Upgrading syngas fermentation effluent using Clostridium kluyveri in a continuous fermentation
- 作者
- Sylvia Gildemyn, Bastian Molitor, Joseph G. Usack, Mytien Nguyen, Korneel Rabaey, Largus T. Angenent
- 单位
- Cornell University, Biological and Environmental Engineering; Ghent University, Center for Microbial Ecology and Technology (CMET); University of Tubingen, Center for Applied GeoSciences
- 杂志
- Biotechnology for Biofuels（2017）
- DOI
- 10.1186/s13068-017-0764-6
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
合成气发酵产物为低价值的乙醇/乙酸混合物，且分离能耗高；如何利用纯培养的克氏梭菌（Clostridium kluyveri）通过链延长将稀乙醇/乙酸混合物升级为高价值、易提取的中链羧酸（MCCAs），并考察真实合成气发酵废液直接用作培养基的可行性。
研究策略
采用纯培养的克氏梭菌在连续生物反应器中，通过改变有机负荷率（OLR）、乙醇/乙酸比例、在线产品提取（pertraction）和pH等操作条件，系统评估正己酸和正辛酸的生产速率、碳转化效率及特异性，并测试真实合成气发酵 effluent（不添加酵母提取物，仅添加微量元素和维生素）对生产的影响。
核心内容
本研究利用纯培养的克氏梭菌（Clostridium kluyveri）在连续生物反应器中，通过链延长途径将合成气发酵产生的低价值乙醇/乙酸混合物升级为中链羧酸。系统考察了有机负荷率、乙醇/乙酸比例、在线产品提取及pH等操作条件的影响，并测试了真实合成气发酵废液直接作为培养基的可行性。结果表明，正己酸最高生产速率达40 mM day⁻¹，碳转化效率超过90%；正辛酸在批次实验中最高浓度达2.19 mM。将乙醇/乙酸比从10:1降至3:1后，正己酸生产速率保持在约38–40 mM day⁻¹。使用真实废液（仅补充微量元素和维生素，不添加酵母提取物）时，正己酸生产速率仍达35.3 mM day⁻¹，碳转化效率为90.1%。研究还发现pH 5.5对克氏梭菌的抑制作用不仅源于未解离羧酸毒性，pH本身也有直接抑制效应。这证明克氏梭菌可在pH>5.5条件下将合成气发酵废液高效升级为中链羧酸，为降低产物分离能耗提供了可行路径，但需筛选耐酸菌株或采用逐步降pH策略以适应工业条件。
创新点
['首次报道纯培养克氏梭菌（Clostridium kluyveri）可产生正辛酸（n-caprylic acid）', '证明可在不添加酵母提取物的情况下，利用真实合成气发酵 effluent 作为克氏梭菌培养基', '揭示pH 5.5对克氏梭菌的抑制作用不仅是由于未解离羧酸毒性，还存在pH本身的直接抑制']
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Clostridium kluyveri ATCC 8527 (DSM555) | 链延长（reverse β-oxidation） | — | — | 催化 | 将乙醇/乙酸转化为正丁酸、正己酸和正辛酸 |
| Clostridium ljungdahlii / Clostridium autoethanogenum | Wood-Ljungdahl pathway | — | — | 催化 | 上游合成气发酵菌，产生乙醇/乙酸混合底物（背景提及，非本研究直接实验） |
关键发现
- 正己酸最高生产速率达40 mM day⁻¹（4.64 g L⁻¹ day⁻¹），碳转化效率≥90%；正辛酸在批次实验中最高浓度达2.19 ±
- 34 mM；将乙醇/乙酸比从10:1降至3:1后，正己酸生产速率分别达到39.9 ±
- 9 mM day⁻¹（BP）和37.6 ±
- 6 mM day⁻¹（BNP）；使用真实合成气发酵 effluent 时，BNP正己酸生产速率为35.3 ±
- 7 mM day⁻¹，特异性84.2 ±
- 0%，碳转化效率90.1 ±
- 7%；pH
- 5时克氏梭菌生长受抑，pH 6时正己酸提取效率仅65%。
研究结论
Clostridium kluyveri 可在pH > 5.5条件下作为生物催化剂，将合成气发酵 effluent 升级为中链羧酸（MCCAs）。该方法无需添加酵母提取物，但需补充微量元素和维生素；pH 5.5不适合克氏梭菌，需筛选耐酸菌株或采取逐步降pH策略。