一种电发酵木质纤维素生物质产己酸的方法

本发明涉及一种电发酵木质纤维素生物质产己酸的方法，属于环境微生物发酵废弃生物质制备高值化学品。

背景技术：

1、木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维素及木质素三种成分组成，是一种储量巨大、分布广泛的重要资源。水稻秸秆作为一种典型的木质纤维素生物质，长期以来被认为是农业废弃物，多以堆肥、焚烧等方式处置，不仅造成了资源的浪费，还会增加大气中的co2排放、破坏生态环境。因此，开发以水稻秸秆为代表的木质纤维素生物质转化技术，同步实现农业废弃生物质的合理处理及有价值化合物的回收。

2、微生物发酵可在温和条件下将木质纤维素等资源通过细胞代谢得到多种目标产物(如挥发酸等)，是一种极具发展潜力的生物质转化途径。但结构复杂的木质纤维素类生物质难以被纯菌株高效发酵转化，或需添加外源酶制剂方可通过纯菌进行发酵。而基于混合菌群发酵的木质纤维素类生物质转化技术，可通过不同功能菌群的协同代谢作用，将纤维素和半纤维素组分发酵为价值低的发酵产物如乙酸、丙酸、丁酸等短链挥发性脂肪酸(volatile fatty acids,vfas)。然而，由于短链的vfas在水溶液中具有更高的溶解度，使下游的产物分离、纯化成本居高不下，严重限制了相关工艺的应用。通过对发酵微生物组的优化及过程调控，可实现发酵产物的升级、得到如己酸的高值化合物，是提高木质纤维素资源化收益的重要途径。作为一种六碳的直链饱和脂肪酸，己酸与乙酸、丙酸、丁酸相比具有更高的能量密度和价值。然而，混合菌群利用水稻秸秆为底物进行己酸发酵尚存在产量和产率低、选择度差等问题，限制了其发展和应用。

3、近年兴起的阴极电发酵(cathodic electro-fermentation)技术通过在发酵系统中引入阴极，可调控发酵系统的氧化还原电位、为细胞提供额外电子改善胞内还原力水平，是优化混合菌群发酵产物谱、提高目标产物合成效率的重要手段。已有文献报道采用cef技术可有效改善混合菌群发酵产物的生成，有效提高己酸的合成。然而，在cef中发酵微生物与阴极表面、不同功能的发酵微生物之间的电子传递过程显著影响cef系统对目标产物的强化效果。因此，如何进一步的利用电发酵技术实现木质纤维素类生物质的高效己酸转化是现有技术面临的难题。

技术实现思路

1、本发明针对现有木质纤维素类生物质己酸转化效率低的问题，提供一种电发酵木质纤维素生物质产己酸的方法。

2、本发明的技术方案：

3、本发明的目的之一是提供一种电发酵木质纤维素生物质产己酸的方法，该方法为：

4、将培养基和预处理水稻秸秆添加到电化学反应器的阴极室中，然后接种dcb菌群悬浮液，得到含有中性红的发酵液；同时向阳极室内添加亚铁氰化钾溶液，设置阴极电势为-0.6～-1.0v，实现木质纤维素生物质电发酵高效产己酸。

5、进一步限定，dcb菌群富集自牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤、腐木腐叶混合物的菌群。

6、更进一步限定，dcb菌群的富集过程为：接种牛粪、猪粪堆肥、玉米地土壤和腐木腐叶的混合物到的pcs培养基(含有10g/l预处理后的水稻秸秆、1g/l酵母粉，5g/l蛋白胨，2g/l caco3，5g/l nacl，0.5g/l半胱氨酸)中，同时在培养基中放入1.5cm×5cm的滤纸作为判断菌群降解水稻秸秆性能的表观指标；在温度为35℃～38℃及搅拌速度为100rpm～150rpm的条件下厌氧培养，待滤纸条完全崩溃时将混合菌群接种传代，如此进行，直至滤纸条完全崩溃的时间保持稳定(3天)，即得到最初的dcb菌群种子液。

