英文原题：Pilot-scale acetone-butanol-ethanol fermentation from corn stover
作者：Changsheng Su, Di Cai*, Honggang Zhang, Yilu Wu, Yongjie Jiang, Yicheng Liu, Changwei Zhang, Chunling Li, Peiyong Qin, Tianwei Tan*
01 论文信息
论文信息
C.Su, D. Cai ,H. Zhang, et al. Pilot-scale acetone-butanol-ethanol fermentation from corn stover[J]. Green Carbon 2024 2(1) 81-93.
论文关键词
CO₂-based Biorefinery; Biofuel; Biochemical; Metabolic Engineering
论文网址
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.02.004
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Pilot-scale acetone-butanol-ethanol fermentation from corn stover
中文解读原链接
Green Carbon文章│北京化工大学谭天伟院士与蔡的副教授：汽爆秸秆中试发酵高效生产生物丁醇
02 背景简介
生物（正）丁醇具有较高的能量密度、辛烷值、较低的汽化潜热并且与传统燃油的相容性好等优点，是优良的传统燃油发动机的替代燃料。生物丁醇主要通过厌氧型梭菌的丙酮-丁醇-乙醇（ABE）发酵制得。以农业秸秆为主的第二代非粮生物质原料生产生物丁醇是近年来研究的热点。然而木质纤维素转化为ABE的生物炼制过程仍然面临一系列技术障碍和应用难题，导致目前第二代生物丁醇难以工业化生产。例如，对于蒸汽爆破等具备工业潜力的秸秆预处理工艺而言，受制于高浓度水解液毒性，以往的报道较难实现高水平的蒸汽爆破秸秆酶解糖ABE发酵。
近期，北京化工大学的谭天伟院士团队在Green Carbon上发表标题为“Pilot-scale acetone-butanol-ethanol fermentation from corn stover”的研究论文，通过简单间歇补料发酵调控策略实现了丙酮丁醇梭菌（Clostridium acetobutylicum）直接利用不脱毒蒸汽爆破秸秆酶解液发酵产生物丁醇。通过该策略的实施，可显著提升梭菌的溶剂代谢，并有效避免ABE发酵过程中 “酸崩溃”（Acid Crash）的发生。文章中进一步通过发酵过程的逐级放大讨论了潜在的“放大效应”对该发酵调控策略的影响。结果显示在1 m³规模发酵时，该方法依旧具备良好的稳定性和可重复性。
03 文章简介
秸秆汽爆预处理水解液具有高细胞毒性，抑制产丁醇梭菌代谢
蒸汽爆破是经过纤维生物乙醇商业化验证的较为成熟的预处理技术，具有废水排放少，效率高，能耗低的优点。然而，在目前工业上普遍采用的酸性蒸汽爆破过程会在秸秆中解离出一系列呋喃衍生物、有机酚酸等抑制性副产物。这些副产物已证实对下游发酵过程存在协同抑制效应，尽管报道显示这些抑制物对真核酿酒酵母发酵产乙醇过程的抑制性不强，但可以显著影响产丁醇梭菌的溶剂代谢。汽爆秸秆酶解液中超过梭菌耐受阈值的酚酸抑制物浓度将导致“酸崩溃”的发生。即在产丁醇梭菌的“产酸期-产溶剂期”两阶段ABE发酵过程中，未解离有机酸穿过细胞膜进入细胞质，破坏跨膜质子梯度，进而破坏营养物质运输，最终导致发酵无法从产酸期过渡到产溶剂期。因此在以往的研究中需要在梭菌发酵之前额外进行脱毒操作以部分去除抑制物，提升纤维糖对溶剂的转化效率。然而脱毒单元的引入增加了上下游工艺的复杂性，同时也增加了物料消耗，不利于工业生产的实施。
直接利用汽爆秸秆酶解液发酵产ABE工艺的开发与改进
在梭菌发酵的产酸期维持较高pH环境会促进弱酸的解离，减少酚酸在细胞内积累，从而减少酚酸对细胞代谢的负面影响。基于此，论文提出利用低糖浓度汽爆秸秆酶解液（批次酶解制得）作为初始底物进行发酵，通过降低纤维糖和抑制物浓度的方式实现产丁醇梭菌从适应期到对数期的快速过渡。并依照前期研究经验（Renew Energy 2022，200，592-600），在发酵的前12 h调节醪液pH值为6.5，以刺激梭菌增殖和强化有机酸中间体代谢。在菌体增殖进入对数期中后期后，间歇性补入高糖浓度汽爆秸秆酶解液（补料-批次酶解制得），以提供充足碳源。基于该策略，最终在5 L发酵规模获得了17.68 g/L ABE溶剂浓度的发酵液，溶剂得率为0.34 g/g（纤维糖）（图1）。相比于传统脱毒-批次发酵策略，溶剂浓度和得率分别提高了182%和5.5%。
图1. 基于间歇补料发酵调控策略的汽爆秸秆酶解液ABE发酵
汽爆秸秆酶解液发酵产ABE中试评价
考虑到潜在的应用价值，论文通过对发酵规模的逐级放大，系统评价了该发酵调控策略的可靠性和规模化应用潜力。在1 m³规模发酵罐中，平行三组实验均获得了与实验室5 L发酵过程相似的结果，未显示出明显的放大效应。醪液中的ABE浓度达到17.05±1.20 g/L，溶剂产率达到0.32±0.01 g/g，证实了该发酵调控策略的可靠性（图2）。基于1 m³规模发酵结果，物料平衡分析显示 1 t 干燥玉米秸秆可生产约 145 kg ABE 溶剂（含36.4 kg丙酮、88.6 kg丁醇和19.4 kg乙醇）（图3）。
