廉價(jià)廢棄物厭氧發(fā)酵制備生物己酸技術(shù)進(jìn)展

張存勝, 楊 莉, 劉 巖, 霍書豪

(江蘇大學(xué) 食品與生物工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 前 言

作為中鏈羧酸，己酸可用于食品添加劑、醫(yī)藥、香料等工業(yè)生產(chǎn)[1]。在能源領(lǐng)域，己酸可作為前體原料用于己醇等生產(chǎn)[2]。目前世界每年己酸總需求達(dá)到幾十萬噸，但大多源自小型企業(yè)，生產(chǎn)規(guī)模較小，鮮有己酸年產(chǎn)量在100 t 以上的工廠。工業(yè)己酸生產(chǎn)主要由化學(xué)法合成，但該法能耗高、污染嚴(yán)重，不利于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。通過提取法可從棕櫚和椰子等作物中獲得己酸，但己酸濃度低、成本高，未被廣泛使用[3]。開發(fā)綠色、低成本的己酸制備方法已受到國內(nèi)外重視[4]。

近幾年，公認(rèn)的綠色己酸生產(chǎn)工藝是生物法合成己酸，即在微生物作用下將短鏈酸醇通過碳鏈增長(zhǎng)合成生物己酸[5]。有研究表明，“低己酸濃度”和“高原料成本”是限制生物己酸應(yīng)用的“瓶頸”[3,6]。為實(shí)現(xiàn)突破，國內(nèi)外研究人員做了大量研究和努力[7]。本文基于近年來的最新研究結(jié)果，對(duì)微生物發(fā)酵技術(shù)制備己酸的研究進(jìn)行了綜合論述，介紹了幾種代表性的己酸菌并深入剖析它們的代謝合成機(jī)理，對(duì)影響己酸發(fā)酵的關(guān)鍵環(huán)境因子進(jìn)行了重點(diǎn)分析與討論，如混合菌群、電子供體、電子受體、pH 等，并以此提出了提高己酸產(chǎn)量的策略。從廉價(jià)生產(chǎn)的角度，對(duì)可用于己酸生物轉(zhuǎn)化的廢棄物進(jìn)行了分類討論，并對(duì)廢棄物用于己酸發(fā)酵的應(yīng)用前景進(jìn)行綜合分析。最后，對(duì)生物己酸未來的研究方向進(jìn)行了展望，以期為后續(xù)研究提供指導(dǎo)。

2 己酸發(fā)酵微生物及代謝原理

目前報(bào)道的產(chǎn)己酸菌有多種，包括Clostridium kluyveri、Ruminococcaceae bacterium CPB6 和Megasphaera elsdenii 等，其中，C. kluyveri 是目前研究最多的菌株，它主要以乙醇(電子供體)和乙酸(電子受體)為底物，在己酸生成的同時(shí)伴有副產(chǎn)物丁酸和氫氣產(chǎn)出[8]。己酸菌的代謝途徑如圖1 所示，電子供體與電子受體經(jīng)過氧化后經(jīng)過2 個(gè)反向β 氧化循環(huán)實(shí)現(xiàn)碳鏈增長(zhǎng)，最終生成己酸[7]，由于此過程將短鏈酸醇轉(zhuǎn)化為中鏈羧酸，因此被稱為鏈增長(zhǎng)過程。

圖1 己酸菌合成生物己酸代謝路徑Fig.1 Metabolic pathway of biocaproate biosynthesis with caproate-producing bacteria

