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目錄

· 摘要

· 介紹

· 設備和方法

· 結果與討論

· 結論

摘要

在本案例研究中，HEL BioXplorer用于評估自養模式或異養模式下的微生物發酵。在自養栽培中，升高的氣壓允許通過更高的生物質生產率直接提高工藝經濟性。證明了氣體溶解度和氣液傳質顯著增加，同時實現了對溶解氧分布的精細控制。這具有針對生物燃料和生物醇生產的應用。在通常 100 ml 以上的發酵罐容積和高達 60 psi (~4 bar) 的工作壓力下運行，使用 CO2 /H2 作為氣體原料的自養培養的生物質生產率與使用葡萄糖酸鹽作為原料的異養培養的生物質生產率相當的碳源。

介紹

許多生物工藝的商業可行性取決于氣體轉移的速度。如果氣體溶解度差，則尤其如此。例如，當在氣體發酵的情況下使用氫氣和甲烷等氣體從廢氣中生產燃料和化學品時，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空間；因此，許多潛在的有趣過程可能變得不經濟。一種更有效的替代方法是在高壓下操作生物反應器，因為原則上這可以將氣體傳輸速率提高幾倍，而不會改變噴射或攪拌。

要進一步提高增長率以證明擴大使用投資的合理性，仍然存在挑戰需要克服。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，這些都將限制凈轉化率。增加發酵壓力將有助于加快氣體轉移。

設備和方法

殺蟲貪銅菌是公認的將 C1 源轉化為一系列不同有機物的轉換器。底物轉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性中的非致病性細菌，具有生產聚羥基鏈烷酸酯生物塑料的內在能力。該菌株以葡萄糖酸鹽和二氧化碳作為碳源生長。因此，發酵是在異養和自養兩種條件下進行的。

總共測試了 10 種發酵條件，如表 1 所示。除非另有說明，否則使用在合成培養基 MSM 中制備的具有 1% 葡萄糖酸鈉的接種物在 30°C 下進行發酵。在培養開始時將發酵液接種至 OD600 = 0.3。使用 0.2 M NaOH 和 0.2 M H2SO4 將發酵液的 pH 值控制在 6.8。

BioXplorer 設置為監測 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（探針：ABER、FUTURApico[C1]）。

通過 HEL 的 WinISO 軟件對所有參數進行持續監控和自動調整。除計算出的 OD600 值外，顯示的所有數據均已從 WinISO 軟件導出。

結果與討論

在所有異養發酵（運行#1-#5）中都觀察到細胞生長，除了在 4 bar 條件下運行的#3，最終培養物中沒有活細胞。從發酵#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酵結束時完全消耗。

圖 1 – 發酵 #4 

通過以 1 bar 的步長增加壓力并在每增加一步后保持 20 分鐘來實現壓力下的自養培養。發酵#6（圖 2）和#7（圖 3）如下所示。

圖 2 – 發酵 #6

圖 3 – 發酵 #7

如圖 4 所示，在 1 bar (#4) 下，所有自養生長速率均低于異養培養。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。需要進一步的工作來使用實驗室進化來增加 C. necator 的耐壓性，這也可以使用 BioXplorer 進行。

圖 4 – C. necator H16 在氣體發酵和異養生長過程中的生長曲線

結論

HEL BioXplorer用于成功研究壓力對異養和自養條件下 C. necator H16 生長的影響。即使壓力從 1 bar 增加到 3 bar，異養條件下的生長仍然可行。[C1] 這并不奇怪，因為葡萄糖酸鹽的碳源在所有壓力下都很容易獲得。然而，在自養條件下，與 1 bar 相比，高達 3 bar 的壓力顯著增加了高達 166% 的增長率。

HEL BioXplorer清楚地顯示了在壓力下進行發酵的好處。因此，使用升高的壓力進行微生物發酵可能使自養生長在經濟上可行。

致謝
我們要感謝 Wong 博士、Tee 博士和他們的團隊完成了這項工作，并與我們分享了這些數據。我們與謝菲爾德大學的研究合作得到了 英國生物科學理事會 C1Net BIV、英國生物科學理事會 IAA 和英國皇家工程院|利華休姆信托高級研究獎學金（授予Wong博士與HEL . 作為工業合作伙伴）的支持。