高级醇 · 代谢工程文献库

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Enhanced isopropanol and n-butanol production by supplying exogenous acetic acid via co-culturing two clostridium strains from cassava bagasse hydrolysate

作者
Shaozhi Zhang, Chunyun Qu, Xiaoyan Huang, Yukai Suo, Zhengping Liao, Jufang Wang
杂志
Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology（2016）
DOI
10.1007/s10295-016-1775-1
所属领域
发酵工程
关键词
Cassava bagasse hydrolysateFibrous-bed bioreactorImmobilized-cell co-cultureIsopropanol-butanol fermentationRepeated batch fermentation
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解决的核心问题

如何利用经济可行的木薯渣水解液作为碳源生产异丙醇和丁醇，并通过共培养策略提供外源乙酸以进一步提高IB产量。

研究策略

采用稀硫酸处理木薯渣获得水解液（SACBH），利用固定化细胞发酵系统进行Clostridium beijerinckii纯培养和与Clostridium tyrobutyricum共培养发酵，由C. tyrobutyricum提供细胞外乙酸，增强C. beijerinckii的异丙醇和丁醇合成。

研究路线图

100%
研究问题：如何利用木薯渣水解液高效生产异丙醇和丁醇
策略：稀硫酸处理木薯渣获得SACBH碳源
策略：构建双菌共培养固定化发酵系统
关键改造：C. beijerinckii纯培养固定化发酵
关键改造：与C. tyrobutyricum共培养提供外源乙酸
结果：IB产量显著提升（7.63/13.26 g/L）
结果：共培养发酵时间缩短至48小时
结果：总溶剂产率达0.51 g/g
结论：木薯渣水解液是生产IB的高效廉价碳源，共培养策略可规模化应用
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核心内容

本研究以稀硫酸处理木薯渣所得水解液为碳源，采用固定化细胞发酵系统，分别进行Clostridium beijerinckii纯培养及其与Clostridium tyrobutyricum的共培养，利用后者持续分泌乙酸以强化前者的异丙醇和丁醇合成。结果显示，纯培养条件下异丙醇和丁醇产量分别为6.69 g/L和12.31 g/L，重复批次发酵可达6.78 g/L和12.33 g/L，总溶剂产率0.45 g/g。共培养策略显著提升生产效率，异丙醇和丁醇产量分别增至7.63 g/L和13.26 g/L，较纯培养提高42.62%和25.45%，总溶剂产率0.51 g/g，体积产率0.44 g/L/h，发酵时间由63小时缩短至48小时。外源添加3.00 g/L乙酸和2.00 g/L丁酸时，总溶剂产率可达0.68 g/g，较对照提升74.36%，表明双菌共培养提供的酸源能有效驱动溶剂合成。研究证实木薯渣水解液与共培养固定化策略相结合，为利用廉价生物质原料经济高效生产异丙醇和丁醇提供了可行方案。

创新点

['首次利用稀硫酸处理的木薯渣水解液（SACBH）作为碳源进行固定化发酵生产异丙醇和丁醇', '构建双菌共培养固定化系统，利用C. tyrobutyricum产生的乙酸促进C. beijerinckii的IB生产，显著提高产量', '在浓缩SACBH条件下，共培养发酵实现了异丙醇7.63 g/L和丁醇13.26 g/L的产量，优于多数文献报道']

研究对象（2）

底盘细胞代谢通路基因蛋白功能说明
Clostridium beijerinckii ATCC 6014 异丙醇-丁醇发酵途径（糖酵解、酸生成、溶剂生成） — — 催化 主要产溶剂菌株，利用SACBH中的葡萄糖和木糖等生产异丙醇和丁醇，不能利用阿拉伯糖、淀粉等。
Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 丁酸发酵途径（乙酸和丁酸生成） — — 催化 辅助菌株，在共培养系统中产生乙酸和丁酸，为C. beijerinckii提供外源酸以增强IB合成。

关键发现

  1. ['纯培养C. beijerinckii固定化批次发酵中，以浓缩SACBH为碳源时，异丙醇和丁醇产量分别达到6.69 g/L和12.31 g/L，总溶剂产率0.43 g/g，体积产率0.31 g/L/h。', '重复批次发酵（SACBH-R）中，平均异丙醇和丁醇产量分别为6.78 g/L和12.33 g/L，平均总溶剂产率0.45 g/g，体积产率0.36 g/L/h。', '共培养固定化发酵以浓缩SACBH为碳源时，异丙醇和丁醇产量进一步提高至7.63 g/L和13.26 g/L，分别比纯培养高出42.62%和25.45%，总溶剂产率0.51 g/g，体积产率0.44 g/L/h。', '添加3.00 g/L外源乙酸时，异丙醇和丁醇产量分别为6.32 g/L和12.07 g/L，较对照提高18.13%和14.19%
  2. 同时添加3.00 g/L乙酸和2.00 g/L丁酸时，产量为6.45 g/L和12.43 g/L，总溶剂产率0.68 g/g，较对照提高74.36%。', 'C. tyrobutyricum单独发酵SACBH时产生乙酸4.67 g/L、丁酸10.92 g/L，可为共培养提供酸源。', '共培养发酵时间缩短至48小时，而纯培养为63小时，提高了生产效率。']

研究结论

木薯渣水解液（SACBH）可作为异丙醇和丁醇（IB）生产的高效廉价碳源；通过将产异丙醇的C. beijerinckii与产乙酸的C. tyrobutyricum共培养并采用固定化系统，可显著提高IB产量和生产率，为工业规模利用木薯渣生产溶剂提供了技术可行且经济有效的方法。