肠杆菌Enterobacter sp. CN1利用琼胶酶解产物发酵产氢的初步研究

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氢气由于其高效、清洁、无污染而被认为是未来最具潜力的能源。以红藻等海洋生物质为原料,通过水解和发酵生产氢气等新型能源,是现阶段实现能源可持续发展的重要途径之一。本文以产氢肠杆菌Enterobacter sp.CN1作为出发菌株,通过琼胶酶AgaXa与852水解琼胶后得到的最终水解产物半乳糖及其它单糖或寡糖作为碳源进行发酵,期望最终达到利用廉价易得的碳源产出新型生物能源氢气的目的。  根据产氢肠杆菌Enterobacter sp.CN1已知产氢特性,探讨单因素温度、初始pH及糖浓度对CN1利用半乳糖产氢的影响,在此基础上以氢气产率为响应面,三因素(温度、初始pH及糖浓度)三水平对CN1利用半乳糖发酵产氢条件进行优化并改进了厌氧发酵产氢体系,确定了CN1利用半乳糖发酵产氢的最适条件为:接种量2%、底物半乳糖浓度5g/L、温度36.37℃、初始pH为7.32,氢气产率的理论预测值为2.34molH2/mol半乳糖。在此条件下对模型优化结果进行验证并获得了2.57molH2/mol半乳糖的实际产氢率。  先后模拟单酶以及双酶对琼脂糖以及琼脂粉的水解过程,并以水解预处理液为发酵底物联合肠杆菌CN1进行发酵产氢的探究。首先确定最适酶促反应模拟方式,模拟单琼胶酶AgaXa降解琼脂糖的酶促反应,确定单琼胶酶酶促反应中AgaXa粗酶液的最适加入量,即20g/L琼脂糖的25mL体系中加入3mL(0.122U/mL)AgaXa粗酶液。在此基础上,进一步模拟双琼胶酶AgaXa和852降解琼脂糖的酶促反应,通过测定生成的还原糖及半乳糖含量,确定双酶酶促反应模拟在实验室产氢规模下的琼胶降解的最佳方法及最适反应体系,即底物浓度为50g/L,琼胶酶AgaXa(0.122U/mL)与852(0.103U/mL)酶配比为1:5(v/v),此时,底物的水解率为2.6%,半乳糖得率为0.88%。然后联合产氢菌株CN1及半乳糖产氢优化条件探索联合发酵是否可以产氢,但是在整个过程中均未检测到氢气的产生。接着用琼脂粉为底物以相同的方式探索单酶及双酶降解体系,最终确定单酶酶促反应最佳体系为:20g/L琼脂粉的25mL体系中加入1mL(0.122U/mL)AgaXa粗酶液;双酶酶促反应最佳体系为:50g/L琼脂粉的50mL体系中加入琼胶酶AgaXa(0.122U/mL)与852(0.103U/mL)酶配比为1:5(v/v)的粗酶液,此时,底物水解率为2.12%,半乳糖得率为1.76%。然后联合产氢菌株CN1及其半乳糖产氢优化条件发酵最终实现产氢,CN1利用50g/L的琼脂粉水解预处理液发酵产氢是不加酶液预处理的对照组产氢的5倍,且比利用同浓度的半乳糖发酵产氢具有更高的产氢量(5170mL H2/L培养基),此时的产氢效率为4.6mmol/g琼脂粉,最后探索了不同浓度琼脂粉经酶解预处理后对CN1产氢的影响。
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