近年來，對(duì)己酸發(fā)酵的研究多集中在己酸產(chǎn)量提高，表1 列舉了幾種己酸菌利用不同底物進(jìn)行己酸發(fā)酵的報(bào)道。2012 年，Weimer 等[8]利用C. kluyveri 在乙酸和乙醇質(zhì)量濃度分別為7.2 和32 g·L-1條件下獲得質(zhì)量濃度為12.8 g·L-1的己酸，一度被認(rèn)為是C. kluyveri 發(fā)酵的最高己酸質(zhì)量濃度。直至2020 年，San-Valero 等[9-10]對(duì)C. kluyveri 己酸發(fā)酵展開進(jìn)一步研究，在以乙酸和丁酸作為共同電子受體、恒定pH值(6.8)的條件下，獲得了質(zhì)量濃度為21.4 g·L-1的己酸，是目前C. kluyveri 菌的最高己酸產(chǎn)量。除C. kluyveri外，采用其他有機(jī)質(zhì)(如乳酸、葡萄糖、甘油、甲醇等)進(jìn)行己酸發(fā)酵的菌株也漸次報(bào)道[17-18]，例如，Tao等[12]從產(chǎn)乳酸廢水中分離出一株能夠利用乳酸的己酸菌Ruminococcaceae Sp. CPB6，己酸質(zhì)量濃度可達(dá)16.6 g·L-1。以葡萄糖、蔗糖、甘油、甲醇等為底物的己酸產(chǎn)量相對(duì)較低，尚需進(jìn)一步深入研究。

表1 典型的產(chǎn)己酸菌株Table 1 Typical caproate-producing bacteria

隨著生物技術(shù)發(fā)展，近年來有研究采用在基因工程與代謝工程手段改造菌株，試圖提高己酸發(fā)酵性能。Cheon 等[19]將編碼乙酰輔酶A 乙酰轉(zhuǎn)移酶(acetoacetyl-CoA thiolase，THL)等5 種酶的基因片段整合到Kluyveromyces marxianus 染色體中異源重構(gòu)己酸代謝途徑，在微氧環(huán)境下利用半乳糖(20 g·L-1)經(jīng)過12 h 發(fā)酵后獲得了0.154 g·L-1己酸。Kim 等[20]在大腸桿菌中添加表達(dá)編碼β-酮硫解酶(β-ketothiolase，BKTB)和乙酰輔酶A 轉(zhuǎn)移酶(acetyl-CoA transferase，ACT)的基因以構(gòu)建生產(chǎn)己酸的功能菌并下調(diào)THL 的表達(dá)水平，發(fā)酵36 h 獲得了0.528 g·L-1己酸，在縮短發(fā)酵時(shí)間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了有氧環(huán)境下己酸的合成。楊嬌[21]發(fā)現(xiàn)C. kluyveri 的關(guān)鍵酶THL 編碼基因過表達(dá)后，對(duì)菌體的生長(zhǎng)和己酸濃度無影響，原因可能是THL在C. kluyveri 菌體內(nèi)本身具有較高的轉(zhuǎn)錄水平，導(dǎo)致基因過表達(dá)后對(duì)己酸代謝無明顯影響。

3 提高己酸發(fā)酵性能的策略

3.1 混菌發(fā)酵

混菌體系包括開放式混菌體系和人工構(gòu)建混菌體系，開放式混菌體系通常采用厭氧活性污泥為菌種，其中，己酸菌為優(yōu)勢(shì)菌，各種微生物在體系中共同作用實(shí)現(xiàn)己酸轉(zhuǎn)化[22-23]。因此，與單一菌株體系相比，混菌體系無需滅菌，降低了能耗與經(jīng)濟(jì)成本、對(duì)復(fù)雜原料操作性強(qiáng)。然而，混菌體系內(nèi)的己酸合成往往存在底物競(jìng)爭(zhēng)，包括甲烷化、乙醇氧化為乙酸、羧酸氧化和丙烯酸途徑等[24-25]，導(dǎo)致底物或中間產(chǎn)物損失，進(jìn)而降低己酸產(chǎn)率。目前抑制甲烷化的策略有：投加產(chǎn)甲烷菌抑制劑(如2-BES 和CHCl3等)、調(diào)控體系pH 至弱酸性等[26]。另外，提高氫分壓可限制乙醇向羧酸氧化[24]，降低乳酸濃度可減少乳酸向丙烯酸途徑轉(zhuǎn)化，但丙烯酸途徑抑制措施尚未見報(bào)道。

