Upgrading dilute ethanol from syngas fermentation to n-caproate with reactor microbiomes
- 作者
- Divya Vasudevan, Hanno Richter, Largus T. Angenent
- 单位
- Department of Biological and Environmental Engineering, Cornell University, Ithaca, NY 14853, USA
- 杂志
- Bioresource Technology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2013.09.105
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
合成气发酵产生的稀乙醇和乙酸难以通过蒸馏高效回收，需要开发低能耗的升级途径，将其转化为更有价值的正己酸。
研究策略
将合成气平台与羧酸盐平台整合，以实际合成气发酵 effluent（含稀乙醇和乙酸）为底物，利用开放培养的反应器微生物组通过逆β-氧化进行链延长，在厌氧滤器反应器中连续运行，并通过降低pH至5.5抑制产甲烷菌。
核心内容
本研究将合成气发酵与羧酸盐平台相整合，以真实合成气发酵 effluent（含稀乙醇和乙酸）为底物，利用厌氧滤器反应器中的开放微生物组，通过逆β-氧化进行链延长，将低价值稀乙醇升级为正己酸。通过将pH降至5.5抑制产甲烷菌，在连续运行中实现正己酸最高浓度约1 g/L（pH 5.44），产率达1.7 g/L/day，同时正丁酸产率高达20 g/L/day，选择性88%，正己酸选择性9.6%（基于COD）。底物投料有机负荷为45 g COD/L/day。pH升至6.5时甲烷占比达80%，降低pH后经约9天滞后甲烷百分比下降。最高未解离正己酸浓度为0.35 g/L，占总正己酸22%。结果证实合成气平台与链延长技术整合可行，但正己酸产物毒性限制了链延长第二步效率，未来需通过在线提取解除产物抑制以提升产率和选择性。
创新点
首次在概念验证中直接使用真实合成气发酵 effluent 作为链延长底物，实现了合成气平台与羧酸盐平台的整合；证实了通过pH调控抑制产甲烷并维持链延长的可行性。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 反应器微生物组（含Clostridium kluyveri） | 逆β-氧化链延长 | — | — | 催化 | 将乙醇和乙酸链延长为正丁酸和正己酸 |
| Clostridium ljungdahlii strain ERI-2 | 合成气发酵 | — | — | 催化 | 将合成气（CO/H2/CO2）转化为乙醇和乙酸，提供链伸长底物 |
关键发现
- 最高正己酸浓度约为1 g/L（pH 5.44），产率为1.7 g/L/day
- 正丁酸产率达20 g/L/day，正丁酸选择性88%，正己酸选择性9.6%（基于COD）
- 乙醇和乙酸投料有机负荷为45 g COD/L/day。当pH升至6.5时甲烷含量达80%，降低pH后经约9天滞后甲烷百分比下降。最高未解离正己酸浓度为0.35 g/L（占总正己酸22%）。Batch I底物乙醇和乙酸浓度分别为11.4和2.3 g/L，Batch II分别为1.8和1.2 g/L。
研究结论
研究表明合成气发酵与链伸长过程的技术整合可行，但正己酸产物的毒性限制了链延长第二步，需要在线提取正己酸以提高产率和选择性。