利用固定化的粪肠球菌VT-H1菌株提高食物废弃物中生物氢的产量

《Renewable Energy》：Enhanced biohydrogen production from food waste using immobilized Enterococcus faecalis isolate VT-H1

固定化肠球菌VT-H1通过钙 alginate 球形载体提升食醋糟产氢效率，优化2% alginate 浓度与OD600=1.0时达0.040 mol H2/mol·h，循环稳定性达三轮，挥发性脂肪酸分析显示丁酸主导产氢。 techno-economic分析表明载体重复利用降低成本。

　　

Sasithorn Rungjaroenchaiwat | Thamonwan Woraruthai | Thanyaporn Wongnate

生物分子科学与工程学院，Vidyasirimedhi科学技术研究所（VISTEC），泰国Rayong的Wangchan Valley，21210

摘要

开发可持续的生物氢生产系统对于推进可再生能源技术至关重要。本研究评估了在温和条件下利用固定化的Enterococcus faecalis VT-H1从食物废弃物中产生氢气的效果。微生物细胞被包封在藻酸盐珠中，并系统地优化了藻酸盐浓度和接种密度的影响。扫描电子显微镜证实了细胞在基质中的成功固定和增殖，这与氢气产生的增强动力学相关。最佳条件（2% w/v藻酸盐，OD₆₀₀为1.0）实现了最高的氢气产率0.040 mol H₂/mol葡萄糖·h，并缩短了滞后阶段。可重复使用性测试表明，在连续三个循环中氢气产量保持稳定。当应用于蔗糖和实际食物废弃物时，固定化系统的表现显著优于悬浮培养物，在20 gVS/L的条件下产氢量达到101.3 mL H₂/gVS。挥发性脂肪酸分析表明丁酸盐是与最佳氢气产量相关的主要代谢物，而过量的底物负荷会导致VFA积累并降低性能。技术经济分析表明，尽管批次产量略有下降，但由于接种物的可重复使用性，成本效率更高。总体而言，固定化的E. faecalis VT-H1为食物废弃物的增值提供了一个稳健且经济可行的平台，将可再生能源生产与循环生物经济策略相结合。

引言

全球向低碳能源系统的转型增加了对可持续氢生产途径的兴趣，这些途径可以在减少温室气体排放的同时实现废物资源的价值化。氢是一种有吸引力的能源载体，因为它具有高重力能量密度（约122 kJ/g）、无碳终端用途以及在运输、发电和工业过程中的广泛应用[1]。在可用的方法中，通过暗发酵生产生物氢的方法越来越受到关注，因为它能够在温和的操作条件下从有机废弃物中产生可再生能源，而不需要高温、高压或外部能量输入[2]。此外，暗发酵符合循环经济原则，因为它可以从废物流中同时产生氢和增值代谢物[3]。

食物废弃物是生产可再生氢的丰富但未充分利用的原料。全球每年产生约10.52亿吨食物废弃物，这带来了重大的环境和社会经济挑战[4]。传统的处置方法如填埋和焚烧会导致温室气体排放、富营养化和环境污染[5]。暗发酵提供了一个有前景的替代方案；然而，将其应用于实际食物废弃物仍然具有挑战性，因为底物异质性、营养成分变化以及存在酚类、长链脂肪酸和氨等抑制化合物[6,7]。与其他生物质转化系统类似，原料的变异性会显著影响工艺效率和产品分布，正如在硬木生物质研究中所展示的那样，成分的异质性显著影响了生物炭的特性和转化结果[8]。这突显了需要稳健的生物催化剂和适应性强的工艺策略来实现食物废弃物的增值。

Enterococcus faecalis VT-H1分离株，一种由我们团队先前鉴定的革兰氏阳性兼性厌氧菌，在厌氧条件下从食物废弃物中有效产生了氢气[9]。其代谢多样性、耐受压力能力和利用多种碳水化合物的能力使其成为基于废物的发酵系统的有前途的生物催化剂。然而，传统的悬浮细胞系统通常受到生物质流失、细胞分布不均和微生物活性下降的限制，从而导致产量降低和性能不稳定[10]。

