Engineering Clostridium Saccharoperbutylacetonicum for Enhanced Isopropanol-Butanolethanol (IBE) Production from Lignocellulosic Biomass Through Acetic Acid Pretreatment.
저자
발행사항
Ann Arbor : ProQuest Dissertations & Theses, 2018
학위수여대학
Auburn University
수여연도
2018
작성언어
영어
주제어
학위
Ph.D.
페이지수
169 p.
지도교수/심사위원
Advisor: Wang, Yi.
The objective of this study was to achieve efficient biofuel production from lignocellulosic biomass through the development of a novel biomass pretreatment method in combination with the metabolic engineering of microbial strains for efficient conversion of biomass feedstock. First, an innovative biomass pretreatment method was developed using acetic acid (AA) as the treatment reagent considering its various advantages compared to the conventional dilute acid pretreatment method and the benefit of AA for biobutanol production; then, the hyper-butanol producing strain Clostridium saccharoperbutylacetonicum N1-4 was engineered for enhanced acid re-assimilation and acetone-butanol-ethanol (ABE) production from the acetic-acid-pretreated biomass; further, C. saccharoperbutylacetonicum was engineered for enhanced production of isopropanol-butanol-ethanol (IBE; which can be used directly as a fuel source rather than ABE) from the acetic-acid-pretreated biomass.For the biofuel production from lignocellulosic biomass, most biomass pretreatment processes need to use some chemical reagent as the catalyst to overcome the biomass recalcitrance barrier. Such reagents are usually severe inhibitors for the subsequence fermentation process. Therefore, in many cases, the liquid prehydrolysates fraction (LPF) after the pretreatment is discarded, which is a tremendous wasting of materials and leads to additional pollution. Biobutanol produced from ABE fermentation process has been of great interests recently due to its high value as a biofuel or biochemical. During the ABE fermentation, AA is produced and then re-assimilated as a carbon source. Thus, AA is a substrate rather than an inhibitor for biobutanol production. In this study, we employed AA as the chemical catalyst for the pretreatment of switchgrass which then be used for ABE production through simultaneous saccharification and fermentation (SSF) with hyper-butanol producing C. saccharoperbutylacetonicum N1-4. Through systematic investigation of pretreatment conditions and fermentation, we concluded that the pretreatment with 3 g/L AA at 170 oC for 20 min is the optimal conditions for switchgrass pretreatment leading to efficient biobutanol production. Both LPF and solid cellulosic fraction (SCF) of the pretreatment biomass are highly fermentable. In the fermentation with the LPF/SCF mixture, 8.6 g/L butanol (corresponding to a yield of 0.16 g/g) was obtained. Overall, here we demonstrated an innovative biomass pretreatment strategy for efficient carbon source utilization and biobutanol production.ABE fermentation generally has two phases: in the acidogenesis phase, fatty acids (acetic acid and butyric acid) are accumulated, while in the solventogenic phase, fatty acids are re-assimilated and converted into solvents. Therefore, the improvement of acid re-assimilation capability in the Clostridium host can possibly enhance the solvent production. In addition, acetic acid is often a significant component in the biomass prehydrolysates after pretreatment (especially when acid-based biomass pretreatment approach is employed). Thus, the enhancement of acid re-assimilation in Clostridium has practical significance for biofuel production from lignocellulosic biomass. Here, we overexpressed key genes of the ABE fermentation pathways in C. saccharoperbutylacetonicum to enhance the acid re-assimilation and solvent production. First, the native sol operon (ald-ctfA-ctfB-bcd) was overexpressed under the strong constitutive thiolase promoter (Pthl), generating PW2 strain. Fermentation results demonstrated that the acid re-assimilation was improved in the host strain and ABE production has been increased to 31.4 g/L (vs. 26.4 g/L in JZ100 strain as the control).
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