Continuous syngas fermentation for the production of ethanol, n-propanol and n-butanol
- 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.2013.10.059
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
降低合成气发酵生产乙醇的培养基成本，并放大到连续发酵中提高乙醇产量；同时探索在更大规模下菌株CP15的生产性能。
研究策略
采用玉米浆（CSL）替代酵母提取物并去除TAPS缓冲液以降低成本；在7-L发酵罐中开展带细胞回流的连续发酵，研究不同合成气组成、稀释率、pH等参数的影响；对发酵后期出现的高级醇生产现象进行16S rRNA基因测序鉴定混合培养物组成。
核心内容
本研究以产乙醇菌株Alkalibaculum bacchi CP15为对象，旨在降低合成气发酵培养基成本并实现连续化生产。通过用玉米浆替代酵母提取物并去除TAPS缓冲液，瓶发酵中培养基成本降低94%以上，同时乙醇产量提高78%，最终浓度从0.84 g/L升至2.21–2.65 g/L。在7-L发酵罐中采用带细胞回流的连续发酵，酵母提取物及无酵母提取物培养基均稳定获得6 g/L乙醇，最高浓度达6.6 g/L，最大生产力为70 mg/L·h。发酵后期因污染自然形成以A. bacchi CP15（占56%）和Clostridium propionicum（占34%）为主的混合培养物，意外实现了从合成气同时生产乙醇、正丙醇和正丁醇，三者最大浓度分别达8 g/L、6 g/L和1 g/L。高细胞浓度（>5 g/L）会抑制乙醇生成，降低细胞密度后产量恢复。该结果表明玉米浆可显著降低成本并提升乙醇产量，且天然混合培养物为从合成气生产高级醇提供了可行新途径。
创新点
1) 首次在Alkalibaculum bacchi CP15发酵中证明CSL可替代YE且去除TAPS，培养基成本降低94%以上；2) 意外获得一个以A. bacchi CP15和Clostridium propionicum为主的混合培养物，首次实现从合成气同时生产乙醇、正丙醇和正丁醇。
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 | — | — | — | 催化 | 主要产乙醇和乙酸的嗜碱乙酸菌，利用合成气CO/H2/CO2产乙醇 |
| Clostridium propionicum | — | — | — | 催化 | 污染菌，产丙酸和丁酸，可能被还原为正丙醇和正丁醇 |
关键发现
- 使用20 g/L玉米浆（CSL）替代酵母提取物（YE）进行瓶发酵，培养基成本降低27%，乙醇产量提高78%（最终乙醇浓度从0.84 g/L提高到2.21-2.65 g/L）
- 去除TAPS缓冲液使培养基成本从10.53 $/L降至0.30-0.61 $/L。在7-L连续发酵（带细胞回流）中，YE和YE-free培养基稳定获得6 g/L乙醇，最高乙醇浓度达6.6 g/L，最大乙醇生产力70 mg/L h（Syngas III + YE-free培养基）。当使用CSL培养基时，因污染形成混合培养物（16S rRNA分析显示A. bacchi CP15占56%，Clostridium propionicum占34%），最大乙醇、正丙醇和正丁醇浓度分别达8 g/L、6 g/L和1 g/L，同时丙酸和丁酸最大浓度分别为3.0 g/L和0.5 g/L。高细胞质量浓度（>5 g/L）导致乙醇产量下降，经降低细胞浓度后乙醇回升。
研究结论
A. bacchi CP15在瓶发酵中通过CSL替代YE可提高乙醇产量并大幅降低培养基成本；连续发酵中YE和YE-free培养基可实现6 g/L乙醇；发酵过程中自然形成的以A. bacchi CP15和C. propionicum为主的混合培养物可同时生产乙醇、正丙醇和正丁醇，为从合成气生产高级醇提供了新途径。