Comparison of SHF and SSF Processes From Steam-Exploded Wheat Straw for Ethanol Production by Xylose-Fermenting and Robust Glucose-Fermenting Saccharomyces cerevisiae Strains
- 作者
- Elia Tomas-Pejo, Jose M. Oliva, Mercedes Ballesteros, Lisbeth Olsson
- 单位
- CIEMAT- Renewable Energies Division, Av. Complutense 22, 28040 Madrid, Spain; Center for Microbial Biotechnology, BioCentrum-DTU, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark
- 杂志
- Biotechnology and Bioengineering（2008）
- DOI
- 10.1002/bit.21849
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
比较使用木糖发酵重组酵母F12和葡萄糖发酵工业酵母Red Star，在蒸汽爆破麦草为底物时SHF与SSF两种工艺的乙醇生产性能，并评估使用全浆（含液体部分）相比固体部分（WIS）对乙醇产量的影响。
研究策略
以蒸汽爆破麦草（10% w/v WIS）为底物，分别采用SSF和SHF工艺，使用重组木糖发酵酵母S. cerevisiae F12（过表达XR/XDH/XK）和工业葡萄糖发酵酵母Red Star进行发酵对比，同时比较全浆与WIS两种底物形式，并分析抑制剂对发酵的影响。
核心内容
本研究以蒸汽爆破麦草为底物，比较了同步糖化发酵（SSF）和分步糖化发酵（SHF）两种工艺，并评估了使用全浆与仅固体部分（WIS）对乙醇生产的影响。实验采用重组木糖发酵酵母Saccharomyces cerevisiae F12（过表达XR/XDH/XK）和工业葡萄糖发酵酵母Red Star进行对比发酵。结果显示，在SSF条件下，F12利用全浆（10% WIS）获得最高乙醇浓度23.7 g/L，乙醇产率为0.43 g/g消耗糖，前3小时体积生产力达0.7 g/L/h，均优于SHF的理论值。F12几乎完全消耗木糖（残余<0.1 g/L），而Red Star无法利用木糖。值得注意的是，在含抑制剂的真实发酵中，F12不产生木糖醇（<0.1 g/L），而合成培养基中产生7.4 g/L，这是因为预处理产生的糠醛和HMF被酵母完全代谢，作为外部电子受体平衡了木糖代谢的氧化还原状态。全浆的使用增加了可发酵糖总量（葡萄糖37.5 g/L、木糖20.7 g/L），提高了乙醇浓度，同时省去过滤步骤降低了成本。研究表明SSF优于SHF，且重组木糖发酵菌株结合全浆底物是提高木质纤维素乙醇生产效率的有效策略。
创新点
1. 验证了重组木糖发酵酵母F12在实际蒸汽爆破麦草全浆SSF中可显著提高乙醇浓度（23.7 g/L），且优于SHF。2. 发现发酵过程中糠醛和HMF被酵母完全代谢，作为外部电子受体平衡木糖代谢的氧化还原，从而完全避免木糖醇积累。3. 证明使用全浆（含预处理液）可增加可发酵糖总量，提高最终乙醇浓度，且无需过滤步骤，降低操作成本。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae F12 | 木糖利用途径 | XYL1, XYL2, XKS1 | 木糖还原酶(XR), 木糖醇脱氢酶(XDH), 木糖激酶(XK) | 催化 | 重组工业菌株，过表达来自Pichia stipitis的XYL1和XYL2及内源XKS1，能够发酵木糖 |
| Saccharomyces cerevisiae Red Star | 葡萄糖发酵途径 | — | — | 催化 | 工业葡萄糖发酵菌株，不能利用木糖，用于对比 |
关键发现
- 在SSF过程中，使用全浆（10% WIS）和F12菌株，最高乙醇浓度达到23.7 g/L，乙醇产率为0.43 g/g消耗糖，前3小时体积乙醇生产力为0.7 g/L/h。
- 所有SSF条件下的乙醇浓度均高于同条件下SHF的理论值：F12在WIS和全浆上SSF为15.2和23.7 g/L，而SHF理论值为12.7和22.6 g/L；Red Star在WIS和全浆上SSF为11.2和16.8 g/L，SHF理论值为11.0和17.2 g/L。
- 在SSF中，F12几乎完全消耗木糖（残余<0.1 g/L），而Red Star无法利用木糖（残余3.6 g/L WIS，11.4 g/L全浆）。
- 预处理液中的抑制剂浓度为：乙酸5.1 g/L、糠醛1.4 g/L、甲酸1.3 g/L、HMF<0.1 g/L、阿魏酸<0.1 g/L、香豆酸<0.01 g/L。
- 在含抑制剂的真实发酵（预水解液或全浆SSF）中，F12不产生木糖醇（<0.1 g/L），而合成培养基中产生7.4 g/L木糖醇；糠醛和HMF被完全代谢。
- 酶水解（EH）结果显示，120 h后WIS释放葡萄糖23.9 g/L、木糖6.6 g/L；全浆释放葡萄糖37.5 g/L、木糖20.7 g/L。葡萄糖酶解产率在WIS为41.7%，全浆为57.9%。
研究结论
SSF工艺优于SHF工艺，可获得更高的乙醇浓度和产率；使用蒸汽爆破麦草的全浆可提高可发酵糖浓度，从而提高乙醇产量，同时避免过滤步骤降低成本；重组木糖发酵菌株F12能有效利用木糖，且预处理产生的糠醛和HMF通过氧化还原代谢作为电子受体，消除了木糖醇副产物，使碳流更偏向乙醇生产。