Effective application of immobilized second generation industrial Saccharomyces cerevisiae strain on consolidated bioprocessing
- 作者
- Marcio D.N. Ramos, Juliana P. Sandri, Arne Claes, Bruna T. Carvalho, Johan M. Thevelein, Teresa C. Zangirolami, Thais S. Milessi
- 单位
- Graduate Program of Chemical Engineering, Federal University of Sao Carlos (PPGEQ- UFSCar); Department of Chemical Engineering, Federal University of São Carlos; Graduate Program of Energy Engineering, Institute of Natural Resources, Federal University of Itajubá; NovelYeast bv, Bio- Incubator BIO4
- 杂志
- New Biotechnology（2023）
- DOI
- 10.1016/j.nbt.2023.10.011
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
在联合生物加工（CBP）中，微生物与固体生物质共存导致生物催化剂难以回收和重复使用；同时，固定化细胞体系中酶能否有效扩散至底物聚合物并完成水解存在不确定性。
研究策略
采用海藻酸钙凝胶包埋固定化重组酵母AC14（分泌7种水解酶），在CBP小型反应器中进行实验。先用游离细胞筛选最佳细胞密度（OD 10、55、100），再以OD 10进行固定化细胞CBP，比较静态与搅拌条件，考察底物消耗、乙醇产量、酶活等。
核心内容
本研究将分泌七种水解酶的重组酿酒酵母AC14以海藻酸钙凝胶包埋固定化，首次应用于联合生物加工（CBP）小型反应器。作者先用游离细胞筛选最佳细胞密度（OD 10），随后在固定化条件下比较静态与搅拌两种操作模式，考察底物消耗、乙醇产量及酶活变化。游离细胞在OD 10时底物消耗达100%，乙醇产量为9.15 g/L，产率74.8%。固定化细胞在静态下底物消耗速率为2.7 g/L/h，搅拌后提升至3.5 g/L/h，提高18.5%，并在12 h内实现100%底物水解和消耗；搅拌条件下乙醇最高产量为11.76 g/L，产率高达96.1%，优于游离细胞。搅拌显著增强多数酶的活性，但纤维素酶仍受内扩散限制；固定化细胞的副产物（木糖醇、甘油）浓度低于游离细胞，仅乙酸略高。结果表明，固定化酵母在异相系统中能够有效接触并降解聚合物底物，搅拌可缓解传质限制，使固定化工艺达到与游离细胞相当的底物消耗速率，同时获得更高乙醇产率，为替代商业酶制剂、推进二代乙醇工业化提供了可行方案，并具备拓展至其他生物炼制产物的潜力。
创新点
首次将固定化酵母细胞成功应用于CBP；证明在异相系统中酶能够接触并降解聚合物底物；通过搅拌缓解传质限制，使固定化细胞底物消耗速率达游离细胞水平。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 纤维素降解 | — | 内切葡聚糖酶 (endoglucanase) | 催化 | 分泌型水解酶，参与纤维素水解 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 纤维素降解 | — | 纤维二糖水解酶I (cellobiohydrolase I) | 催化 | 分泌型水解酶，作用于纤维素结晶区 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 纤维素降解 | — | 纤维二糖水解酶II (cellobiohydrolase II) | 催化 | 分泌型水解酶，作用于纤维素非还原端 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 纤维素降解 | — | β-葡萄糖苷酶 (β-glucosidase) | 催化 | 将纤维二糖水解为葡萄糖 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 半纤维素降解 | — | 木聚糖酶 (xylanase) | 催化 | 水解木聚糖主链 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 半纤维素降解 | — | β-木糖苷酶 (β-xylosidase) | 催化 | 水解木二糖及低聚木糖为木糖 |
| Saccharomyces cerevisiae AC14 | 半纤维素降解 | — | 乙酰木聚糖酯酶 (acetylxylan esterase) | 催化 | 脱去木聚糖上的乙酰基 |
关键发现
- 游离细胞OD 10时底物消耗100%，比酶活最高，乙醇产量9.15 g/L，产率74.8%，生产力0.83 g/L/h，底物消耗速率3.5 g/L/h。固定化细胞静态下底物消耗速率2.7 g/L/h，搅拌下增至3.5 g/L/h（提高18.5%），乙醇产量分别为11.76 g/L（产率96.1%，Qp
- 09 g/L/h）和10.61 g/L（产率86.7%，Qp
- 08 g/L/h）。固定化细胞在12 h内实现100%底物水解和消耗。固定化细胞表现出较高的乙醇产率（96.1%），优于游离细胞。搅拌增加了大部分酶活力（除纤维素酶外），纤维素酶受到内扩散限制。副产物浓度：固定化细胞木糖醇0.16 g/L，甘油0.27 g/L，乙酸1.91 g/L；游离细胞木糖醇0.81 g/L，甘油0.38 g/L，乙酸1.22 g/L。
研究结论
本研究证明了固定化AC14酵母细胞在CBP中的可行性，能够实现100%的底物水解和消耗，搅拌可显著改善传质。该技术有望替代商业酶制剂用于二代乙醇生产，并具有工业应用潜力，可拓展至其他生物炼制产物。