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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(duì)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(lái)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，可通過(guò)升高的氣體壓力提升更高的生物質(zhì)生產(chǎn)速率來(lái)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(duì)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(guò)程中，使用氫氣和甲烷等氣體時(shí)，對(duì)于氣體轉(zhuǎn)移不暢的工程解決方案通常僅限于通過(guò)改變噴氣和攪拌來(lái)增加kLa。這提供了非常有限的改進(jìn)空間；因此，許多潛在的有趣的過(guò)程可能會(huì)變得不經(jīng)濟(jì)。一個(gè)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(zhǎng)率以證明對(duì)規(guī)模化使用的投資的合理性，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(huì)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(lái)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(duì)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(jiàn)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(zhǎng)。正因?yàn)槿绱耍l(fā)酵是在異養(yǎng)和自養(yǎng)的條件下進(jìn)行的。

一共測(cè)試了10種發(fā)酵條件，如表1所總結(jié)的。除非另有說(shuō)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(kāi)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

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(cè)，并通過(guò)H.E.L的WinISO軟件自動(dòng)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(zhǎng)，除了#3是在4bar條件下運(yùn)行的，在最后的培養(yǎng)中沒(méi)有活細(xì)胞。觀察到的最大生長(zhǎng)速度是4號(hào)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(guò)以1bar為單位增加壓力并在每一步增加后保持20分鐘來(lái)實(shí)現(xiàn)的。發(fā)酵過(guò)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(zhǎng)速度都比1bar下的異養(yǎng)生長(zhǎng)速度慢（#4）。將壓力從1bar增加到3bar，生長(zhǎng)速度增加了166%。然而，與1bar相比，增加壓力到4bar時(shí)，生長(zhǎng)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(lái)研究壓力對(duì)鉤蟲貪銅菌H16在異養(yǎng)和自養(yǎng)條件下生長(zhǎng)的影響。即使壓力從11bar增加到3bar，異養(yǎng)條件下的生長(zhǎng)仍然是可行的。這并不奇怪，因?yàn)樵谒械膲毫ο拢咸烟撬岬奶荚炊己苋菀撰@得。然而，在自養(yǎng)條件下，與1bar相比，壓力達(dá)到3bar時(shí)，生長(zhǎng)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(zhǎng)在經(jīng)濟(jì)上是可行的。

l 鳴謝

l 客戶