A novel strategy for integrated utilization of Jerusalem artichoke stalk and tuber for production of 2,3-butanediol by Klebsiella pneumoniae
- 作者
- Dan Li, Jian-Ying Dai, Zhi-Long Xiu
- 单位
- School of Life Science and Biotechnology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, PR China
- 杂志
- Bioresource Technology（2010）
- DOI
- 10.1016/j.biortech.2010.06.041
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
- 阅读原文
- 查看 PDF 原文
解决的核心问题
木质纤维素水解液糖浓度低且含有抑制物，导致2,3-丁二醇发酵产量低；同时SSF发酵液粘稠，溶氧不足导致副产物乳酸积累。
研究策略
将富含菊粉的菊芋块茎水解液与秸秆水解液混合，提高总还原糖浓度；采用补料分批同步糖化发酵（SSF），并设计阶段变通气策略（0.2→0.3→0.4→0.5 vvm）以在粘稠体系中优化溶氧，抑制乳酸合成。
研究路线图
核心内容
针对木质纤维素水解液糖浓度低、含抑制物及同步糖化发酵（SSF）体系粘稠导致的溶氧不足与乳酸积累问题，该研究提出将富含菊粉的菊芋块茎水解液与秸秆水解液混合，以提升总还原糖浓度并免除脱毒步骤。采用补料分批SSF模式，结合0.2至0.5 vvm的阶段变通气策略优化粘稠体系中的氧气传质。结果显示，在68小时内目标产物（2,3-丁二醇与乙偶姻）浓度达901.2 mmol/L（80.5 g/L），其中2,3-丁二醇为748.3 mmol/L，产率0.259 g/g菊芋原料，生产强度13.2 mmol/(L·h)，较恒定通气的对照分别提高16.9%、16.8%和23.4%。研究证实，阶段变通气有效抑制了乳酸合成，且预处理液中乙酸4.01 g/L、糠醛0.05 g/L不影响发酵。该策略通过原料互补与供氧调控，显著提升了菊芋全株利用效率，为粘稠发酵体系中高浓度2,3-丁二醇的生产提供了可行方案。
创新点
1. 首次提出菊芋秸秆与块茎联合利用，以块茎水解液补充秸秆水解液糖浓度，避免浓缩/脱毒步骤；2. 在粘稠SSF体系中应用阶段变通气策略，显著优于恒定通气。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Klebsiella pneumoniae CICC 10011 | 2,3-丁二醇合成通路 | — | — | 催化 | 生产菌株，利用菊芋秸秆和块茎水解液发酵生产2,3-丁二醇 |
| — | 木质纤维素降解 | — | 纤维素酶 | 催化 | 用于菊芋秸秆的酶解 |
| — | 木质纤维素降解 | — | 木聚糖酶 | 催化 | 用于菊芋秸秆的酶解 |
| — | 菊粉降解 | — | 菊粉酶 | 催化 | 用于菊芋块茎中菊粉水解为可发酵糖 |
关键发现
- 通过补料SSF结合阶段变通气，68 h获得901.2 mmol/L（80.5 g/L）目标产物（2,3-丁二醇+乙偶姻），其中2,3-丁二醇748.3 mmol/L
- 产率0.259 g/g菊芋原料，生产强度13.2 mmol/(L·h)，比恒定通气最佳结果分别提高16.9%、16.8%和23.4%。批式SHF 52 h得652.6 mmol/L目标产物
- 补料SHF 72 h得816.7 mmol/L
- 恒定通气0.5 vvm时目标产物771.0 mmol/L且无乳酸生成，0.2 vvm时乳酸高达441.3 mmol/L。预处理液中乙酸4.01 g/L、糠醛0.05 g/L，未检出HMF。
研究结论
菊芋块茎与秸秆联合利用可显著提高木质纤维素水解液糖浓度，无需脱毒即可高效发酵；阶段变通气策略有效提升了粘稠发酵液中2,3-丁二醇的浓度、产率和生产强度。