阅读说明：本技术 一种促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法 (Method for promoting protein-philic acetogenic bacteria to generate acetic acid ) 是由 冯雷雨 秦芷怡 李旭曜 段旭 陈银广 周琪 于 2019-09-12 设计创作，主要内容包括：一种促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法,在嗜蛋白产乙酸菌液中加入辅助材料,在光照条件下控制反应条件,提高以蛋白质为碳源的嗜蛋白产乙酸菌产乙酸量。所述辅助材料是能够在光照条件下产生活性物质促进微生物代谢的同时将CO<Sub>2</Sub>还原转化为乙酸的材料。所述辅助材料是性能优良且结构稳定的光催化半导体材料。所述光催化半导体材料可以是介孔状氮化碳或硫化镉纳米粒子。所述反应条件包括：所述辅助材料的浓度,运行的温度以及反应时间。本发明能有效提高嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸量,降低化学合成乙酸对环境的污染,减少厌氧发酵中温室气体CO<Sub>2</Sub>的排放,对环境保护及资源化利用有很大的影响。本发明可应用于蛋白质废水及其它工业废水的处理。(A method for promoting the production of acetic acid by a protein-philic acetogenic bacterium is characterized in that an auxiliary material is added into a protein-philic acetogenic bacterium liquid, the reaction condition is controlled under the illumination condition, and the acetic acid production amount of the protein-philic acetogenic bacterium taking protein as a carbon source is increased. The auxiliary material can generate active substances under the condition of illumination to promote the metabolism of microorganisms and simultaneously convert CO 2 Reducing the material converted to acetic acid. The auxiliary material is a photocatalytic semiconductor material with excellent performance and stable structure. The photocatalytic semiconductor material can be mesoporous carbon nitride or cadmium sulfide nanoparticles. The reaction conditions include: the concentration of the auxiliary material, the temperature of operation and the reaction time. The invention can effectively improve the acetic acid production amount of the protein-philic acetogenic bacteria, reduce the environmental pollution caused by chemically synthesized acetic acid and reduce the greenhouse gas C in anaerobic fermentationO 2 The emission of the catalyst has great influence on environmental protection and resource utilization. The invention can be applied to the treatment of protein wastewater and other industrial wastewater.)

一种促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法

技术领域

本发明属于环境保护以及资源化技术领域，涉及促进嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵产乙酸的方法。

背景技术

乙酸(CH₃COOH)是一种重要的化工原料，也是生活中常见的调味剂和清洗剂，应用广泛，具有较高经济价值。传统获得乙酸的方法主要为化工合成，即利用有机物通过化学方法合成乙酸，其中，75％的工业用途乙酸是通过甲醇的羰基化制备而成，往往含有重金属、苯类物质等其他杂质，纯度较低，并且合成过程会对环境造成负担。另一种生产乙酸的方法即通过微生物(产乙酸菌)厌氧发酵生成，厌氧微生物将复杂有机物转化为乙酸，生成的乙酸纯度高，环保可靠性强。因此，利用产乙酸菌厌氧发酵生产乙酸技术引起广泛关注。

复杂有机物厌氧发酵过程主要包括4个阶段：(1)水解阶段。在此阶段，发酵液中大分子有机物在水解酶的作用下，被分解成水溶性的简单有机物，如碳水化合物水解为简单的糖类，蛋白质水解为氨基酸，脂质水解为各种低级脂肪酸和甘油；(2)酸化阶段。在酸化阶段，水溶性的水解产物简单小分子有机物转化为挥发性脂肪酸、醇、醛、二氧化碳和氢气；(3) 产氢产乙酸阶段。在此阶段，酸化产物(丙酸、丁酸、戊酸等脂肪酸和醇类等)及氢气和CO₂被产氢产乙酸菌转化为乙酸；(4)产甲烷阶段。在这一阶段，乙酸、氢气、碳酸、甲酸和甲醇被转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。乙酸的产生量与前三阶段的控制密切相关，其中，水解酸化阶段速率较慢，被认为是厌氧发酵产酸的限速阶段，因此通过添加一些物质或者能源来加快微生物对有机物质的水解速率，能有效提高整个反应的产酸速率。

