摘 要

化学法生产环氧乙烷过程中产生大量含CO₂的工业尾气，其直接排放易增加大气中温室气体的含量。为减少环氧乙烷尾气中CO₂的排放量，本课题将环氧乙烷尾气应用于生物法制备丁二酸过程。利用生物法制备丁二酸过程中可固定CO₂的特点，既制备了生物基丁二酸，又减少了环氧乙烷尾气中CO₂的排放，变废为宝。初步实验结果表明，E. coli BER208利用环氧乙烷尾气制备丁二酸产量可达29.48 g/L，质量收率为0.67 g/g。为进一步提高菌株对于CO₂的固定能力和产酸性能，采用了适应性进化代谢技术，经过852 h筛选，选育获得一株突变株E. coli BER658，其最大细胞干重和丁二酸产量比出发菌分别提高了14.2%和90.4%。此外，为减少过程中O₂带来的质量收率降低的问题，设计了气体循环装置，通过减少气体输入量降低过程中碳流的损失。实验结果表明，菌体最大细胞干重和丁二酸产量可达3.09 g/L和63.8 g/L，比最初始时分别提高了25.6%和116%。另一方面，整个过程中CO₂的固定速率达4.9 mmol/L/h。上述结果表明，利用环氧乙烷尾气制备丁二酸具有可行性，该耦合过程不仅实现了工业尾气中CO₂的减排，还将C1资源转化为生物基丁二酸，实现了对废弃碳资源的高效利用。

关键词：环氧乙烷尾气  丁二酸  大肠杆菌  CO₂固定

ABSTRACT

Large amount of industrial off-gas which mainly contained CO₂ was produced during the chemical synthesis process of ethylene oxide, and its direct emission is easy to increase the content of greenhouse gases in the atmosphere. In order to reduce CO₂ emission in the ethylene oxide off-gas, the feasibility of using ethlene oxide off-gas for bio-based succinic acid production was investigated,a process which would not only achieve CO₂ fixation but also transform CO₂ into bio succinic acid with the aim of turning waste into treasure. The experimental results showed that succinic acid production and yield by E.coli BER208 using exhaust gas of ethylene oxide reached to 29.48g/L and 0.67g/g, respectively. To further improve CO₂ fixation capacity and succinic acid production, adaptive evolution was used and a mutant named E.coli BER658 was obtained after 852h adaption. Compared with E.coli BER208, the maximal DCW and succinic acid increased 14.2% and 90.4%. Furthermore, to avoid the problem of low mass yield caused by the existence of O₂ in the off-gas, a gas recirculation device was designed to reduce the carbon loss. Final fermentation results showed the maximal DCW and succinic acid concentration reach to 3.09g/L and 63.8g/L, which were 25.6% and 116% higher than those by the control. Additionally, a CO₂ fixation rate of 4.9 mmol/L/h was achieved during the process. The results here demonstrated the feasibility of using ethylene oxide off-gas for bio-based succinic acid produciton,and this not only realised the CO₂ fixation from industrial exhaust gas but also produced the succinic acid which created a win-win outcome.

Keywords: ethylene oxide off-gas ; succinic acid ; irrE; Escherichia coli ; CO₂ fixation

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章文献综述 1

1.1研究背景 1

1.2 CO₂一般处理方法 1

1.3生物法固定CO₂ 3

1.4 生物法制备丁二酸过程 3

1.5研究意义 4

1.6研究内容 5

第二章材料与方法 6

2.1 试验材料 6

2.1.1 试验菌株 6

2.1.2 培养基 6

2.1.3 实验器材 6

2.1.4 主要试剂及其配置 7

2.2实验方法 8

2.2.1 种子的平板活化 8

2.2.2 种子的有氧培养 8

2.2.3 适应性进化代谢选育突变株^[34] 8

2.2.4 厌氧血清瓶发酵 9

2.2.5 3-L发酵罐发酵 9

2.2.6气体循环装置^[38] 9

2.3检测分析方法 10

2.3.1 菌体细胞浓度检测 10

2.3.2 发酵液中糖及有机酸产物浓度检测 10

2.3.3 CO₂固定速率检测^[39] 10

第三章结果与讨论 12

3.1环氧乙烷尾气气体成分分析 12

3.2 E. coli BER208利用环氧乙烷尾气制备丁二酸性能初步分析 13

3.3适应性进化代谢提高菌株丁二酸生产性能 14

3.4不同O₂浓度对菌株生长及代谢产丁二酸性能的影响 16

3.5气体循环装置的设计与搭建 17

3.6 E. coli BER658在气体循环装置中发酵性能考察 17

第四章结论 19

4.1结论 19

4.2 不足与展望 19

参考文献 20

致谢 24

第一章 文献综述

1.1研究背景

从世界进入化石能源时代以来，能源的消耗量与日俱增，随之而来的是各种各样的环境问题，例如空气污染，水资源的匮乏和污染，山体和植被的破坏等等。近些年来，由于各国政府和民众环保意识的增强，这些问题都得到了关注，而全球变暖问题更是得到了世界各国的强烈关注。

众所周知，CO₂是主要的温室气体。从工业革命以后，人类活动导致其过量排放并使得全球极端天气频频发生，严重影响了地球上生物的正常生存^[1]。有资料表明，大气中56.5%的CO₂是来自于化石能源的燃烧。而我国能源消耗量很大，同时CO₂排放问题却没法很好解决，在当前一直面临着非常严重的能源危机和巨大的CO₂减排压力^[2]。化工、建筑、电力等行业是重要的CO₂排放源，每年有大量的CO₂被排放入大气中。但另一方面，CO₂是地球上含量最为丰富的碳来源，不经任何处理就排放到大气中去是一种极大的资源浪费，在当前走可持续发展道路和节能减排大方向下，充分利用CO₂这一C1资源是所有科研人员正面临的挑战，也吸引着越来越多的机构向这个方向加大投入和越来越多的科研人员参与研究。

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