厌氧消化废弃毕赤酵母耦联高效丁醇/丁酸发酵生产

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重组毕赤酵母是发酵生产各类外源蛋白如工业酶、药用蛋白/抗体和食品添加剂等的重要宿主。但是,发酵后残存的废弃毕赤酵母是一种典型的半固态工业废弃物,产生量巨大,使用传统固态废物处理法对其处理困难、不能缓解固态废物减量和环境污染的问题。废弃毕赤酵母是一种富含蛋白质与多糖的有机生物质,因此,通过发酵法厌氧消化废弃酵母,可以将其一部分转化成环境污染较小的小分子物质、实现其减量化;同时还可将其另一部分转化成有用的平台化合物/生物燃料、实现其资源化。丁酸/丁醇是重要的平台化合物/生物燃料,其发酵生产均需要充足的碳水化合物和氨基酸作为碳氮源。但是,传统发酵法生产丁酸/丁醇均存在原料价格高、前处理操作复杂、产量低、经济性能差等问题。通过厌氧消化法处理废弃毕赤酵母生产丁酸和丁醇可以实现废弃毕赤酵母减量,又可以得到有价值的平台化合物。主要研究结果如下:(1)将废弃毕赤酵母悬浊液替代丁酸发酵所需昂贵有机氮源。构建玉米粉培养基起始丁酸发酵、发酵途中补添18-28 g-DCW·L-1废弃酵母悬浊液并连续补料葡萄糖的丁酸发酵工艺。69 h终止发酵时丁酸浓度达到45 g·L-1,与只使用玉米粉培养基的对照相比提高?160%、丁酸占总酸的比率(B/TA)超过90%。该工艺可以厌氧消化废弃酵母悬浊液中的有益物质,促进细胞生长,间接提升丁酸发酵性能。(2)使用(1)的发酵工艺,使用玉米粉培养基启动丁酸发酵,仍然存在原料价格高、需要使用生物酶进行糊化处理,前处理操作复杂等问题。研究发现,使用废弃酵母悬浊液与葡萄糖直接复配形成的、废弃酵母含量为5.6 g-DCW·L-1的初始发酵培养基,酪丁酸梭菌可以耐受较低SO42-浓度,且具备一定量的有机氮源,丁酸发酵可以直接启动,简化了复杂的发酵前处理操作。发酵24 h、酪丁酸梭菌生长到足以耐受高SO42-环境的浓度后,一次性或分批添加上述悬浊液,废弃酵母总投料量可达26.3 g-DCW·L-1。同时连续流加浓缩葡萄糖溶液,发酵66-69 h结束、最终丁酸浓度可达51-54 g·L-1的高水平,比使用80 g·L-1玉米粉培养基的传统发酵提高?160%,其中,丁酸占总酸比例高达98%。但是,单批次发酵的废弃酵母表观减量率仅有49%。为此,构建了丁酸发酵废弃酵母多次回用的数学模型,结果显示,当总发酵处理单元的个数为4(N=4)时,除渣率(废弃酵母表观减量率)可达97%。(3)将上述丁酸发酵工艺应用于丁醇发酵,也可以实现废弃酵母的减量化和资源化。其中,最终丁醇浓度可达11.5 g?L-1,高于使用昂贵CGM培养基进行传统发酵时的水平。更加重要的是,单批次发酵废弃酵母表观减量率高达71%,远高于丁酸发酵的相应水平。经理论计算和实验数据分析发现,以废弃酵母为主要原料之一进行丁醇发酵,虽然丁醇产物抑制严重、但单位质量的丙酮丁醇梭菌可将更多的废弃酵母内含的不溶性多糖以及蛋白转化成目标溶剂产品和CO2、NH4+等小分子物质。其中,最大多糖有效利用率可达56%;蛋白质分解率高达82%。理论计算毕赤酵母减量化率与废弃酵母悬浊液中蛋白和多糖的分解直接相关,与酪丁酸梭菌相比,丁醇发酵会分解更多的蛋白和多糖。(4)为了得到高品质的生物丁醇,并且灵活性的生产生物丁醇和丁酸,将上述的丁酸发酵上清液与葡萄糖为共底物进行高品质的丁醇发酵,发酵特征是发酵产物具有高丁醇/丙酮比(B/A)。丁醇浓度维持的较高水平(12.7 g·L-1)的同时,B/A从2.0大幅提高到4.4-5.0,降低了对葡萄糖的消耗。此发酵体系可以厌氧消化丁酸发酵上清液中的丁酸、寡糖和氨基酸等营养物质,通过提高NADH的利用效率提高丁醇的产量。丁酸是丁醇的前体物质,以丁酸发酵上清液和葡萄糖为双底物的发酵策略可以节省原料成本,高B/A比的丁醇发酵液减少了下游的精制成本。(5)对以废弃酵母为主要发酵原料之一进行丁酸/丁醇发酵、实现废弃酵母的减量化/资源化的体系进行了经济分析和评价。结果表明:使用废弃酵母悬浊液/葡萄糖复配培养基作为起始培养基,并在发酵途中添加废弃酵母悬浊液和浓缩葡萄糖溶液的操作策略生产丁酸/丁醇时,每消耗1t-WCW废弃毕赤酵母,丁酸发酵的毛利润为¥2100-¥3500?(t-湿废弃酵母)-1左右,而丁醇发酵的毛利润则在¥2400-¥2800?(t-湿废弃酵母)-1左右。厌氧消化废弃酵母耦联丁酸/丁醇高效发酵系统的良好经济性能得到充分体现。
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