氧化还原电位调控混合糖为底物的丁醇发酵

控制丁醇发酵过程中的氧化还原电位(oxidoreduction potential,ORP)能够大幅提高丁醇产量和果糖利用率,并降低终点有机酸浓度。实验考察了以葡萄糖和果糖混合糖为底物,通过泵入无菌空气控制ORP分别不低于-490、-460、-430及-400 mV丁醇发酵情况。其中,控制ORP不低于-460 mV时,丁醇和总溶剂产量分别达到13.19 g·L-1及19.71 g·L-1,相对于不控制ORP的丁醇自然发酵分别提高了139.38%及117.07%,残糖浓度降低至3.20 g·L-1,糖利用率高达94.18%。该调控策略有效地解决了以葡萄糖和果糖混合糖为底物的丁醇发酵过程中存在的残糖浓度高、丁醇产量低的问题。     

ORP调控对葡萄糖和果糖混合底物丁醇发酵的影响

采用氧化还原电位(oxidoreduction potential,ORP)调控以模拟菊芋块茎酸解液(葡萄糖和果糖混合糖)为底物进行的丙酮丁醇发酵过程,能够有效控制"酸崩溃"现象的发生。已通过实验确定最佳调控策略为控制整个发酵过程的ORP不低于-460mV。本研究在最佳调控策略下,发酵终点丁醇浓度从3.39g/L提高到11.65g/L,残糖浓度从30.82g/L降低到1.38g/L。对比ORP调控组和对照组发现,ORP调控能够改变发酵过程中细胞内还原力水平,能量状态和代谢流向,因此ORP调控能有效防止"酸崩溃"现象发生,调节菌体生长和溶剂产量。ORP调控策略应用于以葡萄糖和果糖混合糖为底物的丁醇发酵具有操作可行性,是一种简便而有效的工艺优化手段。     

氧化还原电位调控混合糖为底物的丁醇发酵

控制丁醇发酵过程中的氧化还原电位（oxidoreduction potential, ORP）能够大幅提高丁醇产量和果糖利用率,并降低终点有机酸浓度。实验考察了以葡萄糖和果糖混合糖为底物,通过泵入无菌空气控制ORP分别不低于-490、-460、-430及-400 mV丁醇发酵情况。其中,控制ORP不低于-460 mV时,丁醇和总溶剂产量分别达到13.19 g·L^-1及19.71 g·L^-1,相对于不控制ORP的丁醇自然发酵分别提高了139.38%及117.07%,残糖浓度降低至3.20 g·L^-1,糖利用率高达94.18%。该调控策略有效地解决了以葡萄糖和果糖混合糖为底物的丁醇发酵过程中存在的残糖浓度高、丁醇产量低的问题。     

不同C源对丙酮丁醇梭菌产丁醇的影响

对丙酮丁醇梭菌在以葡萄糖、木糖、蔗糖、混合糖、玉米芯酸解糖液分别作C源的P2培养基中的产丁醇状况进行研究。结果表明:不同C源对丙酮丁醇梭菌发酵产丁醇有显著的影响;葡萄糖为底物时,丁醇产量最高达到13.50 g/L,总溶剂为19.66 g/L;蔗糖为底物时,丁醇所占比例都在70%以上,丁醇产量可达12 g/L;木糖、混合糖为底物时,丁醇产量在10 g/L左右;只有丙酮丁醇梭菌I4-28能利用玉米芯酸解糖液发酵产丁醇,丁醇产量为7 g/L。     

ClostridiumsaccharobutylicumDSM13864细胞表面理化特性及固定化细胞产丁醇的性能

糖丁基梭菌Clostridium saccharobutylicum DSM 13864能利用多种糖类为底物发酵产丁醇。本文研究了该菌体细胞表面的理化特性,并以砖块作为细胞固定化材料进行丁醇发酵。采用细菌吸附有机溶剂(MATS)法证明糖丁基梭菌细胞表面有强烈的亲水性,并且等电点在pH值为3左右,这些特性有利于菌体与表面亲水多孔的砖块吸附。在60g/L葡萄糖发酵培养基中,以5～8目砖块作为固定化材料,流速为1.1L/min,发酵48h后,丁醇的浓度、得率和生产率分别达到11.02g/L、0.18g/g和0.23g/(L·h),相比悬浮细胞发酵分别提高了10.53%、5.88%和9.52%。结果表明:砖块作为一种固定化材料可有效提高糖丁基梭菌的发酵产丁醇水平。     