众所周知，复杂有机物厌氧发酵过程也是一个电子和能量的交换过程，微生物导电纤毛和细胞色素在其中起着关键作用。有机物厌氧生物发酵过程中，如果能够添加某种物质代替微生物的导电纤毛和细胞色素进行电子和能量的交换，无疑将极大程度提高有机物厌氧发酵过程的效率。此外，光催化作用对厌氧发酵产乙酸也有一定影响，紫外光或者可见光为光源，可激发一些半导体材料产生活性物质，从而提高微生物代谢作用。然而，目前有关利用硫化镉或氮化碳在光照条件下促进以蛋白质为碳源的嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵生产乙酸的研究尚鲜有报导。该技术的难点在于在有机物厌氧发酵体系中选择可以代替导电纤毛和细胞色素的作用，并能够在光照条件下激发产生活性物质促进微生物代谢的同时将CO₂还原转化为乙酸的材料，从而提高微生物发酵效果。例如，当光线照射时，硫化镉纳米粒子被激发后会释放电子，并进入产乙酸菌体内将CO₂还原为一种常见的生物合成中间体(乙酰辅酶A)，最终转化为乙酸，从而提高乙酸的产量。

发明内容

针对现有技术中的不足，结合近期的实验室发现，本发明目的是提出一种提高嗜蛋白产乙酸菌产乙酸的方法，减少厌氧发酵中温室气体CO₂排放。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

在产乙酸菌液中投加具有一定的导电性能及良好的光吸收能力，并能够在光照条件下产生活性物质促进微生物代谢的同时将CO₂还原转化为乙酸的辅助材料，以及控制添加材料后产酸的条件，促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸。

一种促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法，在嗜蛋白产乙酸菌液中加入辅助材料，在光照条件下控制反应条件，提高以蛋白质为碳源的嗜蛋白产乙酸菌产乙酸量。

可选地，所述辅助材料是能够在光照条件下产生活性物质促进微生物代谢的同时将CO₂还原转化为乙酸的材料。

可选地，所述辅助材料是性能优良且结构稳定的光催化半导体材料。

可选地，所述光催化半导体材料可以是介孔状氮化碳或硫化镉纳米粒子。

可选地，所述光照的光源为紫外光或者可见光。

所述反应条件包括：所述辅助材料的浓度，运行的温度以及反应时间。

可选地，所述反应条件包括：所述辅助添加材料的浓度为10～500mg/L，优选为50～500 mg/L。

可选地，所述运行的温度为10～55℃，优选为20～35℃。

可选地，所述反应时间为24～72h，优选为48～64h。

进一步，所述的促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法，包括以下步骤：

(1)配制嗜蛋白产乙酸菌培养基，制备产乙酸菌悬浊液并分装；

(2)投加辅助材料于步骤(1)所述产乙酸菌悬浊液中并混合均匀，充氮驱氧后密封反应器放置于光反应器，在光照条件下，控制厌氧发酵温度，利用材料与嗜蛋白产乙酸菌共同作用，将蛋白质转化为乙酸，完成辅助材料促进产乙酸菌厌氧发酵产酸的过程。

所述的步骤(1)中，菌液培养至OD₆₀₀大于0.8；

所述的步骤(2)中，投加材料为硫化镉或者氮化碳；和/或，光源为紫外光或者可见光；光照强度在120-250mw/cm²之间；和/或，所述的辅助材料添加量浓度范围为10～500mg/L，进一步优选为50～500mg/L；和/或，光照反应器的混合转速为60～150rpm/min，进一步优选为 80～120rpm/min；和/或，光照反应器中厌氧产酸反应温度为10～55℃，进一步优选为20～35℃；和/或，所述的步骤(3)中，嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵产酸运行时间为24～72h，进一步优选为48～64h。

