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为了使产氢菌种应用于工业化生产,需要对产氢细菌进行扩大培养。本文首先优化了产氢细菌B49的扩培培养基,以提高单位体积培养液的细胞密度;在此基础之上进行了分批培养和补料分批培养,并初步研究了群落结构优化技术。
氮源对B49的细胞浓度有较大影响。B49最适生长氮源为牛肉膏、酵母粉和蛋白胨的混合氮源。使用混合氮源,B49的细胞浓度为0.46g/L。在此基础之上研究了C/N对B49细胞浓度的影响,当C/N为3.3时,B49细胞浓度最高,达到0.57g/L。
向C/N为3.3的培养基中加入磷酸盐、碳酸钙或尿素任一种缓冲物质均能提高B49的细胞浓度,其中以尿素的效果最好,细胞浓度为1.5g/L,与对照相比,细胞浓度提高了163%。同时产氢和产VFA也得到促进。
在优化培养基的基础之上进行B49的二级扩大培养。在分批培养中,B49延滞期在4h左右,细胞浓度达到1.8g/L;在补料分批培养中,以40%~80%的体积补料,B49细胞浓度均能在10h之内达到1.5g/L。
采用半胱氨酸降低糖蜜培养基氧化还原电位效果较好;培养基中糖蜜浓度升高则B49细胞浓度降低,适宜的糖蜜浓度在2~4%(V/V)之间;向糖蜜中加入酵母粉能促进B49生长和产氢,适宜的酵母粉浓度为4g/L,此时细胞浓度达到0.74g/L。
在三级扩大培养中,以糖蜜为底物进行扩培,B49细胞浓度达到1.23g/L。经验证,这些扩培的菌种具有较高的产氢活性,因此,可以作为群落优化的高效菌种进行投加,以糖蜜进行三级培养可以节省生产成本60%。
将B49经过低浓度糖密驯化后投加,投加后反应器产氢速率和氢气含量有大幅度上升,重新稳定后产氢速率达到6.7L/d,比投菌前提高了六倍。投菌后VFA中乙醇和乙酸含量上升,发酵类型进一步向乙醇型发酵发展。
DGGE检测结果表明,群落优化后反应器中微生物种群发生巨大变化,既有优势微生物的消亡,又有微生物新种类的出现,代表B49种属的条带在投菌后持续增强,可见驯化后的B49能适应反应器环境进行生长。