Butanol production from renewable biomass by clostridia
- 作者
- Yu-Sin Jang, Alok Malaviya, Changhee Cho, Joungmin Lee, Sang Yup Lee
- 单位
- Metabolic and Biomolecular Engineering National Research Laboratory, Department of Chemical and Biomolecular Engineering (BK21 Program), BioProcess Engineering Research Center, Center for Systems and Synthetic Biotechnology, Institute for the BioCentury, KAIST; Department of Bio and Brain Engineering and Bioinformatics Research Center, KAIST
- 杂志
- Bioresource Technology（2012）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2012.07.104
- 所属领域
- 代谢工程/发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何利用可再生生物质（蔗糖、淀粉、木质纤维素、甘油、藻类及合成气等）经济高效地通过梭菌发酵生产丁醇，并解决底物成本、产物抑制、低产量和低产率等瓶颈问题。
研究策略
系统综述了多种可再生碳源的利用情况、抑制物影响及解毒方法，并总结了分批/补料/连续发酵、高细胞密度培养、原位产物回收（气提、渗透汽化、吸附、真空）等工艺优化策略。
核心内容
该综述系统评估了梭菌利用多种可再生生物质生产丁醇的潜力，涵盖蔗糖、淀粉、木质纤维素、粗甘油及藻类等非粮原料，并梳理了抑制物影响及解毒策略。通过对比不同底物发酵数据发现，木薯淀粉、石灰处理大麦秸秆及甘油分别可实现16.9 g/L、18.0 g/L和17.8 g/L的丁醇产量，显示出良好的替代性。在工艺优化层面，研究重点总结了分批/补料/连续发酵、高细胞密度培养及原位产物回收技术的协同效应：固定化细胞生物膜反应器最高溶剂产率达16.2 g/L/h，细胞循环连续发酵稳定运行710小时未出现菌株退化；气提补料分批发酵使丁醇产量显著提升至113.3 g/L，渗透汽化和吸附树脂技术也分别提高了底物消耗速率和最终产量。这些数据表明，将上游菌株代谢工程、中游创新发酵策略与下游高效回收技术进行系统集成，可有效缓解产物抑制和低产率瓶颈，为利用非粮生物质实现经济可行的工业规模丁醇生产提供了技术路径参考。
创新点
综合比较了多种非粮生物质（木质纤维素、甘油、藻类）的丁醇生产潜力；强调了连续高细胞密度发酵和原位产物回收技术对提高丁醇产量和生产率的显著作用；提出了整合发酵与生物柴油产业利用粗甘油的思路。
研究对象（16）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium beijerinckii BA101 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用大豆糖蜜、液化玉米淀粉、淀粉基包装花生等多种底物生产丁醇；丁醇产量8.0-13.4 g/L |
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用挤压有机生活垃圾(DOW)及其水解液生产丁醇，产量3.0-4.2 g/L；用于渗透汽化和吸附原位回收研究 |
| Clostridium acetobutylicum IFP904 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用菊芋水解液（总糖65 g/L）在33 h内产丁醇14.8 g/L，产率0.23 g/g |
| Clostridium acetobutylicum P262 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用糊化西米淀粉产丁醇16.0 g/L，产率0.24 g/g葡萄糖，生产率0.21 g/L/h |
| Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用木薯淀粉/木薯片水解液产丁醇16.4-16.9 g/L，产率0.25-0.35 g/g；利用米糠产丁醇7.7 g/L；利用酸/碱预处理藻类产丁醇2.3 g/L |
| Clostridium beijerinckii P260 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用小麦秸秆、大麦秸秆、玉米秸秆、柳枝稷等水解液产丁醇10.4-18.0 g/L；真空发酵产丁醇103.0 g |
