摘要

在本案例研究中，H.E.L BioXplorer 被用于评估自养或异养模式下的微生物发酵。在自养培养中，提高气体压力可通过提高生物质生产速率直接改善工艺经济性。研究证明，气体溶解度和气液传质显著提高，同时实现了对溶解氧曲线的精细控制。这适用于生物燃料和生物醇的生产。在通常 100 ml 起的多种发酵罐体积以及最高 60 psi（约 4 bar）的工作压力下，以 CO2 /H2 为进气的自养培养的生物质生产速率与以葡萄糖酸盐为碳源的异养培养相当。

引言

许多生物工艺的商业可行性取决于气体传递的速度，在气体溶解度较差时尤其如此。例如，在利用废气生产燃料和化学品的气体发酵中使用氢气和甲烷等气体时，针对气体传递不佳的工程解决方案通常仅限于通过改变通气和搅拌配置来提高 kLa。这种方式的改进空间非常有限，因此许多颇具潜力的工艺可能因此变得不经济。一种更有效的替代方案是在加压条件下运行生物反应器，原则上无需改变通气或搅拌即可将气体传递速率提高数倍。

要进一步提高生长速率以证明放大投资的合理性，仍需克服一些挑战。这些挑战包括但不限于：气体密度低、气体溶解度低（CH4、H2、O2 约 1 mmol/kg 水，CO2 约 30 mmol/kg 水）以及 C1 气体传递速率慢，这些都会限制净转化速率。提高发酵压力有助于加快气体传递。

设备与方法

Cupriavidus necator 是公认的可将 C1 碳源转化为多种有机物的微生物。底物转化取决于具体菌株及其基因改造。本研究使用的菌株为 C. necator H16，这是一种常见于土壤和淡水生境的非致病性细菌，天然具备生产聚羟基脂肪酸酯 (PHA) 生物塑料的能力。该菌株可利用葡萄糖酸盐和 CO2 作为碳源生长，因此发酵分别在异养和自养条件下进行。

共测试了 10 种发酵条件，汇总见表 1。除非另有说明，发酵均在 30 °C 下进行，接种物在含 1% 葡萄糖酸钠的合成培养基 MSM 中制备。培养开始时，发酵液接种至 OD600 = 0.3。使用 0.2 M NaOH 和 0.2 M H2SO4 将发酵液 pH 控制在 6.8。

BioXplorer 设置为监测 pH（探头：Hamilton, Polilyte Plus XP）、溶解氧（探头：Hamilton, VisiFerm DO Arc 120）、浊度（探头：Anglia Instruments, Turbidity Probe SS316）、温度（探头：Helium, PT100 Class A 4-wire）和生物量（探头：ABER, FUTURApico[C1]）。

所有参数均通过 H.E.L 的 WinISO 软件持续监测和自动调节。除计算得出的 OD600 值外，所示全部数据均导出自 WinISO 软件。

结果与讨论

除在 4 bar 条件下运行的 #3（最终培养物中无活细胞）外，所有异养发酵（#1-#5）均观察到细胞生长。观察到的最大生长速率为 0.326 h^-1，来自发酵 #4（图 1）。HPLC 分析显示，发酵结束时葡萄糖酸盐已完全消耗。

加压自养培养通过以 1 bar 为步长逐步升压实现，每次升压后保持 20 分钟。发酵 #6（图 2）和 #7（图 3）如下所示。

如图 4 所示，所有自养生长速率均低于 1 bar 下的异养培养 (#4)。将压力从 1 bar 提高到 3 bar 后，生长速率提高了 166%。然而，将压力提高到 4 bar 后，生长显著下降至 1 bar 时的 24%。这表明 C. necator H16 的耐压极限可能在 4 bar 左右。要提高 C. necator 的耐压性，还需借助实验室进化开展进一步研究，这同样可以使用 BioXplorer 完成。

结论

H.E.L BioXplorer 成功用于研究压力对 C. necator H16 在异养和自养条件下生长的影响。即使压力从 1 bar 提高到 3 bar，异养条件下仍可正常生长。[C1] 这并不意外，因为在所有压力下葡萄糖酸盐碳源都很容易获取。然而，在自养条件下，与 1 bar 相比，最高 3 bar 的压力使生长速率显著提高，最高达 166%。

H.E.L BioXplorer 清楚地展示了加压发酵的优势。因此，在微生物发酵中采用加压条件有望使自养生长具备经济可行性。

致谢

感谢 Wong 博士、Tee 博士及其团队完成这项工作并与我们分享数据。我们与谢菲尔德大学 (The University of Sheffield) 的研究合作获得了 BBSRC C1Net BIV、BBSRC IAA 以及 RAEng|The Leverhulme Trust Senior Research Fellowship（授予 Wong 博士，H.E.L. 为工业合作伙伴）的支持。