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H.E.L BioXplore的生物降碳應(yīng)用
H.E.L BioXplore的生物降碳應(yīng)用--碳達(dá)峰,、碳中和
高壓力下鉤蟲貪銅菌H16的氣體發(fā)酵
使用H.E.L BioXplorer系統(tǒng)在1至4bar的壓力下對鉤蟲貪銅菌H16進(jìn)行發(fā)酵，使用二氧化碳或糖作為weiyi的碳源
Dr. Tuck Seng Wong a, Dr. KangLan Tee a, Dr. Jasbir Singh b, Dr. Mark Appleton b
a - University of Sheffield, Sheffield, S1 3JD
b - H.E.L Ltd, 9-10 Capital Business Park, Borehamwood, WD6 1GW
l 摘要
在本研究中，H.E.L BioXplorer被用來評估自養(yǎng)模式或異養(yǎng)模式下的微生物發(fā)酵。在自養(yǎng)栽培中，可通過升高的氣體壓力提升更高的生物質(zhì)生產(chǎn)速率來直接改善工藝經(jīng)濟(jì)性,。氣體溶解度和氣液傳質(zhì)的大幅增加表明，體系同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對溶解氧曲線的精細(xì)控制,，這已應(yīng)用于生物燃料和生物酒精生產(chǎn)方面,。在容積通常為100mL以上的發(fā)酵罐和高達(dá)60psi（約4bar）的工作壓力范圍內(nèi)，使用CO2/H2作為氣體原料的自養(yǎng)栽培的生物量生產(chǎn)率與使用葡萄糖酸鹽作為碳源的異養(yǎng)栽培相當(dāng),。
l 引言
許多生物工藝的商業(yè)可行性可能取決于氣體轉(zhuǎn)移的速度,，當(dāng)氣體的溶解度很差，這一點(diǎn)尤其正確,。例如,，在利用廢氣生產(chǎn)燃料和化學(xué)品的氣體發(fā)酵過程中，使用氫氣和甲烷等氣體時(shí),，對于氣體轉(zhuǎn)移不暢的工程解決方案通常僅限于通過改變噴氣和攪拌來增加kLa,。這提供了非常有限的改進(jìn)空間；因此,，許多潛在的有趣的過程可能會變得不經(jīng)濟(jì),。一個更有效的替代方法是在高壓下操作生物反應(yīng)器,，因?yàn)檫@可以在不改變噴射或攪拌的情況下將氣體傳輸率提高數(shù)倍。
要進(jìn)一步提高增長率以證明對規(guī)?；褂玫耐顿Y的合理性,，仍需要克服一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括,，但不限于：氣體密度低,，氣體溶解度低（CH4,、H2,、O2~1 mmol/kg水，CO2~30 mmol/kg水）和C1氣體轉(zhuǎn)移速度慢,，這都會限制凈轉(zhuǎn)化率,。增加發(fā)酵的壓力將有助于加快氣體轉(zhuǎn)移。
l 材料和方法
鉤蟲貪銅菌是一種廣泛認(rèn)可的將C1來源轉(zhuǎn)化為一系列不同有機(jī)物的轉(zhuǎn)換器,。底物的轉(zhuǎn)化取決于具體的菌株,，以及對菌株的基因改造。本研究中使用的菌株是鉤蟲貪銅菌H16,，這是一種常見于土壤和淡水中的非致病性細(xì)菌,，具有生產(chǎn)多羥基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,。正因?yàn)槿绱?，發(fā)酵是在異養(yǎng)和自養(yǎng)的條件下進(jìn)行的。
一共測試了10種發(fā)酵條件,，如表1所總結(jié)的,。除非另有說明，發(fā)酵是在30℃下進(jìn)行的,，使用的是在含有1%葡萄糖酸鈉的MSM合成培養(yǎng)基中制備的接種物,。培養(yǎng)開始時(shí)，將發(fā)酵液接種到OD600 = 0.3,。使用0.2 M NaOH和0.2 M H2SO4將發(fā)酵液控制在pH 6.8,。
表1 培養(yǎng)條件
# | 碳源 | 壓力(bar) | 氣體成分 | 氣體流速(ml/min) | 攪拌速率 (rpm) | 備注 |
1 | 葡萄糖酸鹽 | 1 | 100% Air | 100 | 600 | 無pH 監(jiān)測/控制 |
2 | 葡萄糖酸鹽 | 2 | 700 | 600 | - | |
3 | 葡萄糖酸鹽 | 4 | 600 | 700 | 無 DO 監(jiān)測，無細(xì)胞生長 | |
4 | 葡萄糖酸鹽 | 1 | 100 | 600 | - | |
5 | 葡萄糖酸鹽 | 3 | 500 | 600 | 壓力增加速率1bar/min | |