图2. 1 m³规模汽爆秸秆酶解液ABE发酵
图3. 基于1 m³规模发酵的物料衡算
04 文章摘要
Abstract
Biobutanol is an advanced biofuel that can be produced from excess lignocellulose via acetone-butanol-ethanol (ABE) fermentation. Although significant technological progress has been made in this field, attempts at large-scale lignocellulosic ABE production remain scarce. In this study, 1 m³ scale ABE fermentation was investigated using high inhibitor tolerance Clostridium acetobutylicum ABE-P1201 and steam-exploded corn stover hydrolysate (SECSH). Before expanding the fermentation scale, the detoxification process for SECSH was simplified by process engineering. Results revealed that appropriate pH management during the fed-batch cultivation could largely decrease the inhibition of the toxic components in undetoxified SECSH to the solventogenesis phase of the ABE-P1201 strains, avoiding ‘acid crash’. Therefore, after naturalizing the pH by Ca(OH)₂ , the undetoxified SECSH, without removal of the solid components, reached 17.68±1.30 g/L of ABE production with 0.34±0.01 g/g of yield in 1 L scale bioreactor. Based on this strategy, the fermentation scale gradually expanded from laboratory-scale apparatus to pilot-scale bioreactors. Finally, 17.05±1.20 g/L of ABE titer and 0.32±0.01 g/g of ABE yield were realized in 1 m³ bioreactor, corresponding to approximately 145 kg of ABE production from 1 t of dry corn stover. The pilot-scale ABE fermentation demonstrated excellent stability during repeated operations. This study provided a simplified ABE fermentation strategy and verified the feasibility of the pilot process, providing tremendous significance and a solid foundation for the future industrialization of second-generation ABE plants.
05 作者简介
谭天伟 院士
谭天伟，中国工程院院士，北京化工大学教授，校长，Green Carbon期刊名誉主编。以第一完成人获得国家技术发明二等奖2项、省部级科技奖一等奖5项，获国内外发明专利40余项，发表SCI收录论文500余篇。课题组致力于从非粮生物质资源出发制备液体燃料及重要化学品，为降低能源结构中化石资源比例及CO₂减排提供关键技术支撑。
蔡的 副教授
蔡的，北京化工大学副教授。主要研究方向为木质纤维素高值化利用。近年来主持国家重点研发子课题、国家自然科学基金、北京市自然科学基金等多项。以第一/通讯作者发表研究论文80余篇。曾获中国石油和化学联合会“CPCIF-Clariant”可持续发展青年创新奖等荣誉。
06 Green Carbon
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投稿网址：Green Carbon投稿
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