细胞固定化已被广泛提出以提高发酵稳定性和生物质保留率。藻酸盐包封方法特别具有吸引力，因为它简单、成本低且生物相容性好[11]。之前的固定化研究主要集中在使用合成底物的Clostridium属或Enterobacter属上，并在受控条件下显示出改进的氢气产量[12]。然而，这些系统与实际食物废弃物的发酵不同，因为实际食物废弃物中的底物复杂性、抑制剂和操作变异性带来了额外的限制。此外，许多研究依赖于混合菌群，限制了工艺的可控性和可扩展性。

相比之下，针对实际食物废弃物中氢气生产的固定化纯培养物的系统研究仍然很少[13,14]。单一的、特征明确的菌株在工艺可预测性、动力学解释和操作控制方面具有优势。结合固定化技术，这样的平台可以提高对底物抑制的抵抗力，提高稳定性，并能够在实际的基于废弃物的条件下进行重复操作。此外，暗发酵还能产生有价值的短链脂肪酸（SCFAs），如乙酸、丙酸和丁酸，这些脂肪酸对下游生物燃料和生化生产具有重要意义[15]。

在这项研究中，我们系统地评估了用藻酸盐固定的E. faecalis VT-H1从实际食物废弃物中生产生物氢的效果。我们优化了底物浓度和生物质负荷，比较了固定化和悬浮系统，分析了氢气产生动力学和SCFA谱型，并评估了珠子的可重复使用性和工艺稳定性。还进行了初步的试点规模经济比较。通过整合纯培养固定化、实际废弃物底物、动力学分析和技术经济评估，这项工作将暗发酵研究推进到了以前以Clostridium或Enterobacter为中心的研究之上，为循环生物经济框架内的可扩展、可控的氢气生产做出了贡献。

部分摘录

E. faecalis VT-H1的培养和食物废弃物的准备

Enterococcus faecalis VT-H1分离株[9]在Reinforce Clostridial Medium（RCM）中厌氧培养。培养物（500 mL装在1-L瓶中）用氮气冲洗10分钟，密封后于37°C和220 rpm下孵育24小时。培养基组成遵循[9]，并添加了0.5%（v/v）的维生素补充剂（硫胺素、核黄素、烟酸、泛酸钙、维生素B12、ρ-氨基苯甲酸、硫辛酸）。在稳态阶段收集细胞

从葡萄糖中产生氢气：悬浮系统与固定化系统及其机制解释

使用17.8、35.6和53.4 g/L的葡萄糖，比较了悬浮和固定化的Enterococcus faecalis VT-H1的氢气产生情况，基于最大氢潜力、产生率和滞后阶段时间。

在17.8 g/L时，固定化细胞产生的氢气更多（1.712 mol H₂/mol葡萄糖 vs 1.384 mol H₂/mol葡萄糖），且产生速率也更高（0.042 mol H₂/mol葡萄糖·h vs 0.037 mol H₂/mol葡萄糖·h）（图1A），这与更好的生物质保留和减少的流失一致[17]。除了物理保留之外，这一优势

结论

本研究表明，与悬浮细胞系统相比，藻酸盐固定的Enterococcus faecalis VT-H1显著提高了生物氢生产的稳定性和工艺的稳健性。在优化条件下（2% w/v藻酸盐，OD₆₀₀ = 1.0），固定化系统实现了更高的氢气产量、更大的底物抑制耐受性和更低的生物质流失，这与之前关于固定化发酵系统的报告一致。扫描电子显微镜证实了细胞

CRediT作者贡献声明

Sasithorn Rungjaroenchaiwat：撰写——原始草稿、可视化、验证、项目管理、方法学、研究、正式分析、数据管理。Thamonwan Woraruthai：可视化、验证、方法学、研究、正式分析。Thanyaporn Wongnate：撰写——审稿与编辑、撰写——原始草稿、监督、资源管理、项目管理、资金获取、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了泰国电力局（EGAT）的支持，合同编号为67-E204000-11-IO.SS03E3008690。我们还要向Vidyasirimedhi科学技术研究所（VISTEC）表示衷心的感谢。