Effective continuous acetone-butanol-ethanol production with full utilization of cassava by immobilized symbiotic TSH06
- 作者
- Zhangnan Lin, Hongjuan Liu, Jing Wu, Petra Patakova, Barbora Branska, Jianan Zhang
- 单位
- Institute of Nuclear and New Energy Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China; Department of Biotechnology, University of Chemistry and Technology Prague, Technicka 5, 16628 Prague 6, Czech Republic
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2019）
- DOI
- 10.1186/s13068-019-1561-1
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
传统ABE发酵原料成本高、与粮食竞争，且木薯预处理步骤复杂，缺乏木薯全利用的连续高效丁醇生产工艺。
研究策略
利用共生体系TSH06（Clostridium acetobutylicum CGMCC 8071 + Bacillus cereus CGMCC 8072）直接发酵未预处理木薯粉，并以木薯皮残渣作为固定化载体，结合单级和三级连续发酵实现木薯全利用。
核心内容
该研究利用共生体系TSH06（丙酮丁醇梭菌CGMCC 8071与蜡状芽孢杆菌CGMCC 8072）直接发酵未预处理木薯粉，并以木薯皮残渣作为固定化细胞载体，开发了木薯全利用的连续丙酮-丁醇-乙醇（ABE）生产工艺。批式发酵中，未预处理木薯的丁醇浓度达11.6 g/L，总ABE为17.5 g/L，产率0.23 g/g淀粉，与葡萄糖体系相当；固定化细胞批式发酵进一步将总ABE和丁醇分别提高至20 g/L和13.3 g/L，较游离细胞提升约14%，丁醇生产率提高25%。单级连续发酵稳定运行超过300小时，总ABE和丁醇分别为9.3 g/L和6.3 g/L，ABE生产率达1.86 g/L/h；三级连续发酵将丁醇浓度提至11.2 g/L，较单级提高77.8%，底物利用率从48.5%升至85.8%。该体系通过固定化与多级连续工艺的协同，同时实现了高产物浓度与高生产率，证明未预处理木薯可直接用于高效ABE生产，为降低原料成本、避免粮食竞争的工业级丁醇发酵提供了可行方案。
创新点
首次实现未预处理木薯的直接发酵（无需糖化或糊化）；木薯粉作底物、木薯皮残渣作固定化载体，构成木薯全利用体系；采用固定化细胞连续发酵，在单级和三级连续工艺中同时获得高产物浓度和高生产率。
研究对象（4）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium acetobutylicum CGMCC 8071 | ABE发酵途径（丙酮-丁醇-乙醇） | — | — | 催化 | TSH06中的主要产溶剂菌株，负责将糖转化为ABE，并参与淀粉水解 |
| Bacillus cereus CGMCC 8072 | — | — | — | 调控 | 共生伙伴，消耗氧气，为C. acetobutylicum提供厌氧环境，实现非严格厌氧发酵 |
| — | 淀粉水解与糖酵解 | — | — | 能量供给 | 木薯淀粉（初始约54 g/L）作为碳源和能源，被TSH06直接利用，无需预处理 |
| — | — | — | — | 区室化 | 木薯皮残渣作为固定化载体，提供多孔表面和生物膜微环境，提高细胞密度和丁醇耐受性，实现木薯全利用 |
关键发现
在未预处理木薯的批式发酵中，丁醇浓度达11.6 g/L，总ABE 17.5 g/L，丁醇生产率0.16 g/L/h，产率0.23 g/g淀粉，与葡萄糖体系相当。固定化细胞批式发酵中，总ABE和丁醇分别达20 g/L和13.3 g/L，较游离细胞提高13.6%和14.7%，丁醇生产率提高25%（0.18 g/L/h）。单级连续固定化发酵中，总ABE和丁醇分别为9.3 g/L和6.3 g/L，ABE生产率1.86 g/L/h，丁醇生产率1.26 g/L/h，较游离细胞提高28.6%，并稳定运行超过300 h。三级连续发酵中，总ABE和丁醇浓度分别达16.8 g/L和11.2 g/L，ABE生产率1.12 g/L/h，丁醇生产率0.75 g/L/h，底物利用率从48.5%提高到85.8%，丁醇浓度较单级提高77.8%。
研究结论
TSH06能够有效利用未预处理的木薯生产ABE，结合木薯皮残渣固定化和多级连续发酵，可同时实现高产物浓度和高生产率，为木薯丁醇的工业化应用提供了可行方案。