Cellulosic biofuel production using emulsified simultaneous saccharification and fermentation (eSSF) with conventional and thermotolerant yeasts
- 作者
- Shannon M. Hoffman, Maria Alvarez, Gilad Alfassi, Dmitry M. Rein, Sergio Garcia-Echauri, Yachin Cohen, José L. Avalos
- 单位
- Department of Chemical and Biological Engineering, Hoyt Laboratory, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA; Department of Chemical Engineering, University of Vigo, 36310 Vigo, Spain; Department of Biotechnology Engineering, ORT Braude College, Karmiel, Israel; Department of Chemical Engineering, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, Israel; The Andlinger Center for Energy and the Environment, Princeton University, Princeton, NJ, USA; Department of Molecular Biology, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA; Princeton Environmental Institute, Princeton University, Princeton, NJ 08544, USA
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2021）
- DOI
- 10.1186/s13068-021-02008-7
- 所属领域
- 代谢工程
- 关键词
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解决的核心问题
纤维素生物燃料生产面临糖化速率慢、糖化不完全和酶成本高等挑战，且糖化所需高温与酵母发酵温度不兼容，急需开发高效的同步糖化发酵工艺。
研究策略
利用纤维素乳液增大纤维素可及表面积以提高酶解速率；将酶解与发酵耦合成乳化同步糖化发酵(eSSF)过程，消除产物抑制；比较常规酵母与耐热酵母在不同温度下的发酵性能，并在S. cerevisiae中结合光遗传调控拓展到异丁醇生产。
核心内容
本研究提出乳化同步糖化发酵（eSSF）工艺，通过纤维素乳液增大底物可及表面积以加速酶解，并将糖化与发酵耦合以消除产物抑制。在53 FPU/g酶载下，乳液在42°C和50°C首小时水解转化率分别比微晶纤维素高40倍和18倍，30°C下48小时可达近80%转化。为评估工艺兼容性，研究者比较了酿酒酵母、马克斯克鲁维酵母和多形汉逊酵母的耐温与发酵性能，三者最高发酵温度分别为42°C、46°C和50°C，其中酿酒酵母在30°C下18小时产乙醇8.9 g/L（87%理论产率）。在eSSF中，两种酵母的乙醇产量比传统分步糖化发酵高1.4至4.2倍，产率达理论值的73–81%，且酶载减半时36小时仍可达近80%理论产率。进一步结合光遗传动态调控，在21 FPU/g酶载下实现了从纤维素直接生产异丁醇，产量达364 mg/L，为分步工艺的4倍以上。该结果表明eSSF可在酵母耐受温度下显著提升糖化效率和发酵产量，并拓展至高级醇生产，为纤维素生物燃料提供灵活高效平台。
创新点
1. 首次提出乳化同步糖化发酵(eSSF)工艺，显著提高纤维素糖化效率；2. 首次对S. cerevisiae、K. marxianus和O. polymorpha进行三方乙醇发酵性能比较；3. 首次在酵母中实现从纤维素直接生产异丁醇；4. 将光遗传动态调控与eSSF结合，实现光控异丁醇生产。
研究对象（7）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇发酵 | PDC1, PDC5, PDC6 | 丙酮酸脱羧酶 | 催化 | 催化丙酮酸脱羧生成乙醛，是乙醇合成的关键酶；在光遗传菌株中PDC1受光激活调控 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异丁醇生物合成 | ILV2 | 乙酰乳酸合酶 | 催化 | 催化丙酮酸生成乙酰乳酸，为异丁醇途径第一步；受光抑制调控 |
| Saccharomyces cerevisiae | 乙醇/异丁醇代谢 | PDC1, ILV2 | 光敏转录调控因子 | 调控 | 利用光激活(OptoEXP)和光抑制(OptoINVRT7)电路动态控制乙醇与异丁醇途径的碳通量 |
| Saccharomyces cerevisiae | 异丁醇生物合成 | — | — | 区室化 | 异丁醇途径定位于线粒体中，与胞质内的乙醇途径在空间上区隔 |
| Kluyveromyces marxianus | 乙醇发酵 | — | 丙酮酸脱羧酶/乙醇脱氢酶 | 催化 | 耐热酵母，在46°C下仍能高效发酵葡萄糖产乙醇 |
| Ogataea polymorpha | 乙醇发酵 | — | 丙酮酸脱羧酶/乙醇脱氢酶 | 催化 | 耐热酵母，可在50°C下发酵产生乙醇 |
| — | 纤维素糖化 | — | Accellerase 1500纤维素酶复合物 | 催化 | 商业纤维素酶，水解纤维素为葡萄糖 |
关键发现
- 在53 FPU/g酶载下，纤维素乳液在42°C和50°C第1小时的水解转化率分别比微晶纤维素(MCC)高40倍和18倍；乳液在30°C下48 h可达近80%转化，42°C下3 h即达80%转化，50°C下12 h接近完全转化。
- 耐热酵母K. marxianus、O. polymorpha和S. cerevisiae的最高发酵温度分别为46°C、50°C和42°C；S. cerevisiae在30°C下18 h产乙醇8.9 g/L(87%理论产率)，42°C下为7.3 g/L(71%)。
- eSSF工艺中，K. marxianus和S. cerevisiae的乙醇产量比mcSSF高1.4至4.2倍，eSSF乙醇产率达到理论值的73-81%，而mcSSF平均仅24%；使用2%纤维素时，eSSF在24 h内于30°C和42°C均达到近90%理论产率；酶载减半至26 FPU/g时，36 h达到近80%理论产率，为mcSSF的两倍。
- 在21 FPU/g酶载下，光遗传eSSF生产异丁醇产量达364 mg/L，比mcSSF高4倍以上。
研究结论
eSSF工艺能显著加速纤维素糖化，在酵母可耐受的低温下即可实现高乙醇产量，缩短处理时间并降低酶用量；该工艺还可拓展到异丁醇等高级生物燃料的生产，为可持续生物炼制提供了灵活的平台。