Improved 1,3-propanediol production with hemicellulosic hydrolysates (corn straw) as cosubstrate: Impact of degradation products on Klebsiella pneumoniae growth and 1,3-propanediol fermentation
- 作者
- Pin Jin, Shuang Li, Sheng-guo Lu, Jian-guo Zhu, He Huang
- 单位
- State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering, College of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing University of Technology; Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.09.048
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
如何经济高效地利用玉米秸秆半纤维素水解液作为共底物提高1,3-丙二醇的产量，并明确水解液中降解产物对菌株生长和发酵的影响。
研究策略
以玉米秸秆半纤维素水解液（HH）作为共底物，考察其中主要单糖（木糖、葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖、半乳糖）和抑制物（糠醛、乙酸、甲酸）对Klebsiella pneumoniae生长及1,3-丙二醇合成的影响，并通过补料分批发酵优化生产。
研究路线图
核心内容
该研究以玉米秸秆半纤维素水解液作为共底物，与甘油共发酵生产1,3-丙二醇，以提高产量并降低成本。通过系统考察水解液中主要单糖（木糖、葡萄糖、甘露糖等）和副产物（糠醛、乙酸、甲酸）对Klebsiella pneumoniae ME-303生长及1,3-丙二醇合成的影响，发现甘露糖和低浓度乙酸能显著促进产物生成，而高浓度甲酸则抑制生物量。在补料分批发酵中，以水解液为共底物时，1,3-丙二醇产量达71.58 g/L，甘油转化率为0.65 mol/mol，生产强度为1.93 g/L/h，较单纯甘油分别提高17.8%、25.0%和17.7%。进一步优化表明，添加11.2 g/L木糖或1.46 g/L乙酸可将产量提升至10.35 g/L和11.73 g/L，而0.28 g/L糠醛可使细胞生长提高12.1%。结果表明，半纤维素水解液作为共底物能增强菌株的还原力供给和生物量积累，从而显著改善1,3-丙二醇的产量与转化效率，为木质纤维素资源的增值利用提供了经济可行的发酵策略。
创新点
首次发现甘露糖和低浓度乙酸能显著促进1,3-丙二醇生产；开发了以半纤维素水解液作为经济共底物的策略，显著提高了产量、转化率和生产强度。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae ME-303 | 甘油还原途径（1,3-PD合成） | dha regulon | — | 催化 | 生产菌株，由K. pneumoniae ATCC 25955突变获得，dha regulon为背景提及 |
| Klebsiella pneumoniae ME-303 | 木糖代谢 | — | — | 能量供给 | 木糖作为共底物提供更多还原力 |
关键发现
- 补料分批发酵中，以HH为共底物时，1,3-丙二醇产量、甘油转化率和生产强度分别达到71.58 g/L、0.65 mol/mol和1.93 g/L/h，较单纯甘油提高17.8%、25.0%和17.7%
- 添加11.2 g/L木糖使1,3-PD产量达10.35 g/L，添加0.65 g/L甘露糖使产量达9.79 g/L，添加1.46 g/L乙酸使1,3-PD产量从8.77 g/L提高至11.73 g/L
- 28 g/L糠醛促进细胞生长12.1%，0.61 g/L甲酸使生物量下降9.8%。
研究结论
半纤维素水解液作为共底物能提高细胞生物量和还原力，从而有效提升1,3-丙二醇的产量、转化率和生产强度，是一种经济可行的策略。