Zn2+、Ca2+和Mn2+对丙酮丁醇发酵的协同影响

在丙酮丁醇发酵中共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O和4.0g/L CaCO₃时,丁醇及总溶剂产量达到14.41g/L和23.69g/L,发酵终点乙酸和丁酸浓度为2.33g/L和1.02g/L。当共同添加0.001g/L ZnSO₄·7H₂O、4.0g/L CaCO₃和0.8g/L MnSO₄·H₂O时,丁醇的比生成速率为0.48g/(g·h),相对于共同添加Zn²⁺和Ca²⁺条件下的丁醇比生成速率0.23g/(g·h)提高了108.69%,而发酵终点乙酸和丁酸浓度分别为1.99g/L和0.54g/L,同比分别降低了14.59%和47.06%。Zn²⁺、Ca²⁺和Mn²⁺ 3种金属离子对丙酮丁醇发酵具有正向协同调控作用。     

响应面法优化甘露醇产丁醇的发酵条件

以褐藻的主要成分甘露醇为底物,利用丙酮丁醇梭菌ATCC824发酵生产丁醇。采用Plackett-Burman（P-B）和Box-Behnken优化发酵条件。在Plackett-Burman实验设计时,考察牛肉膏、酵母浸粉、胰蛋白胨、乙酸铵、 KH2PO4、MgSO4?7H2O、FeSO4?7H2O、接种量、发酵温度、初始pH值这10个因素对丁醇产量影响,筛选出影响丁醇发酵的重要参数是发酵温度、初始pH值、乙酸铵浓度,利用Box-Behnken设计确定最优发酵条件为发酵温度37.3 ℃、初始pH值6.38、乙酸铵浓度2.82 g/L。数学模型分析预测最大丁醇产量为8.47 g/L。经实验验证表明,在优化条件下的丁醇产量平均值达到8.52±0.55 g/L。这说明利用统计学方法优化甘露醇的丁醇发酵条件是有效的。     

纤维素水解液中木糖发酵制丁醇

对实验室菌种进行筛选后,得到一株能利用纤维素水解液木糖发酵生产丁醇的菌株。研究发现,该菌株不仅能利用水解液中的葡萄糖,还可以利用水解液中的木糖。对菌种生长特性探索,批式发酵中碳源、氮源以及CaCO3等条件优化后,得到最佳种子培养时间为20～24 h,并确定了木糖浓度为20 g/L的纤维素水解液用于15 L发酵罐实验,在37 ℃静置培养84 h,丁醇产量10.95 g/L,总溶剂16.78 g/L（丙酮、乙醇、丁醇三者之和）,木糖利用率达到70%以上,总溶剂转化率为39.4%。解决了纤维素水解液中木糖不能被利用而造成的经济损失问题。     

PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌(Clostridium acetobutylicum,CICC8012),通过发酵反应与产物渗透汽化原位分离的耦合,实现了丙酮、丁醇和乙醇混合物(ABE)的连续发酵生产。进行了2轮操作持续时间分别为274 h和300 h的发酵实验,分别为间断耦合和连续耦合的操作方式。以连续耦合发酵为例,细胞平均干重为1.68 g L 1,丁醇产量为61.43 g L 1,葡萄糖消耗率为1.12 g L 1 h 1,丁醇的体积产率为0.205 g L 1 h 1,比产率为0.122 h 1,转化率为0.183 g g 1。第二轮连续封闭循环发酵的平均葡萄糖消耗率和丁醇产率,都几乎是第一轮的2倍。两轮发酵的细胞生长、产物浓度、葡萄糖消耗和丁醇生成曲线都出现至少2个峰值,表明丙酮丁醇梭菌能适应这种长期发酵模式并且出现再生长。结果表明,PDMS膜生物反应器封闭循环连续发酵生产ABE(特别是丁醇)的操作模式具有可行性和优越性。     