| Clostridium beijerinckii ATCC 55025 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 利用麦麸水解液（53.1 g/L总糖）产丁醇8.8 g/L |
| Clostridium pasteurianum | 丁醇发酵途径（甘油代谢） | — | — | 催化 | 野生型菌株利用甘油产丁醇17.0 g/L（产率0.20 g/g）；C. pasteurianum ATCC 6013产7.8 g/L，产率0.36 g/g；C. pasteurianum DSM 525产6.2-7.2 g/L |
| Clostridium pasteurianum MBEL_GLY2 | 丁醇发酵途径（甘油代谢） | — | — | 催化 | 利用82 g/L甘油产丁醇17.8 g/L，产率0.30 g/g，生产率0.43 g/L/h；高细胞密度连续发酵710 h无退化，最高丁醇生产率7.8 g/L/h |
| Clostridium butylicum TISTR 1032 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 与Bacillus subtilis WD161共培养利用木薯淀粉，产丁醇提高5.4-6.5倍 |
| Clostridium carboxidivorans P7 | 合成气发酵产丁醇途径 | — | — | 催化 | 利用CO合成气，4天产丁醇约2.2 mg/L |
| Clostridium acetobutylicum JB200 | ABE发酵途径 | — | — | 催化 | 使用纤维床生物反应器结合气提，从木薯渣水解液产丁醇76.4 g/L；补料分批气提从葡萄糖产丁醇113.3 g/L |
| Clostridium acetobutylicum PJC4BK (pIPA3-Cm2) | 异丙醇-丁醇-乙醇(IBE)途径 | sdh, buk | — | 催化 | buk突变体引入sdh基因和合成丙酮操纵子，气提补料分批发酵45 h产丁醇26 g/L（IBE 35.6 g/L） |
| Escherichia coli | 木质纤维素降解与生物燃料合成途径 | — | — | 催化 | 工程化E. coli利用离子液体预处理的柳枝稷直接生产丁醇、柴油和喷气燃料前体 |
| Synechococcus elongatus PCC7942 | 异丁醇光合合成途径 | — | — | 催化 | 代谢工程改造直接固定CO2生产异丁醇（引用Atsumi等2009） |
| Bacillus subtilis WD161 | 淀粉水解 | — | 淀粉酶 | 催化 | 与Clostridium butylicum共培养，产淀粉酶活性提高10倍 |
关键发现
- 多种梭菌利用不同底物生产丁醇的产量范围：大豆糖蜜8.0 g/L（产率0.10 g/g底物，0.08 g/L/h）
- 菊芋水解液14.8 g/L（产率0.23 g/g总糖，0.45 g/L/h）
- 西米淀粉16.0 g/L（产率0.24 g/g葡萄糖，0.21 g/L/h）
- 液化玉米淀粉13.4 g/L
- 木薯片水解液16.4 g/L（产率0.26 g/g底物，0.46 g/L/h）
- 木薯淀粉16.9 g/L（产率0.35 g/g底物，0.35 g/L/h）
- 小麦秸秆水解液12.0 g/L（产率0.20 g/g总糖，0.29 g/L/h）
- 麦麸水解液8.8 g/L
- 米糠7.7 g/L（产率0.27 g/g总糖）
- 玉米纤维6.4 g/L
- 石灰处理大麦秸秆18.0 g/L（产率0.29 g/g糖，0.26 g/L/h）
- 玉米秸秆10.4 g/L
- 柳枝稷14.5 g/L
- 甘油发酵丁醇达17.0-17.8 g/L（如C. pasteurianum MBEL_GLY2产17.8 g/L，产率0.30 g/g，生产率0.43 g/L/h）
- 藻类生物质产丁醇2.3-16.0 g/L。工艺方面：固定化细胞生物膜反应器最高溶剂产率达16.2 g/L/h
- 细胞循环连续发酵细胞浓度100 g/L，最高溶剂产率11.0 g/L/h，稳定运行710 h无菌株退化
- 气提补料分批发酵产丁醇113.3 g/L（葡萄糖474.9 g/L，326 h）
- 渗透汽化复合膜使葡萄糖消耗速率从2.64提高到3.15 g/L/h
- 吸附树脂Dowex Optipore SD-2使丁醇产量达22.2 g/L
- 气提使产率和收率分别提高200%和118%。
研究结论
利用可再生的非粮生物质（木质纤维素、粗甘油、藻类等）并结合优化发酵策略及原位产物回收技术，能够显著提高丁醇生产的经济性；通过上游（菌株代谢工程）、中游（创新发酵策略）和下游（高效回收）的集成，可持续的工业规模丁醇生产有望在不久的将来实现。