與污泥體系不同，人工構(gòu)建的混菌體系能夠?qū)?xì)菌種類精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)底物的定向轉(zhuǎn)化。Richter 等[27]將C. ljungdahlii 和C. kluyveri 混合培養(yǎng)，利用C. ljungdahlii 首先將合成氣轉(zhuǎn)化為乙酸和乙醇，然后利用C. kluyveri 進(jìn)行己酸生物合成，己酸生成速率達(dá)8.1 g·L-1·d-1。另有研究將C. kluyveri 與甲烷菌Methanogen 166 混合發(fā)酵[28]，發(fā)現(xiàn)甲烷菌能將C. kluyveri 發(fā)酵產(chǎn)生的H2轉(zhuǎn)化為甲烷，消除了高氫分壓引起的反饋抑制。上述研究表明，人工混菌培養(yǎng)能夠克服單一菌種的缺陷，是提高己酸發(fā)酵性能的可行策略。

3.2 合理調(diào)配電子供體與電子受體比率與濃度

合理的電子供體與電子受體配比有利于提高己酸轉(zhuǎn)化率，由圖1 顯示，乙酰輔酶 A 是己酸合成的重要前體物質(zhì)，它是由電子供體的氧化產(chǎn)生，且電子供體氧化過程會(huì)產(chǎn)生煙酰胺脈噁呤二核苷酸(NADH)，為下游代謝提供能量，這表明電子供體是引導(dǎo)己酸合成的重要?jiǎng)恿臀镔|(zhì)來源[29]。C. kluyveri 利用乙醇合成己酸的反應(yīng)式(1)～(4) (見表2)[9]。若要獲得較高己酸產(chǎn)量，需提供較高的乙醇質(zhì)量濃度，然而當(dāng)質(zhì)量濃度超過32 g·L-1時(shí)，乙醇將會(huì)對(duì)C. kluyveri 細(xì)胞產(chǎn)生抑制，導(dǎo)致己酸濃度降低[8]。乳酸作為電子供體向己酸轉(zhuǎn)化的反應(yīng)如式(5)～(7) (見表2)[7]，以乳酸為底物進(jìn)行己酸發(fā)酵可獲得較高的己酸產(chǎn)量，例如，Zhu等[30]以乳酸為底物進(jìn)行己酸發(fā)酵獲得的己酸產(chǎn)量達(dá)23.41 g·L-1。但有研究發(fā)現(xiàn)，乳酸質(zhì)量濃度超過14.6 g·L-1時(shí)，部分乳酸將通過丙烯酸競(jìng)爭(zhēng)途徑生成丙酸，限制己酸的進(jìn)一步合成[17]。葡萄糖也可作為電子供體實(shí)現(xiàn)己酸轉(zhuǎn)化，如圖1 所示，葡萄糖為電子供體時(shí)產(chǎn)生的能量不足以供應(yīng)反向β 氧化的持續(xù)進(jìn)行，導(dǎo)致大量副產(chǎn)物(如丁酸)產(chǎn)生[31]。為了克服單一糖類電子供應(yīng)不足的問題，有研究將葡萄糖與果糖、蔗糖混合發(fā)酵，即以混合糖為共同電子供體，結(jié)果表明己酸產(chǎn)量可由4.1 提高到13 g·L-1[31-32]，這表明共同電子供體能夠?yàn)榧核岷铣商峁└嗟哪芰?，提高己酸轉(zhuǎn)化率。

表2 以乙醇和乳酸為電子供體進(jìn)行生物己酸合成的反應(yīng)式Table 2 Reaction equations of biocaproate production using ethanol and lactic acid as electron donors

