高级醇 · 代谢工程文献库

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Mixed culture syngas fermentation and conversion of carboxylic acids into alcohols

作者
Kan Liu, Hasan K. Atiyeh, Bradley S. Stevenson, Ralph S. Tanner, Mark R. Wilkins, Raymond L. Huhnke
单位
Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, OK 74078, USA; Microbiology and Plant Biology, University of Oklahoma, 770 Van Vleet Oval, Norman, OK 73019, USA
杂志
Bioresource Technology（2013）
DOI
10.1016/j.biortech.2013.11.015
所属领域
发酵工程
关键词
Drop-in biofuelMixed culture syngas fermentationn-Butanoln-Hexanoln-Propanol
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解决的核心问题

单一菌株合成气发酵主要只能产生乙醇，难以直接生产正丙醇、正丁醇等高级醇；本研究探索通过混合培养（A. bacchi CP15与C. propionicum）利用合成气生产高级醇，并提高羧酸向对应醇的转化效率。

研究策略

构建包含合成气发酵菌Alkalibaculum bacchi strain CP15和丙酸产生菌Clostridium propionicum的混合培养体系，利用两者协同代谢（C. propionicum将乳酸/乙醇转化为丙酸/丁酸，CP15在合成气存在下将酸还原为醇），在3L反应器中进行YE和CSL培养基的半连续发酵，并在瓶发酵中比较添加不同羧酸时纯培养与混合培养的转化性能。

研究路线图

100%
研究问题：单一菌株合成气发酵仅产乙醇，难以生产正丙醇/正丁醇等高级醇
策略：构建A. bacchi CP15与C. propionicum混合培养体系
结果：CSL替代YE使总醇产量提高2.5倍，比生长速率高56%，CO利用率50.3%
关键改造：3L反应器半连续发酵，使用YE和CSL培养基，瓶发酵加不同羧酸
结果：混合培养产乙醇2.36 g/L、正丙醇0.98 g/L、正丁醇0.09 g/L，总醇2.20 g/L
结果：羧酸转化率提升——丙酸83.4%、丁酸74.7%、己酸90.7%，比纯培养高2.3/1.9/1.4倍
结论：混合培养策略在合成气生产高级醇方面有较大潜力
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核心内容

本研究构建了由合成气发酵菌Alkalibaculum bacchi CP15与丙酸产生菌Clostridium propionicum组成的混合培养体系，利用两者协同代谢将合成气转化为乙醇、正丙醇和正丁醇等高级醇。在3L反应器半连续发酵中，使用玉米浆替代酵母提取物可使总醇产量提高2.5倍，最高乙醇浓度达2.36 g/L、正丙醇0.98 g/L，且比生长速率提高56%。瓶发酵结果显示，混合培养对丙酸、丁酸、己酸转化为相应醇的效率分别达83.4%、74.7%和90.7%，较CP15纯培养提高2.3倍、1.9倍和1.4倍，总体酸转化效率提升50%。此外，混合培养可消耗乳酸并将其23%转化为正丙醇，而纯培养无法利用乳酸。该策略首次实现混合培养合成气发酵生产正丙醇，证明菌株间协同代谢可显著提高羧酸向醇的转化效率，且低成本培养基的适用性为工业化生产高级醇提供了可行路径。

创新点

首次报道混合培养合成气发酵产生正丙醇；混合培养对丙酸、丁酸、己酸转化为醇的效率比CP15纯培养分别提高2.3倍、1.9倍和1.4倍，总体酸转化效率提高50%；证实C. propionicum将乳酸/乙醇转化为丙酸，与CP15形成协同关系；使用CSL培养基替代YE可降低成本并提高总醇产量2.5倍。

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Alkalibaculum bacchi strain CP15 合成气发酵（Wood-Ljungdahl途径） — — 催化 将合成气（CO/H2/CO2）转化为乙醇，并可将丙酸、丁酸、己酸还原为相应醇；不能利用乳酸。
Clostridium propionicum 丙烯酸酯途径（lactate/propionate fermentation） — — 催化 将乳酸转化为丙酸，将乙醇转化为丙酸；不利用碳水化合物。

关键发现

  1. 在3L反应器半连续发酵中，混合培养在CSL培养基中的最大乙醇浓度为2.36 g/L（乙醇收率62.0%）、正丙醇0.98 g/L、正丁醇0.09 g/L，总醇2.20 g/L，比YE培养基（乙醇1.30 g/L、正丙醇0.37 g/L、总醇0.87 g/L）高2.5倍
  2. CSL中比生长速率（0.25 h^-1）比YE（0.16 h^-1）高56%。最大细胞浓度在两种培养基中均为0.73 g/L。瓶发酵中，混合培养对丙酸、丁酸、己酸转化为相应醇的转化率分别为83.4%、74.7%、90.7%，而CP15纯培养仅分别为36.8%、38.6%、63.6%
  3. 总体上混合培养比CP15多转化50%的羧酸。添加乳酸时，混合培养消耗1.2 g/L乳酸，并将23%（摩尔基准）的乳酸转化为正丙醇，而CP15不能利用乳酸。CO利用率在CSL中为50.3%，YE中为40.4%
  4. H2利用率分别为23.9%和28.1%。碳回收率在YE和CSL中分别为86%和104%。在没有外源酸时，混合培养也产生了正丙醇和正丁醇，而CP15纯培养仅产乙醇。

研究结论

混合培养合成气发酵能有效生产乙醇、正丙醇和正丁醇等高级醇，且羧酸向醇的转化效率显著高于单一菌株；CSL可替代YE作为低成本营养源并提高醇产量，证明混合培养策略在合成气生产高级醇方面具有较大潜力。