7、更进一步限定，dcb菌群悬浮液的制备方法为：将dcb菌群种子液接种至新鲜的pcs培养基(含有10g/l预处理后的水稻秸秆、1g/l酵母粉，5g/l蛋白胨，2g/l caco3，5g/lnacl，0.5g/l半胱氨酸)中，培养3天后培养基中细胞浓度(以od600值计)达到2.5～3.0左右，液相发酵产物以乙酸、丁酸为主，即得到的发酵液作为电发酵系统的接种物dcb菌群悬浮液。

8、进一步限定，预处理水稻秸秆的制备过程为：将水稻秸秆自然晾干，粉碎至粒径小于3mm，然后在50℃条件下，以质量体积比为1g：15ml比例将秸秆颗粒和浓度为1wt％的naoh溶液混合，静置72h，过滤，并用水清洗至ph为中性，然后在105℃下烘干至恒重，干燥条件下储存备用。

9、进一步限定，电化学反应器为双室h型反应器，用钛丝固定石墨毡作为阳极和阴极，ag/agcl作为参比电极，阴极室外接集气袋收集发酵气体，通过铜线将阴极、阳极和参比电极分别与恒电位仪连接。

10、进一步限定，1l发酵液中含有20～50g预处理水稻秸秆，1g酵母粉，5g蛋白胨，2gcaco3，5g nacl，1mmol中性红。

11、进一步限定，发酵液的初始ph值约为7.5。

12、进一步限定，dcb菌群悬浮液的接种量为发酵液体积的5％(v/v)。

13、进一步限定，亚铁氰化钾溶液的浓度为200mmol/l，添加量与发酵液的体积相同。

14、进一步限定，电化学反应器在温度为35～38℃、搅拌速度为100～150rpm的条件下培养。

15、更进一步限定，电化学反应器在温度为37℃、搅拌速度为130rpm的条件下培养。

16、进一步限定，阴极电势为-0.80v。

17、进一步限定，采用补料批式发酵模式作为己酸转化的发酵模式。

18、本发明采用电发酵技术驱动混合菌群发酵秸秆类生物质产己酸，并通过引入外源的电子传递介体如中性红(neutral red,nr)，有效改善细胞与电极、微生物之间的电子传递过程，继而提高目标产物转化，有效提高木质纤维素类生物质的己酸转化效能，提高发酵产物价值。与现有技术相比具有以下有益效果：

19、(1)在本技术中木质纤维素类生物质中的纤维素和半纤维素组分可在含有纤维素降解菌和半纤维素降解菌的dcb菌群作用下产生可发酵性的糖(葡萄糖、纤维二糖、阿拉伯糖等)，进而能作为产酸发酵细菌的底物。经产酸发酵细菌转化得到的乙醇、乙酸、丙酸、丁酸等产物随着时间的延长会在发酵系统中不断积累。最终，通过菌群中的链延长细菌如oscillibacter及clostridium利用产酸细菌生成的氢气及乙醇作为电子供体，利用乙酸、丁酸作为电子受体，经过逆β氧化过程转化得到己酸。而常规的发酵法制备己酸，多采用如克氏梭菌(clostridium kluyveri)、埃氏巨型球菌(megasphaera elsdeniiin)等纯菌株，在厌氧条件下以乙醇、乳酸、甘油等作为电子供体、以乙酸、丁酸等作为电子受体，通过逆β氧化过程实现己酸的合成。然而，这些己酸转化过程需以简单的底物作为电子供体和受体，且需要维持无菌的发酵环境，这无疑使生物发酵制备己酸底物成本和运行成本居高不下。而以储量巨大、分布广泛的秸秆类木质纤维素资源为底物，利用混合菌群对复杂生物质的高效地协同降解作用，可经济地实现一步己酸转化。

20、(2)本发明采用dcb菌群高效降解、转化木质纤维素类生物质，同时生成多种短链vfas，通过引入的nr对菌群结构的调整，可使菌群在代谢过程中将更多的碳源用于己酸转化路径，从而实现己酸的高效合成。更进一步，对发酵系统的关键运行参数调控，逐步改善木质纤维素类生物质一步己酸转化的效能，为复杂生物质底物电发酵制备己酸提供了技术指导和理论依据。