除電子供體外，電子受體是己酸合成的重要物質(zhì)，控制電子供體與電子受體的比率對(duì)己酸產(chǎn)量提高具有重要作用。有研究表明，當(dāng)乙醇與乙酸摩爾比為3:7 時(shí)，由于電子供體不足導(dǎo)致己酸質(zhì)量濃度低于1.0 g·L-1，當(dāng)乙醇與乙酸摩爾比為7:3 時(shí)，己酸質(zhì)量濃度達(dá)到3.11 g·L-1，更高的比值將導(dǎo)致己酸菌生長(zhǎng)代謝受抑制[11]。值得注意的是，理論上乙醇與乙酸摩爾比為2:1，如表2 反應(yīng)式(4)所示，此時(shí)乙醇和乙酸可被完全利用[33]。但實(shí)際發(fā)酵過程中乙醇與乙酸摩爾比往往需大于2:1，這是由于乙醇除向乙酰輔酶A轉(zhuǎn)化外，部分還需氧化為乙酸為代謝提供動(dòng)力，如圖1 所示[30]。

3.3 解除發(fā)酵抑制因素

發(fā)酵體系內(nèi)未解離己酸對(duì)己酸菌的毒性較大，這是由于它可以自由出入細(xì)胞膜，影響胞內(nèi)pH 穩(wěn)定和酶活，進(jìn)而抑制己酸的合成[34]。研究表明，未解離己酸的抑制質(zhì)量濃度為0.2 g·L-1[6]，當(dāng)未解離己酸質(zhì)量濃度為0.87 g·L-1時(shí)，己酸菌活性將完全被抑制[35]。體系內(nèi)解離與未解離的己酸質(zhì)量濃度關(guān)系如式(8)所示，中性條件比酸性更有利于降低未解離的己酸質(zhì)量濃度，以0.2 g·L-1未解離己酸和pH 為7.0 的計(jì)算，己酸最高產(chǎn)量為27.8 g·L-1。這說明，除調(diào)節(jié)pH值外，有必要對(duì)己酸進(jìn)行在線分離以獲得更高己酸產(chǎn)量[14,36]，如液液萃取、膜滲析等[37]。

式中：pKa為某一確定pH 值下的己酸解離平衡常數(shù)；cA-和cHA分別為解離和未解離己酸的濃度，mol·m-3。

除未解離己酸外，體系內(nèi)高濃度乙醇和乙酸對(duì)己酸菌也有毒性作用，乙醇的抑制作用在3.2 節(jié)已論述。研究表明，當(dāng)乙酸質(zhì)量濃度超過20 g·L-1時(shí)即產(chǎn)生較高的細(xì)胞滲透性，抑制細(xì)胞的活性[38]。然而，低濃度乙酸乙醇又將限制己酸產(chǎn)量提高。因此，為避免底物抑制，可考慮采用連續(xù)發(fā)酵方式提高己酸產(chǎn)量[2,39]。此外，以酸醇廢水為底物進(jìn)行發(fā)酵時(shí)，廢水中的氨氮等對(duì)己酸發(fā)酵會(huì)產(chǎn)生抑制作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到2.0 g·L-1時(shí)，游離的C. kluyveri 細(xì)胞活性受到完全抑制。為了提高C. kluyveri 對(duì)氨氮的耐受性，采用秸稈對(duì)C. kluyveri 細(xì)胞進(jìn)行固定，結(jié)果表明，固定化形成的C. kluyveri 生物被膜細(xì)胞對(duì)氨氮的耐受性明顯提高，氨氮質(zhì)量濃度達(dá)到5.0 g·L-1時(shí)固定化細(xì)胞仍可進(jìn)行生長(zhǎng)代謝[33]。

