Simultaneous saccharification and fermentation of dilute alkaline-pretreated corn stover for enhanced butanol production by Clostridium saccharobutylicum DSM 13864
- 杂志
- FEMS Microbiology Letters（2016）
- DOI
- 10.1093/femsle/fnw003
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
玉米秸秆生物丁醇生产成本高、效率低，传统分步糖化发酵（SHF）工艺存在营养损失、抑制物生成等问题，需要开发更高效的同步糖化发酵（SSF）工艺。
研究策略
采用稀碱预处理玉米秸秆，利用 Clostridium saccharobutylicum DSM 13864 进行同步糖化发酵（SSF），系统优化温度、接种量、酶载量、玉米浆浓度、预水解时间和固形物含量等关键参数，并在5-L生物反应器中与SHF进行比较验证。
核心内容
本研究采用稀碱预处理玉米秸秆，以Clostridium saccharobutylicum DSM 13864为菌株开展同步糖化发酵（SSF）生产丁醇，系统优化了温度（37 ℃）、接种量（5%）、酶载量（20 FPU/g）、预水解时间（2 h）及固形物含量（7%）等关键参数。在5-L生物反应器中，SSF于48 h丁醇效价达12.3 g/L，生产力0.257 g/L/h，分别比传统分步糖化发酵（SHF）高20.6%和21.2%；丁醇得率0.175 g/g预处理玉米秸秆，较SHF的0.116 g/g提高50.9%。SSF总耗时仅50 h，远短于SHF的120 h，且无需额外添加玉米浆，玉米秸秆用量减少34%。预处理使木质素含量从17.2%降至8.2%，脱木素率75%。结果表明，该SSF策略通过简化流程、缩短时间并提升底物转化效率，有效降低了玉米秸秆丁醇生产成本，为木质纤维素丁醇的规模化生产提供了可行方案。
创新点
首次将 Clostridium saccharobutylicum 应用于玉米秸秆SSF丁醇生产；SSF无需额外添加玉米浆；与SHF相比，丁醇得率提高50.9%，工艺时间缩短58%，玉米秸秆用量减少34%。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium saccharobutylicum DSM 13864 | ABE发酵途径（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | 丁醇生产菌株，能利用葡萄糖、木糖和阿拉伯糖 |
| — | 纤维素糖化 | — | ACCELLERASE® 1500 cellulase | 催化 | 商品化纤维素酶，酶活50 FPU/mL |
关键发现
- 在5-L生物反应器中，SSF在48 h时丁醇效价达12.3 g/L，生产力为0.257 g/L/h，分别比SHF高20.6%和21.2%
- 丁醇得率为0.175 g/g预处理玉米秸秆，比SHF（0.116 g/g）高50.9%。SSF最高丁醇效价为12.85 g/L（ABE 19.9 g/L），出现在64 h，比SHF的10.10 g/L高27%
- SSF总时间仅50 h（2 h预水解+48 h发酵），而SHF需120 h。优化实验中，最佳条件为37 ℃、5%接种量、20 FPU/g预处理玉米秸秆、不添加玉米浆、2 h预水解、7%固形物
- 该条件下48 h丁醇效价达12.8 g/L。9%固形物时丁醇效价最高为12.99 g/L，但残余糖较高，综合考虑选择7%。预处理后玉米秸秆木质素从17.2%降至8.2%，脱木素率75%。
研究结论
本研究证明了利用 Clostridium saccharobutylicum DSM 13864 通过SSF从玉米秸秆高效经济生产丁醇的可行性，与SHF相比显著提高了丁醇产量、生产力和得率，同时节省了工艺时间和原料投入。