Butanol and hexanol production in Clostridium carboxidivorans syngas fermentation: Medium development and culture techniques
- 作者
- John R. Phillips, Hasan K. Atiyeh, Ralph S. Tanner, Juan R. Torres, Jyotisha Saxena, Mark R. Wilkins, Raymond L. Huhnke
- 单位
- Biosystems and Agricultural Engineering Department, Oklahoma State University, Stillwater, OK, United States; Department of Microbiology and Plant Biology, University of Oklahoma, Norman, OK, United States
- 杂志
- Bioresource Technology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2015.04.043
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发低成本、无复杂营养的限定培养基和培养技术，使Clostridium carboxidivorans能利用合成气（CO/H2/CO2）高效生产丁醇和己醇，解决传统培养基成本高、底物抑制和传质限制等问题。
研究策略
通过逐步去除酵母提取物、MES缓冲液、降低氮磷浓度、优化微量元素（Cu、Mo、Zn、W、Ni）配比，并结合改良的培养方案（控制初始CO分压、调整摇床转速、增大接种量、用NH4OH调节pH）来减轻底物抑制和传质限制，促进醇类积累。
核心内容
本研究针对梭菌合成气发酵生产成本高、底物抑制及传质受限等问题，以Clostridium carboxidivorans P7为对象，系统开发了低成本的限定培养基与改良培养方案。通过逐步去除酵母提取物和MES缓冲液、降低氮磷浓度、优化微量元素配比（特别是去除铜并提高十倍钼），结合低初始CO分压（约30 kPa）启动、逐步提升至90 kPa及增大搅拌转速的策略，有效减轻了底物抑制并改善了气液传质。结果显示，在CO:H₂:CO₂（70:20:10）合成气下，丁醇产量超过1.0 g/L、己醇最高达1.0 g/L、乙醇超过3.0 g/L，其中去Cu/10×Mo处理获得丁醇1.09 g/L、己醇0.94 g/L。培养基成本从每升6.22美元降至0.23美元，降幅近97%。丁醇产量较文献中H₂/CO₂底物发酵提高两倍以上，己醇产量超过工程大肠杆菌糖发酵的两倍。研究表明，培养技术和底物供给方式对发酵成败至关重要，低成本限定培养基结合受控CO/H₂供应可作为筛选商业潜力菌株的标准化方法。
创新点
['开发了不含酵母提取物和MES缓冲液的低成本限定培养基（如P7MtWNi），成本从每升6.22美元降至0.23美元', '建立了改良的培养规程，通过低初始CO分压（约30 kPa）启动培养，逐步提高CO分压至90 kPa和搅拌速度（125-150 rpm），显著减少底物抑制和传质限制', '发现去除Cu并提高10倍Mo（-Cu/10×Mo）可稳定促进己醇生成']
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium carboxidivorans P7 | Wood-Ljungdahl pathway | — | Carbon monoxide dehydrogenase (CODH) | 催化 | 镍为活性中心组分，催化CO氧化为CO2并产生电子 |
| Clostridium carboxidivorans P7 | Wood-Ljungdahl pathway | — | Aldehyde oxidoreductase (AOR) | 催化 | 钨依赖酶，催化有机酸还原为相应的醇 |
| Clostridium carboxidivorans P7 | Wood-Ljungdahl pathway | — | Formate dehydrogenase | 催化 | 钨依赖酶，催化甲酸氧化成CO2 |
| Clostridium carboxidivorans P7 | Wood-Ljungdahl pathway | — | Hydrogenase | 催化 | 催化H2氧化，高浓度CO会抑制其活性 |
关键发现
- 在限定培养基中，C. carboxidivorans利用CO:H2:CO2（70:20:10）合成气发酵，丁醇产量超过1.0 g/L、己醇最高达1.0 g/L、乙醇超过3.0 g/L。其中去Cu/10×Mo处理获得丁醇1.09 g/L、己醇0.94 g/L
- P7MtWNi P21 70CO处理获得乙醇3.01 g/L、丁醇1.00 g/L、己醇0.31 g/L。培养基成本从每升6.22美元降至0.23美元。富培养基中比生长速率达0.231 h^-1（倍增时间3 h），而限定培养基中为0.01-0.03 h^-1。磷酸盐限制可使乙醇/乙酸比升高，但未增加丁醇和己醇产量。与文献相比，丁醇产量超过以H2/CO2为底物的发酵2倍以上，己醇产量超过工程大肠杆菌糖发酵的2倍。
研究结论
C. carboxidivorans能在低成本限定培养基中稳定生产丁醇和己醇。培养技术和底物供给方式对发酵成败至关重要：低CO分压启动、逐步增加CO供给和搅拌速度可有效减轻底物抑制；最小限定培养基（如P7MtWNi）与受控CO/H2供应应作为筛选商业潜力菌株的标准化方法。