3.4 pH 調(diào)控

pH 是影響微生物發(fā)酵的重要參數(shù)，它可影響胞內(nèi)外質(zhì)子平衡，也影響底物和代謝物的解離狀態(tài)。由式(8)可知，pH 與未解離己酸呈反比，較低的pH 易導(dǎo)致體系未解離己酸濃度升高，產(chǎn)生抑制作用。當(dāng)pH接近中性時(shí)，未解離己酸質(zhì)量濃度較低，有利于己酸產(chǎn)量的增加[1,40]。研究表明，以乙酸和乙醇為底物時(shí)，控制發(fā)酵過程中pH 為7.5，C. kluyveri 的己酸質(zhì)量濃度可達(dá)19.4 g·L-1，當(dāng)pH 控制在6.4 時(shí)，己酸質(zhì)量濃度降至13.3 g·L-1[10]。Yu 等[41]以果蔬廢棄物為原料，在開放式混菌發(fā)酵過程中控制pH 為7.5 時(shí)己酸產(chǎn)量為14.9 g·L-1，當(dāng)pH 為5.5 時(shí)其產(chǎn)量?jī)H為2.3 g·L-1，這表明中性pH 對(duì)己酸發(fā)酵極為重要。然而在中性環(huán)境下，混菌體系中的產(chǎn)甲烷菌活性較高，甲烷菌對(duì)底物消耗量的增大將引起己酸產(chǎn)量的降低。因此，需采用手段抑制甲烷菌的活性，具體方法在3.1 節(jié)已論述。

3.5 其他措施

己酸發(fā)酵還受氫分壓、溫度、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)和厭氧水平等影響。氫氣是己酸合成的副產(chǎn)物，較高的氫分壓能在一定程度上阻止乙醇氧化為乙酸，降低電子供體的損耗，但氫分壓過高時(shí)反向β 氧化過程的能量(ATP)將供應(yīng)不足，限制己酸的合成[2]。Grootscholten 等[24]研究表明，適宜的氫分壓范圍為3～10 kPa。微生物生長(zhǎng)代謝需要在適宜溫度下才能高效進(jìn)行[42]。多數(shù)己酸菌為嗜溫菌(30～40 ℃)，例如，C. kluyveri在溫度為19～45 ℃均可生長(zhǎng)代謝，在34 ℃左右可實(shí)現(xiàn)快速增殖[43]。Agler 等[26]研究表明，發(fā)酵溫度由55降至30 ℃后己酸合成速率明顯提高。另外，反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對(duì)己酸生成速率有較大影響，有學(xué)者分別對(duì)不同反應(yīng)器(包括上流式厭氧濾池、連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器、厭氧序列式反應(yīng)器和膨脹顆粒污泥床)研究發(fā)現(xiàn)，不同反應(yīng)器獲得的己酸合成速率差異較大，在0.9～57.4 g·L-1·d-1[4,26]。此外，產(chǎn)己酸菌如Clostridium spp.等均為嚴(yán)格厭氧細(xì)菌[20]，厭氧水平對(duì)己酸發(fā)酵影響較大，一般要求氧化還原電位在-200～ -250 mV。有氧氣存在時(shí)，胞外氧滲入細(xì)胞質(zhì)后易將NAD(P)H 氧化，不利于己酸代謝途徑中依賴NAD(P)H 的丁酰輔酶A 脫氫酶等維持高活性[44]。為去除發(fā)酵體系的氧氣，一般是利用惰性氣體(如氮?dú)?將體系氧氣置換，并添加一定量的還原劑，如二硫蘇糖醇、Na2S 等化學(xué)試劑[45]。

4 廉價(jià)己酸發(fā)酵原料應(yīng)用前景分析

使用乙酸、乙醇等純化學(xué)品進(jìn)行生物己酸發(fā)酵獲得的己酸成本較高。因此，近幾年的己酸發(fā)酵研究多集中在利用廢棄物上，以尋求更為低廉的生物己酸生產(chǎn)成本。廣義上來講，含有豐富電子供體或電子受體的廢棄物均可以被己酸菌利用，然而從經(jīng)濟(jì)角度，低濃度的電子供體或電子受體利用價(jià)值不明顯。通過大量文獻(xiàn)查詢發(fā)現(xiàn)，生物己酸廉價(jià)原料開發(fā)主要集中在釀酒副產(chǎn)物、食品廢棄物和工業(yè)廢棄合成氣等，另有以酸性乳清[46-47]、纖維素[48]和廢棄甘油[49]等為原料進(jìn)行己酸發(fā)酵的報(bào)道，但研究較少。因此，重點(diǎn)分析了釀酒副產(chǎn)物、食品廢棄物和工業(yè)廢棄合成氣己酸發(fā)酵的應(yīng)用前景。

