，共培养生物精炼厂的经济潜力达到了0.16 $/kg OFMSW。

图文解读

城市固体废物预处理和酶解效果

为了提高OFMSW木质纤维素部分的水解，减少OFMSW中可用的抑制剂，废物用乙酸催化的丙酮有机溶液进行预处理，其中这两种预处理溶剂都是细菌发酵的副产物。接下来，OFMSW中的木质纤维素被水解。如表1所示，每100 g原料的OFMSW通过预处理能够回收68 g含有20.4%淀粉含量的预处理OFMSW；同时，通过预处理可以从OFMSW中去除40%以上的木质素和48%以上的半纤维素，预处理后的残基中得到超过45%的葡聚糖；未经处理的OFMSW中含有相对较多的总酚类化合物，主要来源于水果皮和茶渣。OFMSW中50%以上的酚类化合物为单宁。

表1. 未经处理和预处理的OFMSW的组成

如图1所示，未经预处理的OFMSW经水解得到了16.9 g/L葡萄糖和2.4 g/L木糖的水解产物，预处理后的OFMSW在5%固体负荷下水解，得到了含有24.8 g/L葡萄糖和3 g/L木糖的水解物，当固体负荷增加到8%和10%时，葡萄糖浓度分别增加到了39.2 g/L和47.9 g/L，木糖浓度分别增加到4.9 g/L和5.6 g/L。此外，淀粉浓度从5%固体负荷下水解液的11.5 g/L增加到8%和10%的18.2 g/L和22.5 g/L。因此，高固体负载体系伴随着混合和传质的困难，这可能对水解产率产生负面影响。

图1. 未处理和预处理的OFMSW在5%、8%和10%固体负荷下酶解72小时后葡萄糖(□)、木糖(■)和淀粉(■)浓度和葡萄糖产率(◆)。

共培养发酵条件的优化

作者对C. acetobutylicum和M. indicus共发酵体系中的初始pH、接种比和固体负载进行了优化。如图2所示，在初始pH为5.5时，通过共培养发酵得到了最高的丙酮-丁醇浓度。C. acetobutylicum的生长基于双相发酵，在酸化阶段产生丁酸和乙酸，将pH降低到5.5-6.0，然后进入溶剂生成阶段，代谢从酸的生产转移到酸的转化为溶剂，最高的ABE浓度16.1 g/L(包含2.2 g/L丙酮，5.9 g/L丁醇，7.9 g/L乙醇)以及141.6 mL生物氢通过C. acetobutylicum和M. indicus共发酵产生。将预处理后的OFMSW水解产物经共培养后进行发酵，在最佳的初始pH条件下，C. acetobutylicum和M. indicus的接种比例在1:1时ABE的浓度最高，为16.1 g/L(含7.9 g/L乙醇、5.9 g/L丁醇和2.2 g/L丙酮)，比C. acetobutylicum和M. indicus单独培养产出的ABE高出38%和36%。此外，作者还优化了固体负载，在5%固体负载下对预处理的OFMSW进行酶解，然后通过C. acetobutylicum和M. indicus (比例为1:1)的共培养进行发酵，最高的ABE产量为218.5 g/kg干OFMSW，对应于0.41 g/g碳源；研究结果表明较高的ABE浓度不一定与较高的ABE产率相关，尽管在更高固体负载量（8%和10%）共培养下获得的水解产物发酵产生更高浓度的溶剂，但在5%固体负载量下发酵产生了更高的总产量。因此，细菌和真菌共培养的最佳条件是初始pH 5.5、固体负荷为5%、细菌与真菌生物质比为1:1。

图2. 不同初始pH、真菌和细菌生物量比和固体负荷发酵72 h后得到的丙酮(■)、丁醇(■)和乙醇(□)浓度。

初步经济分析

与8%和10%的固体负荷相比，在5%的固体负荷下获得的预处理水解物的发酵产生了更高的ABE和生物氢产率。因此，5%的固体负荷被认为是真菌细菌共培养生产生物燃料的最佳固体负载。如表2所示，在最佳条件下，通过共培养发酵过程中C. acetobutylicum和M. indicus产生的生物燃料的汽油当量最高为每公斤干OFMSW 225.7 mL（1761.1克），能量形式分别为乙醇（94.2 mL汽油当量/公斤干OFMSW）、丁醇（92.8 mL汽油当量/公斤干OFMSW）和生物氢（38.7 mL汽油当量/公斤干OFMSW）；在共培养条件下获得的能量比C. acetobutylicum和M. indicus单独纯培养的能量分别高64%和16%。因此，不同微生物从每公斤OFMSW中产生的总汽油当量结果证实了共培养C. acetobutylicum和M. indicus是最佳的生产生物燃料。

表2. 不同菌株用OFMSW生产生物燃料的汽油当量。

图3描述了共培养条件下将每kg OFMSW转化为生物燃料的工艺流程图。为了降低购买原材料的成本，所需的丙酮和乙酸由实验中生产的丙酮和乙酸供应。每公斤OFMSW生产丁醇、乙醇和氢可获得0.49$的总收入，而总费用为每公斤OFMSW0.33$，0.16$/kg OFMSW的经济潜力正值揭示了生物炼制过程中的盈利能力。此外，丁醇和乙醇作为液体生物燃料和氢气比沼气更具有优势，考虑到二氧化碳、丙酮、乙酸、丁酸和固体残留物作为有价值的副产品，可以显著提高生物工艺的经济潜力。因此，使用OFMSW作为一种低成本的原料来生产生物燃料和所需的化学品，利用这种综合的生物炼制过程有很大的可能可以克服生物燃料生产过程的主要瓶颈。

图3. 在最佳条件下真菌-细菌共培养的丙酮预处理、水解和发酵的总体质量平衡(初始pH为5.5,1:1的细菌和真菌生物量比，以及5%的固体负荷)。

总结展望

本研究首次成功验证了OFMSW经丙酮预处理、葡聚糖和木聚糖的酶解、C. acetobutylicum和M. indicus共培养发酵过程中从OFMSW中高效地生产ABE和氢的工艺流程。在最佳的条件下产生了5.9 g/L丁醇、7.9 g/L乙醇、2.2 g/L丙酮和141.6 mL生物氢，相当于226 mL的汽油当量，共培养下的经济潜力达到了0.16 $/kg OFMSW。OFMSW作为一种低成本的原料来生产生物燃料和所需的化学品，利用共培养的生物炼制方法有可能克服生物燃料生产过程的主要瓶颈。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115303

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