Enhancement of butanol production in Clostridium acetobutylicum SE25 through accelerating phase shift by different phases pH regulation from cassava flour

作者: Han-guang Li, Qing-hua Zhang, Xiao-bin Yu, Luo Wei, Qiang Wang
单位: College of Bioscience and Engineering, Jiangxi Agricultural University, Jiangxi Engineering Laboratory for the Development and Utilization of Agricultural Microbial Resources; The Key Laboratory of Industrial Biotechnology, Ministry of Education, School of Biotechnology, Jiangnan University
杂志: Bioresource Technology（2015）
DOI: 10.1016/j.biortech.2015.11.027
所属领域: 发酵工程
关键词: ABE fermentationCassava flourClostridium acetobutylicumPhase shiftpH regulation strategy
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解决的核心问题

以木薯粉为底物进行ABE发酵时，从产酸期向溶剂期转变出现约12小时的延迟，导致发酵时间延长、丁醇产量下降，需要一种简单有效的方法加速相转变。

研究策略

采用不同阶段的pH调控策略（在产酸期维持较高pH促进细胞生长，在适量时机解除控制并添加CaCO3缓冲，促进有机酸再同化），以加速从产酸期到溶剂期的相转变。

研究路线图

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核心内容

以木薯粉为底物的ABE发酵中，产酸期向溶剂期的相转变存在约12小时延迟，显著拖慢发酵进程并降低丁醇产量。为破解这一瓶颈，研究采用分阶段pH调控策略：初始维持pH 6.0促进细胞快速生长，待OD600达到1.4时解除pH控制并添加3.0 g/L CaCO3缓冲体系，以推动有机酸再同化并缓解“酸崩溃”对代谢的抑制。结果显示，该策略使丁醇产量达到16.24±0.70 g/L，比无调控组提高25.3%，发酵时间缩短至72小时（缩短14.3%），丁醇产率提升18.2%至0.26 g/g。对照实验进一步表明，恒定pH 5.0下丁醇产量为8.49 g/L，优于pH 4.5（4.65 g/L）和pH 6.5（5.94 g/L），证实适度弱酸环境更利于溶剂合成。该分阶段pH调控结合CaCO3添加的策略，在不增加复杂操作的前提下平滑触发相转变，大幅提升了木薯粉底物发酵的丁醇产量，为工业级ABE发酵提供了一种简便高效的调控方案。

创新点

提出了一种分阶段pH调控结合CaCO3添加的简单有效策略，成功解决了木薯粉底物发酵中相转变延迟问题，显著缩短发酵时间并提高丁醇产量；揭示了CaCO3对“酸崩溃”的缓解作用及有机酸再同化对丁醇合成的促进效应。

研究对象（3）

底盘细胞	代谢通路	基因	蛋白	功能	说明
Clostridium acetobutylicum SE25	ABE发酵（丙酮-丁醇-乙醇发酵）途径	—	—	调控	目标生产菌株，通过pH调控加速其从产酸期到溶剂期的相转变
—	淀粉水解	—	α-淀粉酶	催化	用于木薯粉液化（8 U/g-木薯，100°C，45 min）
—	淀粉水解	—	β-葡萄糖淀粉酶	催化	用于木薯粉糖化（120 U/g-木薯，60°C，4 h）

关键发现

以木薯粉（80 g/L）为底物时，相转变延迟约12 h（葡萄糖为底物约6 h）；采用分阶段pH调控（初始pH
0，当OD600达1.4时解除调控并添加3.0 g/L CaCO3）后，丁醇产量达16.24±0.70 g/L，发酵时间为72 h，分别比无pH调控高25.3%和短14.3%；丁醇产率为0.26 g/g，提高18.2%。此外，在pH
0恒定条件下丁醇产量为8.49 g/L，优于pH
5（4.65 g/L）和pH
5（5.94 g/L）；对照葡萄糖底物时总溶剂为18.13 g/L（丁醇13.04 g/L），木薯底物无调控时总溶剂为19.15 g/L（丁醇12.96 g/L）。

研究结论

不同阶段pH调控结合CaCO3添加能够平滑触发相转变，缩短发酵时间并显著提高木薯粉底物ABE发酵的丁醇产量，是一种简单有效的工业应用策略。