4.1 釀酒副產(chǎn)物

釀酒工業(yè)每年會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，據(jù)報(bào)道每生產(chǎn)1 t 白酒就能產(chǎn)生6～10 t 酒糟和15～25 t 高濃度有機(jī)廢水[50]。副產(chǎn)物中往往含有高濃度的乙醇和復(fù)雜的有機(jī)質(zhì)等，見表3。有機(jī)質(zhì)通過水解酸化生成乙酸，可供己酸菌作為電子受體使用。由于釀酒廢水中的可溶性物質(zhì)較高且物質(zhì)密度相對(duì)較低，因此其用于己酸發(fā)酵時(shí)宜采用半連續(xù)或連續(xù)發(fā)酵。Ge 等[35]以稀釋的啤酒廢水為原料，采用半連續(xù)式發(fā)酵并串聯(lián)硅橡膠膜液-液萃取裝置進(jìn)行己酸在線萃取，在連續(xù)運(yùn)行的55 d 后獲得的平均己酸生產(chǎn)速率為3.4 g·L-1·d-1。Wu等[51]使用厭氧顆粒污泥膨脹床反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了白酒廢水的己酸連續(xù)發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)乙醇和乳酸可同時(shí)被作為電子供體被利用，并獲得了10.3 g·L-1·d-1的高己酸合成速率。此外，酒糟是釀酒工業(yè)的另一重要副產(chǎn)物，其主要包含糧食殘?jiān)鸵掖?。與釀酒廢水不同，酒糟中的纖維素類含量較高，轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸需要更長(zhǎng)的時(shí)間，發(fā)酵效率較低。Scarborough 等[52]采用開放式培養(yǎng)體系，以酒糟作為原料、經(jīng)過252 d 的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素和糖類等向短鏈酸醇轉(zhuǎn)化，并結(jié)合殘存的乙醇實(shí)現(xiàn)了己酸的轉(zhuǎn)化。這表明，以釀酒副產(chǎn)物為原料能夠?qū)崿F(xiàn)生物己酸轉(zhuǎn)化，但其工業(yè)應(yīng)用的可行性有待進(jìn)一步論證。

表3 廉價(jià)原料用于生物己酸發(fā)酵Table 3 Biocaproate production from the low-cost substrates

4.2 食品廢棄物

我國每年有9 000 余萬噸餐廚垃圾被排放，餐廚垃圾富含高濃度淀粉、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，極易被微生物利用[56]。從化學(xué)成分上來看，食品廢棄物的能量密度高，水解酸化產(chǎn)生的高濃度短鏈酸有利于己酸的合成。如表3 所示，食品廢棄物己酸發(fā)酵獲得的己酸質(zhì)量濃度可達(dá)14.9 g·L-1[41]，這表明食品廢棄物是一種較為理想的廉價(jià)原料。食品廢棄物向己酸的轉(zhuǎn)化，多數(shù)采用2 步發(fā)酵，即第1 步通過水解酸化將淀粉等碳水化合物降解為乙酸、丁酸或乳酸等，第2 步己酸菌利用外源乙醇和酸化液進(jìn)行己酸轉(zhuǎn)化。采用兩相厭氧發(fā)酵將酸化和產(chǎn)己酸過程分離，可有效避免未解離己酸和乙醇的毒性，同時(shí)可對(duì)兩階段工藝分別調(diào)控。乙醇作為電子供體必不可少，采用純乙醇勢(shì)必提高己酸成本，以食品廢棄物為原料、通過乙醇發(fā)酵獲取廉價(jià)乙醇用于己酸發(fā)酵更為可行[3]。

