Production of 2,3-butanediol from acid hydrolysates of Jatropha hulls with Klebsiella oxytoca
- 作者
- Li-Qun Jiang, Zhen Fang, Feng Guo, Lin-bin Yang
- 单位
- Chinese Academy of Sciences, Biomass Group, Laboratory of Tropical Plant Resource Science, Xishuangbanna Tropical Botanical Garden; Graduate University of Chinese Academy of Sciences
- 杂志
- Bioresource Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2011.12.083
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
首次利用麻风树果壳（Jatropha hulls）作为原料，通过稀硫酸水解和Klebsiella oxytoca发酵生产2,3-丁二醇，解决果壳中提取物对发酵的抑制作用及木质纤维素组分的高效利用问题。
研究策略
采用中性洗涤剂预处理去除果壳中的提取物，然后进行两步稀硫酸水解（第一步温和条件水解半纤维素，第二步剧烈条件水解纤维素），水解液经中和、浓缩、活性炭脱毒后，用于Klebsiella oxytoca在摇瓶和生物反应器中的发酵生产2,3-丁二醇。
核心内容
本研究首次以麻风树果壳为原料，通过中性洗涤剂预处理结合两步稀硫酸水解，再利用Klebsiella oxytoca发酵生产2,3-丁二醇。预处理将果壳中纤维素、半纤维素和木质素总含量从67.1%提升至91.8%，显著解除提取物对发酵的抑制。两步水解中，第一步温和条件（150°C，0.5 h，1.5%硫酸）获得还原糖34.01 g/L，第二步剧烈条件（150°C，1 h，4%硫酸）获得31.77 g/L，总水解产率达64.0%。摇瓶发酵中，第二步水解液二醇产量达31.57 g/L，产率为理论值的82.8%；生物反应器（3-L）中两步水解液分别产生二醇26.26 g/L和31.41 g/L，发酵时间缩短至40 h。未经预处理的水解液二醇产量仅4.11 g/L，而预处理后产率提高约5.5倍，说明该策略有效解除抑制。研究表明，麻风树果壳经适当预处理和水解可成为低成本原料，其水解液能被高效发酵，二醇产量接近葡萄糖对照（36.21 g/L）水平，为木质纤维素生物炼制提供了可行路径。
创新点
首次报道以麻风树果壳为原料生产2,3-丁二醇；两步酸水解策略实现纤维素和半纤维素的充分利用；中性洗涤剂预处理显著去除发酵抑制物，使二醇产率提高5.5倍。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella oxytoca CICC 22912 | 2,3-丁二醇生物合成途径 | — | — | 催化 | 生产菌株，以水解液中的还原糖为底物发酵生成2,3-丁二醇和乙偶姻。 |
关键发现
- ['麻风树果壳经中性洗涤剂预处理后，纤维素、半纤维素和木质素总含量从67.1%提高到91.8%。', '第一步水解（150°C，0.5 h，1.5%硫酸）获得还原糖34.01 g/L（含葡萄糖10.27 g/L），水解产率37.0%
- 第二步水解（150°C，1 h，4%硫酸）获得还原糖31.77 g/L（葡萄糖31.29 g/L），两步总水解产率达64.0%。', '摇瓶发酵中，第一步水解液产生二醇25.03 g/L，产率35.6%（理论值的71.2%），生产强度0.42 g/L·h
- 第二步水解液产生二醇31.57 g/L，产率41.4%（理论值的82.8%），生产强度0.53 g/L·h。', '对照葡萄糖发酵产生二醇35.62 g/L，产率45.1%（理论值的90.2%）。', '生物反应器（3-L）发酵中，第一步水解液二醇产量26.26 g/L（产率36.7%），第二步水解液31.41 g/L（产率40.2%），葡萄糖对照36.21 g/L（产率45.8%），发酵时间缩短至40 h。', '未经预处理的原始果壳水解液发酵仅产生二醇4.11 g/L，产率5.5%，而预处理后第一步水解液产率达35.6%，提高了约5.5倍。']
研究结论
经中性洗涤剂预处理后，麻风树果壳是生产2,3-丁二醇的优质低成本原料；两步酸水解能有效利用半纤维素和纤维素，水解液可被Klebsiella oxytoca高效发酵，获得接近理论产率的高二醇产量。