6 | CO2 | 1 | 85% H2 5% O2 10% CO2 | 500 | 600 | 在OD600≈1的情況下,，12小時(shí)后清空O2瓶,，重復(fù)運(yùn)行 |
7 | CO2 | 3 | 500 | 600 | - | |
8 | CO2 | 3 | 500 | 600 | 使用自養(yǎng)式預(yù)培養(yǎng) | |
9 | CO2 | 4 | 500 | 600 | 在早期指數(shù)期的5天后停止生長 | |
10 | CO2 | 2 | 500 | 600 | 可能由于預(yù)培養(yǎng)物過舊而沒有生長 |
BioXplorer設(shè)置： pH值（探頭：Hamilton，Polilyte Plus XP）,、溶解氧（探頭：Hamilton,，VisiFerm DO Arc 120）、濁度（探頭：Anglia Instruments,，濁度探頭SS316）,、溫度（探頭：Helium,，PT100 Aji4線）和生物量（探頭：ABER，FUTURApico）,。所有參數(shù)都被連續(xù)監(jiān)測,，并通過H.E.L的WinISO軟件自動調(diào)整。除了計(jì)算出的OD600值,，所有顯示的數(shù)據(jù)都是從WinISO軟件中導(dǎo)出,。
l 結(jié)果和討論
在所有的異養(yǎng)發(fā)酵（運(yùn)行#1-#5）中都觀察到了細(xì)胞的生長，除了#3是在4bar條件下運(yùn)行的,，在最后的培養(yǎng)中沒有活細(xì)胞,。觀察到的最大生長速度是4號發(fā)酵的0.326小時(shí)-1（圖1）。高效液相色譜分析表明,，葡萄糖酸鹽在發(fā)酵結(jié)束時(shí)被wanquan消耗,。
在壓力下的自養(yǎng)性培養(yǎng)是通過以1bar為單位增加壓力并在每一步增加后保持20分鐘來實(shí)現(xiàn)的。發(fā)酵過程#6（圖2）和#7（圖3）顯示如下,。
如圖4所示,，所有的自養(yǎng)生長速度都比1bar下的異養(yǎng)生長速度慢（#4）。將壓力從1bar增加到3bar,，生長速度增加了166%,。然而，與1bar相比,，增加壓力到4bar時(shí),，生長速度明顯下降到24%。這表明,，鉤蟲貪銅菌H16的耐壓性可能是在4bar左右,。進(jìn)一步的工作將是必要的，以增加鉤蟲貪銅菌在實(shí)驗(yàn)室的耐壓性,，這也可以用BioXplorer進(jìn)行,。
l 結(jié)論
H.E.L BioXplorer成功地被用來研究壓力對鉤蟲貪銅菌H16在異養(yǎng)和自養(yǎng)條件下生長的影響。即使壓力從11bar增加到3bar,，異養(yǎng)條件下的生長仍然是可行的,。這并不奇怪，因?yàn)樵谒械膲毫ο?，葡萄糖酸的碳源都很容易獲得,。然而，在自養(yǎng)條件下,，與1bar相比,，壓力達(dá)到3bar時(shí)，生長率明顯增加到166%,。
使用H.E.L BioXplorer清楚地顯示了在壓力下進(jìn)行發(fā)酵的好處,。因此,，使用高壓進(jìn)行微生物發(fā)酵有可能使自養(yǎng)性生長在經(jīng)濟(jì)上是可行的。
l 鳴謝
| 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,，并與我們分享這些數(shù)據(jù)。我們與謝菲爾德大學(xué)的研究合作得到了BBSRC C1Net BIV,、BBSRC IAA和RAEng的支持,。The Leverhulme Trust Senior Research Fellowship（授予黃博士，H.E.L.為工業(yè)伙伴） |
l 客戶
Human Technopole | Italy | BioXplorer 100 |
Merck | USA | Bioxplorer 400P XL |
Aberystwyth University | UK | BioXplorer 100 |
University of Cologne | Germany | BioXplorer 100 |
Electrochaea GmbH | Germany | BioXplorer 5000P |
University of Chicago | USA | BioXplorer 5000 |
浙江大學(xué) | China | BioXplorer 5000 |
CHr Hansen | Denmark | BioXplorer 100 |
Universidad Politécnica de Madrid (UPM) | Spain | BioXplorer 100 |
University College Cork, Ireland University College Cork | Ireland | BioXplorer 400 |