Process development for biological production of butanol from Eastern redcedar
- 作者
- Kan Liu, Hasan K. Atiyeh, Oscar Pardo-Planas, Karthikeyan D. Ramachandriya, Mark R. Wilkins, Thaddeus C. Ezeji, Victor Ujor, Ralph S. Tanner
- 单位
- Biosystems and Agricultural Engineering Department, Oklahoma State University, Stillwater, OK, USA; Department of Animal Sciences, The Ohio State University, and Ohio State Agricultural Research and Development Center, Wooster, OH, USA; Department of Microbiology and Plant Biology, University of Oklahoma, Norman, OK, USA
- 杂志
- Bioresource Technology（2015）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2014.10.148
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发以东部红刺柏（Eastern redcedar）为原料的丁醇生物生产工艺，解决酶解缓冲液选择、水解液抑制剂脱毒及发酵条件优化等关键问题。
研究策略
采用酸亚硫酸盐预处理和酶解获得红刺柏水解液；比较柠檬酸和乙酸缓冲液对ABE发酵的影响；通过活性炭吸附进行水解液脱毒；使用梭菌进行分批发酵，并评估亚硫酸氢钠和CaCO3对发酵的影响。
核心内容
本研究以东部红刺柏为原料开发丁醇生物生产工艺，针对酶解缓冲液选择、水解液脱毒及发酵条件等关键问题展开系统优化。研究发现柠檬酸缓冲液完全抑制梭菌生长，而乙酸缓冲液则显著提升发酵性能：添加50 mM乙酸缓冲液后，C. acetobutylicum ATCC 824丁醇产量从9.45 g/L提高至13.21 g/L，C. beijerinckii NCIMB 8052从8.76 g/L提高至12.30 g/L，葡萄糖消耗分别增加38%和54%。通过活性炭吸附脱毒，可溶性木质素含量从8.6 g/L降至1.9 g/L，亚硫酸氢钠浓度从160 ppm降至17.5-20 ppm，脱毒水解液丁醇产量从1.12 g/L大幅提升至13.09-13.24 g/L，总ABE达18.50-18.98 g/L，与葡萄糖对照培养基相当。此外，水解液中亚硫酸氢钠需低于20 ppm以避免抑制，CaCO3添加无正向作用反而降低丁醇产量约21-25%。基于实验结果估算，每吨干红刺柏可产27.4加仑丁醇，证明利用该木质纤维素原料生产丁醇在技术和经济上均具可行性。
创新点
1. 发现柠檬酸缓冲液完全抑制梭菌生长，而乙酸缓冲液可额外提高丁醇产量3-4 g/L；2. 采用活性炭脱毒将红刺柏水解液的丁醇产量从1 g/L提升至13 g/L，总ABE达到19 g/L，与葡萄糖对照相当；3. 明确了水解液中亚硫酸氢钠浓度需低于20 ppm以避免抑制丁醇生产；4. 揭示了脱毒水解液中沉淀对营养供给和发酵性能的关键作用。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 主要生产菌株，在脱毒水解液中丁醇产量13.1-13.24 g/L |
| Clostridium beijerinckii NCIMB 8052 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 对比菌株，在乙酸缓冲液葡萄糖培养基中丁醇产量12.30 g/L |
| — | 纤维素/半纤维素水解 | — | Accellerase 1500 | 催化 | 酶解红刺柏的纤维素酶复合物，添加量为50 FPU/g葡聚糖 |
关键发现
- 添加50 mM乙酸缓冲液后，C. acetobutylicum ATCC 824丁醇产量从9.45 g/L提高到13.21 g/L，C. beijerinckii NCIMB 8052从8.76 g/L提高到12.30 g/L
- 葡萄糖消耗分别增加38%和54%。非脱毒水解液发酵仅产生1.12 g/L丁醇和2.01 g/L总ABE，而脱毒水解液（含沉淀）可产生13.09-13.24 g/L丁醇和18.50-18.98 g/L总ABE，与葡萄糖P2培养基（13.18 g/L丁醇、17.78 g/L ABE）相当。活性炭脱毒使可溶性木质素含量从8.6 g/L降至1.9 g/L，过滤灭菌后进一步降至1.4 g/L
- 亚硫酸氢钠浓度从160 ppm降至17.5-20 ppm。当亚硫酸氢钠≥100 ppm时，总ABE降低14%，葡萄糖消耗减少14%。CaCO3添加对丁醇产量无正向作用，反而使水解液丁醇产量降低约21-25%。酶解中采用14%固含率，48 h葡聚糖-葡萄糖转化率达85%，总糖约74.5-74.7 g/L。基于实验结果估算，每吨干红刺柏可产27.4加仑丁醇。
研究结论
乙酸缓冲液适用于红刺柏酶解和ABE发酵，柠檬酸缓冲液会抑制梭菌生长；红刺柏水解液必须经活性炭脱毒去除酚类等抑制剂，才能实现与葡萄糖培养基相当的丁醇产量（13 g/L丁醇、19 g/L总ABE）；水解液中亚硫酸氢钠应低于20 ppm，CaCO3添加无益。本研究证明利用红刺柏生产丁醇具有可行性。