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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)濟性。氣體溶解度和氣液傳質(zhì)的大幅增加表明，體系同時實現(xiàn)了對溶解氧曲線的精細控制，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。
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，當氣體的溶解度很差，這一點尤其正確。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，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空間；因此，許多潛在的有趣的過程可能會變得不經(jīng)濟。一個更有效的替代方法是在高壓下操作生物反應(yīng)器，因為這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。
要進一步提高增長率以證明對規(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可的將C1來源轉(zhuǎn)化為一系列不同有機物的轉(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。正因為如此，發(fā)酵是在異養(yǎng)和自養(yǎng)的條件下進行的。
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，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小時后清空O2瓶，重復(fù)運行 |
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（運行#1-#5）中都觀察到了細胞的生長，除了#3是在4bar條件下運行的，在最后的培養(yǎng)中沒有活細胞。觀察到的最大生長速度是4號發(fā)酵的0.326小時-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，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。進一步的工作將是必要的，以增加鉤蟲貪銅菌在實驗室的耐壓性，這也可以用BioXplorer進行。
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，因為在所有的壓力下，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，壓力達到3bar時，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行發(fā)酵的好處。因此，使用高壓進行微生物發(fā)酵有可能使自養(yǎng)性生長在經(jīng)濟上是可行的。
l 鳴謝
| 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 |