Anaerobic fermentation of glycerol: a path to economic viability for the biofuels industry
- 作者
- Syed Shams Yazdani, Ramon Gonzalez
- 单位
- Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Rice University, 6100 Main Street, MS-362, Houston, TX 77005, USA
- 杂志
- Current Opinion in Biotechnology（2007）
- DOI
- 10.1016/j.copbio.2007.05.002
- 所属领域
- 代谢工程 / 合成生物学 / 发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
生物燃料（生物柴油和生物乙醇）经济可行性差，生产过程中产生大量粗甘油副产物，需要将其转化为高附加值产品以提高生物燃料产业的经济效益。
研究策略
综述甘油厌氧发酵的微生物代谢途径和工程策略，比较不同微生物（如Klebsiella、Citrobacter、Clostridium、Propionibacterium、Escherichia等）利用甘油生产燃料和化学品的潜力，并强调以E. coli作为工业应用平台的可行性。
核心内容
该文综述了通过厌氧发酵将生物柴油产业副产粗甘油转化为高附加值产品的策略，以提升生物燃料整体经济性。文中指出，粗甘油价格两年内下降10倍，每加仑生物柴油约产生0.853磅甘油，使其成为极具潜力的廉价碳源。作者比较了多种微生物的代谢途径，包括克雷伯氏菌、梭菌、丙酸杆菌和大肠杆菌等，重点分析了1,3-丙二醇、丁醇、丙酸、乙醇和琥珀酸等产物的合成潜力。关键结果包括：整合生物过程生产1,3-丙二醇产量可达100 g/L，丙酸最高42 g/L，丁醇17 g/L，琥珀酸约19 g/L。文章特别强调大肠杆菌作为工业平台的可行性，因其遗传操作便利且能在特定条件下厌氧发酵甘油。研究认为，将甘油厌氧发酵与生物精炼厂结合，利用甘油高度还原性获得更多还原当量，可显著提高目标化学品产量，为生物燃料产业开辟经济可行的副产物增值路径。
创新点
提出将甘油厌氧发酵与生物精炼厂结合，利用甘油的高度还原性获得比糖类更高的还原当量，从而提高还原性化学品产量；发现E. coli可在特定条件下厌氧发酵甘油，为代谢工程提供易操作平台。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae | 1,3-丙二醇合成途径 | dha regulon, aldehyde dehydrogenase | 甘油脱氢酶, 甘油脱水酶, 1,3-丙二醇脱氢酶 | 催化 | 天然甘油发酵菌，通过失活醛脱氢酶和过表达dha regulon提高1,3-PDO产量，可达接近100 g/L。 |
| Citrobacter freundii | 1,3-丙二醇合成途径 | — | 甘油脱氢酶I型, 甘油脱水酶, 1,3-丙二醇脱氢酶 | 催化 | Enterobacteriaceae家族，以1,3-PDO依赖方式发酵甘油。 |
| Clostridium butyricum | 1,3-丙二醇合成途径 | 1,3-PDO途径基因 | 甘油脱水酶（B12非依赖型）, 1,3-丙二醇脱氢酶 | 催化 | 天然高产1,3-PDO菌，其途径被导入C. acetobutylicum。 |
| Clostridium acetobutylicum | 1,3-丙二醇合成途径 | 来自C. butyricum的1,3-PDO途径基因 | 甘油脱水酶（B12非依赖型）, 1,3-丙二醇脱氢酶 | 催化 | 工程菌，异源表达1,3-PDO途径，产量和生产率高于天然生产菌。 |
| Clostridium pasteurianum | 丁醇合成途径 | — | — | 催化 | 特定培养条件下以丁醇为主要产物，最高丁醇浓度17 g/L。 |
| Klebsiella planticola | 乙醇-甲酸合成途径 | — | — | 催化 | 分离自红鹿瘤胃，发酵甘油产生等摩尔乙醇和甲酸，浓度可达2 g/L。 |
| Enterobacter aerogenes | 乙醇-氢气合成途径 | — | — | 能量供给 | 突变株利用含甘油废物共产乙醇和氢气，在填充床反应器中乙醇浓度达10 g/L。 |
| Propionibacterium acidipropionici | 丙酸合成途径 | — | — | 催化 | 固定化细胞并提高初始甘油浓度，丙酸浓度可达42 g/L。 |
| Propionibacterium freudenreichii ssp. shermanii | 丙酸合成途径 | — | — | 催化 | 与P. acidipropionici类似，可用于甘油发酵生产丙酸。 |
| Anaerobiospirillum succiniciproducens | 琥珀酸合成途径 | — | — | 催化 | 以甘油为碳源，间歇补料发酵生产琥珀酸，产量约19 g/L，副产物乙酸少。 |
| Escherichia coli | 混合酸发酵途径（乙醇-甲酸/乙醇-氢气/琥珀酸等） | formate hydrogen-lyase系统 | 甘油脱氢酶, 甲酸氢解酶 | 催化 | 在酸性pH、避免氢气积累等条件下可厌氧发酵甘油；作为代谢工程平台，用于生产乙醇-甲酸、乙醇-氢气、琥珀酸等，产率高于糖类。 |
关键发现
- 粗甘油价格在过去两年内下降10倍
- 每加仑生物柴油产生约0.853磅甘油
- 大豆生物柴油生产成本2.94美元/加仑，接近市场价3.02美元/加仑
- 甘油生产乙醇的操作成本比玉米乙醇低约40%
- 1,3-丙二醇产量可达100 g/L（整合生物过程）
- 丙酸最高浓度42 g/L（Propionibacteria固定化细胞）
- 丁醇最高浓度17 g/L（Clostridium pasteurianum）
- 乙醇和甲酸浓度可达2 g/L（Klebsiella planticola）
- 乙醇浓度可达10 g/L（Enterobacter aerogenes）
- 琥珀酸产量约19 g/L（Anaerobiospirillum succiniciproducens）。
研究结论
利用厌氧发酵将生物柴油产业产生的大量低价甘油转化为高附加值产品（如1,3-丙二醇、丁醇、乙醇、丙酸、琥珀酸等），可显著提高生物燃料产业的经济可行性。需要选用适合工业应用的微生物（如E. coli），并结合代谢工程策略实现高产。