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H.E.L BioXplore的生物降碳應用
H.E.L BioXplore的生物降碳應用--碳達峰、碳中和
高壓力下鉤蟲貪銅菌H16的氣體發酵
使用H.E.L BioXplorer系統在1至4bar的壓力下對鉤蟲貪銅菌H16進行發酵，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被用來評估自養模式或異養模式下的微生物發酵。在自養栽培中，可通過升高的氣體壓力提升更高的生物質生產速率來直接改善工藝經濟性。氣體溶解度和氣液傳質的大幅增加表明，體系同時實現了對溶解氧曲線的精細控制，這已應用于生物燃料和生物酒精生產方面。在容積通常為100mL以上的發酵罐和高達60psi（約4bar）的工作壓力范圍內，使用CO2/H2作為氣體原料的自養栽培的生物量生產率與使用葡萄糖酸鹽作為碳源的異養栽培相當。
l 引言
許多生物工藝的商業可行性可能取決于氣體轉移的速度，當氣體的溶解度很差，這一點尤其正確。例如，在利用廢氣生產燃料和化學品的氣體發酵過程中，使用氫氣和甲烷等氣體時，對于氣體轉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濟。一個更有效的替代方法是在高壓下操作生物反應器，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倍。
要進一步提高增長率以證明對規模化使用的投資的合理性，仍需要克服一些挑戰。這些挑戰包括，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氣體轉移速度慢，這都會限制凈轉化率。增加發酵的壓力將有助于加快氣體轉移。
l 材料和方法
鉤蟲貪銅菌是一種廣泛認可的將C1來源轉化為一系列不同有機物的轉換器。底物的轉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，具有生產多羥基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。正因為如此，發酵是在異養和自養的條件下進行的。
一共測試了10種發酵條件，如表1所總結的。除非另有說明，發酵是在30℃下進行的，使用的是在含有1%葡萄糖酸鈉的MSM合成培養基中制備的接種物。培養開始時，將發酵液接種到OD600 = 0.3。使用0.2 M NaOH和0.2 M H2SO4將發酵液控制在pH 6.8。
表1 培養條件
# | 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 監測/控制 |
2 | 葡萄糖酸鹽 | 2 | 700 | 600 | - | |
3 | 葡萄糖酸鹽 | 4 | 600 | 700 | 無 DO 監測，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，重復運行 |
7 | CO2 | 3 | 500 | 600 | - | |
8 | CO2 | 3 | 500 | 600 | 使用自養式預培養 | |
9 | CO2 | 4 | 500 | 600 | 在早期指數期的5天后停止生長 | |
10 | CO2 | 2 | 500 | 600 | 可能由于預培養物過舊而沒有生長 |
BioXplorer設置： 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）。所有參數都被連續監測，并通過H.E.L的WinISO軟件自動調整。除了計算出的OD600值，所有顯示的數據都是從WinISO軟件中導出。
l 結果和討論
在所有的異養發酵（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，在最后的培養中沒有活細胞。觀察到的最大生長速度是4號發酵的0.326小時-1（圖1）。高效液相色譜分析表明，葡萄糖酸鹽在發酵結束時被wanquan消耗。
在壓力下的自養性培養是通過以1bar為單位增加壓力并在每一步增加后保持20分鐘來實現的。發酵過程#6（圖2）和#7（圖3）顯示如下。
如圖4所示，所有的自養生長速度都比1bar下的異養生長速度慢（#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在異養和自養條件下生長的影響。即使壓力從11bar增加到3bar，異養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酵的好處。因此，使用高壓進行微生物發酵有可能使自養性生長在經濟上是可行的。
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據。我們與謝菲爾德大學的研究合作得到了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 | 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 |