随着化石燃料的过度使用和废料废物的非妥善处置，生态环境正在日益恶化。这一现象的改善可以通过将全球能源消费从化石燃料转向生物燃料（如氢和丁醇）来实现，这可能会减少碳排放，并建立一个更可持续的能源系统。近年来，氢气作为一种能源载体越来越受欢迎，可用于为车辆提供燃料、发电和各种工业应用。氢气的高能量含量（140 MJ/kg）及其燃烧仅产生水作为副产物的事实使其成为各种应用的理想清洁燃料。丁醇是一种高度通用的燃料，其与乙醇相比，具有更高的能量密度（29 MJ/L）、更低的蒸汽压（0.53 kPa）、更低的吸湿性和更低的挥发性。几项研究表明，生物法可以成功地生产丁醇和氢气。然而，仍有许多挑战需要解决。

      埃塞俄比亚芭蕉（Enset）纤维是一种很有前途的生物燃料生产原料。它是从Enset中获得的埃塞俄比亚农业残留物。在埃塞俄比亚传统的Enset食品加工过程中，大量的Enset纤维被浪费掉。Enset纤维含有67.1%的纤维素、15.6%的半纤维素和5.1%的木质素。研究表明，Enset纤维是一种有前途的生物燃料生产原料，具有减少碳排放和提高能源系统可持续性的潜力。

      丁醇可以通过在单个生物反应器中组合预处理的生物质、酶和梭菌物种来生产。该过程被称为同步糖化和发酵（SSF），能够同时发生糖释放和发酵。SSF具有许多优势，包括最大限度地减少底物抑制，降低运营成本，降低污染的总体风险，以及最大限度地提高丁醇生产率和收率。本研究旨在通过优化SSF工艺，最大限度地提高Enset纤维的氢气和丁醇产量。此外，作者研究了控制pH值对Enset纤维SSF工艺的影响。作者还试图通过PSSF工艺在高底物负载下使用Enset纤维使丁醇产率最大化。值得注意的是，本文是首次使用SSF工艺从Enset纤维中同时生产氢气和丁醇的研究。

图1 Enset纤维通过SSF生产丁醇和氢气的示意图

      本工作研究了工艺参数，以提高从Enset纤维中生产丁醇的产量。选择并优化了搅拌速度、纤维素酶上载量和底物上载量等重要参数。

      初步结果表明，丁基丙酮糖梭菌发酵仅在28 °C和37 °C之间产生代谢物;然而，在37 °C以上未检测到代谢物。表1展示出了搅拌速度对来自Enset纤维的SSF工艺中的丁醇生产和糖化工艺（对照实验）中的葡萄糖生产的影响。在SSF过程72小时后，与其他发酵相比，在100 rpm的搅拌速度下产生11.48 g/L的最大丁醇浓度。在此速度下，菌株消耗几乎所有的葡萄糖，导致丁醇产率为0.23 g/g，生产率为0.16 g/（L·h）。然而，在130 rpm下，丁醇产量较低（10.33 g/L），9.48 g/L葡萄糖未被消耗。另一方面，糖化过程表明，在130 rpm下，酶在72 h后释放的葡萄糖（44.57 g/L）比在其他速度下更多。

       此外，还研究了纤维素酶上载量对Enset纤维产丁醇的影响。表2显示了不同纤维素酶上载量对来自Enset纤维的SSF方法中的丁醇生产和糖化方法中的葡萄糖生产的影响。结果表明，在16和24 FPU/g之间，SSF工艺中丁醇产量没有显著差异，而9 FPU/g纤维素酶加载导致丁醇产量略低，为10.73 g/L。在30 FPU/g纤维素酶负荷下，糖化过程释放出较高的葡萄糖浓度47.47 g/L，但SSF过程显示出最低的丁醇浓度9.6 g/L和产率0.19 g/g。

      本文考察了Enset纤维底物上载对SSF工艺中丁醇生产的影响。表3显示了底物上载如何影响SSF工艺中的丁醇生产和Enset纤维糖化工艺中的葡萄糖生产。结果表明，在5%和7%（w/v）的Enset纤维的底物负载下观察到相同的丁醇浓度11 g/L。然而，在7%（w/v）的底物上载下，丁醇产率低得多（0.16g/g），并且与其他底物负载相比，12.42g/L的葡萄糖保持未发酵。另一方面，尽管丁醇浓度和生产率较低，但在2%和3%（w/v）底物上载下实现了较高的丁醇产率。

