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为解决燃料乙醇面临的 “粮食 - 燃料” 矛盾及 ABE 发酵中丁醇毒性抑制问题，研究人员以小黑麦秸秆（TSW）为原料，构建序批式 ABE - 产油发酵体系，结合 XAD-4 原位分离丁醇，利用剩余 VFAs 生产单细胞油（SCO）。结果显示碱预处理（1% NaOH，170℃）显著提升丁醇（11.82 g/L）和脂质（3.25 g/L）产量，为木质纤维素高效转化提供新路径。
在全球能源转型的浪潮中，生物燃料作为传统化石燃料的可持续替代品，正日益受到关注。然而，第一代生物燃料（如玉米乙醇、甘蔗乙醇）面临着 “粮食与燃料” 的尖锐矛盾，而基于木质纤维素的第二代生物燃料虽被寄予厚望，却也受制于发酵过程中的诸多技术瓶颈。以丙酮 - 丁醇 - 乙醇（ABE）发酵为例，丁醇作为性能优越的高级生物燃料，其生产常因菌株对丁醇的耐受性低、产物抑制效应显著而难以实现高效转化。此外，发酵过程中产生的挥发性脂肪酸（VFAs）等副产物若直接排放，不仅造成资源浪费，还可能引发环境污染。如何突破这些技术壁垒，实现木质纤维素资源的全组分高效利用，成为当前生物炼制领域亟待解决的关键科学问题。
为应对上述挑战，来自伊朗伊斯法罕大学的研究团队开展了一项创新性研究。他们以耐旱、低营养需求的小黑麦秸秆（TSW）这一未被充分开发的木质纤维素原料为底物，构建了序批式 ABE 发酵联产丁醇与单细胞油（SCO）的整合工艺，并将相关成果发表在《Biomass and Bioenergy》期刊。该研究通过 “原位丁醇分离 - VFAs 共享 - 产油发酵” 的全链条设计，旨在打通木质纤维素从糖转化到溶剂生产、再到脂质合成的多元利用路径，为提升生物炼制过程的可持续性与资源效率提供新范式。
关键技术方法
研究采用的核心技术路径包括：
- 原料预处理：分别采用稀硫酸（1% H?SO?）和氢氧化钠（1% NaOH）对小黑麦秸秆进行化学预处理，以破坏木质纤维素结构，释放可发酵糖。
- 酶解糖化：使用 Cellic? CTec2 纤维素酶对预处理后的秸秆进行酶解，优化条件以提高葡萄糖得率。
- ABE 发酵与原位分离：利用丙酮丁醇梭菌（C. acetobutylicum NRRL B-591）进行 ABE 发酵，同时引入 XAD-4 Amberlite 吸附剂实现丁醇的原位分离，解除产物抑制。
- 产油发酵：将 ABE 发酵后的含 VFAs 残液作为碳源，接种金黄隐球菌（C. aureus）进行单细胞油生产。
研究结果
预处理对糖释放与 ABE 发酵的影响
- 未处理秸秆：72 小时酶解后总糖浓度仅 4.12 g/L，后续发酵产生 0.68 g/L 丁醇、0.17 g/L 乙醇及 0.70 g/L 单细胞油。
- 稀酸预处理：总糖浓度提升至 28.0 g/L，ABE 发酵总溶剂产量达 9.0 g/L。
- 碱预处理（170℃，1% NaOH）：实现最高糖释放效率，葡萄糖得率达 85%，ABE 产量提升至 11.82 g/L，进一步通过 XAD-4 吸附使丁醇浓度增至 12.97 g/L。
产油发酵对 VFAs 的利用效率
碱预处理组的 ABE 发酵残液经金黄隐球菌转化后，获得最高生物量（9.96 g/L）和脂质产量（3.25 g/L），证实 VFAs 作为碳源可高效驱动单细胞油合成。
工艺整合的可持续性优势
该序批式工艺通过 “原位分离 - 资源循环” 模式，不仅提升了丁醇产量，还将传统 ABE 发酵中被忽视的 VFAs 副产物转化为高附加值单细胞油，显著提高了木质纤维素的利用效率，减少了废水排放。
结论与意义
本研究首次将木质纤维素基 ABE 发酵与原位丁醇分离、产油发酵集成，构建了 “双碳产物联产” 的新型生物炼制模式。实验结果表明，碱预处理结合 XAD-4 吸附可有效解除丁醇抑制，而 VFAs 的跨阶段利用则实现了碳资源的最大化回收。该工艺为小黑麦秸秆等农业废弃物的高值化利用提供了技术验证，同时为解决生物燃料生产中的 “粮食竞争” 与 “过程低效” 问题开辟了新路径。未来若能进一步优化菌株代谢通路与工艺参数，有望推动该整合技术向工业化应用迈进，助力循环经济与低碳能源体系的构建。
