Performance of batch, fed-batch, and continuous A-B-E fermentation with pH-control
- 作者
- Si-Yu Li, Ranjan Srivastava, Steven L. Suib, Yi Li, Richard S. Parnas
- 单位
- Department of Chemical, Materials and Biomolecular Engineering, University of Connecticut; Department of Chemistry, University of Connecticut; Department of Plant Science, University of Connecticut; Institute of Materials Science, University of Connecticut
- 杂志
- Bioresource Technology（2011）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.12.078
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
比较在pH 4.5控制下批次、补料批次和连续A-B-E发酵的性能，以确定最适合丁醇生产的操作模式。
研究策略
在pH 4.5下分别进行批次、补料批次（结合渗透汽化原位丁醇分离）和连续发酵实验，通过比较溶剂产率、生产力和丁醇选择性评估各模式。
核心内容
本研究在pH 4.5控制条件下系统比较了批次、补料批次和连续三种A-B-E发酵模式，以评估最适合丁醇生产的操作方式。批次发酵获得最高总溶剂产率0.32 g/g葡萄糖，丁醇产率0.23 g/g，丁醇生产力0.37 g/L/h；连续发酵在稀释率0.1 h⁻¹时表现最优，丁醇产率达0.21 g/g葡萄糖，丁醇生产力0.81 g/L/h，总溶剂生产力0.86 g/L/h。关键在于，pH 4.5连续培养中丁醇占溶剂比例高达94%，显著优于常规3:6:1的丙酮-丁醇-乙醇比例。补料批次模式尽管消耗75.8 g葡萄糖，但丁醇浓度仅维持在4.8 g/L，且当丁醇浓度达12 g/L阈值时葡萄糖消耗速率明显下降，不推荐用于溶剂生产。研究还发现，产酸期向产溶剂期转变的时间是限制丁醇生产力的关键因素，连续发酵应采用低稀释率以提高溶剂产率。结果表明pH控制下的连续发酵在丁醇产量和选择性上具有明显优势。
创新点
首次对三种发酵模式在pH 4.5下进行系统比较；发现pH 4.5连续培养可使丁醇占溶剂比例高达94%，显著高于常规3:6:1比例。
研究对象（1）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum ATCC 824 | A-B-E发酵途径（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | 研究pH 4.5下批次、补料批次和连续发酵，涉及产酸阶段（乙酸、丁酸生成）和产溶剂阶段（丙酮、丁醇、乙醇生成） |
关键发现
- 连续发酵在稀释率0.1 h^-1下获得最高丁醇产率0.21 g/g葡萄糖和丁醇生产力0.81 g/L/h，总溶剂生产力0.86 g/L/h，丁醇占总溶剂94%。批式发酵的总溶剂产率为0.32 g/g，丁醇产率0.23 g/g，溶剂生产力0.52 g/L/h，丁醇生产力0.37 g/L/h。补料批式发酵中总葡萄糖消耗为75.8 g，但溶剂产率较低，丁醇浓度维持在4.8 g/L，丁醇浓度达到12 g/L阈值时葡萄糖消耗速率显著下降。连续发酵中稀释率0.20 h^-1时丁醇产率0.08 g/g，生产力0.28 g/L/h，酸浓度较高
- 低稀释率更利于溶剂生成。第二次连续发酵在稀释率0.17和0.12 h^-1时丁醇产率分别为0.12和0.18 g/g，生产力均为0.81 g/L/h。
研究结论
批式模式提供最高总溶剂产率，但连续模式在丁醇产率和生产力方面更优；连续和补料批式模式中由产酸期转向产溶剂期的时间是限制丁醇生产力的因素，因此连续发酵建议采用低稀释率，而补料批式模式不推荐用于溶剂生产。在pH 4.5的恒化培养中，丁醇在总溶剂中的比例可大幅提高至94%，显著优于pH不控制时常见的3:6:1丙酮-丁醇-乙醇比例。