木薯浆的生物精炼：通过高固含量同步糖化与厌氧发酵生产生物氢气，并从富含乳酸的氢气产出液中制备聚（3-羟基丁酸）

《Industrial Crops and Products》：Biorefinery of cassava pulp: Biohydrogen production through high-solids simultaneous saccharification and dark fermentation, and poly(3-hydroxybutyrate) production from lactic acid-rich hydrogenic effluent

利用木薯渣（CP）的高固体量同步糖化与黑暗发酵（SSDF）生产生物氢，其副产物经Paracoccus sp. KKU01的fed-batch发酵转化为聚-3-羟基丁酸（PHB），总酸消耗率达96%，PHB含量达29.7%。该串联工艺有效解决了淀粉工业副产品的能源与环境双重问题。

　　本文探讨了如何利用木薯渣（Cassava Pulp, CP）作为生物制氢和聚羟基丁酸酯（PHB）生产的重要原料。木薯渣是木薯淀粉工业的副产物，其主要成分为淀粉和纤维素，同时含有少量半纤维素和木质素。由于其高碳水化合物含量、低处理成本以及广泛的可用性，木薯渣成为一种极具潜力的发酵底物。在本研究中，木薯渣通过高固态同步糖化与暗发酵（High-solids Simultaneous Saccharification and Dark Fermentation, SSDF）过程被用于生物制氢，随后，该过程产生的含酸性废液被用于生产PHB，从而实现了对这一副产物的高效利用。

生物制氢被视为一种清洁、可再生的能源，其能量密度远高于传统生物燃料，如甲烷、乙醇、生物柴油等。然而，制氢过程中会伴随产生多种挥发性脂肪酸（Volatile Fatty Acids, VFAs），包括乙酸、丁酸和乳酸。这些酸类物质虽具有一定的污染潜力，但它们也能够作为PHB生产的低成本碳源。因此，本研究提出了一种顺序利用策略，即先通过SSDF过程生成生物氢气，再将产生的酸性废液作为原料用于PHB的生产，从而实现资源的双重利用，既提升了能源产出，又降低了环境污染。

在SSDF过程中，木薯渣被配制成150 g/L的浓度，然后加入α-淀粉酶、葡萄糖苷酶和纤维素酶，以促进其水解并释放可发酵糖。随后，经过热处理的厌氧颗粒被加入反应器中，以启动氢气的生成。实验结果显示，在120小时的发酵过程中，生物氢气产量达到3168 ± 85 mL，对应的氢气产率约为21.1 ± 0.6 mL-H?/g-CP。该过程产生的氢气废液中，乳酸为主要成分，浓度约为44.1 ± 0.1 g/L，同时含有少量乙酸和丁酸。通过这种方式，不仅实现了对木薯渣的高效利用，还避免了传统方法中可能产生的高能耗和复杂的废水处理问题。

接下来，将上述氢气废液用于PHB的生产。本研究中使用的菌株是Paracoccus sp. KKU01，它已被证实是一种高效的PHB生产菌。在采用分批补料发酵（Fed-batch）模式下，该菌株能够有效利用废液中的酸性物质，最终产出了19.7 ± 0.3 g/L的菌体生物量和5.8 ± 0.4 g/L的PHB，对应的PHB含量达到29.7 ± 1.8 %。这一结果表明，氢气废液中的酸性物质可以作为PHB生产的重要原料，从而进一步提升该过程的经济性和环境友好性。

为了进一步优化PHB的生产过程，本研究对不同浓度的废液进行了实验分析。结果表明，当废液浓度为20 % (v/v)时，菌株的生长速率和PHB产量均达到最佳水平。同时，通过引入分批补料策略，能够显著提高PHB的产量和质量。分批补料过程中，废液被多次加入反应器中，以维持适宜的酸浓度和促进菌体的持续生长。这一方法不仅提高了PHB的生产效率，还有效避免了酸类物质对菌体生长的抑制作用。

此外，研究还对整个过程进行了动力学建模分析。通过使用改进的Gompertz模型、Luong模型和修改后的Luedeking-Piret模型，对生物制氢和PHB生产的速率和效率进行了量化评估。这些模型能够准确预测反应过程中各种代谢产物的生成趋势，为后续的工艺优化和规模化应用提供了理论依据。例如，动力学分析表明，乳酸的消耗速率远高于乙酸和丁酸，这说明乳酸是PHB生产的主要碳源。同时，模型还揭示了不同工艺条件下，生物量和PHB产量之间的关系，以及废液浓度对菌体生长的影响。

从环境角度来看，这一顺序利用策略能够有效减少木薯淀粉工业对环境的负担。首先，通过SSDF过程将木薯渣转化为生物氢气，不仅减少了固体废弃物的排放，还为可再生能源的生产提供了支持。其次，氢气废液中的酸性物质被进一步利用于PHB的生产，避免了这些物质对环境的污染，同时将低价值的副产物转化为高价值的生物塑料。这种循环利用模式符合可持续发展的理念，有助于构建一个更加环保的工业体系。

从经济角度出发，该策略也具有显著的优势。首先，木薯渣作为原料来源广泛且成本低廉，为生物制氢提供了稳定的底物。其次，通过分批补料方式利用废液中的酸性物质生产PHB，不仅降低了PHB生产所需的原料成本，还减少了废水处理的费用。此外，由于生物塑料具有良好的生物降解性和生物相容性，其市场需求日益增长，使得这一过程具备较强的商业化潜力。

值得注意的是，尽管该顺序利用策略在实验室条件下表现出良好的效果，但其在实际工业应用中的可行性仍需进一步评估。例如，大规模生产过程中可能面临的固态底物混合均匀性问题、微生物活性的稳定性以及废水处理的经济性等，都需要通过更深入的研究来解决。此外，该过程的优化还可以从以下几个方面着手：提高废液中酸性物质的利用率、减少工艺步骤的能耗、提升微生物的适应性和生长效率，以及开发更加高效的生物催化剂。

总的来说，本研究为木薯淀粉工业的副产物利用提供了一种创新性的解决方案。通过将生物制氢与PHB生产相结合，不仅提高了资源的利用效率，还降低了环境污染，同时增强了经济效益。这一策略的实施，有助于推动生物能源和生物材料的可持续发展，为未来的绿色工业模式提供了有力的支持。未来的研究可以进一步探索这一过程在不同条件下的适用性，并尝试将其推广到其他类似的生物质资源利用场景中。