表1 搅拌速度对瓶内SSF工艺中

丁醇产量和糖化工艺中葡萄糖产量的影响

表2 纤维素酶上载量对瓶中SSF工艺中

丁醇产量和糖化工艺中葡萄糖产量的影响

表3 底物负荷对SSF工艺中生物丁醇产量

和糖化工艺中葡萄糖产量的影响

      在2.5 L生物反应器中建立了一种小型的以Enset纤维为原料的SSF生产丁醇的工艺，并考察了pH控制对该工艺的影响。所有发酵均在5%（w/v）底物负载、16 FPU/g纤维素酶负载、30 °C的温度和6.8的初始pH的最佳条件下进行，如从先前瓶实验确定的，除了搅拌器速度为150 rpm。SSF方法在2.5L搅拌釜反应器中按比例放大，该反应器具有将富氢气体保持在介质中的减压阀。生物反应器压力在约5小时内达到1.55bar的绝对压力;之后，阀门打开并调节压力，同时过量气体通过BlueVCount释放并收集在气囊中。发酵24小时后压力降至1.52bar，并保持恒定直至54小时。然后，压力在1.23bar和1.48bar之间波动，直到发酵结束。

      先前的研究表明，在ABE发酵期间保持pH高于5.0可提高丁醇产量，糖化期间纤维素酶活性的最佳pH范围为5.0至5.5。在这项研究中，pH控制（高于5.0）的影响丁醇生产的SSF过程中使用相同的生物反应器设置，并与pH控制发酵的结果进行了比较。图2A、B显示了来自Enset 纤维的SSF工艺中的代谢物和pH曲线，其中pH受控和pH不受控发酵。接种8 h内，两种发酵液的pH值均从6.8降至5.0。在pH控制的发酵中，在8小时后打开碱泵以保持pH高于5.0;然而，在19小时后，没有观察到NaOH的添加。在19 h内，该发酵液的pH值达到峰值pH值5.96，68 h后降至5.53。之后，它在5.51和5.60之间波动。相反，pH不受控的发酵显示pH在19小时后略微增加至5.29，并且在68小时后逐渐降低至4.83，其中pH保持恒定直到发酵结束。

图3 采用Enset纤维在高底物上载量下PSSF工艺中的代谢物

     作者试图通过PSSF工艺在高Enset纤维上载情况中实现最大化丁醇生产率。该实验在具有pH控制发酵的生物反应器中进行，类似于上述实验。图3显示了使用Enset纤维作为碳源，在7%（w/v）的底物负载下，在PSSF工艺中产生的代谢物。预水解步骤持续2 h，然后是l h的过渡期以调节温度和初始pH值，并且酶将Enset纤维水解成12.53g/L的葡萄糖和2.66g/L的其它糖，如木糖、甘露糖和半乳糖。此外，作者还观察到Enset纤维部分降解，并且在该过程结束时将培养基均质化。接种C.saccharoperbutylacetonicum后，PSSF工艺的丁醇生产速率为0.21 g/（L h），比pH控制的SSF工艺更快，但与pH不控制的SSF工艺略有相似。然而，在pH控制和非控制发酵中，PSSF工艺中72 h后的丁醇浓度高于SSF工艺，为11.04 g/L。在发酵结束时，PSSF工艺中的丁醇浓度和生产率分别提高到12.84 g/L和0.104 g/（L·h）。尽管PSSF方法中的丁醇浓度和生产率高于SSF方法，但丁醇产率0.18（g/g）显著低于SSF方法。此外，PSSF方法产生比SSF方法更高浓度的丙酮（5.64 g/L）和更高量的氢气（378.69 mmol）。然而，在发酵结束时，作者发现4.51 g/L葡萄糖、2.58 g/L乙酸和1.37 g/L丁酸未被使用。

       这项研究证明了Enset纤维作为SSF工艺中氢气和丁醇生产原料的潜力。采用C. saccharoperbutylacetonicum菌株，作者在不同条件下实现了两种生物燃料的高产率和高浓度。此外，开发了两种产品的可扩展工艺，以获得与摇瓶规模实验相似的结果，表明在工业规模上的潜在适用性。这是第一次将这种菌株和底物组合用于SSF过程的研究，它有助于可持续能源的开发。但是，需要对5L、10L生物反应器和中试规模工艺进行进一步研究。此外，还需要进行全面的可行性研究和环境影响评估，以便使用Enset纤维的SSF工艺实现工业规模的丁醇和氢气生产。