4.3 工業(yè)廢棄合成氣

工業(yè)廢棄合成氣的主要成分是CO、CO2和H2[57]，將合成氣直接排放會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。通過微生物的Wood-Ljungdahl 途徑將合成氣轉(zhuǎn)化為乙醇和乙酸[58]，可進(jìn)一步通過鏈增長(zhǎng)轉(zhuǎn)化為生物己酸。與另外2 種廢棄物不同：1)氣體用于發(fā)酵存在更多的接觸障礙，即合成氣首先溶解于發(fā)酵液才能被微生物利用，溶解速率快慢將影響發(fā)酵效率；2)氣體中的物質(zhì)密度較低，獲得的己酸濃度往往較低，如表3所示，合成氣獲得的己酸濃度明顯較釀酒副產(chǎn)物和食品廢棄物低。然而，合成氣己酸發(fā)酵的優(yōu)勢(shì)在于獲得的己酸純度較高，同時(shí)合成氣中的抑制物含量較低，不易產(chǎn)生抑制作用。若要獲得高己酸產(chǎn)量，高底物濃度必不可少，可采用提純、濃縮技術(shù)將合成氣轉(zhuǎn)化的乙酸乙醇進(jìn)行濃縮，為己酸發(fā)酵提供更高的底物濃度，但工藝的經(jīng)濟(jì)性有待評(píng)估。

4.4 廉價(jià)原料的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

市場(chǎng)調(diào)查顯示，工業(yè)級(jí)乙醇價(jià)格在0.40～0.47 萬元·t-1、乙酸0.45～0.5 萬元·t-1，而正己酸價(jià)格在2.0～2.6萬元·t-1，這表明己酸發(fā)酵能夠?qū)崿F(xiàn)化學(xué)品的高值轉(zhuǎn)化。與純的乙酸、乙醇化學(xué)品相比，采用廉價(jià)廢棄物進(jìn)行己酸發(fā)酵能夠大幅降低原料成本，如表3 所示，3 類廢棄物的原料成本十分低廉，甚至可以享受廢棄物排放產(chǎn)生的費(fèi)用補(bǔ)貼，利用廢棄物進(jìn)行生物己酸轉(zhuǎn)化的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不言而喻。因此，廢棄物用于己酸發(fā)酵的前景十分廣闊。

從技術(shù)角度看，利用廢棄物進(jìn)行己酸生物合成仍存在諸多挑戰(zhàn)，最為突出的問題是己酸產(chǎn)量過低，例如，合成氣獲得的己酸質(zhì)量濃度僅為1.0 g·L-1[6,55]，低己酸濃度將增加下游分離提純的工藝難度和經(jīng)濟(jì)成本。此外，餐廚垃圾的物料成分復(fù)雜，往往會(huì)對(duì)己酸發(fā)酵有一定影響，如高濃度鹽分和油脂等會(huì)抑制微生物生長(zhǎng)，進(jìn)而抑制己酸合成。針對(duì)上述問題，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)集中在己酸產(chǎn)量提高、菌種耐受性、抑制物解除和新工藝開發(fā)等。同時(shí)需要對(duì)發(fā)酵的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析和評(píng)估，通過優(yōu)化發(fā)酵過程提高生物己酸的經(jīng)濟(jì)性。

5 展 望

厭氧發(fā)酵技術(shù)合成生物己酸具有廣闊的發(fā)展前景，但因己酸產(chǎn)量低尚無在工業(yè)應(yīng)用。未來在以下方面可能取得進(jìn)展：(1)通過基因工程或酶工程改造己酸菌，提高代謝途徑通量和細(xì)胞膜通透性，并以此提高己酸產(chǎn)量和發(fā)酵效率。(2)通過脅迫馴化等手段或菌種篩選獲得高耐受性菌株，用于復(fù)雜原料的生物轉(zhuǎn)化。(3)開發(fā)己酸在線分離工藝與設(shè)備，將己酸進(jìn)行高效分離以解除己酸對(duì)微生物的抑制作用，如功能膜材料制備與分離裝置、高效萃取劑開發(fā)等。