Ethanol Production From Paper Sludge by Simultaneous Saccharification and Co-Fermentation Using Recombinant Xylose-Fermenting Microorganisms
- 作者
- Jiayi Zhang, Lee R. Lynd
- 单位
- Chemical and Biochemical Engineering, Thayer School of Engineering, Dartmouth College; Department of Biological Sciences, Dartmouth College
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2010）
- DOI
- 10.1002/bit.22811
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
利用重组木糖发酵微生物实现造纸污泥中纤维素和半纤维素的同步糖化共发酵（SSCF）高效生产乙醇，解决木糖利用和污泥高固含量下的发酵瓶颈。
研究策略
比较重组木糖发酵菌株Saccharomyces cerevisiae RWB222和Zymomonas mobilis 8b在不同温度（30°C和37°C）下对造纸污泥SSCF的乙醇产量、糖消耗、细胞活力及酶解效率，并通过因子设计实验分析钙、乙醇和温度对葡萄糖利用的交互影响。
研究路线图
核心内容
该研究以造纸污泥为底物，比较了重组木糖发酵菌株酿酒酵母RWB222和运动发酵单胞菌8b在同步糖化共发酵（SSCF）中生产乙醇的性能。研究者分别在30°C和37°C条件下评估了两株菌的乙醇产量、糖消耗、细胞活力及酶解效率，并通过因子设计实验分析了钙、乙醇和温度对葡萄糖利用的交互影响。结果表明，酿酒酵母RWB222在37°C下产生约45 g/L乙醇，运动发酵单胞菌8b在30°C下产生46.32 g/L乙醇，两者得率均为0.39 g乙醇/g碳水化合物，较仅利用葡萄糖的对照菌株D5A产量提高19%。酿酒酵母RWB222在37°C下葡聚糖和木聚糖转化率分别达93%和95%，而运动发酵单胞菌8b在30°C下约为88-90%。研究还发现，运动发酵单胞菌8b在37°C下残留葡萄糖超过3 g/L，归因于高钙、高乙醇和高温的交互抑制作用。两株重组木糖发酵菌株均能显著提高造纸污泥SSCF的乙醇产量，其中运动发酵单胞菌8b在30°C下糖转化率最高达0.47 g乙醇/g糖，展示了木糖共发酵在工业废弃物资源化中的应用潜力。
创新点
首次系统评估两种重组木糖发酵菌在造纸污泥SSCF中的性能，发现S. cerevisiae RWB222在37°C和Z. mobilis 8b在30°C下均实现最高乙醇得率，且比非木糖利用菌株S. cerevisiae D5A提高19%；揭示了钙、乙醇和高温的交互作用是Z. mobilis 8b残留葡萄糖积累的关键因素。
研究对象（11）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 木糖代谢/磷酸戊糖途径 | xylose isomerase (来自Piromyces sp. E2) | 木糖异构酶 | 催化 | 将木糖直接异构化为木酮糖，实现厌氧条件下低木糖醇产生 |
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 木糖代谢/磷酸戊糖途径 | xylulokinase | 木酮糖激酶 | 催化 | 磷酸化木酮糖进入磷酸戊糖途径 |
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 磷酸戊糖途径 | ribose 5-phosphate isomerase | 核糖-5-磷酸异构酶 | 催化 | 过表达以增强木糖代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 磷酸戊糖途径 | ribulose 5-phosphate epimerase | 核酮糖-5-磷酸差向异构酶 | 催化 | 过表达以增强木糖代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 磷酸戊糖途径 | transketolase | 转酮醇酶 | 催化 | 过表达以增强木糖代谢 |
| Saccharomyces cerevisiae RWB222 | 磷酸戊糖途径 | transaldolase | 转醛醇酶 | 催化 | 过表达以增强木糖代谢 |
| Zymomonas mobilis 8b | 木糖代谢/磷酸戊糖途径 | xylose isomerase (来自Escherichia coli) | 木糖异构酶 | 催化 | 将木糖转化为木酮糖 |
| Zymomonas mobilis 8b | 木糖代谢 | xylulokinase (来自Escherichia coli) | 木酮糖激酶 | 催化 | 磷酸化木酮糖 |
| Zymomonas mobilis 8b | 磷酸戊糖途径 | transaldolase (来自Escherichia coli) | 转醛醇酶 | 催化 | 木糖代谢途径的整合基因 |
| Zymomonas mobilis 8b | 磷酸戊糖途径 | transketolase (来自Escherichia coli) | 转酮醇酶 | 催化 | 木糖代谢途径的整合基因 |
| Saccharomyces cerevisiae D5A | 糖酵解 | — | — | 催化 | 非木糖利用参考菌株，仅发酵葡萄糖，用于比较木糖发酵优势 |
关键发现
- S. cerevisiae RWB222在37°C下由造纸污泥SSCF产生约45 g/L乙醇，得率0.39 g乙醇/g碳水化合物
- Z. mobilis 8b在30°C下产生46.32 g/L乙醇，得率0.39 g乙醇/g碳水化合物
- 两者在最优条件下较S. cerevisiae D5A乙醇产量提高19%。Z. mobilis 8b在37°C下残留葡萄糖>3 g/L，统计表明高钙(1 g/L)、高乙醇(≥20 g/L)和高温(37°C)的交互作用导致葡萄糖积累。S. cerevisiae RWB222在37°C下葡聚糖转化率93%、木聚糖转化率95%，而Z. mobilis 8b在30°C下两者约为88-90%。Z. mobilis 8b糖转化为乙醇的得率最高达0.47 g乙醇/g糖（30°C），高于S. cerevisiae RWB222的0.42 g乙醇/g糖（37°C）。
研究结论
S. cerevisiae RWB222和Z. mobilis 8b是造纸污泥SSCF的有前途的候选菌株，木糖发酵能力可显著提高乙醇产量；最佳条件分别为37°C和30°C，两者比仅利用葡萄糖的菌株提高约19%乙醇产量。