Improved ethanol production from various carbohydrates through anaerobic thermophilic co-culture
- 作者
- Lei Xu, Ulrike Tschirner
- 单位
- 美国明尼苏达大学生物产品和生物系统工程系，圣保罗，MN 55108，美国
- 杂志
- Bioresource Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2011.08.067
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
解决木质纤维素乙醇生产中，极端pH和乙醇浓度对Clostridium sp.在整合生物加工(CBP)中应用的抑制问题。
研究策略
采用Clostridium thermocellum和Clostridium thermolacticum的厌氧嗜热共培养，考察不同糖类底物、pH和初始乙醇浓度对发酵产物（乙醇和乙酸）的影响。
研究路线图
核心内容
该研究构建了由Clostridium thermocellum和Clostridium thermolacticum组成的厌氧嗜热共培养体系，旨在缓解极端pH和高浓度乙醇对木质纤维素整合生物加工中梭菌的抑制。实验考察了不同糖类底物、起始pH及初始乙醇浓度对发酵产物积累的影响。结果显示，共培养的乙醇产量最高可达单培养的两倍，其中以微晶纤维素为底物时乙醇产率达到理论值的75%（w/w），木糖则高达90%（w/w）。在pH 9且初始乙醇为4 g/L的最优条件下，微晶纤维素共培养的乙醇产量从1.0 g/L提升至3.8 g/L，而木糖共培养从接近零（单培养中C. thermolacticum不产乙醇）提升至4.5 g/L。研究还发现，低浓度初始乙醇具有刺激作用，但超过8 g/L会抑制共培养，而C. thermolacticum可耐受16 g/L。实验确认pH 5至10范围内可维持产醇，但未经处理的白杨木粉仅获得1.28 g/L乙醇，说明底物可及性仍是限制因素。该共培养策略为利用木质纤维素糖类生产乙醇提供了可行途径，并提示通过碱性和适度乙醇启动可显著提升产量。
创新点
1. 构建C. thermocellum和C. thermolacticum共培养体系，显著提高各种碳水化合物的乙醇产量；2. 发现低浓度初始乙醇添加对最终乙醇产量有刺激作用；3. 碱性条件（pH 9）下共培养尤其高效，特别是微晶纤维素和木糖发酵。
研究对象（3）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium thermocellum ATCC 27405 | 糖酵解（EMP）和纤维素降解 | — | 纤维素酶/纤维素小体（cellulosome） | 催化 | 主要乙醇生产者，降解纤维素和木聚糖 |
| Clostridium thermolacticum ATCC 43739 | 磷酸戊糖途径和糖酵解 | — | 木聚糖酶等糖苷水解酶 | 催化 | 擅长降解戊糖，利用木糖 |
| — | 丙酮酸代谢 | — | 丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶 | 催化 | 催化丙酮酸氧化脱羧生成乙酰辅酶A，最适pH约7 |
关键发现
- 共培养乙醇产量比单培养高出最多两倍
- MCC发酵最高乙醇产率达理论值的75%（w/w），木糖达90%（w/w）
- 在最适条件（pH=9，初始乙醇4g/L）下，MCC共培养乙醇产量从1.0g/L升至3.8g/L，木糖共培养乙醇产量从0.1g/L（C. thermocellum）和0g/L（C. thermolacticum）升至4.5g/L
- 初始乙醇浓度超过8g/L抑制C. thermocellum和共培养，超过16g/L抑制C. thermolacticum
- pH 5-10范围内可产乙醇和乙酸，超出该范围无生长
- 未经处理的白杨木粉发酵最高乙醇产量为1.28g/L。
研究结论
开发了C. thermocellum和C. thermolacticum共培养体系，有效利用木质纤维素糖类生产乙醇，缩短了迟滞期并提高溶剂产量；实现较高乙醇产率需要碱性起始pH（约9），但木质纤维原料因可及性限制产率较低，可通过添加糖类启动或改性底物来改善。