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目錄

· 摘要

· 介紹

· 設(shè)備和方法

· 結(jié)果與討論

· 結(jié)論

摘要

在本案例研究中，HEL BioXplorer用于評(píng)估自養(yǎng)模式或異養(yǎng)模式下的微生物發(fā)酵。在自養(yǎng)栽培中，升高的氣壓允許通過(guò)更高的生物質(zhì)生產(chǎn)率直接提高工藝經(jīng)濟(jì)性。證明了氣體溶解度和氣液傳質(zhì)顯著增加，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧分布的精細(xì)控制。這具有針對(duì)生物燃料和生物醇生產(chǎn)的應(yīng)用。在通常 100 ml 以上的發(fā)酵罐容積和高達(dá) 60 psi (~4 bar) 的工作壓力下運(yùn)行，使用 CO2 /H2 作為氣體原料的自養(yǎng)培養(yǎng)的生物質(zhì)生產(chǎn)率與使用葡萄糖酸鹽作為原料的異養(yǎng)培養(yǎng)的生物質(zhì)生產(chǎn)率相當(dāng)?shù)奶荚础?/p>

介紹

許多生物工藝的商業(yè)可行性取決于氣體轉(zhuǎn)移的速度。如果氣體溶解度差，則尤其如此。例如，當(dāng)在氣體發(fā)酵的情況下使用氫氣和甲烷等氣體從廢氣中生產(chǎn)燃料和化學(xué)品時(shí)，氣體傳輸不良的工程解決方案通常僅限于通過(guò)改變噴射和攪拌裝置來(lái)增加 kLa。這提供了非常有限的改進(jìn)空間；因此，許多潛在的有趣過(guò)程可能變得不經(jīng)濟(jì)。一種更有效的替代方法是在高壓下操作生物反應(yīng)器，因?yàn)樵瓌t上這可以將氣體傳輸速率提高幾倍，而不會(huì)改變噴射或攪拌。

要進(jìn)一步提高增長(zhǎng)率以證明擴(kuò)大使用投資的合理性，仍然存在挑戰(zhàn)需要克服。這些包括但不限于氣體密度低、氣體溶解度低（CH4、H2、O2 ~1 mmol/kg 水，和 CO2 ~30 mmol/kg 水）和緩慢的 C1 氣體傳輸速率，這些都將限制凈轉(zhuǎn)化率。增加發(fā)酵壓力將有助于加快氣體轉(zhuǎn)移。

設(shè)備和方法

殺蟲貪銅菌是公認(rèn)的將 C1 源轉(zhuǎn)化為一系列不同有機(jī)物的轉(zhuǎn)換器。底物轉(zhuǎn)化取決于特定菌株和菌株的遺傳修飾。本研究中使用的菌株是 C. necator H16，這是一種常見于土壤和淡水習(xí)性中的非致病性細(xì)菌，具有生產(chǎn)聚羥基鏈烷酸酯生物塑料的內(nèi)在能力。該菌株以葡萄糖酸鹽和二氧化碳作為碳源生長(zhǎng)。因此，發(fā)酵是在異養(yǎng)和自養(yǎng)兩種條件下進(jìn)行的。

總共測(cè)試了 10 種發(fā)酵條件，如表 1 所示。除非另有說(shuō)明，否則使用在合成培養(yǎng)基 MSM 中制備的具有 1% 葡萄糖酸鈉的接種物在 30°C 下進(jìn)行發(fā)酵。在培養(yǎng)開始時(shí)將發(fā)酵液接種至 OD600 = 0.3。使用 0.2 M NaOH 和 0.2 M H2SO4 將發(fā)酵液的 pH 值控制在 6.8。

BioXplorer 設(shè)置為監(jiān)測(cè) pH（探頭：Hamilton、Polilyte Plus XP）、溶解氧（探頭：Hamilton、VisiFerm DO Arc 120）、濁度（探頭：Anglia Instruments、Turbidity Probe SS316）、溫度（探頭：Helium、PT100 A 類 4 線）和生物質(zhì)（探針：ABER、FUTURApico[C1]）。

通過(guò) HEL 的 WinISO 軟件對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整。除計(jì)算出的 OD600 值外，顯示的所有數(shù)據(jù)均已從 WinISO 軟件導(dǎo)出。

結(jié)果與討論

在所有異養(yǎng)發(fā)酵（運(yùn)行#1-#5）中都觀察到細(xì)胞生長(zhǎng)，除了在 4 bar 條件下運(yùn)行的#3，最終培養(yǎng)物中沒有活細(xì)胞。從發(fā)酵#4觀察到的最大生長(zhǎng)速率為 0.326 h -1 （圖 1）。HPLC分析顯示葡萄糖酸鹽在發(fā)酵結(jié)束時(shí)完全消耗。

圖 1 – 發(fā)酵 #4 

通過(guò)以 1 bar 的步長(zhǎng)增加壓力并在每增加一步后保持 20 分鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)壓力下的自養(yǎng)培養(yǎng)。發(fā)酵#6（圖 2）和#7（圖 3）如下所示。

圖 2 – 發(fā)酵 #6

圖 3 – 發(fā)酵 #7

如圖 4 所示，在 1 bar (#4) 下，所有自養(yǎng)生長(zhǎng)速率均低于異養(yǎng)培養(yǎng)。將壓力從 1 bar 增加到 3 bar，增長(zhǎng)率提高了 166%。然而，與 1 bar 相比，將壓力增加到 4 bar 會(huì)顯著降低增長(zhǎng)至 24%。這表明 C. necator H16 的耐壓性可能在 4 bar 左右。需要進(jìn)一步的工作來(lái)使用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化來(lái)增加 C. necator 的耐壓性，這也可以使用 BioXplorer 進(jìn)行。

圖 4 – C. necator H16 在氣體發(fā)酵和異養(yǎng)生長(zhǎng)過(guò)程中的生長(zhǎng)曲線

結(jié)論

HEL BioXplorer用于成功研究壓力對(duì)異養(yǎng)和自養(yǎng)條件下 C. necator H16 生長(zhǎng)的影響。即使壓力從 1 bar 增加到 3 bar，異養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)仍然可行。[C1] 這并不奇怪，因?yàn)槠咸烟撬猁}的碳源在所有壓力下都很容易獲得。然而，在自養(yǎng)條件下，與 1 bar 相比，高達(dá) 3 bar 的壓力顯著增加了高達(dá) 166% 的增長(zhǎng)率。

HEL BioXplorer清楚地顯示了在壓力下進(jìn)行發(fā)酵的好處。因此，使用升高的壓力進(jìn)行微生物發(fā)酵可能使自養(yǎng)生長(zhǎng)在經(jīng)濟(jì)上可行。

致謝
我們要感謝 Wong 博士、Tee 博士和他們的團(tuán)隊(duì)完成了這項(xiàng)工作，并與我們分享了這些數(shù)據(jù)。我們與謝菲爾德大學(xué)的研究合作得到了 英國(guó)生物科學(xué)理事會(huì) C1Net BIV、英國(guó)生物科學(xué)理事會(huì) IAA 和英國(guó)皇家工程院|利華休姆信托高級(jí)研究獎(jiǎng)學(xué)金（授予Wong博士與HEL . 作為工業(yè)合作伙伴）的支持。