外添少量电子受体强化丙丁梭菌丙酮-丁醇-乙醇发酵的丁醇合成

强化利用丙丁梭菌发酵生产丁醇的主要方法有：添加电子载体强化NADH再生速率、通CO气体抑制氢化酶活性、外添少量丁酸等。但是,上述方法存在着总溶剂产量低、精制成本高、辅料价格昂贵等缺点。本研究通过向丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵液添加少量电子受体（Na₂SO₄/CaSO₄,2g/L）,使得梭菌胞内的电子穿梭传递系统的电子流和质子流发生改变,较多电子e^-和质子H⁺走向NADH合成途径,有利于丁醇合成;电子受体添加还可以促进对梭菌生存/丁醇合成的“有益”氨基酸、特别是缬氨酸的胞内积累/分泌,进一步强化了丁醇生产。在7L罐规模的发酵条件下、添加2g/L的电子受体Na₂SO₄,ABE发酵的丁醇浓度达到12.96g/L的最高水平,丁醇/丙酮比也有提高,分别比对照组提高35%和10%。添加Na₂SO₄等廉价电子受体提高了ABE发酵中的丁醇浓度,虽然提高幅度有限,但却可为利用发酵工程技术提高丁醇浓度和丁醇/丙酮比提供一种新的途径。     

Assessment of in situ butanol recovery by vacuum during acetone butanol ethanol (ABE) fermentation

BACKGROUND: Butanol fermentation is product limiting owing to butanol toxicity to microbial cells. Butanol (boiling point: 118 °C) boils at a higher temperature than water (boiling point: 100 °C) and application of vacuum technology to integrated acetone–butanol–ethanol (ABE) fermentation and recovery may have been ignored because of direct comparison of boiling points of water and butanol. This research investigated simultaneous ABE fermentation using Clostridium beijerinckii 8052 and in situ butanol recovery by vacuum. To facilitate ABE mass transfer and recovery at fermentation temperature, batch fermentation was conducted in triplicate at 35 °C in a 14 L bioreactor connected in series with a condensation system and vacuum pump. RESULTS: Concentration of ABE in the recovered stream was greater than that in the fermentation broth (from 15.7 g L^?1 up to 33 g L^?1). Integration of the vacuum with the bioreactor resulted in enhanced ABE productivity by 100% and complete utilization of glucose as opposed to a significant amount of residual glucose in the control batch fermentation. CONCLUSION: This research demonstrated that vacuum fermentation technology can be used for in situ butanol recovery during ABE fermentation and that C. beijerinckii 8052 can tolerate vacuum conditions, with no negative effect on cell growth and ABE production. Copyright © 2011 Society of Chemical Industry     

发酵-渗透汽化连续耦合合成ABE的动力学

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达192 h。运行过程中,细胞质量浓度维持在0.84～4.00 g/L,发酵液中ABE的总质量浓度为5.14～17.54 g/L,葡萄糖质量浓度大约为16.08～35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L.h)。结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

发酵-渗透汽化连续耦合生产ABE的动力学研究

采用PDMS膜生物反应器和丙酮丁醇梭菌进行了生产ABE的封闭循环连续发酵实验,研究了发酵和渗透汽化分离连续耦合条件下的发酵动力学行为。发酵-分离连续耦合实验运行持续时间长达 192 h。运行过程中,细胞浓度维持在 0.84~4.00 g/L,发酵液中ABE的总浓度为5.14~17.54 g/L,葡萄糖浓度大约为16.08~35.15 g/L,总体积产率为0.36 g/(L?h)。实验结果表明,膜生物反应器系统运行稳定,发酵-渗透汽化分离连续耦合生产ABE的操作模式具有可行性和优越性。     

The Effect of pH Control on Acetone-Butanol-Ethanol Fermentation by Clostridium acetobutylicum ATCC 824 with Xylose and D-Glucose and D-Xylose Mixture

D-Glucose, L-arabinose, D-mannose, D-xylose, and cellobiose are saccharification products of lignocellulose and important carbon sources for industrial fermentation. The fermentation efficiency with ea...