上述的促进嗜蛋白产乙酸菌生成乙酸的方法在蛋白质废水及其它工业废水处理中的应用。

本发明中利用材料促进嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵生产乙酸的基本原理如下：

本发明所涉及的材料均为导体或半导体，具有良好的光吸收能力，例如可吸收波长大于 200nm的可见光及紫外光源，能够在光照条件下产生活性物质促进微生物代谢的同时将CO₂还原转化为乙酸，是性能优良且结构稳定的光催化半导体材料，例如介孔状氮化碳及硫化镉纳米粒子。由于所述材料的加入，微生物不再需要导电纤毛和细胞色素进行种间电子和能量的交换，而直接附着在导体材料的表面，依靠导体材料较高的电导性和较大的比表面积实现物种间长距离电子和能量的直接交换。因此，添加材料可在一定程度上提高微生物对有机物的水解酸化效率，进一步提高乙酸产量。此外，当光线照射时，光催化半导体材料被激发后释放出电子，活化分子氧，产生超氧自由基或羟基自由基轰击CO₂并将其还原为乙酸，从而提高乙酸产量。另一方面而言，许多生命活动都伴随着自由基的产生、变化或消失，半导体光催化材料通过产生自由基还能影响微生物的生理活动，提高微生物的代谢，从另一方面提高乙酸的产量。另外，碳化氮或硫化镉对与厌氧发酵相关的微生物酶活性具有一定促进作用。一些参与厌氧发酵产乙酸的酶中含有少量的如铁、钴、锰等过渡金属原(离)子，其活性部位又常常是酶的活性中心，加入碳化氮或硫化镉能改变该原(离)子的存在形态从而增强一些酶的活性，进而使得乙酸的产生量得以增加。

在利用材料促进嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵产乙酸的过程中，为提高乙酸产量及经济效益，发酵产酸条件需要得到很好的控制。本发明中主要控制的反应条件包括：添加材料的浓度，运行的温度以及嗜蛋白产乙酸菌产酸实验的反应时间。本发明中，添加的材料在10～500mg/L 的范围内都能够有效促进嗜蛋白产乙酸菌将蛋白质转化为乙酸，综合考虑原料成本与乙酸的累积产量的关系，本发明采用的较理想的材料添加范围为50～500mg/L。运行温度将影响有机物的水解效率以及系统中微生物的活性，从而影响乙酸的累积，因此，本发明中，实验温度控制范围为10～55℃，较为理想的范围为20～35℃。另外，嗜蛋白产乙酸菌产酸实验的反应时间也能影响乙酸的累积，添加材料后乙酸的产量随着反应时间呈先增加后下降趋势，其产量在36h时增加最大，并且一般认为反应时间小于72h嗜蛋白产乙酸菌活性较高，有利于乙酸的累积，因此，本发明中嗜蛋白产乙酸菌产酸实验的反应时间为24～72h，较为理想的反应时间为48～64h。

本发明的优势以及实际运用产生的效果效益包括：

1.乙酸是一种重要的化工原料，应用广泛，而大部分工业用乙酸是通过甲醇的羰基化制备的，往往含有重金属、苯类物质等其他杂质，并且合成过程会对环境造成负担，因此，开发利用材料提高嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵生产乙酸的技术具有较大的经济价值。

2.将培养基中蛋白质转化为乙酸的概念能引申应用于实际的蛋白质废水处理，能有效地将蛋白质废水以及其他工业废水转化为具有较高利用价值的乙酸，降低废水中有机污物对环境的污染破坏作用，符合循环经济的理念。

3.材料及光源可以促进产酸微生物中相关的酶活性，改善微生物细胞膜的通透性，同时影响细胞内生物大分子的结构以及参与生物反应中的自由基，促进有机物的分解转化，进而促进产乙酸菌厌氧发酵产酸速率和产量，有效地缩短发酵产酸的时间，减少产酸处理系统的容积，降低运行成本。

具体实施方式

本发明针对现有技术中的不足，结合近期的实验室发现，提出一种提高嗜蛋白产乙酸菌产乙酸的方法，包括利用硫化镉或氮化碳在光照条件下促进嗜蛋白产乙酸菌厌氧发酵生产乙酸的方法。该方法特征在于利用材料和光能提高电子传递能力，增强微生物活性，同时将CO₂转换为乙酸，减少厌氧发酵中温室气体CO₂排放，对环境保护及资源化利用有很大促进作用。

