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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)了對溶解氧分布的精細(xì)控制,。這具有針對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改變噴射和攪拌裝置來增加 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,。因此,，發(fā)酵是在異養(yǎng)和自養(yǎng)兩種條件下進(jìn)行的。

總共測試了 10 種發(fā)酵條件,，如表 1 所示,。除非另有說明，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 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 HEL 的 WinISO 軟件對所有參數(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，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 

通過以 1 bar 的步長增加壓力并在每增加一步后保持 20 分鐘來實(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)生長速率均低于異養(yǎng)培養(yǎng)。將壓力從 1 bar 增加到 3 bar,，增長率提高了 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)一步的工作來使用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)化來增加 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)生長過程中的生長曲線

結(jié)論

HEL BioXplorer用于成功研究壓力對異養(yǎng)和自養(yǎng)條件下 C. necator H16 生長的影響。即使壓力從 1 bar 增加到 3 bar,，異養(yǎng)條件下的生長仍然可行,。[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 英國生物科學(xué)理事會(huì) C1Net BIV,、英國生物科學(xué)理事會(huì) IAA 和英國皇家工程院|利華休姆信托高級研究獎(jiǎng)學(xué)金（授予Wong博士與HEL . 作為工業(yè)合作伙伴）的支持。