Evaluation of by-products from the biodiesel industry as fermentation feedstock for poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) production by Cupriavidus necator
- 作者
- I.L. Garcia, J.A. López, M.P. Dorado, N. Kopsahelis, M. Alexandri, S. Papanikolaou, M.A. Villar, A.A. Koutinas
- 单位
- Department of Physical Chemistry and Applied Thermodynamics, Escuela Politecnica Superior, University of Cordoba, Spain; Planta Piloto de Ingeniería Química, PLAPIQUI (UNS-CONICET), Bahía Blanca, Buenos Aires, Argentina; Department of Food Science and Technology, Agricultural University of Athens, Greece
- 杂志
- Bioresource Technology（2013）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2012.11.088
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
探索利用生物柴油工业副产物（粗甘油和菜籽粕水解液）作为发酵原料，替代昂贵碳源、营养补充物及3HV前体，实现Cupriavidus necator高效生产聚(3-羟基丁酸-co-3-羟基戊酸)（P(3HB-co-3HV)）。
研究策略
以菜籽粕为底物进行Aspergillus oryzae固态发酵获得粗酶，水解菜籽粕制备富含游离氨基氮（FAN）的水解液；以粗甘油为碳源，采用C. necator DSM 545进行分批和补料分批发酵；考察FAN浓度、甘油浓度、盐杂质（NaCl/K2SO4）对PHA合成的影响；并通过13C NMR、DSC、TGA分析聚合物结构及热物理性质。
核心内容
该研究探索以生物柴油工业副产物粗甘油和菜籽粕水解液作为Cupriavidus necator DSM 545发酵生产P(3HB-co-3HV)的替代原料。以米曲霉固态发酵菜籽粕制备含游离氨基氮的水解液，粗甘油为碳源，在不添加丙酸等3HV前体条件下，通过分批和补料分批发酵成功合成共聚物，3HV含量为2.8–8 mol%。初始FAN 460 mg/L、甘油25 g/L时分批发酵获得最高总干重15.1 g/L、PHA浓度7 g/L、含量46.3%；补料分批发酵使PHA浓度和含量分别提升至10.9 g/L和55.6%，较分批模式提高49.5%和18.7%。盐抑制试验表明，K2SO4在2–20 g/L内无明显抑制，25 g/L时PHA降至0.7 g/L；NaCl浓度达6 g/L时PHA降至1.4 g/L。所得含12 mol% 3HV的共聚物玻璃化转变温度-1.9℃、熔点155℃、结晶度49%，较PHB更优。研究表明，利用生物柴油副产物可完全替代商业碳源、营养物和共聚单体前体，将PHA生产整合至油籽生物柴油工厂有望提升该生物炼制的经济性与可持续性。
创新点
['利用粗甘油和菜籽粕水解液作为唯一原料，无需额外添加3HV前体（如丙酸）即可合成P(3HB-co-3HV)', '系统考察了粗甘油中盐杂质（NaCl和K2SO4）对PHA发酵的抑制作用', '补料分批策略使PHA浓度和含量分别达到10.9 g/L和55.6%', '获得的P(3HB-co-3HV)共聚物热性能优于PHB，并可通过FAN水平调控3HV含量']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Cupriavidus necator DSM 545 | 聚羟基脂肪酸酯（PHA）合成途径 | — | — | 催化 | 利用粗甘油和菜籽粕水解液生产P(3HB-co-3HV)的宿主菌 |
| Aspergillus oryzae | 蛋白水解（菜籽粕水解） | — | 蛋白酶（proteolytic enzymes） | 催化 | 通过固态发酵产生粗酶，用于水解菜籽粕制备营养补充液 |
关键发现
- 在不添加3HV前体的条件下，利用菜籽粕水解液和粗甘油成功生产P(3HB-co-3HV)，3HV含量为2.8-8 mol%。初始FAN 460 mg/L、甘油25 g/L时分批发酵获得最高总干重15.1 g/L、PHA浓度7 g/L、PHA含量46.3%。补料分批发酵获得PHA浓度10.9 g/L、含量55.6%，分别比分批模式高49.5%和18.7%。纯甘油为碳源时最高PHA浓度达9.1 g/L、含量65%。盐抑制试验显示：K2SO4浓度在2-20 g/L内无明显抑制，25 g/L时TDW降至6.6 g/L、PHA降至0.7 g/L、含量10.6%
- NaCl浓度2 g/L时TDW为10.4 g/L、PHA为3.7 g/L、含量35.6%，6 g/L时TDW降至6.5 g/L、PHA降至1.4 g/L。P(3HB-co-3HV)（3HV 12 mol%）的玻璃化转变温度-1.9℃、熔点155℃、结晶度49%、热降解温度(50%) 271℃，相较于PHB，3HV的掺入降低了玻璃化转变温度、结晶度和熔点。
研究结论
研究表明，菜籽粕水解液和粗甘油可作为C. necator生产P(3HB-co-3HV)的有效且经济的发酵原料，完全替代商业碳源、营养补充物和共聚单体前体。通过优化FAN浓度和补料策略可实现高产量（10.9 g/L）和高含量（55.6%），所得共聚物因3HV掺入而具有更低的玻璃化转变温度、结晶度和熔点，优于PHB。将PHA生产整合到现有油籽生物柴油工厂可提高该第一代生物炼制的经济性和可持续性。