以下结合实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为35±1℃，不外加任何材料或者光源，只通过微生物本身作用将培养基中的有机物转化为乙酸。其中厌氧产酸实验连续监测24h，每间隔4h取一次样，使用气相色谱测量乙酸含量，其中24h乙酸累积生成量为56.27mg/L(以化学需氧量计)。

实施例2

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(紫外光)，控制反应温度为35±1℃，不外加任何材料，在紫外光条件下，研究紫外光对嗜蛋白产乙酸菌将有机物转化为乙酸能力的影响。其中厌氧产酸实验连续监测24h，每间隔4h取一次样，使用气相色谱测量乙酸测量，其中24h乙酸累积生成量为57.07mg/L(以化学需氧量计)。

实施例3

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入1.5mg硫化镉纳米粒子，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(紫外光)，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为 35±1℃，在不添加光能条件下，研究硫化镉对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测24h，每间隔4h取一次样，使用气相色谱测量乙酸测量，其中24h乙酸累积生成量为63.74mg/L(以化学需氧量计)。

实施例4

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入1.5mg硫化镉纳米粒子，打开光照反应器灯管(紫外光)，氮吹保证反应器厌氧，控制反应温度为35±1℃，研究材料硫化镉及紫外光共同作用下对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测24h，每间隔4h 取一次样，使用气相色谱测量乙酸测量，其中24h乙酸累积生成量为78.67mg/L(以化学需氧量计)。

实施例5

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入15mg硫化镉纳米粒子，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(紫外光)，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为 35±1℃，在不添加光能条件下，研究硫化镉对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测24h，每间隔4h取一次样，使用气相色谱测量乙酸测量，其中24h乙酸累积生成量为104.67mg/L(以化学需氧量计)。

实施例6

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入15mg硫化镉纳米粒子，打开光照反应器灯管(紫外光)，氮吹保证反应器厌氧，控制反应温度为35±1℃，研究材料硫化镉及紫外光共同作用下对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测24h，每间隔4h 取一次样，使用气相色谱测量乙酸测量，其中24h乙酸累积生成量为138.45mg/L(以化学需氧量计)。

实施例7

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为35±1℃，不外加任何材料或者光源，只通过微生物本身作用将培养基中有机物转化为乙酸。其中产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为213.52mg/L(以化学需氧量计)。

实施例8

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(可见光)，控制反应温度为35±1℃，不外添加任何材料，在可见光条件下，研究可见光对嗜蛋白产乙酸菌将培养基中含有的有机物转化为乙酸能力的影响。其中厌氧产乙酸菌产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为216.54mg/L(以化学需氧量计)。

实施例9

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入1.5mg介孔状氮化碳，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(可见光)，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为 35±1℃，在不添加光能条件下，研究材料氮化碳对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中厌氧产乙酸菌产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为285.88mg/L(以化学需氧量计)。

实施例10

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入1.5mg氮化碳材料，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(可见光)，控制反应温度为35±1℃，研究材料碳化氮及可见光共同作用下对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h 取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为427.75mg/L(以化学需氧量计)。

实施例11

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入15mg介孔状氮化碳，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(可见光)，用锡纸完全包裹住试管确保无光射入，控制反应温度为 35±1℃，在不添加光能条件下，研究材料氮化碳对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中厌氧产乙酸菌产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为485.68mg/L(以化学需氧量计)。

实施例12

在工作容积为50mL光照反应器试管(灭菌)中加入30mL于35℃摇床中培养3-5天的嗜蛋白产乙酸菌悬液(其OD₆₀₀大于0.8)，加入15mg氮化碳材料，氮吹保证反应器厌氧，打开光照反应器灯管(可见光)，控制反应温度为35±1℃，研究材料碳化氮及可见光共同作用下对嗜蛋白产乙酸菌生产乙酸能力的影响。其中产酸实验连续监测64h，前24h每间隔6h 取一次样，此后每间隔12h取一次样品，使用气相色谱测量乙酸含量，其中64h乙酸累积生成量为523.53mg/L(以化学需氧量计)。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。