目录

· 摘要

· 介绍

· 设备和方法

· 结果与讨论

· 结论

摘要

在本案例研究中，HEL BioXplorer用于评估自养模式或异养模式下的微生物发酵。在自养栽培中，升高的气压允许通过更高的生物质生产率直接提高工艺经济性。证明了气体溶解度和气液传质显着增加，同时实现了对溶解氧分布的精细控制。这具有针对生物燃料和生物醇生产的应用。在通常 100 ml 以上的发酵罐容积和高达 60 psi (~4 bar) 的工作压力下运行，使用 CO2 /H2 作为气体原料的自养培养的生物质生产率与使用葡萄糖酸盐作为原料的异养培养的生物质生产率相当的碳源。

介绍

许多生物工艺的商业可行性取决于气体转移的速度。如果气体溶解度差，则尤其如此。例如，当在气体发酵的情况下使用氢气和甲烷等气体从废气中生产燃料和化学品时，气体传输不良的工程解决方案通常仅限于通过改变喷射和搅拌装置来增加 kLa。这提供了非常有限的改进空间；因此，许多潜在的有趣过程可能变得不经济。一种更有效的替代方法是在高压下操作生物反应器，因为原则上这可以将气体传输速率提高几倍，而不会改变喷射或搅拌。

要进一步提高增长率以证明扩大使用投资的合理性，仍然存在挑战需要克服。这些包括但不限于气体密度低、气体溶解度低（CH4、H2、O2 ~1 mmol/kg 水，和 CO2 ~30 mmol/kg 水）和缓慢的 C1 气体传输速率，这些都将限制净转化率。增加发酵压力将有助于加快气体转移。

设备和方法

杀虫贪铜菌是公认的将 C1 源转化为一系列不同有机物的转换器。底物转化取决于特定菌株和菌株的遗传修饰。本研究中使用的菌株是 C. necator H16，这是一种常见于土壤和淡水习性中的非致病性细菌，具有生产聚羟基链烷酸酯生物塑料的内在能力。该菌株以葡萄糖酸盐和二氧化碳作为碳源生长。因此，发酵是在异养和自养两种条件下进行的。

总共测试了 10 种发酵条件，如表 1 所示。除非另有说明，否则使用在合成培养基 MSM 中制备的具有 1% 葡萄糖酸钠的接种物在 30°C 下进行发酵。在培养开始时将发酵液接种至 OD600 = 0.3。使用 0.2 M NaOH 和 0.2 M H2SO4 将发酵液的 pH 值控制在 6.8。

BioXplorer 设置为监测 pH（探头：Hamilton、Polilyte Plus XP）、溶解氧（探头：Hamilton、VisiFerm DO Arc 120）、浊度（探头：Anglia Instruments、Turbidity Probe SS316）、温度（探头：Helium、PT100 A 类 4 线）和生物质（探针：ABER、FUTURApico[C1]）。

通过 HEL 的 WinISO 软件对所有参数进行持续监控和自动调整。除计算出的 OD600 值外，显示的所有数据均已从 WinISO 软件导出。

结果与讨论

在所有异养发酵（运行#1-#5）中都观察到细胞生长，除了在 4 bar 条件下运行的#3，最终培养物中没有活细胞。从发酵#4观察到的最大生长速率为 0.326 h -1 （图 1）。HPLC分析显示葡萄糖酸盐在发酵结束时完全消耗。

图 1 – 发酵 #4 

通过以 1 bar 的步长增加压力并在每增加一步后保持 20 分钟来实现压力下的自养培养。发酵#6（图 2）和#7（图 3）如下所示。

图 2 – 发酵 #6

图 3 – 发酵 #7

如图 4 所示，在 1 bar (#4) 下，所有自养生长速率均低于异养培养。将压力从 1 bar 增加到 3 bar，增长率提高了 166%。然而，与 1 bar 相比，将压力增加到 4 bar 会显着降低增长至 24%。这表明 C. necator H16 的耐压性可能在 4 bar 左右。需要进一步的工作来使用实验室进化来增加 C. necator 的耐压性，这也可以使用 BioXplorer 进行。

图 4 – C. necator H16 在气体发酵和异养生长过程中的生长曲线

结论

HEL BioXplorer用于成功研究压力对异养和自养条件下 C. necator H16 生长的影响。即使压力从 1 bar 增加到 3 bar，异养条件下的生长仍然可行。[C1] 这并不奇怪，因为葡萄糖酸盐的碳源在所有压力下都很容易获得。然而，在自养条件下，与 1 bar 相比，高达 3 bar 的压力显着增加了高达 166% 的增长率。

HEL BioXplorer清楚地显示了在压力下进行发酵的好处。因此，使用升高的压力进行微生物发酵可能使自养生长在经济上可行。

致谢
我们要感谢 Wong 博士、Tee 博士和他们的团队完成了这项工作，并与我们分享了这些数据。我们与谢菲尔德大学的研究合作得到了 英国生物科学理事会 C1Net BIV、英国生物科学理事会 IAA 和英国皇家工程院|利华休姆信托高级研究奖学金（授予Wong博士与HEL . 作为工业合作伙伴）的支持。