海洋细菌Bacillus licheniformis全细胞生物催化优化Madhuca indica生物柴油生产及发动机性能研究

研究人员针对化石燃料污染问题，利用海洋细菌Bacillus licheniformis开发全细胞生物催化剂，通过优化转酯化反应条件实现Madhuca indica油95.3%转化率，制备的MB30/MB50生物柴油混合燃料使CO排放降低11.71-27.93%，HC排放减少23.53-36.47%，为绿色能源生产提供了新型微生物催化方案。

　　

随着全球80%能源需求依赖化石燃料，环境问题日益严峻。石油柴油虽支撑着交通运输体系，但其燃烧产生的CO₂和颗粒物已对公共健康构成威胁。寻找可持续能源替代方案迫在眉睫，其中生物柴油因其可再生性和环保特性备受关注。然而传统生物柴油生产面临酶制剂成本高、工艺复杂等瓶颈，亟需开发新型生物催化体系。

SASTRA Deemed University（印度萨斯特拉大学）生物能源中心的研究人员创新性地从海洋海绵Tedania anhelans中分离获得一株具有强脂肪酶活性的细菌Bacillus licheniformis，通过聚氨酯固定化技术构建全细胞生物催化剂，成功实现非食用植物油Madhuca indica的高效转化。该研究通过响应面法优化获得95.3%生物柴油产率，发动机测试显示MB50混合燃料可使CO排放降低27.93%，相关成果发表在《Biotechnology for Biofuels and Bioproducts》。

研究采用三项关键技术：1）从海洋海绵分离菌株并通过16S rRNA测序鉴定；2）聚氨酯基质固定化细菌细胞（SEM验证显示72h固定化效果最佳）；3）中央复合设计（CCD）优化转酯化参数。通过FTIR、NMR和GC-MS对产物进行表征，并在单缸柴油机上测试MB30/MB50混合燃料的性能排放特性。

【海洋细菌筛选与鉴定】
从海绵样品分离的4株细菌中，S1菌株在Tributyrin培养基上显示最大水解圈，经16S rRNA测序确认为Bacillus licheniformis（GenBank登录号JX489608）。该菌株特异性脂肪酶活性达31.7 U/mg，虽低于纯化脂肪酶（67.6 U/mg），但全细胞催化体系更具成本优势。

【固定化工艺优化】
扫描电镜显示：

72h固定化的细胞负载量显著提高，每个聚氨酯基质（0.5cm³）固定约0.15g湿菌体。

【转酯化参数优化】
通过CCD设计建立数学模型：
Y=16.28C_M+2.89C_i-1.14C_M²-0.06C_i²+0.09C_MC_i-16.14
确定最佳条件为甲醇:油摩尔比7.5:1、催化剂浓度30wt%，模型R²达99.53%。GC-MS分析显示产物主要含十六烷酸甲酯（27.69%）、9-十八碳烯酸甲酯（26.95%）等组分。

【发动机性能测试】
在Kirloskar TV1柴油机上测试显示：

MB50在满负荷时BTE为36.42%，较柴油降低24.3%，但排放方面表现优异：CO降低27.93%，HC减少36.47%，NO_x虽增加15.96%，但通过后处理技术可进一步控制。

该研究开创性地将海洋微生物应用于生物柴油生产，证实全细胞催化在非食用植物油转化中的高效性。固定化技术使催化剂可重复使用，响应面法优化显著提升产率。虽然生物柴油热值（BTE）较柴油略低，但排放优势明显，特别是对颗粒物（烟雾不透明度降低15.42%）和碳氢化合物的控制，为交通领域减排提供了可行方案。未来研究可聚焦NO_x控制策略，推动该技术向产业化发展。